摘要：随着技术的发展，柔性直流配电网将成为智能电网和能源互联网的关键组成部分，柔性直流输电技术已经广泛应用于远距离大容量输电，然而，在中低压等级的配电网领域，直流供电系统还仅仅应用于一些工业园区、轨道交通牵引供电系统等，尚未广泛应用于城市供电系统。本文对交流能源互联网的典型结构进行分析；给出一种基于柔性中压直流配电的能源互联网系统。
关键词：能源互联网；可直流配电；电网
能源互联网是第三代工业革命的核心技术，是以电力系统为核心，深入结合新能源技术和信息技术为特征的一种新的能源利用体系。如何在现有交流配电网的基础上经济高效地建设能源互联网是一个亟需解决的问题。柔性直流技术具有功率独立控制、无无功补偿问题、可以向无源网络供电等优势，非常适合组建能源互联网。
一、能源互联网内涵
能源互联网是以电力网为基础，利用可再生能源技术、智能电网技术及互联网技术，融合电力网、天然气网、氢能源网等多能源网及电气化交通网，形成多种能源高效利用和多元主体参与的能源互联共享网络，消纳高渗透率可再生清洁能源，并激活新的商业模式。可再生清洁能源既包括集中开发的大型能源基地的可再生能源，也包括用户侧就地开发、用户自身消纳为主的分布式能源。能源互联网实现多能源的清洁生产、传输、利用和服务，是”可再生能源+智能电网+互联网”，而不是”互联网+可再生能源”。互联网在用户域及市场域发挥更多的作用，特别是在提供能源交易及服务便利性方面。从能量流来看，能源互联网包括从电力生产、传输、配送、电能使用全过程，向外拓展到一次能源生产、智慧城市或社区多能源转换过程和用户使用过程，即包含了风力发电、光伏发电等能源部分。从业务流来看，能源互联网支持电能交易服务、新能源配额交易、分布式电源与电动汽车充放电、需求响应等互动业务。
二、基于柔性中压直流配电的能源互联网系统
1、典型结构
如图所示的能源互联网结构主要以现有的交流电网为依托，所有高压输电线的配电以及新能源的接入都需要经过交流系统的过渡。图给出了一种基于柔性中压直流配电的能源互联网系统典型结构。基于柔性中压直流配电的能源互联网系统的交流能源互联网最主要的区别在于，中压级别的配电母线为直流，而高压输电母线不再是单纯的交流输电母线，也可以是柔性直流输电母线。由于直流能源互联网中直流配电母线不存在相位和频率的同步问题，使新能源接入时的控制变得简单，可靠性提高，因而更加适合于大容量新能源的直接接入以及低压微电网的接入；另外，直流也使得不同系统之间的联网变得容易。
2、直流能量路由器。由于中压直流配电母线的存在，高压交流输电母线与中压直流配电母线之间的能量路由器只需变换环节：连接HVAC 和HVDC 的AC-DC 变换，连接HVDC 和MVDC 的DC-DC 变换。高压直流输电母线与中压直流配电母线之间的能量路由器则只需变换环节：连接MVDC 和LVDC 的DC-DC 变换。同理，中压直流配电母线与低压交流微网和直流微网之间的能量路由器也分别只需2 步和1 步变换环节。如此，相比交流路由器，直流路由器具有更少的变换步骤，所以效率、功率密度和成本可以进一步提高。目前，实现了基于1.2kVSi-IGBT 以及1.2kV SiC-MOSFET 的第一代和第二代能量路由器样机。采用两步和一步变换环节的直流路由器最高效率可以达到96%和98%[1]，相比交流能量路由器，更易达到实际应用的需求。
三、基于柔性中压直流配电的能源互联网关键技术
1、多端柔性直流的控制技术。与交流能源互联网类似，系统规划分析技术、安全高效通信技术、智能能量管理技术、智能故障管理技术、能量路由器技术、先进储能技术等也都是直流能源互联网发展的关键技术。以直流能源互联网不同于交流能源互联网的关键技术，相对于多端柔性直流输电系统，与中压直流配电连接的供电电源更多、可控程度也有很大的不同，同时配电网本身以及微电网系统均存在与大电网或配电网并网运行、孤岛运行、并网孤岛过渡过程和黑启动过程等多种运行状态，因此要求直流母线电压的控制具有更高的灵活性；相对于直流微电网系统，直流能源互联网中直流配电母线的系统规模更大、电压等级更高，并且功能定位更加复杂，因此要求有更高的安全性和可靠性。根据分析，当大量的新能源接入后，为了直流能源互联网的运行效率，保证运行的稳定性与可靠性，这个时候就需要研究基于中压直流配电母线的多端、多电压等级配电网络的运行控制技术，包括直流母线电压多源协调控制、电能质量管理；高渗透率下直流微电网对整个配电网的运行特性影响、直流配电网对整个能源互联网的运行特性的影响，如对大电网稳定性的影响；以及在满足直流系统电压、电流，交流系统电压、潮流方程等约束情况下，交直流系统的多时段能量优化调度方法等。
2、直流能量路由器技术。与交流能量路由器技术类似，直流能量路由器的关键技术也是包括：拓扑技术、电压和功率控制技术、故障控制技术、能量控制技术。由于功率器件电压等级和容量的限制，交流能量路由器主要通过逆变器的级联技术来提高电压和功率等级。而直流能量路由器主要通过在直流端的串并联组合技术来接入高压直流输电线、中压直流配电线以及低压直流微电网。一种连接中压直流配电母线和低压直流微电网的直流能量路由器拓扑结构[3]，直流能量路由器的高压端采用串联技术以提高电压等级，低压端采用并联技术以提高功率等级，采用高频隔离方案给系统提供电气隔离并提高功率密度。相对于交流能源路由器需要控制各单元交流电压的幅值和相位，直流能源路由器只需实现直流电压幅值的控制即可，因此其电压和功率控制相对简单。但是由于采用直流电容的直接连接，冗余和故障控制技术变得复杂。为了避免直流电容的直接放电，影响系统故障后的电压恢复时间，直流能量路由器需要重点对其故障控制技术进行分析。
3、直流故障管理技术。能源互联网中，为了快速的切断和隔离故障点，均需要设置快速的断路器。与交流电不同，直流电不存在自然过零点，并且直流阻抗较小，但发生故障时短路电流的上升速度极快，这些都给高压大容量直流断路器的研制带来了困难。近年来出现的基于半导体器件的断路器，具有损耗低、动作速度快等优点，受到了学术界和工业界的广泛关注。尤其是混合式直流断路器结合了机械式断路器和电力电子器件的特点，具有分断速度快、通态损耗小、控制可靠性高等优点，被认为是最有应用前景的直流断路器方案，机械开关部分采用真空灭弧室和电磁操动机构为基础的快速开关；电力电子开关部分采用IGBT 或者IGCT 串并联使用；均压电路分为静态均压电路和动态均压电路：动态均压电路为RC 电路，Rp 为静态均压电阻。MOV 用于吸收剩余的电流能量。另外，直流能源互联网中直流配电母线的工作模式与接地方式等均与交流系统存在区别，因此传统的交流保护方案并不完全适合，还需要深入的研究直流能源互联网的接地方式、故障定位与诊断技术。由于能源互联网中，能量路由器也具有故障控制的能力，因此需要从系统层面进一步的探讨直流能量路由器与直流断路器等设备之间的故障保护配合技术，以提高直流能源互联网的故障穿越和故障恢复能力。
基于柔性直流配电的能源互联网方案是一种具有值得研究和探索的技术方案，尤其对于新规划的能源互联网系统，采用基于柔性中压直流配电的技术方案会带来较大的技术优势和经济效益。
参考文献：
[1]徐政，陈海荣．电压源换流器型直流输电技术综述[J]．高电压技术，2012，33（1）：1-10．
[2]赵成勇，李金丰，李广凯．基于有功和无功独立调节的VSC-HVDC 控制策略[J]．电力系统自动化，2015，29（9）：20-24，30．
[3]郑超，周孝信，李若梅，等．VSC-HVDC 稳态特性与潮流算法的研究[J]．中国电机工程学报，2015，25（6）：
论文作者:兰基玉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
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