基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源关键技术

来源：核心期刊咨询网时间：12

摘要：摘 要：分布式可再生能源大规模接入电网, 对系统的灵活接入和运行控制管理提出了新的挑战和更高的要求;利用多端口电力电子变压器构建交直流混合系统, 在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源, 可以实现灵活接入与组网;同时, 减少变换环节, 提高能源利用效

　　摘 要：分布式可再生能源大规模接入电网, 对系统的灵活接入和运行控制管理提出了新的挑战和更高的要求;利用多端口电力电子变压器构建交直流混合系统, 在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源, 可以实现灵活接入与组网;同时, 减少变换环节, 提高能源利用效率, 增强系统控制能力, 在更大范围实现可再生能源互联互补。构建了基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源关键技术研究框架, 并对其中涉及的关键技术进行了详细阐述。

　　关键词：交直流; 电力电子变压器; 可再生能源

　　1 引言

　　近年来我国分布式可再生能源 (Distributed Renewable Energy Sources, DRES) 增长迅速, 大规模分布式可再生能源接入电网, 对系统的灵活接入和有效管控提出了新的挑战和更高的要求。目前可再生能源接入技术交直流变换环节较多, 降低了效率、影响了接入的便捷性, 另外配电网互联互济和柔性调控能力不足, 也限制了分布式可再生能源的充分消纳和高效利用[1,2]。电力电子变压器 (Power Electronic Transformer, PET) 结合了电力电子变换器和高频变压器, 相较传统变压器, PET在减小自身体积和重量、电能调节等方面具有很大优势, 在含大规模可再生能源的交直流混合系统中具有巨大的应用价值, 利用双向多端口电力电子变压器构建交直流混合系统[3,4], 可以实现灵活组网, 在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源, 实现灵活安全接入;并减少变换环节, 提高能源利用效率, 增强系统控制能力, 在更大范围实现不同类型可再生能源的互联互补, 充分消纳可再生能源, 是未来重要发展方向, 应用前景广阔[5,6]。

　　在分布式可再生能源交直流混合接入方面, 国内外学者提出了采用基于双向变流器的交直流混合微网方案, 将光伏等直流型分布式能源和电动汽车等直流用电设备直接通过直流微网集成, 以减少变换环节, 提高利用效率[7,8]。国外挪威科技大学、印度理工学院等对直流微网稳定进行了分析[9,10], 丹麦奥尔堡大学提出了直流电压分层控制策略和能量优化策略[11];国内中科院电工所、中国电科院、天津大学、浙江大学等也开展了交直流微网的结构设计、协调控制等研究[12,13,14,15]。

　　交直流微网技术可以在一定程度上提高分布式可再生能源利用效率。国内外学者进一步提出基于电力电子变压器的交直流混合系统, 该系统可在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源, 增加控制能力, 实现更加灵活安全接入, 同时实现系统灵活组网, 在更大范围互联互补、充分消纳不同类型的可再生能源。分布式可再生能源接入系统的不同方式及对比如图1 所示。对于方式1, DRES接入交流配电系统存在着很多不足之处, 如DRES需通过两级变换环节并网, 效率不高, DRES的协调控制较为困难, 电压和电能质量的控制也很复杂等;对于方式2, DRES接入基于双向变流器的交直流微网系统, 相较方式1减少了变流环节, 提升了转换效率, 但也存在着无法实现区域范围内DRES消纳和互补运行, 不能开展区域间的功率均衡和潮流调节等不足之处;对于方式3, DRES接入基于电力电子变压器的交直流混合系统, 相较前两种接入方式, 具有DRES分区灵活接入和充分消纳, 能够灵活开放组网形态, 协调控制网络间功率, 促进区域范围内多能互补, 提高系统综合能效等多方面优势。

　　在面向交直流混合的分布式可再生能源系统中, 交流故障电流限流和隔离技术已较为成熟, 但目前直流故障电流控制器研制尚处于初步阶段, 只对其拓扑结构、优化配置等进行了探索性研究[16]。由于直流侧阻抗低、故障电流上升率大, 分断较为困难, 需要对直流故障电流进行快速控制, 使设备免受过电流冲击。总体来看, 交直流关键设备研究在电路拓扑、控制以及样机研制上已取得一定成果, 但对于适用于分布式可再生能源集成的多端口多功能大容量高效电力电子变压器、直流故障电流控制器等关键技术难题仍有待攻克, 而围绕电力电子变压器、直流故障电流控制器构建的交直流混合分布式可再生能源系统结构、动态分析、优化配置、运行控制仍处于起步阶段。构建了基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源关键技术研究框架, 对其中涉及的关键技术进行了详细阐述。

　　2 组网规划设计

　　在交直流混合配电网的结构规划设计阶段的核心问题是如何对其组网进行优化设计, 组网规划的优化设计对电网的安全、可靠、经济运行具有重要意义。目前交直流混合配电网组网规划设计已取得一些成果, 研究对象均为基于电压源型变流器 (Voltage Source Converter, VSC) 的交直流混合配电网, 优化目标多从经济性和可靠性两方面考虑。文献[17]在交直流混合配电网中节点数量、位置、分布式电源 (Distributed Generator, DG) 位置、容量等确定的情况下, 以电网的建设费用和运行费用之和最小作为优化目标, 同时考虑负荷需求和基于可再生能源的DG出力的随机性, 对电网的配置结构, 包括交流、直流节点的确定, 交直流线路的确定以及节点间的连接关系进行了优化;文献[18]同样以电网的建设费用和运行费用之和最小作为优化目标, 对变电站的选址和容量以及中低压侧馈线长度、容量和连接关系进行了优化, 证明了在多直流负荷接入和DG高渗透率下, 交直流混合配电网相较传统交流配电网更加经济;文献[19,20]基于多场景, 考虑了DG和负荷的运行时序特性, 建立了多目标优化模型, 优化目标同时考虑了经济性和可靠性, 文献[19]以电网年费用最小、年网损最小和年均电压波动最小为优化目标, 对DG和网络结构进行了优化;文献[20]提出了双层协调规划模型, 上层以年建设运行费用最小、网损最小、购电成本最小和故障成本最小为目标, 以实现综合最优决策, 下层全面考虑DG的利益, 以DG年建设运行费最小、网损最小和DG年出力最大为目标, 对DG和网络结构进行了优化。相较已有的交直流混合配电网的组网规划设计研究, 基于PET的交直流混合配电网的组网规划设计研究有其自身的特点。

　　需要考虑PET的选址和总容量的设计;同时由于PET可以具有多种不同电压等级的交流和直流端口, 因此对其端口的数量、容量和类别的设计至关重要;基于PET的各类不同端口, 交直流混合配电网的组网形态方案将会更加灵活丰富, 需对其灵活的组网形态进行规划;由于能够充分消纳大量的可再生能源, 因此对于大量可再生分布式电源的选址和容量设计也是其组网规划的重要部分, 合理的设计能够利用灵活的组网形态实现不同区域、不同可再生能源的互补利用, 提高系统的综合能效。

　　对于基于PET的交直流混合配电网组网规划设计, 其优化目标仍应从经济性和可靠性两个方面考虑。经济性主要从全寿命周期内投资成本、运行成本和经济性评价指标 (净现值、投资回收期等) 等方面考虑[21]。目前由于PET的成本较大, 造成经济性目标中装置成本占比较大, 因此需要更加深入讨论PET成本对以经济性为规划目标得到的结果的影响, 对目标进行优化调整;对可靠性的评估应综合考虑PET各类端口以及系统中各类设备和系统运行的可靠性, 同时讨论由于PET各类端口的灵活组网使得交直流系统能够提高相互功率支撑带来的可靠性的提升。求解算法方面, 主要有解析算法和智能算法两类, 解析法包括线性规划和非线性规划等方法, 适用于对小系统的规划求解, 对于大规模的系统, 难以求解, 并且求解时间较长;智能算法包括遗传算法和蚁群算法等, 能够实现对多目标问题的求解, 同时能够全面考虑多种约束, 通过并行计算还可以显著提高求解速度。基于PET的交直流混合配电网的规模较大, 需要同时对经济性和可靠性进行评估, 约束条件也较多, 智能算法更加适合对其组网规划问题的求解。

　　3 电力电子变压器设备研制

　　基于CHB的PET拓扑结构如图2所示, 对于高压输入级和中间隔离级, 采用多个子单元输入串联输出并联构成, 每一个子单元由AC/DC变换器和双有源全桥变换器构成。PET可同时输出低压交流端口和直流端口。由于CHB具有便于模块化实现、可扩展性强、冗余设计容易等优点, 是PET最为常用的拓扑结构之一。针对基于CHB的PET结构, 美国未来可再生电能传输与管理 (the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management, FREEDM) 系统中心研制了单相AC7.2kV/DC400V/AC240V/AC120V的PET样机, 应用于直流微电网中[22,23,24], 同时也研制了单相AC3.6kV/DC200V/AC120V的PET样机[25]。ABB公司研制了AC15kV/DC1800V的机车牵引车载PET[26]。华中科技大学研制了三相AC10kV/DC400V/500kV·A的PET样机, 应用于智能电网[27]。

　　基于MMC的PET是另一种典型结构, 如图3所示, 其主要由三级结构组成, 高压输入级采用MMC结构, 中间隔离级采用ISOP型双有源全桥变换器, 低压输出级采用三相电压源型逆变器。针对基于MMC的PET, 中国科学院电工研究所先后研制了两代MMC型PET样机, 其电压等级和容量分别为三相AC10kV/AC380V/10kV·A和AC10kV/DC750V/1MV·A, 并完成挂网运行, 其主要应用于直流微电网[28,29]。与基于CHB的PET相比, 该拓扑能够输出稳定可控的高压直流母线, 可以实现高压互联, 同时在同样的电压等级和功率器件耐压水平下MMC型拓扑比CHB型拓扑需要更少的开关器件和高频变压器, 减小了成本。该拓扑主要缺点在于子模块和储能电容数量多, 且PET功率密度较低。

　　除此之外, 为尽量减少开关器件和电容数量, 提高PET功率密度, 基于NPC拓扑的PET也得到了高度关注。针对基于NPC的PET, 美国电科院 (Electric Power Research Institute, EPRI) 研制了三相AC2.4kV/AC277V的PET样机[30,31], 如图4所示。美国FREEDM系统中心采用15kV SiC IGBT 和10kV SiC MOSFET器件研制了三相AC13.8kV/AC480的PET[32]。该拓扑高压输入级采用三相NPC整流器, 中间隔离级采用三相双有源桥变换器。

　　推荐阅读：《声学与电子工程》(季刊)创刊于1984年，由中国船舶重工集团公司第七一五研究院主办。是我国声学领域有关声学电子技术的综合性科技刊物。

转载请注明来自：http://www.qikan2017.com/lunwen/dzi/13310.html