摘要：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著極為廣泛的應用。近年來，電力電子技術(shù)在配電系統(tǒng)中獲得迅猛發(fā)展，其主要功能從傳統(tǒng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、可再生能源接入和用戶側(cè)的節(jié)能用電等，擴展到配電網(wǎng)的電能雙向、甚至多向流動控制以及復雜的電能調(diào)控管理。因此，電力電子裝備傳統(tǒng)的獨立工作模式已經(jīng)無法滿足越來越復雜的配電網(wǎng)的需要，亟需將相互獨立的電力電子設(shè)備互聯(lián)起來以實現(xiàn)整體協(xié)調(diào)和控制，從而真正做到能量和信息集成的一體化網(wǎng)絡(luò)。這種發(fā)展趨勢既給電力電子技術(shù)本身帶來新的挑戰(zhàn)，又為配電網(wǎng)帶來新的變革，并促進直流配電網(wǎng)的發(fā)展。該文綜述了配電網(wǎng)中電力電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的重要性及其概念，討論了電力電子裝備的發(fā)展方向，并從功率和通信兩個層面探討了電力電子網(wǎng)絡(luò)化所需的關(guān)鍵技術(shù)。同時，介紹了基于電力電子變換器的直流配電網(wǎng)的特點、可能的組成架構(gòu)以及相關(guān)的技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);網(wǎng)絡(luò)化;配電網(wǎng);通信;

0引言

電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展使大容量變換器具備了能量雙向/多向流動能力，同時可以實現(xiàn)各種電能形式的變換、調(diào)控和管理。電力電子技術(shù)的廣泛應用將給電力系統(tǒng)，尤其是配電網(wǎng)和用戶端帶來深刻變革。電力電子技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合將成為一種趨勢，使得電力電子裝備成為能量與信息的一體化集成系統(tǒng)，其核心就是電力電子網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。本文主要討論了電力電子網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的研究和應用，包括電力電子裝備、通信系統(tǒng)和直流配電網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域的問題和挑戰(zhàn)。

1配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電力電子裝備及應用

電力系統(tǒng)通常分為發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)三部分。配電系統(tǒng)又稱為配電網(wǎng)，它面向用戶，其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從輸電系統(tǒng)接收電能并分配給各個用戶。傳統(tǒng)配電網(wǎng)有以下特點：1)電力的傳輸一般是單向的，即向負載端傳遞[1];2)配電網(wǎng)中有大量電力電子裝備以滿足用戶對電能質(zhì)量的要求;3)用電負荷中包含了各種電力電子設(shè)備以實現(xiàn)電能形式多樣化;4)配電網(wǎng)中的配網(wǎng)自動化有信號和數(shù)據(jù)傳輸，其通信方式多樣，通信速率不一，以滿足不同控制需求。

作為一個時變系統(tǒng)，配電網(wǎng)對用戶負荷環(huán)境的每個變化都要具有調(diào)控和適應能力，電力電子裝備的使用能縮短電網(wǎng)的響應時間并增強電網(wǎng)的調(diào)控能力[2]。同時，為提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，需要各種配電設(shè)備在工作頻率、阻抗特性、諧波產(chǎn)生等方面滿足一定條件。配電網(wǎng)靈活交流輸電系統(tǒng)(distributionflexibleACtransmissionsystem，DFACTS)[3]將電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合起來，對電力系統(tǒng)電壓、線路阻抗、相位角、功潮流等參數(shù)進行快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)控制，從而大幅提高輸電線路的輸送能力和可控性，降低輸電損耗，保證安全供電。DFACTS中起關(guān)鍵作用的電力電子設(shè)備有：

1)配網(wǎng)中的串并聯(lián)同步補償器。串聯(lián)裝置起著將系統(tǒng)與負荷隔離的作用[4]，是面向負荷的補償方式，用于防止諸如電壓波動、不平衡和高次諧波等系統(tǒng)非正常運行對負荷產(chǎn)生影響。并聯(lián)裝置與負荷并聯(lián)用來抑制負荷(如鋼廠、電氣化鐵道、大型變流器等)所產(chǎn)生的高次諧波、不對稱、無功和閃變等有害因素對系統(tǒng)的影響，是面向系統(tǒng)的補償方式[5]。

為了充分利用串聯(lián)和并聯(lián)補償器各自的優(yōu)點，統(tǒng)一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)將兩種補償方式混合起來使用，使其具備雙向補償功能——既面向系統(tǒng)，又面向負荷。

2)有源濾波器(activepowerfilter，APF)。是一種實現(xiàn)無功補償和抑制諧波的電力電子裝置[6]。它通過注入與負載諧波分量大小相等、方向相反的補償電流，消除非線性負載對電網(wǎng)的影響。APF同樣分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)，分別面向系統(tǒng)和負荷進行補償。

3)固態(tài)開關(guān)。主要用來隔離電網(wǎng)中的故障，包括固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(solidstatetransferswitch，SSTS)和固態(tài)斷路器(solidstatebreaker，SSB)[7]。其中SSTS可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，在幾毫秒之內(nèi)將負荷由故障母線轉(zhuǎn)換到備用電源;而SSB是當系統(tǒng)發(fā)生故障時，將設(shè)備從系統(tǒng)中切除。當其與電抗相連時，可用作固態(tài)限流器(solidstatecurrentlimiter，SSCL)。

除了配電線路，用戶端也大量應用了電力電子裝置。電力電子變換器將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成各種用戶所需的電能形式，達到節(jié)能和提高用電質(zhì)量的目的。例如，電氣化鐵路中的電機驅(qū)動采用IGCT和IGBT等器件[8]，整流和逆變環(huán)節(jié)通過PWM控制，使輸入電流功率因數(shù)為1，既提高了機車性能，又維持了電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量，并降低了無功補償和諧波抑制裝置的容量。又如在工業(yè)電力傳動調(diào)速系統(tǒng)中廣泛使用變頻器，以實現(xiàn)電機節(jié)電運行。對中小容量風機、水泵、壓縮機等采用低壓變頻調(diào)速技術(shù)，一般可節(jié)能20%~50%;中大容量設(shè)備采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)能25%~40%。這對占我國總用電量40%以上電動機耗電而言，其節(jié)能效果非常可觀。此外，一些對供電質(zhì)量要求高的場合必須采用電力電子裝置。電壓調(diào)整模塊(voltageregulationmodule，VRM)由于其負載動態(tài)性能好，廣泛用于IT、通信領(lǐng)域的供電[9]。銀行、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等場所對供電的可靠性要求很高，必須采用不間斷電源UPS以提高供電的安全性[10]。電動汽車和儲能裝置中，充放電設(shè)備是必不可少的。正是由于電力電子裝備在用戶端具有節(jié)能、高性能、負荷特性易于控制等優(yōu)勢，可以預見將來大部分電能在傳輸?shù)接脩舳饲岸紩?jīng)過電力電子變換設(shè)備，這會對配電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的影響。但是電力電子設(shè)備的大量應用還需要考慮如下問題：

1)成本。隨著功率器件和DSP/MCU的廣泛應用和價格不斷下降，設(shè)備硬件成本不斷降低。對于大部分通用電力電子設(shè)備，成本將不再成為其推廣應用的障礙。但是，傳統(tǒng)的電力電子裝置設(shè)計需要多個領(lǐng)域有經(jīng)驗的研發(fā)人員的配合，研發(fā)成本很高，尤其對于那些小批量的個性化設(shè)備。為了降低研發(fā)和制造成本，國內(nèi)外學者研究電力電子模塊單元(powerelectronicbuildingblock，PEBB)[11]，力圖簡化電力電子設(shè)備的研發(fā)和設(shè)計，使其適用于大規(guī)模生產(chǎn)，通過提高產(chǎn)量降低整機成本。

2)可靠性。按成本計算，分布式配電網(wǎng)中電力電子裝備的比例一般低于總系統(tǒng)的50%，但目前來說，電力電子設(shè)備仍然是總系統(tǒng)中故障率較高的部分。因此，需要通過優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、精確控制策略和保護機制，來提高電力電子系統(tǒng)的可靠性。

3)干擾。電力電子設(shè)備采用高頻斬波技術(shù)，較高的dv/dt、di/dt會對電網(wǎng)造成明顯的電磁干擾和諧波污染等危害，甚至影響監(jiān)控系統(tǒng)通信質(zhì)量。隨著軟開關(guān)和EMC技術(shù)的進一步發(fā)展，電力電子變換器的電磁干擾將不斷降低[12]。

4)容量。相對于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)備，電力電子變換器的容量相對較小，這是電力電子技術(shù)應用于電力系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)。盡管多電平多重化技術(shù)的變流器達MW至幾十MW級，輕型直流輸電裝備采用可關(guān)斷器件，已到幾百MVA，這些都無法和電力系統(tǒng)裝備容量相比較。因此，電力電子設(shè)備可處理的功率等級還需要大幅度擴充，提高電力電子裝備技術(shù)是當務之急。

2電力電子裝備技術(shù)的發(fā)展

電力電子技術(shù)是基于電力電子器件實現(xiàn)電能變換的技術(shù)。一個完整的電力電子系統(tǒng)包含相當寬泛的技術(shù)領(lǐng)域，如功率開關(guān)器件技術(shù)、變換器技術(shù)、控制理論、無源元件、封裝、EMC、冷卻技術(shù)等，如圖1所示[13]。要使電力電子裝備技術(shù)在配電網(wǎng)系統(tǒng)得到更好的應用，器件、變換器和系統(tǒng)三個層次都必須同時發(fā)展，將對這三個層次展開具體敘述。

1)器件。

半導體開關(guān)器件是電力電子的基礎(chǔ)，包括IGBT、IGCT、SCR等，其電壓/電流等級已分別達到6500V，4500A。提高現(xiàn)有器件的水平，發(fā)展新型器件是電力電子學科的前沿課題。影響器件性能的因素包括器件材料、器件結(jié)構(gòu)及氧化層形成等相關(guān)工藝技術(shù)[14]。

近年來，新型半導體材料如SiC和GaN等寬禁帶材料得到迅猛發(fā)展，使電力電子器件的工作溫度和頻率進一步提升。表1給出了Si、SiC以及GaN等三種材料特性的對比[15]。當前SiC主要被用作超高壓大功率器件[16]，而GaN主要用于制造高頻器件，如1MHz以上[17]。隨著器件技術(shù)發(fā)展，各種工藝的進步，開關(guān)速度不斷提高，開關(guān)損耗逐步降低，驅(qū)動功率也相應減小。另一方面，隨著電力電子設(shè)備工作頻率和功率密度的提升，無源元件的寄生參數(shù)也會對電路性能產(chǎn)生較大影響。在其制作中，磁性元件和絕緣材料的改進不但可以降低損耗，還有助于縮小體積。

2)變換器。

從電力電子學科的誕生伊始，變換器技術(shù)就不斷地向前發(fā)展。變換器作為電能的功率處理器，將某種頻率、某種幅度的輸入電能形式變換成另一種頻率和幅值的電能，使電能完全適用于配電網(wǎng)和用戶端。如今研究人員已經(jīng)提出了適用于雙向、多向電能流動控制與傳輸應用的大量拓撲結(jié)構(gòu)。變換器的效率也已經(jīng)被提升到前所未有的高度，幾乎各類變換器的效率均已超過90%，甚至99%這樣的高效率也已經(jīng)不罕見[18]。另外，大功率系統(tǒng)中將多個變換器串聯(lián)或并聯(lián)，通過這種方式以提高電壓和電流處理能力，來匹配配電網(wǎng)容量。

3)電力電子系統(tǒng)。

一些大型電力電子裝備往往需要多個變換器以及復雜的輔助電路，這構(gòu)成了一個電力電子系統(tǒng)。圖2為一個典型電力電子系統(tǒng)的框圖[19]。系統(tǒng)中有多個變換器進行能量處理，它們彼此可能是串聯(lián)、并聯(lián)、級聯(lián)或者甚至沒有直接的電氣連接。由于系統(tǒng)規(guī)模較大，使用一個控制器無法處理如此龐大而復雜的裝備和系統(tǒng)，而且單一控制器也不利于系統(tǒng)的設(shè)計、擴展和維護。因此，需要多個控制器同時運行，且往往是分層結(jié)構(gòu)，可分為系統(tǒng)控制器和變換器控制器，如圖2所示。系統(tǒng)控制器收集各個變換器的狀態(tài)信息，并給各個變換器下派指令。

變換器控制器一般對應單一變換器，保證變換器的正常工作，執(zhí)行閉環(huán)運算、驅(qū)動、保護等功能。主控制器分別和每個變換器控制器通信，而變換器之間是否需要通信則根據(jù)應用要求而定。

正是高壓大電流電力電子器件以及無源元件組合，構(gòu)成具有電能雙向、甚至多向流動的變換器，并能實現(xiàn)電能的調(diào)控管理。這樣的電力電子裝備在滿足配電網(wǎng)和用戶端的需要的同時，又為配電網(wǎng)帶來新的變革——讓直流配電網(wǎng)的實現(xiàn)變?yōu)榭赡堋?/p>

3直流配電網(wǎng)

3.1直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢

隨著城市規(guī)模的發(fā)展，用電量的增大，電網(wǎng)中的敏感負荷、非線性負荷越來越多，交流配電網(wǎng)面臨線路損耗大、供電走廊緊張以及電壓瞬時跌落、電壓波動、電網(wǎng)諧波、三相不平衡現(xiàn)象加劇等一系列電能質(zhì)量問題[20]。在20世紀電網(wǎng)初建伊始，直流電網(wǎng)方案和交流電網(wǎng)有過激烈的競爭，但由于變壓的不便，直流電網(wǎng)方案被淘汰，如今電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，讓直流配電網(wǎng)重新回到人們的視野。相對于交流配網(wǎng)，直流配網(wǎng)有以下優(yōu)勢：

1)線路容量增大。在同樣的線路建造費用或走廊空間的情況下，直流輸電的容量是交流輸電的150%[20]。同時，直流配電網(wǎng)只需兩根線，線損小。直流輸電沒有集膚效應，導線截面利用充分，而且也沒有金屬護套渦流損耗和無功損耗。

2)電能質(zhì)量提高。直流配電網(wǎng)中，儲能裝置(如蓄電池、超級電容)的加入，使直流電網(wǎng)變得更穩(wěn)定，有效的解決了電壓閃變問題。柔性直流配電網(wǎng)中的換流器無需交流側(cè)提供無功功率，還能起到靜止無功補償器(staticsynchronouscompensator，STATCOM)作用。

3)穩(wěn)定性提升。采用直流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)，由于直流線路沒有電抗，具有隔離故障的能力，所以不存在穩(wěn)定性問題，提高了運行的可靠性。

4)可再生能源更易接入。配電網(wǎng)將接納大量的風能、太陽能、海洋能源等可再生能源發(fā)電入網(wǎng)。這些新能源大多是直流輸出的系統(tǒng)，若采用直流形式的配電網(wǎng)，可再生分布式能源以及儲能設(shè)備的接入得到簡化，提高效率。

5)更利于用戶電氣設(shè)備供電。目前，大量智能化電器都是基于直流電源供電的，如電動汽車、服務器、手機等。從直流配網(wǎng)直接給這些電器供電，可提高效率，降低成本。即使如空調(diào)、冰箱、微波爐等交流設(shè)備，直流配網(wǎng)也有利于變頻技術(shù)的引入。