配电网电力电子装备的互联与网络化技术

摘要：电力电子技术在电力系统中有着极为广泛的应用。近年来，电力电子技术在配电系统中获得迅猛发展，其主要功能从传统的电能质量调节、可再生能源接入和用户侧的节能用电等，扩展到配电网的电能双向、甚至多向流动控制以及复杂的电能调控管理。因此，电力电子装备传统的独立工作模式已经无法满足越来越复杂的配电网的需要，亟需将相互独立的电力电子设备互联起来以实现整体协调和控制，从而真正做到能量和信息集成的一体化网络。这种发展趋势既给电力电子技术本身带来新的挑战，又为配电网带来新的变革，并促进直流配电网的发展。该文综述了配电网中电力电子设备网络化的重要性及其概念，讨论了电力电子装备的发展方向，并从功率和通信两个层面探讨了电力电子网络化所需的关键技术。同时，介绍了基于电力电子变换器的直流配电网的特点、可能的组成架构以及相关的技术问题。

关键词：电力电子技术;网络化;配电网;通信;

0引言

电力电子技术的迅速发展使大容量变换器具备了能量双向/多向流动能力，同时可以实现各种电能形式的变换、调控和管理。电力电子技术的广泛应用将给电力系统，尤其是配电网和用户端带来深刻变革。电力电子技术与通信技术的结合将成为一种趋势，使得电力电子装备成为能量与信息的一体化集成系统，其核心就是电力电子网络化技术。本文主要讨论了电力电子网络化技术的研究和应用，包括电力电子装备、通信系统和直流配电网等相关领域的问题和挑战。

1配电网系统中的电力电子装备及应用

电力系统通常分为发电、输电和配电系统三部分。配电系统又称为配电网，它面向用户，其传统结构是从输电系统接收电能并分配给各个用户。传统配电网有以下特点：1)电力的传输一般是单向的，即向负载端传递[1];2)配电网中有大量电力电子装备以满足用户对电能质量的要求;3)用电负荷中包含了各种电力电子设备以实现电能形式多样化;4)配电网中的配网自动化有信号和数据传输，其通信方式多样，通信速率不一，以满足不同控制需求。

作为一个时变系统，配电网对用户负荷环境的每个变化都要具有调控和适应能力，电力电子装备的使用能缩短电网的响应时间并增强电网的调控能力[2]。同时，为提高配电网的电能质量，需要各种配电设备在工作频率、阻抗特性、谐波产生等方面满足一定条件。配电网灵活交流输电系统(distributionflexibleACtransmissionsystem，DFACTS)[3]将电力电子技术和现代控制技术结合起来，对电力系统电压、线路阻抗、相位角、功潮流等参数进行快速、连续地调节控制，从而大幅提高输电线路的输送能力和可控性，降低输电损耗，保证安全供电。DFACTS中起关键作用的电力电子设备有：

1)配网中的串并联同步补偿器。串联装置起着将系统与负荷隔离的作用[4]，是面向负荷的补偿方式，用于防止诸如电压波动、不平衡和高次谐波等系统非正常运行对负荷产生影响。并联装置与负荷并联用来抑制负荷(如钢厂、电气化铁道、大型变流器等)所产生的高次谐波、不对称、无功和闪变等有害因素对系统的影响，是面向系统的补偿方式[5]。

为了充分利用串联和并联补偿器各自的优点，统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)将两种补偿方式混合起来使用，使其具备双向补偿功能——既面向系统，又面向负荷。

2)有源滤波器(activepowerfilter，APF)。是一种实现无功补偿和抑制谐波的电力电子装置[6]。它通过注入与负载谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流，消除非线性负载对电网的影响。APF同样分为并联和串联两种结构，分别面向系统和负荷进行补偿。

3)固态开关。主要用来隔离电网中的故障，包括固态转换开关(solidstatetransferswitch，SSTS)和固态断路器(solidstatebreaker，SSB)[7]。其中SSTS可在系统发生故障时，在几毫秒之内将负荷由故障母线转换到备用电源;而SSB是当系统发生故障时，将设备从系统中切除。当其与电抗相连时，可用作固态限流器(solidstatecurrentlimiter，SSCL)。

除了配电线路，用户端也大量应用了电力电子装置。电力电子变换器将电网的交流电转换成各种用户所需的电能形式，达到节能和提高用电质量的目的。例如，电气化铁路中的电机驱动采用IGCT和IGBT等器件[8]，整流和逆变环节通过PWM控制，使输入电流功率因数为1，既提高了机车性能，又维持了电网侧的电能质量，并降低了无功补偿和谐波抑制装置的容量。又如在工业电力传动调速系统中广泛使用变频器，以实现电机节电运行。对中小容量风机、水泵、压缩机等采用低压变频调速技术，一般可节能20%~50%;中大容量设备采用高压变频调速技术可节能25%~40%。这对占我国总用电量40%以上电动机耗电而言，其节能效果非常可观。此外，一些对供电质量要求高的场合必须采用电力电子装置。电压调整模块(voltageregulationmodule，VRM)由于其负载动态性能好，广泛用于IT、通信领域的供电[9]。银行、医院、数据中心等场所对供电的可靠性要求很高，必须采用不间断电源UPS以提高供电的安全性[10]。电动汽车和储能装置中，充放电设备是必不可少的。正是由于电力电子装备在用户端具有节能、高性能、负荷特性易于控制等优势，可以预见将来大部分电能在传输到用户端前都会经过电力电子变换设备，这会对配电网产生巨大的影响。但是电力电子设备的大量应用还需要考虑如下问题：

1)成本。随着功率器件和DSP/MCU的广泛应用和价格不断下降，设备硬件成本不断降低。对于大部分通用电力电子设备，成本将不再成为其推广应用的障碍。但是，传统的电力电子装置设计需要多个领域有经验的研发人员的配合，研发成本很高，尤其对于那些小批量的个性化设备。为了降低研发和制造成本，国内外学者研究电力电子模块单元(powerelectronicbuildingblock，PEBB)[11]，力图简化电力电子设备的研发和设计，使其适用于大规模生产，通过提高产量降低整机成本。

2)可靠性。按成本计算，分布式配电网中电力电子装备的比例一般低于总系统的50%，但目前来说，电力电子设备仍然是总系统中故障率较高的部分。因此，需要通过优化设计技术、精确控制策略和保护机制，来提高电力电子系统的可靠性。

3)干扰。电力电子设备采用高频斩波技术，较高的dv/dt、di/dt会对电网造成明显的电磁干扰和谐波污染等危害，甚至影响监控系统通信质量。随着软开关和EMC技术的进一步发展，电力电子变换器的电磁干扰将不断降低[12]。

4)容量。相对于传统的电力系统设备，电力电子变换器的容量相对较小，这是电力电子技术应用于电力系统最大的挑战。尽管多电平多重化技术的变流器达MW至几十MW级，轻型直流输电装备采用可关断器件，已到几百MVA，这些都无法和电力系统装备容量相比较。因此，电力电子设备可处理的功率等级还需要大幅度扩充，提高电力电子装备技术是当务之急。

2电力电子装备技术的发展

电力电子技术是基于电力电子器件实现电能变换的技术。一个完整的电力电子系统包含相当宽泛的技术领域，如功率开关器件技术、变换器技术、控制理论、无源元件、封装、EMC、冷却技术等，如图1所示[13]。要使电力电子装备技术在配电网系统得到更好的应用，器件、变换器和系统三个层次都必须同时发展，将对这三个层次展开具体叙述。

1)器件。

半导体开关器件是电力电子的基础，包括IGBT、IGCT、SCR等，其电压/电流等级已分别达到6500V，4500A。提高现有器件的水平，发展新型器件是电力电子学科的前沿课题。影响器件性能的因素包括器件材料、器件结构及氧化层形成等相关工艺技术[14]。

近年来，新型半导体材料如SiC和GaN等宽禁带材料得到迅猛发展，使电力电子器件的工作温度和频率进一步提升。表1给出了Si、SiC以及GaN等三种材料特性的对比[15]。当前SiC主要被用作超高压大功率器件[16]，而GaN主要用于制造高频器件，如1MHz以上[17]。随着器件技术发展，各种工艺的进步，开关速度不断提高，开关损耗逐步降低，驱动功率也相应减小。另一方面，随着电力电子设备工作频率和功率密度的提升，无源元件的寄生参数也会对电路性能产生较大影响。在其制作中，磁性元件和绝缘材料的改进不但可以降低损耗，还有助于缩小体积。

2)变换器。

从电力电子学科的诞生伊始，变换器技术就不断地向前发展。变换器作为电能的功率处理器，将某种频率、某种幅度的输入电能形式变换成另一种频率和幅值的电能，使电能完全适用于配电网和用户端。如今研究人员已经提出了适用于双向、多向电能流动控制与传输应用的大量拓扑结构。变换器的效率也已经被提升到前所未有的高度，几乎各类变换器的效率均已超过90%，甚至99%这样的高效率也已经不罕见[18]。另外，大功率系统中将多个变换器串联或并联，通过这种方式以提高电压和电流处理能力，来匹配配电网容量。

3)电力电子系统。

一些大型电力电子装备往往需要多个变换器以及复杂的辅助电路，这构成了一个电力电子系统。图2为一个典型电力电子系统的框图[19]。系统中有多个变换器进行能量处理，它们彼此可能是串联、并联、级联或者甚至没有直接的电气连接。由于系统规模较大，使用一个控制器无法处理如此庞大而复杂的装备和系统，而且单一控制器也不利于系统的设计、扩展和维护。因此，需要多个控制器同时运行，且往往是分层结构，可分为系统控制器和变换器控制器，如图2所示。系统控制器收集各个变换器的状态信息，并给各个变换器下派指令。

变换器控制器一般对应单一变换器，保证变换器的正常工作，执行闭环运算、驱动、保护等功能。主控制器分别和每个变换器控制器通信，而变换器之间是否需要通信则根据应用要求而定。

正是高压大电流电力电子器件以及无源元件组合，构成具有电能双向、甚至多向流动的变换器，并能实现电能的调控管理。这样的电力电子装备在满足配电网和用户端的需要的同时，又为配电网带来新的变革——让直流配电网的实现变为可能。

3直流配电网

3.1直流配电网的优势

随着城市规模的发展，用电量的增大，电网中的敏感负荷、非线性负荷越来越多，交流配电网面临线路损耗大、供电走廊紧张以及电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题[20]。在20世纪电网初建伊始，直流电网方案和交流电网有过激烈的竞争，但由于变压的不便，直流电网方案被淘汰，如今电力电子技术发展迅猛，让直流配电网重新回到人们的视野。相对于交流配网，直流配网有以下优势：

1)线路容量增大。在同样的线路建造费用或走廊空间的情况下，直流输电的容量是交流输电的150%[20]。同时，直流配电网只需两根线，线损小。直流输电没有集肤效应，导线截面利用充分，而且也没有金属护套涡流损耗和无功损耗。

2)电能质量提高。直流配电网中，储能装置(如蓄电池、超级电容)的加入，使直流电网变得更稳定，有效的解决了电压闪变问题。柔性直流配电网中的换流器无需交流侧提供无功功率，还能起到静止无功补偿器(staticsynchronouscompensator，STATCOM)作用。

3)稳定性提升。采用直流输电线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，具有隔离故障的能力，所以不存在稳定性问题，提高了运行的可靠性。

4)可再生能源更易接入。配电网将接纳大量的风能、太阳能、海洋能源等可再生能源发电入网。这些新能源大多是直流输出的系统，若采用直流形式的配电网，可再生分布式能源以及储能设备的接入得到简化，提高效率。

5)更利于用户电气设备供电。目前，大量智能化电器都是基于直流电源供电的，如电动汽车、服务器、手机等。从直流配网直接给这些电器供电，可提高效率，降低成本。即使如空调、冰箱、微波炉等交流设备，直流配网也有利于变频技术的引入。