[科普中国]-交直流混合配电网

简介

传统交流配电系统面临线损高、电能质量扰动、电压跌落等一系列问题，难以满足电力用户日益增长的电力需求。与交流配电网相比，直流供电能有效解决谐波、三相不平衡等电能质量问题，且在改善供电质量方面优势明显，但是短时间内还无法完全替代交流配电网。因此，在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网是未来配电网的发展趋势。然而，直流配电网中分布式电源、储能装置等新设备的引入也对能效产生了新的影响。如何评价交直流混合配电网的能效水平是待解决的问题2。

国内外发展目前国内外在交直流混合配电网领域的相关研究及不范工程尚在起步阶段，针对直流配电网的研究已有初步成果。在北美，弗吉尼亚理工大学CPES中心于2007年提出“Sustainable Building工nitiative (SB工)”计划，于2010年将其发展为“SBN (SustainableBuilding and Nanogrids) "，并且提出了基于分层互联交直流子网混合结构概念性互联网络结构。北卡罗莱纳州立大学于2011年提出“The Future Renewable ElectricEnergy Delivery and Management CFREEDM)”结构[8]适用于“即插即用”型分布式电源及分布式储能的交直流混合配电网结构。阿尔伯塔大学于2012年提出了基于变流器的交直流混合配电网结构，给出小信号分析模型并分析其稳定性。

在欧洲，意大利罗马第二大学和英国诺丁汉大学于2008年针对交直流混合配电网提出“Universal and Flexible Power Management CUN工FLEX-PM)”方案，在各个电网的不同工况下实现能量的双向流动。罗马尼亚布加勒斯特理工大学于2007年提出含有替代电源的直流配电网结构，实验证明该结构提高了电网的运行效率和电能质量。意大利米兰理工大学提出含有分布式电源的本地直流配电网结构，实现分布式电源、负荷与电网之间能量的双向流动。

在国内针对交直流混合配电网的研究刚刚起步3，目前相关研究成果主要集中在直流配电网方面。优化规划方面，已有对直流配电网的拓扑、电压等级、规划方法、可靠性、经济性和综合评估问题的研究。运行调度方面，有学者对直流配电网的潮流计算、电压分布、含分布式电源的调度等问题进行了研究。控制保护方面，对直流配电网建模、控制策略保护等问题均有相关研究。此外，相关“863计划”项目获得立项支持，其中山北京市电力公司承担的“863计划”项目“交直流混合配电网关键技术”于2015年正式启动，旨在实现面向城市不同供电区域之间柔性直流互联和交直流混合环网闭环运行控制，从而解决高密度可再生能源接入问题并保障交流配电网可靠性

交直流混合配电网网架结构交直流混合配电网网架结构对运行可靠性、灵活性、经济性等方面都有重要影响。传统交流配电网的网架结构已经非常成熟，国内外均有相关网架结构标准和案例。目前针对交直流混合配电网网架结构的研究较少，主要研究工作集中在直流配电网的网架结构设计。交直流混合配电网网架结构设计需要综合考虑现有交流配电网的网架结构和直流配电网的研究成果，提出交直流混合配电网网架结构设计方案。

我国交流配电网中，高压配电网网架结构主要有链式、环网和辐射状结构;中压配电网结构主要有双环式、单环式、多分段适度联络和辐射状结构;低压配电网一般采用辐射状结构。10kV配电网结构根据架空网和电缆网的不同可以分为2类:架空网主要包括辐射式接线和多分段适度联络接线2种模式;电缆网主要包括单环式接线和双环式接线2种模式。北京市高压配电网以环网建设、放射状运行为主(“手拉手”式网架结构)。巴黎城区的电缆网采用三环网T接或双环网T接方式;东京22kV电缆网采用主线备用线、环形、点状网络接线方式;新加坡采用“花瓣式”结构，22kV配电网采用环网连接、并列运行方式〕4。

直流配电网网架结构主要有辐射型、两端供电型和环型直流配电网[33]①辐射型直流配电网山不同电压等级的直流母线组成骨干网络，分布式电源、交流负载与直流负载通过电力电子装置与直流母线相连，其结构简单，对控制保护要求低，但供电可靠性较低;②两端供电型直流配电网与辐射型直流配电网相比，当一侧电源故障时，可以通过操作联络开关，山另一侧电源供电，实现负荷转供，提高整体可靠性;③环型直流配电网相比于两端供电型直流配电网，可实现故障快速定位、隔离，其运行方式与两端供电型直流配电网相似，且供电可靠性更高。

根据不同的应用需求，交直流混合配电网可分为含柔性直流装置的交直流混合配电网与含直流网的交直流混合配电网，前者适用于直流源荷较少的情况，后者更加适合高密度直流源荷接入的情况。含直流网的交直流混合配电网接线模式主要包括辐射型交直流混合配电网(交直流线路间无联络)、多分段适度联络型交直流混合配电网(交直流线路间有联络。

交直流混合配电网优化规划技术交直流混合配电网的优化规划问题是配电网结构设计阶段需要解决的核心问题，对交直流混合配电网的安全、可靠、经济运行具有重要意义。 目前与交直流混合配电网优化规划相关的研究，主要是基于传统交流配电网规划方法的成果，在直流配电网或直流微电网的一些特殊应用场合的规划问题中进行应用。例如，针对海上风电接入配电网已有相关研究;此外，有学者对孤岛直流微电网运行控制进行了相关研究，提出孤岛直流微电网的运行方式及控制策略;针对直流微电网提出基于本地电压分段控制策略的稳定性控制方法;直流微电网的能量协调控制问题。而针对交直流混合配电网的规划问题，着力解决在城市现有交流配电网中扩建直流子系统(包含柔性直流互联装置以及直流线路)的规划方法，并没有特别研究其关键技术及可行的规划方法3。

基于优化问题所需要涉及考虑的优化变量、优化目标和约束条件3方面内容，交直流混合配电网的规划模型具有其自身的特征。

模型的优化变量需要扩展考虑直流源、荷以及柔性直流装置的位置和容量;此外，也可结合交直流混合配电网调度运行方式增加相应的优化变量。

交直流混合配电网的优化目标依然从经济性最优、可靠性最优2方面进行评估。经济性评估主要从全寿命周期内投资成本、运行成本和经济性评价指标(净现值、投资回收期等)3方面进行评估。含有柔性直流互联装置的交直流混合配电网山于装置成本占比较大，需要深入讨论成本不确定性对经济性结论的影响，从而调整优化规划目标;含有直流线路的交直流混合配电网山于其基于已有交流配电网进行扩展规划，通常建设时间较长，且根据直流子系统成熟度的递增，一般可分为多个建设阶段去考虑其经济性优化的规划目标。交直流混合配电网的可靠性评估需要反映柔性直流设备和网络运行的综合可靠性，并在直流子系统所能提供的紧急劝率支撑条件下讨论其对网络可靠性的提升。

黄仁乐. 交直流混合配电网关键技术研究[J]. 电力建设, 2015, 36(1):1-1.
尹忠东, 王超. 分布式风电接入交直流混合配电网的研究[J]. 电力建设, 2016, 37(5):63-68.
孙国萌, 齐琛, 韩蓓,等. 交直流混合配电网规划运行关键技术研究[J]. 供用电, 2016, 33(8):7-17.
张学, 裴玮, 邓卫,等. 交直流混合配电网的运行模式和协调控制方法[J]. 供用电, 2016, 33(8):27-31.

交直流混合配电网的协调控制策略多端柔性直流配电网将是构建交直流混合配电网的重要组成部分4，其可靠的协调控制策略是交直流混合配电网能够正常运行的重要保障。多端柔性直流配电网的运行控制通常采用分层的形式，分为系统级控制以及换流站级控制，其中系统级控制实现直流电网的功率平衡和电压稳定，换流站级控制实现各个换流站快速跟随上级运行指令，并调整其运行点。系统级控制、换流站级控制与调度级控制共同构成了交直流混合配电网的调度控制系统。

交直流混合配电网经济性评估经济性评估环节，是减少和避免交直流混合配电网建设项目决策失误并提高项目经济效益的重要手段。

传统的交直流混合经济性评估方法主要包括确定性评估方法及不确定性评估方法。确定性评估方法主要包括静态评估法和动态评估法:静态评估法在评价工程项目投资的经济效果时，不考虑资金的时间价值，比较简单直观，但也未考虑工程项目在使用期内收益和费用的变化及各方案使用寿命的差异;动态评估法考虑了资金的时间因素，比较符合资金的动态规律，因而给出的经济性评价更符合实际，主要包括净现值法、内部收益率法、动态投资回收期法和费用现值比较法3。

在交直流混合配电网经济性评估中，可以采用静态评估对交直流混合配电网的经济性进行初步预估计，但其结果不能用于实际论证。动态评价法虽然考虑了资金的时间价值，但交直流混合配电网中技术经济变量的不确定性较大，动态评估法也不能保证评估结果的准确性。