直流配电有源前端控制器在配电网中的应用

肖建华

摘要 有源前端控制器能结合电力电子技术以及高频隔离技术，从而有效实现配电网降压节能，在有源前端控制器的实际应用中，能实现中压交流配电网与低压直流网的有效转换。对此，文章首先介绍了配电网降压节能措施，然后对有源前端控制器进行了介绍，并对配电网降压节能中直流配电的有源前端控制器的具体应用进行了详细探究，可供参考。

【关键词】有源前端控制器 AFEC 变频节能

1 配电网降压节能措施

1.1 配电网变压器节能措施

1.1.1 积极推广使用节能型变压器

节能型变压器指的是性能参数空载、负载损耗均比《油浸式电力变压器技术参数和要求》（GB/T 6451-2015）平均下降10%以上的三相油浸式电力变压器。与普通型变压器相比，节能变压器在实际应用中的功耗水平较低。目前，节能变压器己逐渐得到广泛推广和应用，但由于节能变压器的投资成本比较高，因此需综合考虑变压器实际情况分批进行更换。有些变压器超期服役，另外有些变压器属于国家命令禁止的高能耗变压器，对于这类变压器应优先进行更换。

1.1.2 无功补偿

配电网运行过程中，如果功率因数较高，则损耗也较高，另外，在配电网运行过程中，如果功率因数较低，则在同等电压水平下，输电电流也会随之增高，最终就会产生无功损耗的问题。对此，可在配网中安装电容器，从而有效实现无功补偿，通过这一措施能有效提高功率因数，有效实现节能目标。此外，通过利用无功补偿措施，还有利于保障电网运行电压稳定性，从而有效提高电能质量。

1.2 配电网变频节能措施

1.2.1 控制电机的启动电流

当电机通过工频直接启动时其将会产生7-8倍的电机额定电流，这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，这样会大大缩短电机的使用寿命。在零速零电压下即可启动变频调速，通过控制电机的启动电流，能有效提高绕组的承受水平，这样不仅能降低电机维护成本，且有利于延长电机使用寿命。

1.2.2 降低电力线路电压波动

当电机工频启动时电流迅速增加，同时电压会出现大幅度的波动，而启动电机的功率以及配电网容量将会对电压的实际下降幅度造成一定的影响，随着电压的不断下降，统一供电网中的电压敏感设备也会随之出现工作异常的问题，包括跳闸、开关故障、接触器故障等。通过变频调速，能在零频零压水平下逐渐启动，从而有效消除电压下降问题。

1.2.3 节能

通过应用变频器，能有效降低能耗。变频器得到广泛应用，不仅能有效实现配电网降压节能目标，而且由于最终的能耗是与电机的转速三次方成正比，所以采用变频后投资回报就很快。

2 有源前端控制器概述

在电力变压器系统实际运行过程中，能有效实现多个基本功率的变化：

（1）由中压工频交流转换为中压直流，即AC-DC;

（2）由中压直流转换为低压直流，即DC-DC，通过DC-DC转换，能有效实现能量转换以及配电网降压;

（3）低压直流转换为低压交流，即DC-AC，通过DC-AC，能有效满足多个类型的负载需要。

变压器的体积较小且重量较轻，因此其在应用中能为电力用户提供直流母线接口，从而有效提高供电可靠性。另外，变压器还能作为中压交流网与用户侧之间的缓冲设备，通过其缓冲功能，能缓解二者的相互影响，由此可见，变压器能有效实现配电网的降压节能。在变压器实际运行中，变压器的主要作用是低压交流输出满足传统用户需求，然而小型户用直流系统概念已逐渐得到广泛实行，因此交流供电系统将逐渐由直流供电系统所替代，在此过程中，变压器的AC-DC转换以及DC-DC转换能完全独立。对此，文章将通过利用电力电子技术以及高频隔离技术，将中压交流配电网与低压直流网的功率转换设备作为有源前端控制器，即AFEC，其结构形式如图1所示。通过利用AFEC，能对低压直流侧母线进行有效控制，从而确保中压交流侧以及低压直流侧的功率平衡。在AFEC的应用中能结合不同需求实现无功补偿。

该次研究在上述理论的基础上提出一种直流配电系统，该配电系统结构形式己不仅为电力电子变压器框架，而且还能采用有源前端控制器作为能量控制中心，即ECC。同时，其还能有效供给360V-400V的直流配电网络，在直流电缆的运行过程中，能供给用户侧DC-AC逆变器，从而有效满足传统交流负载的实际需要。

3 有源前端控制器功能

有源前端控制器功能的功能主要有以下幾点：

3.1 AFEC

合理管理低压直流母线，可以使低压直流网功率和中压交流网功率实现高效的转换。对于ECC来说，需要与BESS实现有机的融合。现如今各个领域的新能源已经得到了普遍的使用，DC-AC逆变器、风力分布式发电系统和太阳能在工作的时候，只要进行简单发布指令就可以了，实时数据可以实现高效的转化，促使整个系统实现高效工作。

3.2 用户使用的DC-AC逆变器

使用用户侧的DC-AC逆变器以后，以往的交流负载需求可以得到满足，促使单相运行更加顺畅。在电网运行的时候，电网中不会流入负载侧无功功率，要想实现独立完成，需要借助DC-AC逆变器实现。

3.3 分布式能源发电系统

太阳能变换器属于DC-DC变换器，主要包括隔离型、升压式和单方向等，当其处于最大功率状态并在跟踪MPPT模式的状态下，三相有源整流器可以借助风能变换器得以实现。在MPPT模式工作的时候，低压直流侧母线的电压调节可以借助风能变换器或者是太阳能变换器得以实现。

3.4 BESS

在电压模式或者是电流模式下进行工作的时候，可以借助双向DC-DC变换器得以实现。在低压调控的时候，使用AFEC就会使BESS工作时需要一直处于电流模式。局部智能借助通用配电系统在独立发电模式的情况下，可以实现正常工作，BESS有效调节低压侧直流母线。

3.5 未来用户直流负载

如今直流负载得到了大范围的使用，以往使用的交流负载应用率得到不断的降低，以往的交流负载被直流负载慢慢的取代了。

4 AFEC类型和用途

AFEC的使用方法比较多，可以将其分为以下五种类型：

4.1 AFEC-I型

属于单向AC-DC有功型，具有源滤波能力和无功补偿，包括两种形式。

（1）变换器类型为DC-DC单向降压隔离型;

（2）变换器类型为AC-DC单向功率组合。

4.2 AFEC-II型

属于单向AC-DC有功型，具有有源滤波能力和有无功补偿，包括两种形式。

（1）变换器类型为AC-DC双向功率型;

（2）变换器类型为DC-DC单向降压隔离组合。

4.3 AFEC-III型

属于单向DC-AC有功型，具有有源滤波能力和没有无功补偿，包括两种形式。

（1）变换器类型为DC-AC单向功率型;

（2）变换器类型为DC-DC单向升压隔离组合。

4.4 AFEC-IV型

屬于单向DC-AC有功型，具有有源滤波能力和有无功补偿，包括两种形式。

（1）变换器类型为DC-AC双向功率型;

（2）变换器类型为DC-DC单向升压隔离组合。

4.5 AFEC-V型

属于双向AC-DC/DC-AC有功型，具有有源滤波能力和有无功补偿，包括两种形式。

（1）变换器类型为AC-DC/DC-AC双向功率型;

（2）变换器类型为DC-DC双向隔离组合。

在并网功率变换器系统的实际运行中，AFEC发挥着重要的作用，具体如下：

（1）常见的并网分布式发电系统有很多种，包括海岸风力发电场、集中式光伏发电场等，在这类发电系统的运行过程中，可实现电力功率变化系统与传统升压式变压器的一体化设计;

（2）在电动汽车充电站和地铁中公共交通电力系统得到了大范围的使用，AFEC-II型和AFEC-I型的投入使用，能妥善解决电网运行中的故障问题，包括电压跌落、谐波污染等。另外，随着科学技术的快速发展，智能配电网系统将日渐完善，同时AFEC，将得到广泛推广和应用，实现配电网降压节能目标。

5 结束语

综上所述，文章提出了一种以AFEC为基础的直流配电系统结构，文内所提直流配电系统结构的基础为用户侧直流电网，包括AFEC、BESS、DC-AC逆变器、分布式新能源发电系统等。通过应用直流配电的有源前端控制器，能有效实现配电网降压节能，提高系统结构的可行性，促进单级控制水平的提高。

参考文献

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