交直流混合的分布式可再生能源系統(tǒng)綜述(共19頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上交直流混合的分布式可再生能源系統(tǒng)綜述 蔡漢生( 1963) ，男，高級工程師( 教授級) ，碩士，從事電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真及過電壓計算工作，caihs； 滕蕓(1989)，女，博士研究生，研究方向為接地技術(shù)及其腐蝕防護(hù)，clara_yun； 賈磊( 1982) ，男，高級工程師，博士，從事電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真及過電壓計算工作。 交直流混合的分布式可再生能源系統(tǒng)綜述 謝寧，曾杰，徐琪，張弛，張威 (廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州) 摘要：分布式可再生能源、儲能及直流負(fù)荷接入傳統(tǒng)交流配網(wǎng)需經(jīng)多級變流環(huán)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)能效低。交直流配用電技術(shù)可有效減少交直流轉(zhuǎn)化的中間

2、環(huán)節(jié)，提高配用電經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性和運(yùn)行靈活性。綜述了國內(nèi)外交直流混合系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備研制及運(yùn)行控制系統(tǒng)開發(fā)等多個方向的研究現(xiàn)狀，以期能夠?qū)恢绷骰旌舷到y(tǒng)的進(jìn)一步研究及推廣應(yīng)用提供思路和借鑒。 關(guān)鍵詞：交直流混合系統(tǒng)；電力電子變壓器；故障電流控制器；分布式可再生能源；直流負(fù)荷 0 引言 分布式可再生能源已成為推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的重要途徑，預(yù)計2050年非水可再生能發(fā)電量將高達(dá)43.44%，其中超過半數(shù)是分布式可再生能源1。風(fēng)電、光伏、光熱發(fā)電等分布式可再生能源一般通過多級變流環(huán)節(jié)并網(wǎng)，且缺乏統(tǒng)一管控調(diào)度的手段，導(dǎo)致系統(tǒng)綜合能效低下。在負(fù)荷側(cè)，以IT類負(fù)載、變頻空調(diào)及電動汽車為代表的廣義直

3、流用能設(shè)備比例快速升高，其變流環(huán)節(jié)嚴(yán)重降低了系統(tǒng)能效。 面向分布式可再生能源可靠消納及直流負(fù)荷經(jīng)濟(jì)用能的重大需求，交直流混合系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性及靈活性等方面存在明顯優(yōu)勢。國內(nèi)外已經(jīng)開展相關(guān)技術(shù)的研究，提出了交直流系統(tǒng)的概念及發(fā)展方向2 - 5。 傳統(tǒng)交直流混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般為低壓放射狀母線結(jié)構(gòu)6 - 7，可靠性低、母線末端電壓波動大、能源接入能力有限。支撐大容量交直流源、荷高效接入的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是未來交直流混合的分布式可再生能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 運(yùn)行控制方面8 - 13，傳統(tǒng)能量管理系統(tǒng)一般未能考慮冷熱電多能源互補(bǔ)特性，架構(gòu)上局限于本地，難以實現(xiàn)不同特性能源及能源系統(tǒng)間的互補(bǔ)調(diào)度運(yùn)行。多層級控制系統(tǒng)是

4、保證系統(tǒng)高效的關(guān)鍵。 能量變換裝置方面14 - 21，傳統(tǒng)交直流混合系統(tǒng)一般采用結(jié)構(gòu)單一、功能單一的雙端口變流器，其效率低、運(yùn)行缺乏靈活性。大容量、多端口、高效率電力電子變壓器是系統(tǒng)靈活穩(wěn)定運(yùn)行的支撐。 故障保護(hù)裝置方面22 - 28，傳統(tǒng)交直流混合系統(tǒng)一般采用低壓直流斷路器進(jìn)行短路電流分?jǐn)?，難以實現(xiàn)快速可靠的故障保護(hù)。大電流、高速、低損耗故障電流控制器是系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障。 本文綜述了國內(nèi)外交直流混合系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備及化控制系統(tǒng)等多個研究方向，以期能夠?qū)ξ磥斫恢绷骰旌舷到y(tǒng)的進(jìn)一步研究及推廣應(yīng)用提供一些思路和借鑒。 謝寧，等：交直流混合的分布式可再生能源系統(tǒng)綜述 1 交直流混合系統(tǒng)的系

5、統(tǒng)結(jié)構(gòu) 交直流混合系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃涉及到系統(tǒng)供電可靠性、電能質(zhì)量、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及安全性等重要因素，主要包括高低壓配電母線的供電方式、系統(tǒng)組網(wǎng)方式、電壓等級構(gòu)成形式、分布式電源的類型及接入方式、關(guān)鍵設(shè)備的類型及接入方式、負(fù)載連接方式、系統(tǒng)運(yùn)行方式等。 自2003年以來，美國弗吉尼亞理工大學(xué)、北卡羅來納大學(xué)、日本東京工業(yè)大學(xué)等都已經(jīng)開展交直流混合系的研究。 2007年，美國弗吉尼亞理工大學(xué)提出了“sustainable building initiative(SBI)”，并于2010將概念發(fā)展為“sustainable building and nano grids (SBN)”29。主要面向樓宇

6、及建筑，以提升系統(tǒng)綜合能效為目標(biāo)，構(gòu)建直流配用電系統(tǒng)。系統(tǒng)采用輻射狀母線結(jié)構(gòu)，具有DC 380 V及DC 48 V兩個電壓等級。主網(wǎng)交流電壓通過AC/DC變流器構(gòu)成DC 380 V母線，主要用于接入風(fēng)電、光伏、儲能等多能源形式；通過DC/DC變流器將DC 380 V變壓為DC 48 V，為計算機(jī)、變頻電機(jī)及照明等負(fù)載供電。 在SBN概念基礎(chǔ)上，CPES又進(jìn)一步完善并提出了交直流混合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)具備2個交流電源，通過系統(tǒng)內(nèi)高壓直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)。每個電源點交流母線下接入了一個交直流混合系統(tǒng)，包含交直流多個電壓等級，通過變壓器或變流器與上層母線連接。 2011年，美國北卡羅萊納大學(xué)提出了

7、未來可再生電能傳輸與管理“the future renewable electric energy delivery and management (FREEDM)”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)30，目標(biāo)是構(gòu)建未來靈活的新型配用電網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用輻射狀結(jié)構(gòu)，每個端口下設(shè)母線，分別接入了分布式電源、儲能及負(fù)載。 在國內(nèi)，南方電網(wǎng)公司深圳供電局依托國家863項目“基于柔性直流的智能配電關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”31，以提高負(fù)載供電可靠性為目標(biāo)提出了“手拉手”兩端交直流配電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，并研制了電力電子變壓器15及直流斷路器26等關(guān)鍵設(shè)備樣機(jī)。該方案中，系統(tǒng)通過雙向VSC換流器的直流側(cè)互聯(lián)形成±10 kV分段直流母線

8、，分布式可再生能源、多類型直流負(fù)荷及儲能等裝置通過DC/AC變流器及DC/DC變流器接入直流母線。 根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究，目前對交直流混合系統(tǒng)的研究重點集中在低壓交直流配電網(wǎng)或微電網(wǎng)，難以接納大規(guī)模的新能源及負(fù)荷?？梢灶A(yù)見的是，隨著分布式可再生能源、廣義直流負(fù)荷的發(fā)展，中壓大容量交直流混合系統(tǒng)將擁有廣闊的發(fā)展前景。 由此，廣東電網(wǎng)公司提出通過電力電子變壓器增加10 kV級直流母線，形成涵蓋中低兩級電壓的配用電雙級(10 kV交、直流配電級及380 V交流、±375 V直流用電級)交直流混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具備4個電壓等級，通過多臺多端口電力電子變壓器構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，保障負(fù)載供電的可靠性及系統(tǒng)

9、運(yùn)行靈活性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點： 1)提高分布式能源高效接入能力。低壓直流母線接入容量有限，一般不超過幾百千瓦，難以支撐較大功率的分布式能源接入；同時低壓供電半徑小，一般只有幾百米。采用10 kV直流母線可以應(yīng)對長距離、較大容量的分布式能源接入，同時，可以減少變流環(huán)節(jié)，提高效率。 2)通過電源點的柔性互聯(lián)提高供電可靠性?？赏ㄟ^直流進(jìn)行兩個不同10 kV電源點的互聯(lián)。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行時，不同電源點之間可進(jìn)行有功功率交換，電網(wǎng)的負(fù)載均衡程度、供電能力、可靠性等得到提升。 2 交直流混合系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備 為了支撐源、荷、儲接入及交直流系統(tǒng)靈活、安全運(yùn)行，需要攻克能量變換裝置及故障保護(hù)裝置等方面的技術(shù)瓶頸

10、。 2.1 電力電子變壓器 柔性多端口電力電子變壓器在交直流混合系統(tǒng)中處于核心裝備的地位，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛展開相關(guān)的研究，主要集中于電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式：北卡FREEDM團(tuán)隊30首先提出基于電力電子變壓器的能源互聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備能量路由器，研制出基于15 kV SiC MOSFET的新一代電力電子變壓器，相比傳統(tǒng)柔性直流系統(tǒng)設(shè)備，體積大幅縮小，整體性能得到提升，此外還探索了能量路由器在即插即用、協(xié)調(diào)運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)等方面的應(yīng)用；蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)為智能電網(wǎng)設(shè)計了1 MVA 電力電子變壓器14，其輸入端與中壓配電網(wǎng)相連，輸出400 V 低壓三相交流母線，其容

11、量可基本滿足配網(wǎng)級需求。 國內(nèi)方面的研究尚處于起步階段32 - 34：清華大學(xué)趙爭鳴教授團(tuán)隊完成了100 kVA多端口能量路由器的研制，搭建了相關(guān)實驗平臺，在能量路由器關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破32；華中科技大學(xué)33毛承雄教授團(tuán)隊在固態(tài)變壓器的拓?fù)浜涂刂粕祥_展了深入研究，提出了一種新型三相自平衡的拓?fù)?，該交錯并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以消除電力電子變壓器高、低壓側(cè)的相互影響。 總的來說，國內(nèi)外關(guān)于電力電子變壓器的研究已經(jīng)有了較廣泛的基礎(chǔ)，但仍處于理論研究和樣機(jī)研制階段。隨著交直流混合系統(tǒng)容量及電壓等級的的不斷提升以及對系統(tǒng)能效需求的不斷增高，相匹配的大容量、多端口、高效率電力電子變壓器將是主要發(fā)展方向。

12、基于上述需求，清華大學(xué)從可靠性及高能效等方向出發(fā)，正在開展多組電力電子變壓器并聯(lián)技術(shù)研究，如圖1所示。 圖1 電力電子變壓器Fig.1 Power electronic transformer 單臺電力電子變壓器單元采用模塊化設(shè)計，包括三級式(整流級、隔離級、逆變級)結(jié)構(gòu)。每個單元都采用多端口設(shè)計方案，具備10 kV直流、±375 V直流、10 kV交流、380 V交流4種電能形式端口，4個端口通過電力電子變換器結(jié)合電感、電容耦合。通過模塊化結(jié)構(gòu)，可以支持多種組網(wǎng)方式，如接入單電源時，通過模塊并聯(lián)構(gòu)成單母線結(jié)構(gòu)給負(fù)載供電；雙/多電源時，可以通過不同單元構(gòu)成環(huán)網(wǎng)給負(fù)載供電。在電力電子變

13、壓器系統(tǒng)中，配置用于內(nèi)部單元協(xié)調(diào)的控制主機(jī)，實現(xiàn)多單元的協(xié)調(diào)控制。相比傳統(tǒng)集中式方案在可靠性與經(jīng)濟(jì)性存在優(yōu)勢： 1)常態(tài)運(yùn)行時，根據(jù)負(fù)載率實現(xiàn)負(fù)載均衡、高效率點追蹤，保障靈活經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 2)局部故障時，系統(tǒng)具備短時過載能力、負(fù)載轉(zhuǎn)移能力，保障安全可靠運(yùn)行。 2.2 故障電流控制器 故障保護(hù)是直流配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵難題，目前，國內(nèi)外在直流配電系統(tǒng)故障保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的研究方向主要包括直流配電系統(tǒng)的接地方式、直流配電系統(tǒng)的故障檢測與處理方法、直流配電系統(tǒng)的保護(hù)裝備等。國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究主要集中于故障限流器和直流斷路器方面。2011年、2012年ABB及Alstom先后研制出80 kV/5 ms/

14、9 kA 及120 kV/5.5 ms/5.2 kA 高壓直流混合斷路器樣機(jī)2。國內(nèi)清華大學(xué)等單位已經(jīng)成功研制出了55 kV/5 ms/16 kA 和200 kV/3 ms/15 kA高壓直流斷路器樣機(jī)22 - 23, 26。 目前直流保護(hù)設(shè)備的研究以中高壓直流輸電領(lǐng)域為主，低壓配電領(lǐng)域的研究較少，并且現(xiàn)有研究側(cè)重斷路器限流能力，停留在理論研究和樣機(jī)研制階段。適用于交直流混合系統(tǒng)的大電流、低損耗、高可靠故障電流控制器是研究方向。 基于此發(fā)展方向，清華大學(xué)正在開展復(fù)合型故障電流控制器研究。主要包括限流器、斷路器和二次保護(hù)系統(tǒng)，如圖2所示。通過限流器，實現(xiàn)故障電流的即時抑制；通過斷路器，實現(xiàn)故障電

15、流的快速近零損耗開斷；通過二次保護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)主動(自檢測、自保護(hù))、被動(協(xié)調(diào)控制保護(hù))結(jié)合的故障保護(hù)。 圖2 復(fù)合型故障電流控制器Fig.2 Composite fault current controller 相對于限流器，復(fù)合型技術(shù)路線不僅可對故障電流進(jìn)行有效限制，還可進(jìn)行故障電流可靠關(guān)斷。相對于斷路器，復(fù)合型技術(shù)路線可利用限流器限制故障電流上升率，從而降低快速機(jī)械開關(guān)的熄弧難度和制造難度，減小電力電子器件因關(guān)斷大電流而引起的動態(tài)過壓，同時可以提高開斷容量。 3 交直流混合系統(tǒng)的運(yùn)行控制 運(yùn)行控制系統(tǒng)是保障交直流混合系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備、分布式可再生能源、儲能及負(fù)荷高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。 圖3

16、一體化運(yùn)行管理平臺Fig.3 Integrated operation management platform 瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提出了能源集線器(energy hub)的概念14，通過綜合管理來實現(xiàn)多種能源的綜合優(yōu)化控制；歐洲電力匹配城市(power matching city)項目35則基于多智能體技術(shù)，以智能方式實現(xiàn)供能和熱電需求的協(xié)調(diào)互聯(lián)、無縫連接分布式發(fā)電與需求響應(yīng)；歐盟ELECTRA項目36為實現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉吹某浞掷?，著眼于2030年歐洲智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提出了以“網(wǎng)元(cell)互聯(lián)”的概念來協(xié)調(diào)各種分布式電源的接入與就地平衡37 - 38。 浙江上虞“高密度分布式電

17、源接入交直流混合微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”863項目對交直流混合結(jié)構(gòu)中的多種分布式電源穩(wěn)定控制和能量管理進(jìn)行了研究并應(yīng)用于示范工程34；北京延慶能源互聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)是國內(nèi)首批區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目，實現(xiàn)了“區(qū)域自治，全局優(yōu)化”39。 現(xiàn)有的研究未考慮多類型供電、供熱、供冷以及儲能的多能互補(bǔ)控制，未考慮多能源子系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行管理?；谏鲜鲂枨?，廣東電網(wǎng)公司采用“省市二級部署、省市站三級應(yīng)用”的整體設(shè)計思路，提出了三層一體化運(yùn)行管理平臺技術(shù)路線，可實現(xiàn)交直流混合系統(tǒng)的優(yōu)化控制，并可通過云平臺實現(xiàn)分散式能源子系統(tǒng)的運(yùn)行管理，如圖3所示。 一體化運(yùn)行管理平臺主要包括3層。底層多能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是負(fù)責(zé)電力電子變壓器、故

18、障電流控制器、各種分布式能源接入開關(guān)、負(fù)荷側(cè)開關(guān)等本地設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，屬于即時控制協(xié)調(diào)。中間層“源-網(wǎng)-荷-儲”能量管理系統(tǒng)是負(fù)責(zé)各種分布式能源和負(fù)荷、儲能之間的互補(bǔ)運(yùn)行協(xié)調(diào)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各種能源和負(fù)荷、儲能互補(bǔ)運(yùn)行的局部最優(yōu)。上層基于云平臺的運(yùn)行管理系統(tǒng)可以從多個區(qū)域統(tǒng)籌考慮，根據(jù)整體的電源和負(fù)荷需求情況，指導(dǎo)多個區(qū)域各種分布式能源和儲能的投運(yùn)計劃，做到全局最優(yōu)。 該技術(shù)方案可以為分布式新能源系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)、調(diào)度管理提供有效的統(tǒng)一平臺，也可為新能源系統(tǒng)運(yùn)營商和電網(wǎng)調(diào)度構(gòu)建重要的信息互通橋梁。 4 結(jié)語 現(xiàn)階段，我國配網(wǎng)中的分布式電源、儲能及負(fù)荷都是交流與直流并存的，而交直流混合系統(tǒng)兼

19、具直流系統(tǒng)及交流系統(tǒng)的優(yōu)勢，完全符合電網(wǎng)發(fā)展需求。本文綜述了國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對于交直流混合系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計、電力電子變壓器及故障電流控制器等關(guān)鍵設(shè)備研制、運(yùn)行控制系統(tǒng)開發(fā)等方向的研究現(xiàn)狀。整體而言，處于初步探索試驗階段，大量理論技術(shù)問題有待深入研究。 1)隨著分布式可再生能源容量的不斷增長，須研究中壓大容量交直流混合系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)大容量新能源可靠消納。 2)用戶對系統(tǒng)靈活、安全運(yùn)行等方面要求越來越高，大容量、多端口、高效率電力電子變壓器及大電流、高速、低損耗直流故障電流控制器是研究重點。 3)須研究具備云平臺的多層級控制系統(tǒng)，滿足用戶對單系統(tǒng)高效運(yùn)行及多系統(tǒng)協(xié)同管理方面的需求。 參考文獻(xiàn)

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