1.1.2　智能电网应用

随着分布式新能源渗透率的不断提高，电力系统也正向“源－网－荷－储”协调优化运行的新阶段发展，而传统的电力系统设备无法满足供电形式多样、能量流动多向、功率调控精准等未来电力系统的需求[20-24]。为应对分布式电源接入与电力市场改革的挑战，借助先进电力电子技术和信息技术弥合分布式电源与电网、负荷之间的矛盾，将使新能源的被动消纳转变为主动控制，成为智能电网领域重要的研究方向[5,25-30]。

微电网是一个局部自治的电力网络，能促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，为用户和公用电网提供高品质的电能[27,31-33]。随着电力电子技术的发展，相比于交流微电网，直流微电网减少了新能源发电系统并网、储能系统和直流负荷接入的中间功率变换环节，如图1-2所示。因此，直流系统在成本、效率和功率密度等方面具有明显优势。除此之外，由于不需要考虑无功功率和频率稳定等问题，直流系统的控制和稳定性分析也更加简单，使得直流微电网在低压领域越来越具有竞争力[24,34-42]。

图1-2　交流微电网和直流微电网典型拓扑对比

（a）交流微电网的典型拓扑；（b）直流微电网的典型拓扑

在直流微电网中，不同电压的直流母线需要经过电力电子变换器进行连接，各种分布式电源、储能系统和直流负载等也需要经过电力电子变换器并入直流母线。类似于交流电网中的工频变压器，能够实现各种电压变换与电气隔离的高频隔离功率变换系统是直流电网系统重要的一次系统主体，用于满足直流电网系统中功率灵活控制和智能管理的需求，并且可用于连接现有的中高压交流主干网。为此，不同的研究机构相继提出了电力电子变压器（power electronic transformer, PET）、固态变压器（solid state transformer, SST）和能源路由器等相关概念[19,43-51]。

SST具有功率流和信息流高度融合的特点，面向用户侧提供多种电压等级的交直流即插即用端口，负责实现子网内部以及子网与主干网之间的快速能量路由[45]。回顾国内外依托SST系统的典型研究项目，如美国北卡罗来纳州立大学的FREEDM（The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）项目[49,51-52]和欧盟的UNIFLEX-PM[53-57]（Universal and Flexible Power Management）项目均采用三级型SST结构。SST一般包括高压端口AC/DC变换器、隔离级高频DC/DC变换器和低压端口DC/AC变换器，也有文献称这种结构为五级型SST结构。受到传统硅基功率半导体器件耐压水平的限制，在这两个研究项目中，高压端口AC/DC变换器均采用级联H桥（cascade H bridge, CHB）结构与交流配电网连接，如图1-3（a）所示。同时，通过隔离级副边并联的方式形成低压直流母线，可直接与低压直流配电系统连接，并且低压直流母线通过DC/AC变换器提供低压交流端口，为交流负载供电。中国科学院电工研究所则提出了MMC（modulor multilevel converter）型SST[43,58-59]：它由高压交流侧的MMC，中间的输入串联、输出并联的隔离型DC/DC变换器以及低压侧逆变器构成，如图1-3（b）所示，这种结构具有高压直流端口，可以实现更丰富的接入和互联功能。

图1-3　典型三级型SST拓扑结构

（a）基于CHB的三级型SST系统结构；（b）基于MMC的三级型SST拓扑结构

随着SiC器件的发展，更高电压、更低损耗的SiC功率半导体可以大大简化SST的拓扑结构，降低功率半导体以及电容、电感等元器件的使用数量。现阶段，商用的SiC MOSFET器件耐压已达到10 kV[60-62]。瑞士苏黎世联邦理工大学利用10 kV SiC MOSFET模块提出了如图1-4所示的SST拓扑结构[48,63-64]，该SST高压交流侧通过单相全桥变换器直接接入3.8 kV的交流配电网，并通过一个双向隔离型DC/DC变换器将7 kV高压直流母线变换到400 V低压直流母线。FREEDM研究中心也基于15 kV的SiC IGBT模块和10 kV的SiC MOSFET模块搭建了第二代SST系统，其高压侧均采用三电平结构，母线电压高达22 kV[65]。除此之外，文献[66-67]提出了基于矩阵变换器的SST拓扑结构。这类矩阵型SST系统的拓扑结构相对简单，且所需电容、电感数量少，易于实现高效率，但是功能较为单一。不管何种SST结构，高频隔离功率变换系统都是提升SST系统整体性能的关键所在。

图1-4　基于高压SiC器件的SST拓扑