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          直流微電網中的電力變換與智能終端關鍵技術淺析

          一、政策與技術背景

              近年來,我國國務院及科技部等部委陸續制定了系列能源發展戰略,頂層設計了新能源微電網規模化應用的發展目標和路線圖。2015年7月,國家能源局發布了《關于推進新能源微電網示范項目建設的指導意見》;2016年11月,國家能源委員會會議提出要集中力量在可再生能源開發利用特別是新能源并網技術和儲能、微電網技術上取得突破;2017年7月,能源局印發《推進并網型微電網建設試行辦法》;2018年2月,國家能源局印發《2018年能源工作指導意見》明確指出扎實推進多能互補集成優化、新能源微電網、并網型微電網等示范項目建設,在試點基礎上積極推廣應用。由此可見,微電網技術已經成為我國能源發展戰略的重要布局之一。

              直流微電網作為微電網的另一種構網方式,如圖1示例,近年受到更多關注。直流微電網技術與直流微源、儲能介質、用電負荷具有內在相容性,可實現直發、直儲、直用一體化,相較于交流微電網更為結構簡潔、變換高效,為智能直流配電網的基礎應用研究提供了一種新契機。

              直流微電網作為新興的供電形式,其前瞻性基礎技術的研究和應用仍處于起步階段。在低壓大電流場合,為了減小儲能單元輸入輸出電流紋波,延長其使用壽命,會結合使用交錯并聯技術和同步整流技術;在高壓大功率場合多電平技術和鏈式變流技術將會扮演著重要的角色;軟開關技術作為提高轉換效率的有效手段,尤其是在多數雙向功率變換拓撲中較容易實現控制型軟開關技術;模塊化和磁集成技術會伴隨著交錯并聯技術和鏈式結構的應用而發揮重要的作用。因此,直流微電網將作為另外一種組網形式與交流微電網并存,同樣存在類似交流微電網中的能量管理、變換器交互、系統穩定性問題,需要研究基于直流變換器的分布式改善與抑制方法。

                                                 圖1 直流微電網結構示意

          二 、直流微電網的電力變換關鍵技術

          面向直流微電網的電能變換關鍵技術,主要圍繞三個方向開展,

          1)核心基礎部件–高可靠功率變換器;

          2)集群致穩控制–多變換器集群穩定性;

          3)安全運行保障–微電網系統運行控制,從而形成“自下而上”的三層次技術體系,具體如下:


                                                      圖2 微電網關鍵技術

          1)底層的并網接口變換器基本控制,包括變換器拓撲及其控制、多變電網條件的適應性、長壽命與可靠性研究。

          主要針對各類應用場合下,考慮分布式源或用電負載的特性,聚焦功率變換器的電路拓撲結構及其控制,提高能效、功率密度,豐富多樣性功能;面對電能質量多變的接入公共電網,研究例如電網電壓波動、跌落等條件下的并網魯棒性與應對控制策略;在底層設備級功能研發逐漸走向成熟的同時,實現電能變換器的全壽命周期狀態監測、故障診斷、健康管理等,延長運行壽命,提高系統可靠性。

          2)交互層的網側支撐、交互影響與應對控制,包括分布式電能質量補償、網側支撐、故障穿越、集群諧振抑制與穩定性改善。

          考慮微電網中的各類分布式并網變換器大多時間里并未工作在額定容量,因此在原有的分布式發電功能基礎上,通過設計分布式電能質量補償功能,例如瞬態有功支撐、電壓波動補償等不同控制策略,可實現對直流微電網的網側支撐。

          同時,分布式發電的規模化應用和網側滲透容易在微電網中引發電力電子變換器的高頻諧波交互,甚至集群振蕩的系統失穩問題。因此,微電網面臨著如何識別該類問題的挑戰。只有探明交互影響的本質機理與激勵原因,才能從破壞諧振條件的本質出發,即消除激勵源、改變失穩條件等方面提出穩定性改善方案。

          3)上層微電網接入與互聯、系統層面的運行管理,包括微網互聯接口變換器(潮流控制器、故障隔離控制器等)、基于發電預測、儲能、負荷控制、網側需求的能量/功率管理。

          微電網并網接入與微電網互聯中需要重點研究的是微電網互聯接口變換系統。在系統層面的另一個重要方向是微電網系統的運行管理,其中運行優化研究的關鍵在于基于優化模型與算法尋找到微網內可控設備的*優運行計劃和與外網的功率交互,實現分布式能源發電成本*低、供電可靠性*高等。其研究手段將越來越多的依賴實時仿真設備,以便快速靈活地開展多模態微電網架構、多目標控制策略、多運行工況的研究,而后將研究成果應用于可編程的“源-網-荷-儲”實驗平臺或實際微電網系統進行原理性驗證。

          三、直流微電網的智能終端關鍵技術

              在低壓配電的終端用戶層面,其為面向泛在電力聯網的終端供電智能化提供了全新的應用平臺。

              主要在低壓直流漏電檢測保護技術方面,考慮到直流微電網將與交流微電網并存,對于低壓交直流復雜條件下的漏電保護將成為新的挑戰。在交直流混合電網中,普通的AC型漏電保護裝置無法對包含大量直流成分的漏電電流做出有效反映。針對剩余電流成分復雜的剩余電流保護器,需要使用B型剩余電流保護器。B型剩余電流保護器不僅能夠對交流剩余電流、脈動直流剩余電流進行保護,此外,還能對1000Hz及以下的正弦交流剩余電流、交流剩余電流疊加平滑直流剩余電流、脈動直流剩余電流疊加平滑剩余電流、兩相或多相整流電路產生的脈動直流剩余電流、平滑直流剩余電流確保脫扣,能夠非常好的應用在交直流混合微電網中。


              基于這種實際應用環境,目前有兩種測量方案。

                       

                                               圖3. 開口式小電流

                                

                                                 圖4: 100mA小電流測量


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          江蘇中霍傳感科技有限公司技術部



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