摘要 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
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(distribution flexible AC transmission system，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(unified power flow controller， 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(active power filter，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(solid state transfer switch，SSTS) 和固态断路器(solid state breaker，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(solid state current limiter， SSCL)。
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 6 500 V，4 500 A。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]。
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。
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 (static synchronous compensator ， 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。
3.2 直流配电网的拓扑结构直流配电网的基本拓扑主要有环状、放射状和两端配电 3 种，如图 3 所示[20]。放射状结构的供电可靠性相对较低，但故障识别及保护控制配合等相对容易;环状和两端配电网络的供电可靠性较高，但故障识别及网络重构比较困难。实际网络拓扑的选择和电压等级要根据工程所需的供电可靠性、供电范围及投资等因素综合考虑。无论哪种网状结构，其电力电子设备都是必不可少的。
3.3 直流配电网关键设备的研制在现代柔性直流配电网的建设中，需要研制如下关键设备： 1)直流变压器。对于直流型配网，传统的交流变压器已无法使用，需要依靠电力电子设备实现直流电压的转换，而这种 DC-DC 变压器有其自身的特点。首先，电力电子变压器的容量要大，在配网中传统配变电站要承载至少几百 kVA 甚至 MVA 的功率;其次，电力电子变压器需要实现中、低电压的转换，这是一种高降(升)压工作场合，以现有配电网来说，一种典型的配电站需要将 10 kV 转换为 380 V 民用电，降压比超过 26 : 1;此外，不同电压等级之间的能量方向不定，电力电子变压器需要实现能量双向流动的功能。 2)大功率 AC/DC 变换器。为实现直流配网与现有的交流输电网相连，需要在中高压交流输电网和低压配电网之间加入 AC/DC 变换器。这种 AC/DC 变换器同样需要实现大容量传送能力、高电压变比、能量双向流动等能力。此外，在应用 IGBT、 IGCT 等可关断器件的情况下，AC-DC 变换器还应具备向交流侧提供无功补偿的能力。 3)直流断路器。它起着隔离故障的作用，对直流配网的安全运行非常关键;但由于直流电流没有过零点，直流断路器比交流断路器难度更大。 2012 年，ABB 公司研制出适用于高压直流输电 (high-voltage direct current，HVDC)的直流断路器，其可以在 5 ms 内断开 9 kA 电流[21]。随着器件技术和相关研究的深入，将会有更大通断能力的装备。
4 配电网通信系统
目前，许多智能电力电子装备已具备了一定的信息检测、数据传输、远程控制等功能。但配电网存在大量的电力电子互联装备，要实现电能信息集成一体化，还需要建立更加智能的通信系统。它不但将全网节点的信息汇集起来并下派指令，还能帮助调度端分析和决策[23]。图 4 给出未来电力系统的三级通信结构[24]。从高压等级到中压等级，从发电端、输电端到主变电站上均有 SCADA 系统覆盖，这也是现有的电力系统的主要通信方式。调度端和厂、站通过 SCADA 系统进行实时数据收集和控制命令发送。主要的配网通信是在城市外围或内部的 35 kV、10 kV 等中压等级线路上，这一部分不单是简单监测运行数据，更要积极影响配网调控，通过控制电力电子装备，实现主动配网电能管理和调控。在靠近用户端的低压等级，智能电表不仅负责收集用户端的电能数据，还需具备电能质量监测、负载管理和切换负载等主动管理功能。
5 电力电子装备的互联和系统网络化
如上文所述，虽然近年来电力电子设备被广泛应用于电力系统中，如配网中的 DFACTS 设备、用户侧的各种用电设备的电源、可再生能源发电的接口等。但是，电网虽然将这些电力电子设备的功率端连在一起，却未能从电网层次协调这些设备的运行，因而无法充分利用电力电子系统应用所带来的电能管理的灵活性和可控性。而随着通信技术的快速发展，这一现状将会改变。如果将每个电力电子设备视为电网中的一个节点，用通信网络把将各个节点连接起来，便可实时收集各个节点的电能状态数据，实时发出节点指令，从总体上协调网络中的所有电力电子设备，这就是电力电子互联网技术。
6 结论
电力电子装备在配电网中的广泛应用不但为配电网带来了性能提升，而且使其结构发生变革，并使直流配电网成为现实。电力电子技术自身的发展，特别是新型电力电子器件和无源元件性能的提高，双向/多向变流器大容量化，智能控制手段的完善等，使得配电网和用户端采用的电力电子装备都能够满足电能形式多样化和大功率电能交互的需求。各种通信方式的出现和相关技术的发展，并和电力电子技术相结合将可以实现各种电力电子装备的互联，形成电能和信息集成一体化系统，这就是电力电子技术网络化——或者称之为电力电子互联网。电力电子技术网络化要完成功率流和信息流控制、管理还面临许多的挑战，但它作为电能高效利用非常有效的方法和手段在未来配电网中将起着十分重要的作用。
参考文献
[1] 许克明，熊炜.配电网自动化系统[M].重庆：重庆大学出版社，2007：1-3. Xu Keming，Xiong Wei.Distribution automation system [M].Chongqing University Press，2007：1-3(in Chinese).
[2] 张文亮，汤广福，查鲲鹏，等.先进电力电子技术在智能电网中的应用[J].中国电机工程学报，2010，30(4)： 1-7. Zhang Wenliang，Tang Guangfu，Zha Kunpeng，et al. Application of advanced power electronics in smart grid[J].Proceedings of the CSEE，2010，30(4)：1-7(in Chinese).
《配电网电力电子装备的互联与网络化技术》来源：《中国电机工程学报》，作者：何湘宁，宗升，吴建德，李武华，赵荣祥
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