直流配電有源前端控制器在配電網中的應用

肖建華

摘要 有源前端控制器能結合電力電子技術以及高頻隔離技術，從而有效實現配電網降壓節能，在有源前端控制器的實際應用中，能實現中壓交流配電網與低壓直流網的有效轉換。對此，文章首先介紹了配電網降壓節能措施，然后對有源前端控制器進行了介紹，并對配電網降壓節能中直流配電的有源前端控制器的具體應用進行了詳細探究，可供參考。

【關鍵詞】有源前端控制器 AFEC 變頻節能

1 配電網降壓節能措施

1.1 配電網變壓器節能措施

1.1.1 積極推廣使用節能型變壓器

節能型變壓器指的是性能參數空載、負載損耗均比《油浸式電力變壓器技術參數和要求》（GB/T 6451-2015）平均下降10%以上的三相油浸式電力變壓器。與普通型變壓器相比，節能變壓器在實際應用中的功耗水平較低。目前，節能變壓器己逐漸得到廣泛推廣和應用，但由于節能變壓器的投資成本比較高，因此需綜合考慮變壓器實際情況分批進行更換。有些變壓器超期服役，另外有些變壓器屬于國家命令禁止的高能耗變壓器，對于這類變壓器應優先進行更換。

1.1.2 無功補償

配電網運行過程中，如果功率因數較高，則損耗也較高，另外，在配電網運行過程中，如果功率因數較低，則在同等電壓水平下，輸電電流也會隨之增高，最終就會產生無功損耗的問題。對此，可在配網中安裝電容器，從而有效實現無功補償，通過這一措施能有效提高功率因數，有效實現節能目標。此外，通過利用無功補償措施，還有利于保障電網運行電壓穩定性，從而有效提高電能質量。

1.2 配電網變頻節能措施

1.2.1 控制電機的啟動電流

當電機通過工頻直接啟動時其將會產生7-8倍的電機額定電流，這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，這樣會大大縮短電機的使用壽命。在零速零電壓下即可啟動變頻調速，通過控制電機的啟動電流，能有效提高繞組的承受水平，這樣不僅能降低電機維護成本，且有利于延長電機使用壽命。

1.2.2 降低電力線路電壓波動

當電機工頻啟動時電流迅速增加，同時電壓會出現大幅度的波動，而啟動電機的功率以及配電網容量將會對電壓的實際下降幅度造成一定的影響，隨著電壓的不斷下降，統一供電網中的電壓敏感設備也會隨之出現工作異常的問題，包括跳閘、開關故障、接觸器故障等。通過變頻調速，能在零頻零壓水平下逐漸啟動，從而有效消除電壓下降問題。

1.2.3 節能

通過應用變頻器，能有效降低能耗。變頻器得到廣泛應用，不僅能有效實現配電網降壓節能目標，而且由于最終的能耗是與電機的轉速三次方成正比，所以采用變頻后投資回報就很快。

2 有源前端控制器概述

在電力變壓器系統實際運行過程中，能有效實現多個基本功率的變化：

（1）由中壓工頻交流轉換為中壓直流，即AC-DC;

（2）由中壓直流轉換為低壓直流，即DC-DC，通過DC-DC轉換，能有效實現能量轉換以及配電網降壓;

（3）低壓直流轉換為低壓交流，即DC-AC，通過DC-AC，能有效滿足多個類型的負載需要。

變壓器的體積較小且重量較輕，因此其在應用中能為電力用戶提供直流母線接口，從而有效提高供電可靠性。另外，變壓器還能作為中壓交流網與用戶側之間的緩沖設備，通過其緩沖功能，能緩解二者的相互影響，由此可見，變壓器能有效實現配電網的降壓節能。在變壓器實際運行中，變壓器的主要作用是低壓交流輸出滿足傳統用戶需求，然而小型戶用直流系統概念已逐漸得到廣泛實行，因此交流供電系統將逐漸由直流供電系統所替代，在此過程中，變壓器的AC-DC轉換以及DC-DC轉換能完全獨立。對此，文章將通過利用電力電子技術以及高頻隔離技術，將中壓交流配電網與低壓直流網的功率轉換設備作為有源前端控制器，即AFEC，其結構形式如圖1所示。通過利用AFEC，能對低壓直流側母線進行有效控制，從而確保中壓交流側以及低壓直流側的功率平衡。在AFEC的應用中能結合不同需求實現無功補償。

該次研究在上述理論的基礎上提出一種直流配電系統，該配電系統結構形式己不僅為電力電子變壓器框架，而且還能采用有源前端控制器作為能量控制中心，即ECC。同時，其還能有效供給360V-400V的直流配電網絡，在直流電纜的運行過程中，能供給用戶側DC-AC逆變器，從而有效滿足傳統交流負載的實際需要。

3 有源前端控制器功能

有源前端控制器功能的功能主要有以下幾點：

3.1 AFEC

合理管理低壓直流母線，可以使低壓直流網功率和中壓交流網功率實現高效的轉換。對于ECC來說，需要與BESS實現有機的融合?，F如今各個領域的新能源已經得到了普遍的使用，DC-AC逆變器、風力分布式發電系統和太陽能在工作的時候，只要進行簡單發布指令就可以了，實時數據可以實現高效的轉化，促使整個系統實現高效工作。

3.2 用戶使用的DC-AC逆變器

使用用戶側的DC-AC逆變器以后，以往的交流負載需求可以得到滿足，促使單相運行更加順暢。在電網運行的時候，電網中不會流入負載側無功功率，要想實現獨立完成，需要借助DC-AC逆變器實現。

3.3 分布式能源發電系統

太陽能變換器屬于DC-DC變換器，主要包括隔離型、升壓式和單方向等，當其處于最大功率狀態并在跟蹤MPPT模式的狀態下，三相有源整流器可以借助風能變換器得以實現。在MPPT模式工作的時候，低壓直流側母線的電壓調節可以借助風能變換器或者是太陽能變換器得以實現。

3.4 BESS

在電壓模式或者是電流模式下進行工作的時候，可以借助雙向DC-DC變換器得以實現。在低壓調控的時候，使用AFEC就會使BESS工作時需要一直處于電流模式。局部智能借助通用配電系統在獨立發電模式的情況下，可以實現正常工作，BESS有效調節低壓側直流母線。

3.5 未來用戶直流負載

如今直流負載得到了大范圍的使用，以往使用的交流負載應用率得到不斷的降低，以往的交流負載被直流負載慢慢的取代了。

4 AFEC類型和用途

AFEC的使用方法比較多，可以將其分為以下五種類型：

4.1 AFEC-I型

屬于單向AC-DC有功型，具有源濾波能力和無功補償，包括兩種形式。

（1）變換器類型為DC-DC單向降壓隔離型;

（2）變換器類型為AC-DC單向功率組合。

4.2 AFEC-II型

屬于單向AC-DC有功型，具有有源濾波能力和有無功補償，包括兩種形式。

（1）變換器類型為AC-DC雙向功率型;

（2）變換器類型為DC-DC單向降壓隔離組合。

4.3 AFEC-III型

屬于單向DC-AC有功型，具有有源濾波能力和沒有無功補償，包括兩種形式。

（1）變換器類型為DC-AC單向功率型;

（2）變換器類型為DC-DC單向升壓隔離組合。

4.4 AFEC-IV型

屬于單向DC-AC有功型，具有有源濾波能力和有無功補償，包括兩種形式。

（1）變換器類型為DC-AC雙向功率型;

（2）變換器類型為DC-DC單向升壓隔離組合。

4.5 AFEC-V型

屬于雙向AC-DC/DC-AC有功型，具有有源濾波能力和有無功補償，包括兩種形式。

（1）變換器類型為AC-DC/DC-AC雙向功率型;

（2）變換器類型為DC-DC雙向隔離組合。

在并網功率變換器系統的實際運行中，AFEC發揮著重要的作用，具體如下：

（1）常見的并網分布式發電系統有很多種，包括海岸風力發電場、集中式光伏發電場等，在這類發電系統的運行過程中，可實現電力功率變化系統與傳統升壓式變壓器的一體化設計;

（2）在電動汽車充電站和地鐵中公共交通電力系統得到了大范圍的使用，AFEC-II型和AFEC-I型的投入使用，能妥善解決電網運行中的故障問題，包括電壓跌落、諧波污染等。另外，隨著科學技術的快速發展，智能配電網系統將日漸完善，同時AFEC，將得到廣泛推廣和應用，實現配電網降壓節能目標。

5 結束語

綜上所述，文章提出了一種以AFEC為基礎的直流配電系統結構，文內所提直流配電系統結構的基礎為用戶側直流電網，包括AFEC、BESS、DC-AC逆變器、分布式新能源發電系統等。通過應用直流配電的有源前端控制器，能有效實現配電網降壓節能，提高系統結構的可行性，促進單級控制水平的提高。

參考文獻

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