[科普中国]-直流微电网

简介

微电网技术代表了未来分布式能源供应系统发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。国家能源局近期连续出台《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》《配电网建设改造行动计划(15-22}年)的通知》等文件，指出应积极发展新能源，大幅提升配电网接纳新能源、分布式电源及多元负荷的能力，加快推进新能源微电网示范工程建设，探索适应新能源发展的微电网技术及运营管理体制。23

微电网内光伏、风机、燃料电池、电池储能单元等产生的电能大部分为直流电或非工频交流电;常用电气设备，如个人电脑、手机、LED照明、变空调和电动汽车等，皆通过相应适配器变成直流电驱动。上述发电单元或负荷如果接入交流微电网，则需要通过相应DC-DC, DC-AC和AC-DC等电力电子变流器构成的多级能量转换装置，若接入合适电压等级的直流微电网，将省去部分交直流变换装置，减小成本、降低损耗。直流母线电压是衡量系统内有功功率平衡的唯一标准，系统内不存在类似交流系统里的频率稳定、无功功率等问题。直流微电网还可通过双向DC-AC变流器与现有交流微电网或配电网并联，并能有效隔离交流侧扰动或故障，可保证直流系统内负荷的高可靠供电45。因此，直流微电网系统的研究和发展受到了国内外工业界和学术界的广泛关注。

目前国内外在直流微电网领域的相关技术研究和实验系统、示范工程已逐步开展。相关技术研究主要涉及直流微电网电力电子变流器及直流断路器等关键装备、运行控制技术、保护和能量管理系统等方面。电气领域内的国际主流杂志如IEEE电力电子(power electronics)和智能电网(smart grid)相继于2013年和2014年出版“智能直流配用电/微电网”专刊, 2015年6月IEEE在美国亚特兰大组织召开了第一届直流微电网国际会议，介绍了直流微电网相关研究技术和工程实践的最新研究进展。在国内目前这一领域已经有一批国家自然科学基金项目(如“直流微电网的暂态特性分析及其控制策略研究(51207001)",“直流微电网协调控制及其稳定性研究(51307140),“针对直流微电网的分布式直流DVR系统研究(51307117)",“面向高效供电和多端相互支撑的交直流混联配电运行控制研究(51407177)",“直流微电网分层分布式协同控制及稳定性研究(51507109)”等)获得立项支持。

在实验系统和示范工程方面，2007年美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“sustainablebuilding initiative(SBI)”研究计划，主要为未来住宅和楼宇提供电力。2011年美国北卡罗来纳大学提出了FREEDM系统结构，以直流供电为基础用于构建未来自动灵活的可再生能源传输和管理网络。 2012年，由德国、荷兰等国的高校和企业联合开展一项为期3年的名为“DC Componentsand Grid" (DCC+G)的研究项旨在通过高效的半导体和电力电子技术，设计和发展基于380V直流配用电系统的高能效建筑。2014年，由丹麦奥尔堡大学、华北电力大学、中科院电工所、国家电网公司联合开展的主题为智能直流微电网的中丹可再生能源合作项目，旨在推动智能直流微电网技术在未来住宅和工业园区等方面的发展和应用6。在国内，一批国家科技部“863项目”获得立项支持，其中由深圳供电局承担的国家863项目“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”于2013年正式启动，研究重点以直流固态变压器为核心的柔性直流配电技术，以实现高低压直流配电网或微电网间电压和功率的灵活控制和快速管理;由浙江省电力公司承担的国家863项目“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”于2015年正式启动，项目主要围绕高密度分布式可再生能源接入，重点攻克交直流混合微电网系统的网架配置优化、稳定控制等理论与技术难点。

直流微电网拓扑结构 图1示意了一种适用于未来智能家庭、商业楼宇，以及工业园区的典型直流微电网结构，系统内可包含光伏、风电等间歇性分布式电源，微型燃气轮机和燃料电池等可控型分布式电源，电池储能、飞轮或超级电容等储能单元以及本地交/直流负荷。若直流微电网可与外部交流电网互联，则可通过双向DC-AC变流器接入交流系统7。

在未来直流微电网中，为进一步提高直流系统供电灵活性和可靠性，以适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷接入，可采用双极性三线制结构。根据中线的出线形式不同，双极性三线制供电系统主要如图2所示，其中直流系统与交流系统互联端口采用两个相同容量的双向DC-AC变流器(如图2(a)所示)，或者直流系统中两个储能单元通过DC-DC变流器(如图2(b)所示)，两者共用一极直流母线，实际上直流系统内部为两个独立供电回路[}a9}，可靠性较高，但需要两套全功率电力电子变流装置，成本更高。 图2(c)中，通过在直流母线电容中点引出中线，在正负极间分布式电源或负荷不平衡的情况下，如果采用具有中点电位平衡功能的三电平中点箱位式DC-AC变流器(neutral point clamped converterNPC尸)]，则可以保证直流正负母线电压平衡，但对于常规两电平DC-AC或独立直流微电网来说，则无法实现直流正负极母线电压对称。为解决上述问题，直流微电网可通过如图2(d)所示电压平衡器构成双极三线制系统]。电压平衡器的应用不受直流微电网运行模式(并网运行或独立运行)的限制，可以灵活地并入DC-AC或DC-DC变流器的输出端口;同时直流微电网的直流母线电压控制(如并网时由DC-AC来控制，独立运行时由储能DC-DC来控制)和正/负极电压平衡控制(由电压平衡器来控制)两者完全解藕，相比图2(c)所示采用NPC拓扑的直流微电网，控制更加灵活，可靠性更高。

直流微电网优化规划直流微电网优化规划问题是微电网设计阶段需要解决的核心问题，优化配置方案的优劣将直接决定系统是否能安全、经济运行。优化规划目的是在对本地负荷需求和可再生能源资源情况进行充分分析预测的基础上，依据特定的系统优化运行目标和约束条件，确定系统结构及设备配置(包括分布式电源、储能设备类型、容量和位置)，尽可能实现系统经济性、可靠性及环保性等量化指标的优化。因此，直流微电网优化配置是典型的优化问题，包括优化变量、目标函数和约束条件三大要素6。

在直流微电网优化配置中，规划设计问题与其运行优化策略具有高度的藕合性，规划时必须充分考虑运行优化方法的影响，因此优化变量除包括分布式电源、储能设备类型、位置及容量参数外，微电网运行策略及相关参数也可作为待决策的优化变量。

优化目标大致可以分为经济性目标、可靠性目标和环保性目标三类。经济性主要从投资成本、成本效益、投资回收期等方面开展评估;可靠性评价指标需要能够反映系统及其设备的运行状况，以及对用户供电的影响;环保性主要从减排效益、污染气体排放量、化石燃料消耗量及可再生能源发电比例等方面考虑。对于交直流互联的并网型直流微电网来说，其优化配置问题还需考虑并网性能指标。直流微电网通过双向DC-AC变流器与交流系统(大电网或交流微电网)相连，交直流系统可进行电能交互，以实现相互支撑。并网型直流微电网优化配置时可采用自平衡率、交直流互联装置利用率等指标来评价其并网性能。在优化配置时，可根据直流微电网不同的优化需求，设定相应的评价指标，以全面评估微电网性能。

直流微电网接地方式直流微电网系统接地方式对接地故障检测、故障电流大小、人身与设备安全等有很大影响，同时也会影响保护方案配置。根据IEC60364-1对直流系统接地型式的定义，可分为TT, IT和TN 3种，其中TT表示直流母线处(可以为正极、负极或中性点，为中线接地)直接接地，电气装置的外露可电导部分直接接地，且两接地点在电气上彼此独立;IT表示直流母线处(可以为正极、负极或中性点)不接地或经高阻抗接地，电气装置的外露可电导部分直接接地;TN表示直流母线处(可以为正极、负极或中性点)直接接地，所有电气设备外露可导电部分均接到保护线上，并与上述接地点相连6。

直流微电网保护设备熔断器和直流断路器是直流微电网中常见的两种保护设备。其中熔断器是过电流继电保护装置与开断装置合为一体的开关设备，根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而断开电路。熔断器的选择主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在低压系统中广泛被应用4。

直流断路器根据电流开断方式不同，主要有机械式直流断路器、固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器。机械式直流断路器主要由交流断路器和RLC元件构成的辅助振荡回路组成，借助辅助振荡回路人为产生过零点。机械式直流断路器通态损耗低，但快速切断故障电流能力不强(目前最快仍需要数十毫秒)。近年来，完全由可控型半导体器件构成的直流固态断路器，以数毫秒级分断能力、无触点、分断不产生电弧等优点受到广泛关注。与机械式直流断路器相比，固态直流断路器切除故障电流速度更快，但通态损耗相对较大、成本较高。混合式直流断路器用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子装置开断短路电流，有效地结合机械式断路器通态损耗小、固态断路器开断速度快等优点。未来，随着半导体器件的快速发展和成本的降低，固态直流断路器和混合式直流断路器将会在直流微电网和直流配用电系统中得到应用。

对于直流微电网，多分段或多端复杂直流微电网来说，具有快速开断直流故障电流和隔离故障功能的直流断路器对保证系统的安全可靠运行是至关重要的。因此如何提高直流断路器的开断速度和开断容量是研发直流断路器所面临的主要挑战。

直流微电网中直流母线处通常含有较大容量的母线电容。极间故障时，母线电容的瞬时放电造成的瞬态短路冲击电流可能会导致系统中直流断路器的误动作，从而导致保护系统的选择性丧失、过多分布式电源或负荷等设备的断电和保护设备相互协调能力的降低等后果。为避免出现过大的瞬时短路电流和减少直流断路器的误动作，可采用故障限流装置与直流断路器进行配合。

直流微电网关键技术发展展望未来直流微电网关键技术发展方向展望如下6:

1)目前分布式电源、储能单元及交直流负荷等均通过常规电力电子装置接入直流微电网，普遍存在功能单一和不具备即插即用等问题，研发更加高效可靠，以及模块化、智能化的即插即用型多功能变流器接口或电能交换器[}9}-9a]将是值得工业界和学术界深入探索的研究方法。

2)为应对高密度分布式能源和多元负荷接入交直流混合微电网，如何综合考虑系统网架结构设计、源一网一荷一储优化配置及运行与规划紧密藕合等因素，是未来交直流混合微电网优化规划方向的重要课题。

3)在运行控制方面，如何提高设备级控制系统的鲁棒自治性能以及系统级控制系统的可靠性、灵活性和可扩展性，且能综合协调运行控制技术和智能保护技术，是未来直流微电网能量管理和运行控制系统重要的理论研究和技术发展方向。

4)在直流微电网保护技术方面，研发具备更J决开断速度、更高开断容量以及更高效可靠的直流断路器;基于故障限流的新型直流配用电保护技术等，均是值得探索的前沿课题。