城市交直流混合配电网的发展及应用技术

何文志

经济全球化快速发展，城市规模越来越大，电能需求持续增长，发展分布式可再生能源接入配电网系统是改善城市用电需求紧张的一种有效途径。随着电力电子技术的快速发展，关键技术问题不断突破，交直流混合用电技术及经济优势逐渐凸显。本文根据当下城市用能形势，分析了交直流混合供电模式、交直流电能转换装备、直流电开断装置及系统运行控制等4个方面，对当前理论及应用情况进行了论述。最后，对城市交直流混合配电网的未来研究方向进行了展望。

交直流混合;配电系统;电力电子技术;运行控制

0引言

近年来随着能源革命的进行，以新能源为代表的清洁能源在实现我国能源转型中起着至关重要的作用。随着城市化的进程，越来越多的人居住在城市，城市用电量不断增加。城市地区空调负荷耗能在高峰期占比超过40%，当前，以变频空调、IT 类负载及电动汽车为代表的广义直流负荷正蓬勃发展，传统交流配用电系统存在“源-荷-储”接入传统交流电网变流环节多、损耗高、融合难，以及多种分布式能源欠缺互补机制及灵活调控手段等问题。

目前城市配电网的网架结构单一，供电可靠性还有待进一步提高。为适应城市用电的不断攀升，满足城市用电多元化需求，充分利用各种分布式可再生能源，未来城市配电网需进一步更新换代，向交直流混合的、可供广泛可再生能源及储能设备接入的配电网发展。发展以分布式可再生能源为核心，实现“源-网-荷-储”协调优化运行的新型城市配用电系统，并在不断扩大的城市供电中发挥安全、稳定、充足的能源供应，为经济提供源源不断的动力。研究交直流混合供电模式、交直流电能转换装备、直流电开断装置及运行控制策略，对未来大规模应用交直流混合配电网做好充足的技术储备。

2 交直流混合供电模式

在电力电子技术快速发展的驱动下，直流配用电技术被广泛研究，直流配用电系统具有结构简单、损耗小、供电质量优等特点。现阶段的配用电系统中存在大量交流电源及设备，完全进行直流配用电系统的改造不具备经济性，因此，在现有的交流配用电系统的基础上，发展交直流混合配用电系统成为目前最为经济、可行的方案。交直流混合配用电系统结合了交流及直流的优点，能够有效的减少分布式可再生能源、广义直流负荷电能转换过程中的中间环节。

针对上述新型配用电系统发展方向，建设交直流混合、可再生能源和储能设备广泛接入的交直流混合供电系统具有极大的经济性和灵活性，该系统的可再生能源可包括光伏、风机、光热发电，储能设备可为热利用系统、储电系统。通过多端口多功能电力电子变压器实现多种分布式可再生能源高比例接入、交直流配用电多级混联。通过储电、储热等综合储能系统，实现源、网、荷高效互补，同时改善多种分布式能源高比例接入对电网的影响。

3 交直流电能转换装备

目前发展快速的交直流电能转换装备为电力电子变压器（power electronic transformer，PET），它是配电系统实现交直流混联的核心设备。PET通过高频磁性元件、高效率电力电子拓扑技术实现多端口之间的电能相互转换及电气隔离。PET具有体积小;可灵活实现不同电压类型、电压等级之间的双向电能变换，有利于灵活实现配用电系统“源-网-荷-储”协调优化控制;可减少分布式能源、广义直流负荷接入时的电能变换环节，提高系统效率;可实现功率因数控制等优点。

电力电子变压器作为实现多种电压等级的交直流端口间的能量相互转换流动，其端口数量可以有2、3、4、5、6等，不同端口输出或输入不同的电流形式和电压等级，交流电如10kV交流、380V交流等，直流电如10kV直流、±375V直流等。

电力电子变压器采用低压侧并联、高压侧串联的模块化串并联结构，低压侧采用并联的结构可以高效率的扩容;高压侧采用串联结构直接升压至中压配电网电压等级，并且以多电平的形式出现，有利于减小滤波电感。内部系统采用高频变压器隔离，有利于减小变压器体积，提高系统功率密度。高频部分采用软开关技术，有利于提高高频部分的效率，减少损耗。功率模块采用碳化硅宽禁带器件，具有耐高温、耐高压、高效率等特点。

4 直流电开断装置

在交直流混合系统中，直流母线的保护是保障系统安全运行的关键技术。由于直流短路电流没有过零点，灭弧十分困难。直流断路器技术也不断发展，目前主要分为机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器。其中机械式直流断路器具有开关通态损耗低、开断时间较长特点，固态式直流断路器主要由IGBT、IGCT、IECT、GTO等大功率电力电子器件实现直流的开断，具有开断迅速、可靠性高、通态损耗较大的特点。混合式直流断路器结合机械式直流断路器和固态式直流断路器的优点，广泛应用于直流保护中。

5 运行控制策略

交直流混合配电系统中对运行控制策略采用分层分布式控制架构，设计有就地层、协调控制层、能量管理层、运营管理层共计四层。其中，就地层、协调控制层和能量管理层为站级控制体系，主要实现对单个交直流混合配电网进行优化运行;运营管理层为云端运营级，主要实现对多个交直流混合配电网进行统一运营管理和调度。就地层主要包括：分布式可再生能源、储能、负荷、电力电子变压器、直流断路器等一次设备;协调控制层主要包括：多能协调控制系统、区域就地控制器、交流保护装置、直流保护装置等设备;能量管理层主要为“源-网-荷-储”能量管理系统;运营管理层基于云平台实现，部署基于云平台的分布式可再生能源运行管理系统。 同时，考虑“源-网-荷-储”能量管理系统与云平台的集成度，将能量管理系统与云平台系统统一部署在云平台中。

6 结论

城市用电需求不断增长，发展交直流混合、可供大量分布式可再生能源接入的配电网系统是提升城市用电供应能力的一种有力措施。随着科技发展和相关电力电子技术瓶颈的不断突破，研究及推广交直流混合配用电技术成为可能。本文详细分析了交直流混合供电模式、交直流电能转换装备、直流电开断装置及系统运行控制等方面，对当前理论及应用进行了论述。希望上述分析对未来建设交直流混合配电网提供有益思考，不断优化城市供电系统。

参考文献

[1]  董朝阳， 赵俊华， 文福拴，等. 从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架[J]. 电力系统自动化， 2014， 38（15）： 1-11.

[2]  马钊，周孝信，尚宇炜，等.能源互联网概念、关键技术及发展模式探索[J].电网技术， 2015， 39（11）：3014-3022.

[3]  孙宏斌， 郭庆来， 潘昭光. 能源互联网：理念、架构与前沿展望[J]. 电力系统自动化， 2015， 39（11）： 3005-3013.

[4]  曾鸣， 杨雍琦， 刘敦楠，等. 能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及关键技术[J].电网技术， 2016， 40（01）：114-124.

[5]  刘敦楠， 徐尔丰， 许小峰. 面向园区微网的“源–网–荷–储”一体化运营模式[J].電网技术， 2018， 42（03）： 681-689.