交直流混合的分布式可再生能源系统综述

交直流混合的分布式可再生能源系统综述 蔡汉生 1963 男 高级工程师 教授级 硕士 从事电力系统电磁暂态仿真及过电压计算工作 caihs 滕芸 1989 女 博士研究生 研究方向为 接地技术及其腐蚀防护 clara yun 贾磊 1982 男 高级工程师 博士 从事电力系统电磁暂态仿 真及过电压计算工作 交直流混合的分布式可再生能源系 统综述 谢宁 曾杰 徐琪 张弛 张威 广东电网有限责 任公司电力科学研究院 广州 摘要 分布式可再生能源 储能及直流负荷接入传统交流配网需经多级变流环节 导 致系统能效低 交直流配用电技术可有效减少交直流转化 的中间环节 提高配用电经济性 供电可靠性和运行灵活 性 综述了国内外交直流混合系统的网架结构设计 关键 设备研制及运行控制系统开发等多个方向的研究现状 以 期能够对交直流混合系统的进一步研究及推广应用提供思 路和借鉴 关键词 交直流混合系统 电力电子变压器 故障电流控制器 分布式可再生能源 直流负荷 0 引言 分布式可再生能源已成为推进能源转型的重要途径 预计 2050 年非水可再生能发电量将高达 43 44 其中超过半数 是分布式可再生能源 1 风电 光伏 光热发电等分布式 可再生能源一般通过多级变流环节并网 且缺乏统一管控 调度的手段 导致系统综合能效低下 在负荷侧 以 IT 类 负载 变频空调及电动汽车为代表的广义直流用能设备比 例快速升高 其变流环节严重降低了系统能效 面向分布 式可再生能源可靠消纳及直流负荷经济用能的重大需求 交直流混合系统在经济性 可靠性及灵活性等方面存在明 显优势 国内外已经开展相关技术的研究 提出了交直流 系统的概念及发展方向 2 5 传统交直流混合系统结构 一般为低压放射状母线结构 6 7 可靠性低 母线末端电 压波动大 能源接入能力有限 支撑大容量交直流源 荷 高效接入的系统结构是未来交直流混合的分布式可再生能 源系统的基础 运行控制方面 8 13 传统能量管理系统 一般未能考虑冷热电多能源互补特性 架构上局限于本地 难以实现不同特性能源及能源系统间的互补调度运行 多 层级控制系统是保证系统高效的关键 能量变换装置方面 14 21 传统交直流混合系统一般采用结构单一 功能单 一的双端口变流器 其效率低 运行缺乏灵活性 大容量 多端口 高效率电力电子变压器是系统灵活稳定运行的支 撑 故障保护装置方面 22 28 传统交直流混合系统一 般采用低压直流断路器进行短路电流分断 难以实现快速 可靠的故障保护 大电流 高速 低损耗故障电流控制器 是系统安全运行的保障 本文综述了国内外交直流混合系 统的网架结构 关键设备及化控制系统等多个研究方向 以期能够对未来交直流混合系统的进一步研究及推广应用 提供一些思路和借鉴 谢宁 等 交直流混合的分布式 可再生能源系统综述 1 交直流混合系统的系统结构 交直 流混合系统的系统结构规划涉及到系统供电可靠性 电能 质量 运行经济性及安全性等重要因素 主要包括高低压 配电母线的供电方式 系统组网方式 电压等级构成形式 分布式电源的类型及接入方式 关键设备的类型及接入方 式 负载连接方式 系统运行方式等 自 2003 年以来 美国弗吉尼亚理工大学 北卡罗来纳大学 日本东京工业 大学等都已经开展交直流混合系的研究 2007 年 美国弗 吉尼亚理工大学提出了 sustainable building initiative SBI 并于 2010 将概念发展为 sustainable building and nano grids SBN 29 主要面向楼宇及建筑 以提升系统综合能效 为目标 构建直流配用电系统 系统采用辐射状母线结构 具有 DC 380 V 及 DC 48 V 两个电压等级 主网交流电压通 过 AC DC 变流器构成 DC 380 V 母线 主要用于接入风电 光伏 储能等多能源形式 通过 DC DC 变流器将 DC 380 V 变压为 DC 48 V 为计算机 变频电机及照明等负载供电 在 SBN 概念基础上 CPES 又进一步完善并提出了交直流 混合配电系统结构 该系统具备 2 个交流电源 通过系统 内高压直流输电系统构成环网 每个电源点交流母线下接 入了一个交直流混合系统 包含交直流多个电压等级 通 过变压器或变流器与上层母线连接 2011 年 美国北卡罗 莱纳大学提出了未来可再生电能传输与管理 the future renewable electric energy delivery and management FREEDM 系统结构 30 目标是构建未来灵活的新型配 用电网络 系统采用辐射状结构 每个端口下设母线 分 别接入了分布式电源 储能及负载 在国内 南方电网公 司深圳供电局依托国家 863 项目 基于柔性直流的智能配 电关键技术研究与应用 31 以提高负载供电可靠性为目 标提出了 手拉手 两端交直流配电拓扑结构方案 并研 制了电力电子变压器 15 及直流断路器 26 等关键设备样机 该方案中 系统通过双向 VSC 换流器的直流侧互联形成 10 kV 分段直流母线 分布式可再生能源 多类型直流负 荷及储能等装置通过 DC AC 变流器及 DC DC 变流器接入 直流母线 根据国内外相关研究 目前对交直流混合系统 的研究重点集中在低压交直流配电网或微电网 难以接纳 大规模的新能源及负荷 可以预见的是 随着分布式可再 生能源 广义直流负荷的发展 中压大容量交直流混合系 统将拥有广阔的发展前景 由此 广东电网公司提出通过 电力电子变压器增加 10 kV 级直流母线 形成涵盖中低两 级电压的配用电双级 10 kV 交 直流配电级及 380 V 交流 375 V 直流用电级 交直流混联系统结构 该结构具备 4 个电压等级 通过多台多端口电力电子变压器构成环网 保障负载供电的可靠性及系统运行灵活性 该系统结构具 有以下优点 1 提高分布式能源高效接入能力 低压直流 母线接入容量有限 一般不超过几百千瓦 难以支撑较大 功率的分布式能源接入 同时低压供电半径小 一般只有 几百米 采用 10 kV 直流母线可以应对长距离 较大容量 的分布式能源接入 同时 可以减少变流环节 提高效率 2 通过电源点的柔性互联提高供电可靠性 可通过直流进 行两个不同 10 kV 电源点的互联 当电网运行时 不同电 源点之间可进行有功功率交换 电网的负载均衡程度 供 电能力 可靠性等得到提升 2 交直流混合系统的关键设 备 为了支撑源 荷 储接入及交直流系统灵活 安全运行 需要攻克能量变换装置及故障保护装置等方面的技术瓶颈 2 1 电力电子变压器 柔性多端口电力电子变压器在交直流 混合系统中处于核心装备的地位 国内外学者已经广泛展 开相关的研究 主要集中于电力电子变压器的拓扑结构和 控制方式 北卡 FREEDM 团队 30 首先提出基于电力电子 变压器的能源互联网核心设备 能量路由器 研制出基 于 15 kV SiC MOSFET 的新一代电力电子变压器 相比传统 柔性直流系统设备 体积大幅缩小 整体性能得到提升 此外还探索了能量路由器在即插即用 协调运行 网络故 障恢复等方面的应用 苏黎世联邦理工学院 ETH Zurich 为 智能电网设计了 1 MVA 电力电子变压器 14 其输入端与 中压配电网相连 输出 400 V 低压三相交流母线 其容量 可基本满足配网级需求 国内方面的研究尚处于起步阶段 32 34 清华大学赵争鸣教授团队完成了 100 kVA 多端口 能量路由器的研制 搭建了相关实验平台 在能量路由器 关键技术上取得了重大突破 32 华中科技大学 33 毛承雄 教授团队在固态变压器的拓扑和控制上开展了深入研究 提出了一种新型三相自平衡的拓扑 该交错并联的拓扑结 构可以消除电力电子变压器高 低压侧的相互影响 总的 来说 国内外关于电力电子变压器的研究已经有了较广泛 的基础 但仍处于理论研究和样机研制阶段 随着交直流 混合系统容量及电压等级的的不断提升以及对系统能效需 求的不断增高 相匹配的大容量 多端口 高效率电力电 子变压器将是主要发展方向 基于上述需求 清华大学从 可靠性及高能效等方向出发 正在开展多组电力电子变压 器并联技术研究 如图 1 所示 图 1 电力电子变压器 Fig 1 Power electronic transformer 单台电力电子变压器单元 采用模块化设计 包括三级式 整流级 隔离级 逆变级 结 构 每个单元都采用多端口设计方案 具备 10 kV 直流 375 V 直流 10 kV 交流 380 V 交流 4 种电能形式端口 4 个端口通过电力电子变换器结合电感 电容耦合 通过模 块化结构 可以支持多种组网方式 如接入单电源时 通 过模块并联构成单母线结构给负载供电 双 多电源时 可 以通过不同单元构成环网给负载供电 在电力电子变压器 系统中 配置用于内部单元协调的控制主机 实现多单元 的协调控制 相比传统集中式方案在可靠性与经济性存在 优势 1 常态运行时 根据负载率实现负载均衡 高效率 点追踪 保障灵活经济运行 2 局部故障时 系统具备短 时过载能力 负载转移能力 保障安全可靠运行 2 2 故 障电流控制器 故障保护是直流配电系统安全运行的关键难 题 目前 国内外在直流配电系统故障保护技术领域的研 究方向主要包括直流配电系统的接地方式 直流配电系统 的故障检测与处理方法 直流配电系统的保护装备等 国 内外学者的相关研究主要集中于故障限流器和直流断路器 方面 2011 年 2012 年 ABB 及 Alstom 先后研制出 80 kV 5 ms 9 kA 及 120 kV 5 5 ms 5 2 kA 高压直流混合断路器 样机 2 国内清华大学等单位已经成功研制出了 55 kV 5 ms 16 kA 和 200 kV 3 ms 15 kA 高压直流断路器样机 22 23 26 目前直流保护设备的研究以中高压直流输电领域 为主 低压配电领域的研究较少 并且现有研究侧重断路 器限流能力 停留在理论研究和样机研制阶段 适用于交 直流混合系统的大电流 低损耗 高可靠故障电流控制器 是研究方向 基于此发展方向 清华大学正在开展复合型 故障电流控制器研究 主要包括限流器 断路器和二次保 护系统 如图 2 所示 通过限流器 实现故障电流的即时 抑制 通过断路器 实现故障电流的快速近零损耗开断 通过二次保护系统 实现主动 自检测 自保护 被动 协 调控制保护 结合的故障保护 图 2 复合型故障电流控制 器 Fig 2 Composite fault current controller 相对于限流器 复合 型技术路线不仅可对故障电流进行有效限制 还可进行故 障电流可靠关断 相对于断路器 复合型技术路线可利用 限流器限制故障电流上升率 从而降低快速机械开关的熄 弧难度和制造难度 减小电力电子器件因关断大电流而引 起的动态过压 同时可以提高开断容量 3 交直流混合系 统的运行控制 运行控制系统是保障交直流混合系统内关键 设备 分布式可再生能源 储能及负荷高效稳定运行的关 键 图 3 一体化运行管理平台 Fig 3 Integrated operation management platform 瑞士苏黎世 联邦理工学院提出了能源集线器 energy hub 的概念 14 通 过综合管理来实现多种能源的综合优化控制 欧洲电力匹 配城市 power matching city 项目 35 则基于多智能体技术 以智能方式实现供能和热电需求的协调互联 无缝连接分 布式发电与需求响应 欧盟 ELECTRA 项目 36 为实现大规 模可再生能源的充分利用 着眼于 2030 年欧洲智能电网的 稳定运行 提出了以 网元 cell 互联 的概念来协调各种 分布式电源的接入与就地平衡 37 38 浙江上虞 高密 度分布式电源接入交直流混合微电网关键技术 863 项目对 交直流混合结构中的多种分布式电源稳定控制和能量管理 进行了研究并应用于示范工程 34 北京延庆能源互联网示 范区是国内首批区域能源互联网示范项目 实现了 区域 自治 全局优化 39 现有的研究未考虑多类型供电 供热 供冷以及储能的多能互补控制 未考虑多能源子系 统的协同运行管理 基于上述需求 广东电网公司采用 省市二级部署 省市站三级应用 的整体设计思路 提 出了三层一体化运行管理平台技术路线 可实现交直流混 合系统的优化控制 并可通过云平台实现分散式能源子系 统的运行管理 如图 3 所示 一体化运行管理平台主要包 括 3 层 底层多能协调控制系统是负责电力电子变压器 故障电流控制器 各种分布式能源接入开关 负荷侧开关 等本地设备的协调控制 属于即时控制协调 中间层 源 网 荷 储 能量管理系统是负责各种分布式能源和负荷 储 能之间的互补运行协调 通过该系统实现系统内各种能源 和负荷 储能互补运行的局部最优 上层基于云平台的运 行管理系统可以从多个区域统筹考虑 根据整体的电源和 负荷需求情况 指导多个区域各种分布式能源和储能的投 运计划 做到全局最优 该技术方案可以为分布式新能源 系统的运行维护 调度管理提供有效的统一平台 也可为 新能源系统运营商和电网调度构建重要的信息互通桥梁 4 结语 现阶段 我国配网中的分布式电源 储能及负荷都 是交流与直流并存的 而交直流混合系统兼具直流系统及 交流系统的优势 完全符合电网发展需求 本文综述了国 内外相关机构对于交直流混合系统的网架结构设计 电力 电子变压器及故障电流控制器等关键设备研制 运行控制 系统开发等方向的研究现状 整体而言 处于初步探索试 验阶段 大量理论技术问题有待深入研究 1 随着分布式 可再生能源容量的不断增长 须研究中压大容量交直流混 合系统网架结构 以实现大容量新能源可靠消纳 2 用户 对系统灵活 安全运行等方面要求越来越高 大容量 多 端口 高效率电力电子变压器及大电流 高速 低损耗直 流故障电流控制器是研究重点 3 须研究具备云平台的多 层级控制系统 满足用户对单系统高效运行及多系统协同 管理方面的需求 参考文献 1 周孝信 能源转型中我国 新一代电力系统的技术特征 C 中国电力科学研究院 中国 电力科学研究院大数据技术研讨会 北京 中国电力科学研 究院 2017 2 宋强 赵彪 刘文华 等 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