摘要：電力電子技術在電力系統中有著極為廣泛的應用。近年來，電力電子技術在配電系統中獲得迅猛發展，其主要功能從傳統的電能質量調節、可再生能源接入和用戶側的節能用電等，擴展到配電網的電能雙向、甚至多向流動控制以及復雜的電能調控管理。因此，電力電子裝備傳統的獨立工作模式已經無法滿足越來越復雜的配電網的需要，亟需將相互獨立的電力電子設備互聯起來以實現整體協調和控制，從而真正做到能量和信息集成的一體化網絡。這種發展趨勢既給電力電子技術本身帶來新的挑戰，又為配電網帶來新的變革，并促進直流配電網的發展。該文綜述了配電網中電力電子設備網絡化的重要性及其概念，討論了電力電子裝備的發展方向，并從功率和通信兩個層面探討了電力電子網絡化所需的關鍵技術。同時，介紹了基于電力電子變換器的直流配電網的特點、可能的組成架構以及相關的技術問題。

關鍵詞：電力電子技術;網絡化;配電網;通信;

0引言

電力電子技術的迅速發展使大容量變換器具備了能量雙向/多向流動能力，同時可以實現各種電能形式的變換、調控和管理。電力電子技術的廣泛應用將給電力系統，尤其是配電網和用戶端帶來深刻變革。電力電子技術與通信技術的結合將成為一種趨勢，使得電力電子裝備成為能量與信息的一體化集成系統，其核心就是電力電子網絡化技術。本文主要討論了電力電子網絡化技術的研究和應用，包括電力電子裝備、通信系統和直流配電網等相關領域的問題和挑戰。

1配電網系統中的電力電子裝備及應用

電力系統通常分為發電、輸電和配電系統三部分。配電系統又稱為配電網，它面向用戶，其傳統結構是從輸電系統接收電能并分配給各個用戶。傳統配電網有以下特點：1)電力的傳輸一般是單向的，即向負載端傳遞[1];2)配電網中有大量電力電子裝備以滿足用戶對電能質量的要求;3)用電負荷中包含了各種電力電子設備以實現電能形式多樣化;4)配電網中的配網自動化有信號和數據傳輸，其通信方式多樣，通信速率不一，以滿足不同控制需求。

作為一個時變系統，配電網對用戶負荷環境的每個變化都要具有調控和適應能力，電力電子裝備的使用能縮短電網的響應時間并增強電網的調控能力[2]。同時，為提高配電網的電能質量，需要各種配電設備在工作頻率、阻抗特性、諧波產生等方面滿足一定條件。配電網靈活交流輸電系統(distributionflexibleACtransmissionsystem，DFACTS)[3]將電力電子技術和現代控制技術結合起來，對電力系統電壓、線路阻抗、相位角、功潮流等參數進行快速、連續地調節控制，從而大幅提高輸電線路的輸送能力和可控性，降低輸電損耗，保證安全供電。DFACTS中起關鍵作用的電力電子設備有：

1)配網中的串并聯同步補償器。串聯裝置起著將系統與負荷隔離的作用[4]，是面向負荷的補償方式，用于防止諸如電壓波動、不平衡和高次諧波等系統非正常運行對負荷產生影響。并聯裝置與負荷并聯用來抑制負荷(如鋼廠、電氣化鐵道、大型變流器等)所產生的高次諧波、不對稱、無功和閃變等有害因素對系統的影響，是面向系統的補償方式[5]。

為了充分利用串聯和并聯補償器各自的優點，統一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)將兩種補償方式混合起來使用，使其具備雙向補償功能——既面向系統，又面向負荷。

2)有源濾波器(activepowerfilter，APF)。是一種實現無功補償和抑制諧波的電力電子裝置[6]。它通過注入與負載諧波分量大小相等、方向相反的補償電流，消除非線性負載對電網的影響。APF同樣分為并聯和串聯兩種結構，分別面向系統和負荷進行補償。

3)固態開關。主要用來隔離電網中的故障，包括固態轉換開關(solidstatetransferswitch，SSTS)和固態斷路器(solidstatebreaker，SSB)[7]。其中SSTS可在系統發生故障時，在幾毫秒之內將負荷由故障母線轉換到備用電源;而SSB是當系統發生故障時，將設備從系統中切除。當其與電抗相連時，可用作固態限流器(solidstatecurrentlimiter，SSCL)。

除了配電線路，用戶端也大量應用了電力電子裝置。電力電子變換器將電網的交流電轉換成各種用戶所需的電能形式，達到節能和提高用電質量的目的。例如，電氣化鐵路中的電機驅動采用IGCT和IGBT等器件[8]，整流和逆變環節通過PWM控制，使輸入電流功率因數為1，既提高了機車性能，又維持了電網側的電能質量，并降低了無功補償和諧波抑制裝置的容量。又如在工業電力傳動調速系統中廣泛使用變頻器，以實現電機節電運行。對中小容量風機、水泵、壓縮機等采用低壓變頻調速技術，一般可節能20%~50%;中大容量設備采用高壓變頻調速技術可節能25%~40%。這對占我國總用電量40%以上電動機耗電而言，其節能效果非?？捎^。此外，一些對供電質量要求高的場合必須采用電力電子裝置。電壓調整模塊(voltageregulationmodule，VRM)由于其負載動態性能好，廣泛用于IT、通信領域的供電[9]。銀行、醫院、數據中心等場所對供電的可靠性要求很高，必須采用不間斷電源UPS以提高供電的安全性[10]。電動汽車和儲能裝置中，充放電設備是必不可少的。正是由于電力電子裝備在用戶端具有節能、高性能、負荷特性易于控制等優勢，可以預見將來大部分電能在傳輸到用戶端前都會經過電力電子變換設備，這會對配電網產生巨大的影響。但是電力電子設備的大量應用還需要考慮如下問題：

1)成本。隨著功率器件和DSP/MCU的廣泛應用和價格不斷下降，設備硬件成本不斷降低。對于大部分通用電力電子設備，成本將不再成為其推廣應用的障礙。但是，傳統的電力電子裝置設計需要多個領域有經驗的研發人員的配合，研發成本很高，尤其對于那些小批量的個性化設備。為了降低研發和制造成本，國內外學者研究電力電子模塊單元(powerelectronicbuildingblock，PEBB)[11]，力圖簡化電力電子設備的研發和設計，使其適用于大規模生產，通過提高產量降低整機成本。

2)可靠性。按成本計算，分布式配電網中電力電子裝備的比例一般低于總系統的50%，但目前來說，電力電子設備仍然是總系統中故障率較高的部分。因此，需要通過優化設計技術、精確控制策略和保護機制，來提高電力電子系統的可靠性。

3)干擾。電力電子設備采用高頻斬波技術，較高的dv/dt、di/dt會對電網造成明顯的電磁干擾和諧波污染等危害，甚至影響監控系統通信質量。隨著軟開關和EMC技術的進一步發展，電力電子變換器的電磁干擾將不斷降低[12]。

4)容量。相對于傳統的電力系統設備，電力電子變換器的容量相對較小，這是電力電子技術應用于電力系統最大的挑戰。盡管多電平多重化技術的變流器達MW至幾十MW級，輕型直流輸電裝備采用可關斷器件，已到幾百MVA，這些都無法和電力系統裝備容量相比較。因此，電力電子設備可處理的功率等級還需要大幅度擴充，提高電力電子裝備技術是當務之急。

2電力電子裝備技術的發展

電力電子技術是基于電力電子器件實現電能變換的技術。一個完整的電力電子系統包含相當寬泛的技術領域，如功率開關器件技術、變換器技術、控制理論、無源元件、封裝、EMC、冷卻技術等，如圖1所示[13]。要使電力電子裝備技術在配電網系統得到更好的應用，器件、變換器和系統三個層次都必須同時發展，將對這三個層次展開具體敘述。

1)器件。

半導體開關器件是電力電子的基礎，包括IGBT、IGCT、SCR等，其電壓/電流等級已分別達到6500V，4500A。提高現有器件的水平，發展新型器件是電力電子學科的前沿課題。影響器件性能的因素包括器件材料、器件結構及氧化層形成等相關工藝技術[14]。

近年來，新型半導體材料如SiC和GaN等寬禁帶材料得到迅猛發展，使電力電子器件的工作溫度和頻率進一步提升。表1給出了Si、SiC以及GaN等三種材料特性的對比[15]。當前SiC主要被用作超高壓大功率器件[16]，而GaN主要用于制造高頻器件，如1MHz以上[17]。隨著器件技術發展，各種工藝的進步，開關速度不斷提高，開關損耗逐步降低，驅動功率也相應減小。另一方面，隨著電力電子設備工作頻率和功率密度的提升，無源元件的寄生參數也會對電路性能產生較大影響。在其制作中，磁性元件和絕緣材料的改進不但可以降低損耗，還有助于縮小體積。

2)變換器。

從電力電子學科的誕生伊始，變換器技術就不斷地向前發展。變換器作為電能的功率處理器，將某種頻率、某種幅度的輸入電能形式變換成另一種頻率和幅值的電能，使電能完全適用于配電網和用戶端。如今研究人員已經提出了適用于雙向、多向電能流動控制與傳輸應用的大量拓撲結構。變換器的效率也已經被提升到前所未有的高度，幾乎各類變換器的效率均已超過90%，甚至99%這樣的高效率也已經不罕見[18]。另外，大功率系統中將多個變換器串聯或并聯，通過這種方式以提高電壓和電流處理能力，來匹配配電網容量。

3)電力電子系統。

一些大型電力電子裝備往往需要多個變換器以及復雜的輔助電路，這構成了一個電力電子系統。圖2為一個典型電力電子系統的框圖[19]。系統中有多個變換器進行能量處理，它們彼此可能是串聯、并聯、級聯或者甚至沒有直接的電氣連接。由于系統規模較大，使用一個控制器無法處理如此龐大而復雜的裝備和系統，而且單一控制器也不利于系統的設計、擴展和維護。因此，需要多個控制器同時運行，且往往是分層結構，可分為系統控制器和變換器控制器，如圖2所示。系統控制器收集各個變換器的狀態信息，并給各個變換器下派指令。

變換器控制器一般對應單一變換器，保證變換器的正常工作，執行閉環運算、驅動、保護等功能。主控制器分別和每個變換器控制器通信，而變換器之間是否需要通信則根據應用要求而定。

正是高壓大電流電力電子器件以及無源元件組合，構成具有電能雙向、甚至多向流動的變換器，并能實現電能的調控管理。這樣的電力電子裝備在滿足配電網和用戶端的需要的同時，又為配電網帶來新的變革——讓直流配電網的實現變為可能。

3直流配電網

3.1直流配電網的優勢

隨著城市規模的發展，用電量的增大，電網中的敏感負荷、非線性負荷越來越多，交流配電網面臨線路損耗大、供電走廊緊張以及電壓瞬時跌落、電壓波動、電網諧波、三相不平衡現象加劇等一系列電能質量問題[20]。在20世紀電網初建伊始，直流電網方案和交流電網有過激烈的競爭，但由于變壓的不便，直流電網方案被淘汰，如今電力電子技術發展迅猛，讓直流配電網重新回到人們的視野。相對于交流配網，直流配網有以下優勢：

1)線路容量增大。在同樣的線路建造費用或走廊空間的情況下，直流輸電的容量是交流輸電的150%[20]。同時，直流配電網只需兩根線，線損小。直流輸電沒有集膚效應，導線截面利用充分，而且也沒有金屬護套渦流損耗和無功損耗。

2)電能質量提高。直流配電網中，儲能裝置(如蓄電池、超級電容)的加入，使直流電網變得更穩定，有效的解決了電壓閃變問題。柔性直流配電網中的換流器無需交流側提供無功功率，還能起到靜止無功補償器(staticsynchronouscompensator，STATCOM)作用。

3)穩定性提升。采用直流輸電線路連接兩個交流系統，由于直流線路沒有電抗，具有隔離故障的能力，所以不存在穩定性問題，提高了運行的可靠性。

4)可再生能源更易接入。配電網將接納大量的風能、太陽能、海洋能源等可再生能源發電入網。這些新能源大多是直流輸出的系統，若采用直流形式的配電網，可再生分布式能源以及儲能設備的接入得到簡化，提高效率。

5)更利于用戶電氣設備供電。目前，大量智能化電器都是基于直流電源供電的，如電動汽車、服務器、手機等。從直流配網直接給這些電器供電，可提高效率，降低成本。即使如空調、冰箱、微波爐等交流設備，直流配網也有利于變頻技術的引入。