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直流微电网中的电力变换与智能终端关键技术浅析

一、政策与技术背景

    近年来,我国国务院及科技部等部委陆续制定了系列能源发展战略,顶层设计了新能源微电网规模化应用的发展目标和路线图。2015年7月,国家能源局发布了《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》;2016年11月,国家能源委员会会议提出要集中力量在可再生能源开发利用特别是新能源并网技术和储能、微电网技术上取得突破;2017年7月,能源局印发《推进并网型微电网建设试行办法》;2018年2月,国家能源局印发《2018年能源工作指导意见》明确指出扎实推进多能互补集成优化、新能源微电网、并网型微电网等示范项目建设,在试点基础上积极推广应用。由此可见,微电网技术已经成为我国能源发展战略的重要布局之一。

    直流微电网作为微电网的另一种构网方式,如图1示例,近年受到更多关注。直流微电网技术与直流微源、储能介质、用电负荷具有内在相容性,可实现直发、直储、直用一体化,相较于交流微电网更为结构简洁、变换高效,为智能直流配电网的基础应用研究提供了一种新契机。

    直流微电网作为新兴的供电形式,其前瞻性基础技术的研究和应用仍处于起步阶段。在低压大电流场合,为了减小储能单元输入输出电流纹波,延长其使用寿命,会结合使用交错并联技术和同步整流技术;在高压大功率场合多电平技术和链式变流技术将会扮演着重要的角色;软开关技术作为提高转换效率的有效手段,尤其是在多数双向功率变换拓扑中较容易实现控制型软开关技术;模块化和磁集成技术会伴随着交错并联技术和链式结构的应用而发挥重要的作用。因此,直流微电网将作为另外一种组网形式与交流微电网并存,同样存在类似交流微电网中的能量管理、变换器交互、系统稳定性问题,需要研究基于直流变换器的分布式改善与抑制方法。

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1)底层的并网接口变换器基本控制,包括变换器拓扑及其控制、多变电网条件的适应性、长寿命与可靠性研究。

主要针对各类应用场合下,考虑分布式源或用电负载的特性,聚焦功率变换器的电路拓扑结构及其控制,提高能效、功率密度,丰富多样性功能;面对电能质量多变的接入公共电网,研究例如电网电压波动、跌落等条件下的并网鲁棒性与应对控制策略;在底层设备级功能研发逐渐走向成熟的同时,实现电能变换器的全寿命周期状态监测、故障诊断、健康管理等,延长运行寿命,提高系统可靠性。

2)交互层的网侧支撑、交互影响与应对控制,包括分布式电能质量补偿、网侧支撑、故障穿越、集群谐振抑制与稳定性改善。

考虑微电网中的各类分布式并网变换器大多时间里并未工作在额定容量,因此在原有的分布式发电功能基础上,通过设计分布式电能质量补偿功能,例如瞬态有功支撑、电压波动补偿等不同控制策略,可实现对直流微电网的网侧支撑。

同时,分布式发电的规模化应用和网侧渗透容易在微电网中引发电力电子变换器的高频谐波交互,甚至集群振荡的系统失稳问题。因此,微电网面临着如何识别该类问题的挑战。只有探明交互影响的本质机理与激励原因,才能从破坏谐振条件的本质出发,即消除激励源、改变失稳条件等方面提出稳定性改善方案。

3)上层微电网接入与互联、系统层面的运行管理,包括微网互联接口变换器(潮流控制器、故障隔离控制器等)、基于发电预测、储能、负荷控制、网侧需求的能量/功率管理。

微电网并网接入与微电网互联中需要重点研究的是微电网互联接口变换系统。在系统层面的另一个重要方向是微电网系统的运行管理,其中运行优化研究的关键在于基于优化模型与算法寻找到微网内可控设备的*优运行计划和与外网的功率交互,实现分布式能源发电成本*低、供电可靠性*高等。其研究手段将越来越多的依赖实时仿真设备,以便快速灵活地开展多模态微电网架构、多目标控制策略、多运行工况的研究,而后将研究成果应用于可编程的“源-网-荷-储”实验平台或实际微电网系统进行原理性验证。

三、直流微电网的智能终端关键技术

    在低压配电的终端用户层面,其为面向泛在电力联网的终端供电智能化提供了全新的应用平台。

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