配电网电力电子化的表现形态及影响分析

赵敏　李顺昕　岳云力　李博　董少峤

摘要：随着电力电子技术的发展和用户供电要求的提高，配电网逐步呈现出电力电子化的发展趋势。文章梳理了当前配电网电力电子化的主要表现形态，分析了电力电子技术应用于配电网给配电网的电能质量、系统稳定性、网架结构、控制、保护和运维等方面带来的影响。

关键词：电力电子；配电网；分布式电源；电能质量；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM73 文章编号：1009-2374（2017）01-0149-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.072

1 概述

电力电子技术通过使用电力电子器件，可实现对电能的灵活变换和控制。随着电力电子器件和变流控制技术的发展，电力电子技术日益广泛地应用于电力系统，推进智能电网建设。在配电网中，新能源发电和储能的大量接入以及用户对供电的多元化需求，促使配电网逐步电力电子化，给智能配电网的运行控制和管理维护带来了一系列新的机遇和挑战。

配電网电力电子化具有多种表现形式。每种表现形式都有其侧重点。在下文中，首先从设备级和系统级两个层面梳理配电网电力电化的主要表现形态及其特点，然后分析电力电子技术应用于配电网给配电网带来的各方面影响，以推进智能配电网与电力电子技术相关研究工作，并为电网企业及有关设备研发和制造企业提供技术依据和管理参考。

2 配电网电力电子化的主要表现形态

2.1 设备级

2.1.1 DFACTS装置。DFACTS技术是FACTS（Flexible AC transmission system，基于电力电技术的柔性交流输电系统）技术在配电网应用的延伸，主要目的是改善配电网电能质量。DFACTS设备主要包括配电静止无功补偿器（D-STATCOM）、有源滤波器（APF）、固态开关（包括固态转换开关、固态断路器和固态限流器，即SSTS、SSB和SSLC）以及动态电压调节器（DVR）等。配电静止无功补偿器是一种并联无功补偿装置，通过与配电网的无功交换，实现调控系统电压、抑制电压扰动以及减小电压谐波等。有源滤波器可动态抑制谐波以及补偿无功。固态开关可快速隔离故障。动态电压调节器可抑制电压波动、不平衡以及谐波对负荷的影响。

2.1.2 分布式发电和储能的并网装置。多种分布式发电单元和储能发电单元接入电网需要应用电力电子技术。以接入交流配电网为例，光伏发电、燃料电池需要DC/AC逆变器，小型风力发电需要AC/DC/AC变换器。

2.1.3 电力电子变压器。电力电子变压器指采用电力电子换流器及中高频变压器实现的新型变电装置，在完成常规变压器变压、隔离和能量传递等功能的同时，还可实现潮流控制和电能质量调节等功能。从拓扑类型上，分为AC/AC型和AC/DC/DC/AC型。

2.2 系统级

2.2.1 微电网。微电网是有效利用分布式电源（包括分布式发电和储能）的一种方式。不同国家和组织对微电网的定义因本地需求、科研水平等因素的不同而有所差异，但是整体来看，微电网具有如下基本特征：包含分布式电源和负荷；应用电力电子技术；既可以工作在并网状态下，又可以工作在离网状态下，对外电网表现为一个整体；满足用户需求，提供稳定、安全和可靠的电能。相较于分布式电源直接由配电网管理，微电网给接入配电网的分布式电源带来了新的运行

模式。

2.2.2 柔性直流输电。柔性直流输电指采用IGBT、IGCT等全控电力电子器件构成电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）进行换流的直流输电技术，又称为轻型直流、新型直流、电压源换流器型高压直流输电。它可对有功和无功独立进行控制，可实现四象限运行，可以向无源交流网供电，也可以支撑弱交流系统。具体而言，可用于风力和光伏并网发电、向孤岛或者海上钻井平台供电、城市供电、异步互联以及多端直流互联等。

2.2.3 交直流配电网。又称为交直流混合配电网、交直流混合配电网系统等。指采用电力电子技术将交流配电网和直流配电网进行联网所构成的混合电网。主要拓扑结构分为辐射型、链型和环型结构。应用于交直流配电网组网的装置可以是AC/DC、DC/AC等变换器，也可以是电力电子变压器等。

2.2.4 能源互联配电网。相当于将能源互联网应用于配电网中，直接接入各类用户，将电力电子设备与通信技术相结合，采用通信技术对网络内的重要信息进行汇集。能量路由器是能源互联配电网的核心设备，可联结中压配电网和低压配电网，联结交流系统和直流系统，实现能量双向流动，交直流负荷的灵活接入和管理，分布式电源的接入和消纳。通过对多电平电力电子变压器的改进和功能整合，可实现配电网能量路由器的基本功能。

3 配电网电力电子化的影响分析

3.1 电能质量

配电网一部分电力电子装置专门用于改善电能质量，例如DFACTS装置；而另一部分电力电子装置则会恶化电能质量，特别是产生谐波污染，例如含整流装置的电力电子设备。谐波的来源主要分为两种：一种是特征性谐波；另一种是非特征性谐波。前者可由质量较差的并网电源、整流装置、变频装置、旋转电机等设备运行引起，后者可由配电网系统的不对称运行、电力电子开关器件和触发脉冲不对称、驱动电路及缓冲电路参数不对称等原因引起。

3.2 系统稳定性

相对于传统配电网，电力电子化后的配电网在系统稳定性方面有以下特点：一是频率动态变化范围较大，可从工频附近一直到上千赫兹；二是由于用于改善电力电子装备接入后电能质量的各类滤波器的使用，容易造成系统谐振问题；三是由于电网特性变化、电压稳定等过渡过程缩短；四是由于电力电子装置相对于同步发电机缺乏自然惯性，因此当一部分分布式发电单元、储能和负荷形成一个小系统离网运行时，系统稳定性问题会尤为突出。

3.3 网架结构

由于电力电子装置灵活的变流能力，对交直流和多电平的高度集成以及模块化组装能力，配电网的网架结构将会更加复杂和多样化。随之带来的是低压配电网联络率和转供能力的提升，更高的供电可靠性，更加灵活的运行方式，更贴近用户多元化需求的供电服务以及更强大的风险抵御能力。

3.4 控制

高可控性是电力电子设备的一个较为普遍的特点，同时也是电力电子化配电网的一个主要优势。通常，电力电子化的配电网控制呈现分层分级的特点，例如设备级、局部系统级（例如对一个微电网、一套柔性直流输电、一个电力电子变压器及其所连接的分布式发电单元、储能和负荷构成的整体）和配电网级，甚至更加复杂的层级划分。从控制的体系上来讲，通常可分为集中式控制和分散式控制。目前，集中式控制在实际系统中应用得更为广泛，也更容易实现。

3.5 保护

一方面，部分电力电子设备具有快速闭锁能力，使得短路容量减小；另一方面，分布式电源的接入，能量从传统电网的单向流动变为双向流动，改变了传统配电网的短路容量分布情况，传统配电网的保护配置和重合闸策略等不再适用。鉴于电力电子化后的配电网复杂多样的运行方式，在进行保护配置和重合闸设置时，需尽可能全面地考虑可能出现的各种故障情形，灵活运用部分电力电子设备的快速闭锁能力，做好设备和系统级保护的配合。

3.6 运维

由于电力电子设备的运行环境要求更加苛刻，控制更加复杂，因此相对于传统配电网，电力电子化后的配电网更需要精细化运维，对运维人员的业务水平要求也更高。现阶段，当投运的电力电子设备出现故障后，通常需要生产厂家甚至研发单位的专业技术人员到现场，当地供电局的运维检修人员配合，才能完成相关电力电子设备的更换和调试。未来应加强对一线电力员工关于电力电子设备运维技术的普及。

4 結语

配电网电力电子化是当前配电网发展的方向，也是未来配电网实现智能化、自动化以及清洁化的重要手段。随着相关技术的发展以及用户对供电各方面要求的提升，DFACTS装置、分布式发电和储能的并网装置、电力电力变压器等电力电子设备以及微电网、柔性直流输电、交直流配电网以及能源互联网等系统构想逐步应用于配电网，给已有配电网的电能质量、系统稳定性、网架结构、控制、保护和运维等方面带来了一系列影响。如何实现新型电力电子技术与当前配电网的良好对接和融合，充分发挥电力电子技术在提升配电网灵活性、高可控性、满足用户多元化需求、消纳分布式电源等方面的优势，是需要不断开展研究和实践探索的。

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作者简介：赵敏（1988-），女，安徽巢湖人，国网冀北电力有限公司经济技术研究院工程师，研究方向：微电网、分布式电源、配电网规划。

（责任编辑：小 燕）