1、配電網電力電子裝備的互聯與網絡化技術0 引言電力電子技術的迅速發展使大容量變換器具備了能量雙向 / 多向流動能力，同時可以實現各種電能形式的變換、調控和管理。電力電子技術的廣泛應用將給電力系統， 尤其是配電網和用戶端帶來深刻變革。電力電子技術與通信技術的結合將成為一種趨勢， 使得電力電子裝備成為能量與信息的一體化集成系統， 其核心就是電力電子網絡化技術。本文主要討論了電力電子網絡化技術的研究和應用， 包括電力電子裝備、通信系統和直流配電網等相關領域的問題和挑戰。1 配電網系統中的電力電子裝備及應用電力系統通常分為發電、 輸電和配電系統三部分。 配電系統又稱為配電網，它面向用戶， 其傳統結構是從

2、輸電系統接收電能并分配給各個用戶。傳統配電網有以下特點： 1)電力的傳輸一般是單向的，即向負載端傳遞 1；2)配電網中有大量電力電子裝備以滿足用戶對電能質量的要求； 3)用電負荷中包含了各種電力電子設備以實現電能形式多樣化； 4)配電網中的配網自動化有信號和數據傳輸，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， 配電網對用戶負荷環境的每個變化都要具有調控和適應能力，電力電子裝備的使用能縮短電網的響應時間并增強電網的調控能力 2。同時，為提高配電網的電能質量，需要各種配電設備在工作頻率、阻抗特性、諧波產生等方面滿足一定條件。配電網靈 活 交 流 輸 電 系 統 (dist

3、ributionflexibleACtransmissionsystem ，DFACTS)3將電力電子技術和現代控制技術結合起來，對電力系統電壓、線路阻抗、相位角、功潮流等參數進行快速、連續地調節控制，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中起關鍵作用的電力電子設備有：1)配網中的串并聯同步補償器。 串聯裝置起著將系統與負荷隔離的作用 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非正常運行對負荷產生影響。 并聯裝置與負荷并聯用來抑制負荷 (如鋼廠、電氣化鐵道、大型變流器等 )所產生的高次諧波、不對稱、無功和閃變等有害

4、因素對系統的影響，是面向系統的補償方式 5。為了充分利用串聯和并聯補償器各自的優點，統一潮流控制器 (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，又面向負荷。2)有源濾波器 (activepowerfilter ，APF)。是一種實現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的影響。 APF同樣分為并聯和串聯兩種結構，分別面向系統和負荷進行補償。3)固態開關。主要用來隔離電網中的故障，包括固態轉換開關 (solidstatetransfers

5、witch ， SSTS)和 固 態 斷 路 器 (solidstatebreaker，SSB)7。其中 SSTS可在系統發生故障時，在幾毫秒之內將負荷由故障母線轉換到備用電源； 而 SSB是當系統發生故障時， 將設備從系統中切除。當其與電抗相連時，可用作固態限流器 (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的交流電轉換成各種用戶所需的電能形式， 達到節能和提高用電質量的目的。例如，電氣化鐵路中的電機驅動采用 IGCT和 IGBT 等器件 8，整流和逆變環節通過 PWM 控制，使輸入電流功率因數為1，

6、既提高了機車性能，又維持了電網側的電能質量，并降低了無功補償和諧波抑制裝置的容量。 又如在工業電力傳動調速系統中廣泛使用變頻器，以實現電機節電運行。對中小容量風機、水泵、壓縮機等采用低壓變頻調速技術，一般可節能20%50%；中大容量設備采用高壓變頻調速技術可節能25%40%。這對占我國總用電量40%以上電動機耗電而言，其節能效果非常可觀。此外，一些對供電質量要求高的場合必須采用電力電子裝置。電壓調整模塊(voltageregulationmodule，VRM)由于其負載動態性能好， 廣泛用于 IT、通信領域的供電 9。銀行、醫院、數據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

7、以提高供電的安全性 10。電動汽車和儲能裝置中， 充放電設備是必不可少的。 正是由于電力電子裝備在用戶端具有節能、高性能、負荷特性易于控制等優勢，可以預見將來大部分電能在傳輸到用戶端前都會經過電力電子變換設備， 這會對配電網產生巨大的影響。 但是電力電子設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，設備硬件成本不斷降低。 對于大部分通用電力電子設備， 成本將不再成為其推廣應用的障礙。 但是，傳統的電力電子裝置設計需要多個領域有經驗的研發人員的配合， 研發成本很高， 尤其對于那些小批量的個性化設備。為了降低研發和制造成本， 國內外學者研究電力

8、電子模塊單元 (powerelectronicbuildingblock ，PEBB)11，力圖簡化電力電子設備的研發和設計， 使其適用于大規模生產， 通過提高產量降低整機成本。2)可靠性。按成本計算，分布式配電網中電力電子裝備的比例一般低于總系統的 50%，但目前來說， 電力電子設備仍然是總系統中故障率較高的部分。因此，需要通過優化設計技術、精確控制策略和保護機制，來提高電力電子系統的可靠性。3)干擾。電力電子設備采用高頻斬波技術，較高的dv/dt 、 di/dt會對電網造成明顯的電磁干擾和諧波污染等危害， 甚至影響監控系統通信質量。隨著軟開關和 EMC 技術的進一步發展，電力電子變換器的電

9、磁干擾將不斷降低 12。4)容量。相對于傳統的電力系統設備，電力電子變換器的容量相對較小，這是電力電子技術應用于電力系統最大的挑戰。 盡管多電平多重化技術的變流器達 MW 至幾十 MW 級，輕型直流輸電裝備采用可關斷器件，已到幾百 MVA，這些都無法和電力系統裝備容量相比較。因此，電力電子設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是當務之急。2 電力電子裝備技術的發展電力電子技術是基于電力電子器件實現電能變換的技術。一個完整的電力電子系統包含相當寬泛的技術領域，如功率開關器件技術、變換器技術、控制理論、無源元件、封裝、EMC、冷卻技術等，如圖1 所示 13。要使電力電子裝備技術

10、在配電網系統得到更好的應用，器件、變換器和系統三個層次都必須同時發展， 將對這三個層次展開具體敘述。1)器件。半導體開關器件是電力電子的基礎，包括 IGBT、IGCT、SCR等，其電壓 / 電流等級已分別達到 6500V，4500A。提高現有器件的水平，發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、器件結構及氧化層形成等相關工藝技術 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

11、要用于制造高頻器件，如 1MHz 以上 17。隨著器件技術發展，各種工藝的進步，開關速度不斷提高，開關損耗逐步降低，驅動功率也相應減小。另一方面，隨著電力電子設備工作頻率和功率密度的提升， 無源元件的寄生參數也會對電路性能產生較大影響。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， 變換器技術就不斷地向前發展。 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和用戶端。如今研究人員已經提出了適用于雙向、 多向電能流動控制與傳輸應用的大量拓撲結構。變換器的效率也已

12、經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不罕見 18。另外，大功率系統中將多個變換器串聯或并聯，通過這種方式以提高電壓和電流處理能力，來匹配配電網容量。3)電力電子系統。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，這構成了一個電力電子系統。圖 2 為一個典型電力電子系統的框圖19。系統中有多個變換器進行能量處理，它們彼此可能是串聯、并聯、級聯或者甚至沒有直接的電氣連接。由于系統規模較大，使用一個控制器無法處理如此龐大而復雜的裝備和系統， 而且單一控制器也不利于系統的設計、 擴展和維護。因此，需要多個控制器同時運行，且往往是分層

13、結構，可分為系統控制器和變換器控制器， 如圖 2 所示。系統控制器收集各個變換器的狀態信息，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， 執行閉環運算、驅動、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，構成具有電能雙向、甚至多向流動的變換器，并能實現電能的調控管理。這樣的電力電子裝備在滿足配電網和用戶端的需要的同時， 又為配電網帶來新的變革讓直流配電網的實現變為可能。3 直流配電網3.1 直流配電網的優勢隨著城市規模的發展，用電量的增大，電網中的敏感負荷、非線性負荷越

14、來越多， 交流配電網面臨線路損耗大、 供電走廊緊張以及電壓瞬時跌落、電壓波動、電網諧波、三相不平衡現象加劇等一系列電能質量問題 20。在 20 世紀電網初建伊始， 直流電網方案和交流電網有過激烈的競爭，但由于變壓的不便，直流電網方案被淘汰，如今電力電子技術發展迅猛， 讓直流配電網重新回到人們的視野。 相對于交流配網，直流配網有以下優勢：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)電能質量提高。直流配電網中，儲能裝置 (如蓄

15、電池、超級電容 )的加入，使直流電網變得更穩定，有效的解決了電壓閃變問題。柔性直流配電網中的換流器無需交流側提供無功功率，還能起到靜止無功補償器 (staticsynchronouscompensator，STATCOM)作用。3)穩定性提升。采用直流輸電線路連接兩個交流系統，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。配電網將接納大量的風能、太陽能、海洋能源等可再生能源發電入網。這些新能源大多是直流輸出的系統，若采用直流形式的配電網， 可再生分布式能源以及儲能設備的接入得到簡化，提高效率。5)更利于用戶電氣設備供電。目前，大量智

16、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。從直流配網直接給這些電器供電，可提高效率，降低成本。即使如空調、冰箱、微波爐等交流設備，直流配網也有利于變頻技術的引入。3.2 直流配電網的拓撲結構直流配電網的基本拓撲主要有環狀、放射狀和兩端配電3 種，如圖 3 所示 20 。放射狀結構的供電可靠性相對較低，但故障識別及保護控制配合等相對容易； 環狀和兩端配電網絡的供電可靠性較高， 但故障識別及網絡重構比較困難。 實際網絡拓撲的選擇和電壓等級要根據工程所需的供電可靠性、 供電范圍及投資等因素綜合考慮。 無論哪種網狀結構，其電力電子設備都是必不可少的。3.3 直流配電網關鍵設備的研制在

17、現代柔性直流配電網的建設中，需要研制如下關鍵設備：1)直流變壓器。對于直流型配網，傳統的交流變壓器已無法使用，需要依靠電力電子設備實現直流電壓的轉換， 而這種 DC-DC變壓器有其自身的特點。首先，電力電子變壓器的容量要大，在配網中傳統配變電站要承載至少幾百 kVA 甚至 MVA 的功率；其次，電力電子變壓器需要實現中、低電壓的轉換，這是一種高降 (升)壓工作場合，以現有配電網來說，一種典型的配電站需要將 10kV 轉換為 380V 民用電，降壓比超過 26(25)1；此外，不同電壓等級之間的能量方向不定，電力電子變壓器需要實現能量雙向流動的功能。2)大功率 AC/DC變換器。為實現直流配網與

18、現有的交流輸電網相連，需要在中高壓交流輸電網和低壓配電網之間加入AC/DC變換器。這種 AC/DC變換器同樣需要實現大容量傳送能力、高電壓變比、能量雙向流動等能力。此外，在應用IGBT、IGCT等可關斷器件的情況下，AC-DC變換器還應具備向交流側提供無功補償的能力。3)直流斷路器。它起著隔離故障的作用，對直流配網的安全運行非常關鍵；但由于直流電流沒有過零點， 直流斷路器比交流斷路器難度更大。2012 年，ABB 公司研制出適用于高壓直流輸電(high-voltagedirectcurrent，HVDC)的直流斷路器，其可以在5ms 內斷開 9kA 電流 21。隨著器件技術和相關研究的深入，將

19、會有更大通斷能力的裝備。4)直流開關。在低壓直流配網中，對于電磁爐、暖風機等功率較大的負載，現有交流開關、 插頭不能斷開直流電流，不能直接應用于直流配網。因此， 直流開關、插座和插頭等設備的研發也是一個值得關注的課題 22。4 配電網通信系統目前，許多智能電力電子裝備已具備了一定的信息檢測、 數據傳輸、遠程控制等功能。但配電網存在大量的電力電子互聯裝備，要實現電能信息集成一體化， 還需要建立更加智能的通信系統。 它不但將全網節點的信息匯集起來并下派指令，還能幫助調度端分析和決策23。圖 4 給出未來電力系統的三級通信結構24。從高壓等級到中壓等級，從發電端、輸電端到主變電站上均有SCADA系統

20、覆蓋，這也是現有的電力系統的主要通信方式。調度端和廠、站通過 SCADA 系統進行實時數據收集和控制命令發送。 主要的配網通信是在城市外圍或內部的 35kV、10kV 等中壓等級線路上，這一部分不單是簡單監測運行數據，更要積極影響配網調控，通過控制電力電子裝備，實現主動配網電能管理和調控。 在靠近用戶端的低壓等級， 智能電表不僅負責收集用戶端的電能數據， 還需具備電能質量監測、 負載管理和切換負載等主動管理功能。目前，還沒有任何一種單一的通信方式在合理的性能價格比或功能上，全面滿足各種規模和不同信息傳輸的需要， 因此往往需要多種通信方式混合使用。圖 5 給出未來配電網的通信系統框圖 24。大型

21、的發電廠、變電站以及控制室由現有的 SCADA系統覆蓋，主要通過沿電力線鋪設的光纜相連，并主要采用成熟的互聯網技術。目前的挑戰集中在中、低壓配電網的通信系統，這一等級的通信節點覆蓋程度還很低。因此，不同的技術正在這一方面探索， 包括以太網、電力線載波 PLC、Zigbee、無線 mesh 網絡、蜂窩網絡技術等。ZigBee 因其簡易性、可移動性、高穩定性、低帶寬需求、開放的頻帶和低成本等優勢， 已成為一種應用于電量管理和智能電表的理想通信方式。內嵌 ZigBee 的智能電表不但可以檢測電量，還能與裝有ZigBee 的智能家居電器進行通信并控制。但ZigBee 數據處理能力不夠高，內存容量小以及

22、對延時有苛刻限制。此外，ZigBee通常使用2.4GHz 開放頻段，容易被其他同樣利用這一頻帶的通信方式干擾，如 WiFi 和 Bluetooth 等。無線 mesh 網絡是一種包含了若干節點的靈活的網絡，新的節點可以隨時加進來， 并且每個節點除了作為信息的接收端或發送端，還充當路由器的角色。也就是說，每個節點都可以作為信息轉發器，一段信息從發送端開始，經過若干個節點的路由，到達網絡接入點。無線 mesh 網絡具有自我組織、自我配置能力，以及高擴展性等特點，可以實現網絡負載平衡；并且，在城市及市郊，這種多跳路由方式有效的增大了網絡覆蓋面積， 是一種性價比很高的解決方案； 但網絡容量、衰減和干擾

23、是無線 mesh 網絡的主要挑戰。在城市范圍內，電表的覆蓋范圍不足以使無線 mesh 網絡完全覆蓋整個區域；其次，由于每個節點都可以作為信息轉發器， 如果算法不夠完善， 很可能會形成信息環流，這樣無疑增大了額外的通信處理開銷， 同時降低了通訊帶寬。蜂窩網絡作為一種移動通信網絡已經運用較長時間， 已是一種成熟的技術。它包括 2G、2.5G、3G、4G-LTE、 WiMAX 等通信技術。現有的蜂窩網絡是一個的很好選擇， 它有利于實現智能電表和變配電站之間或遠距離節點間的通信。國內外有很多公司已經展開基于GSM、GPRS、3GCDMA 等通信技術應用于電力系統通信的研發，其中包括Verizon公司的

24、應用于智能住宅電網的基于CDMA的解決方案， GE正在研發基于 WiMAX 的智能電表等。蜂窩網絡最突出的優勢就是其設施較完善，無需再次投入經費進行基礎設施建設和維護。同時，蜂窩網絡的覆蓋范圍很廣， 無論城市和鄉村覆蓋面積基本已經達到 100%，因此非常適合配電網的通信需求。但由于蜂窩網絡往往是公共平臺，一旦移動通信業務繁忙，網絡堵塞，會降低蜂窩網絡的可用性，導致信息傳輸延時或失敗，這是電力系統所不允許的。對此，網絡供應商可以為電力系統提供專用的通信網絡， 以解決和民用通信系統沖突的問題。此外，由于無線蜂窩網絡的傳輸媒介開放，必須采用信息加密技術以保證信息的安全性。低壓電力線載波技術是依靠電力

25、線為傳輸媒介的一種專用于電力系統通信的技術。 該技術的最大優勢是傳輸媒介無需額外投入， 通信覆蓋范圍達到 100%，而且有較高的安全性。電力線載波技術分窄帶電力線載波 (narrow-bandpowerlinecommunications ，NB-PLC)和寬帶電力線載波 (broad-bandpowerlinecommunications，BB-PLC)兩類，設備控制一般采用窄帶電力線載波技術，其載波頻率不超過 300kHz。在法國開展的 LinkyMeterProject 項目中，電力線載波技術已被用于 3500 萬個智能電表與通信子站的通信方式，而 GPRS技術被用于通信子站和通信總站的

26、信息傳輸。 但是，由于低壓電力線并非為通信系統設計，其通信環境比較苛刻，易受干擾，長距離傳輸的信號衰減嚴重，因此需要通過通信協議的設計以克服傳輸可靠性問題。 另外，通信信號無法通過變電站內的隔離變壓器， 需要增加額外的設備來傳遞信號， 增加了系統的復雜度。數字用戶環路 DSL技術是應用在有限電話線上的高速傳輸技術。現有的固定電話基礎設施顯著減少了通信系統建設的開支，但現有 ADSL 網絡在農村的覆蓋范圍不高，尤其是偏遠地區，而在這些地區鋪設傳輸線和基礎設施的成本是很高的 25。目前，電力電子裝備的互聯采用何種通信方式來統一還沒有定論，許多電力電子裝備雖然具備了網絡或者通信接口， 但不同設備生產

27、廠家采用的是不同的協議和標準，無法直接連通。因此，網絡標準化的電力電子裝備還在發展中。5 電力電子裝備的互聯和系統網絡化如上文所述，雖然近年來電力電子設備被廣泛應用于電力系統中，如配網中的DFACTS設備、用戶側的各種用電設備的電源、可再生能源發電的接口等。 但是，電網雖然將這些電力電子設備的功率端連在一起，卻未能從電網層次協調這些設備的運行，因而無法充分利用電力電子系統應用所帶來的電能管理的靈活性和可控性。而隨著通信技術的快速發展， 這一現狀將會改變。 如果將每個電力電子設備視為電網中的一個節點， 用通信網絡把將各個節點連接起來， 便可實時收集各個節點的電能狀態數據， 實時發出節點指令， 從

28、總體上協調網絡中的所有電力電子設備，這就是電力電子互聯網技術。一種設想的未來電力系統結構如圖 6 所示 24。其中，PEBB為電力電子模塊； MEBB 為機械設備模塊； EM 為能量管理； Producer 為能量產生源； Storage 為儲能； Load 為負載。全網不但包括能量流，還有信息流貫穿各個節點。 由于電力電子設備對電能強大的主動調節能力，各種負載、 分布式發電端、儲能設備以及不同電網之間的接口均由電力電子設備承擔，同時參與通信，執行調配命令。2011 年美國北卡州立大學的 FREEDM研究中心提出了能量互聯網“EnergyInternet”的概念 26。它類比信息互聯網，將電力

29、電子設備與通信技術結合起來， 以構造一種全新的配電網架構， 將傳統的集中式發電、輸電、用電的格局改變為分布式發電、用電的網絡。以此為基礎構造用戶導向的用電網絡。 同時，強大的通信功能將網絡內所有的信息匯集起來， 實現實時電價。 此結構與智能電網的主要理念不謀而合。該能量互聯網將應用于配電網中， 直接面對民用和工業用戶。 其架構主要包括三個要素： 即插即用的功率接口、 能量路由器和基于開放通信協議 (如 TCP/IP或 HTML)的操作系統，這三個要素具體敘述如下。1)即插即用的功率接口(見圖 7)將普通用電器、儲能電池、分布式發電等終端接入配電網26。該功率接口的基本功能是將不同設備的電能輸入形式轉換為與電網相匹配的形式，即電能形式轉換功能。這表明該功率接口是一個電力電子設備，如儲能系統的雙向變換器、PV 并網逆變器等。作為即插即用的功率接口還需具有通信接口，并支持標準操作協議， 可以立刻識別接入電網的終端設備，并將終端設備的信息上傳給網絡，接受調控指令。2)