[科普中国]-交直流混合微电网

背景

能源是人类社会生存和发展的基石，电力作为其最直接、便利的应用形式，是国民经济发展的动力之源。当前我国能源发展面临传统能源资源约束趋紧、能源利用效率低下、环境生态压力加大、能源安全形势严峻、应对气候变化责任加重等问题。大力发展分布式发电供能技术，一方面能有效提高传统能源的利用效率，同时又能充分利用就地的各种可再生能源，己成为世界各国保障自身能源安全、加强环境保护、应对气候变化的重要措施。分布式发电供能技术通常是指利用本地存在的分布式能源，包括可再生能源(太阳能、生物质能、风能等)和本地可方便获取的传统能源(天然气、柴油等)进行发电供能的技术。尽管采用分布式发电供能技术，能有效利用各地丰富的清洁和可再生能源，但随着分布式电源并网发电渗透率的日益增加，其对传统大电网的运行管理也带来了新的问题，而将本地分布式发电供能系统与负荷等组织成微电网，作为一个可控单元接入本地电网，能更大程度地发挥分布式电源的效益，也能避免间歇式电源影响本地用户电能质量，有助于当电网发生故障或遭遇灾变时向微电网内的重要负荷持续供电。

国内外研究现状随着气候变暖带来的环境危机与传统能源的日益短缺，分布式新能源的发展与整体入网调配日益受到重视。在能源互联网视角下，分布式新能源即为用户终端，不仅能够实现局域内部的电能输送调配，而且能够与集中式大电网进行能源互通，从而为中央能源供应系统提供支持和补充，也是未来能源互联网架构中的关键组成部分。而微电网是目前分布式新能源与新型用户的主要供电模式，符合“节能减排”、“环境治理”与“产业升级转型”三大主题概念。依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)户，以及国务院《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》、《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)的通知》、《中国制造2025和《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》等，应积极促进分布式能源的发展、持续推动微电网技术创新、支撑能源消费革命，从基础研究、重大共性关键技术研究到典型应用示范全链条布局，实现微电网技术的快速发展。

微电网主要有交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网3种典型结构。相比于单一的微电网结构，交直流混合微电网在交流微电网的基础上，结合了直流微电网的优点，具有突出的优势：(1)直流母线与交流母线的存在满足交流或者直流分布式发电与负荷的需求，减少了AC/DC或DC/AC变流环节，缩减了电力电子器件的使用，从而抑制了谐波；(2)交直流混合微电网可以在交流微电网与直流微电网独立控制的同时又互为备用，提高系统的可靠性；(3)交直流混合微电网有更好的延展性，应用更加广泛。交流直流混合微电网中，交流DG或者负荷直接接入交流母线，直流DG或负荷直接接入直流母线，交流母线与直流母线之间通过一个双向变流器实现功率流的平衡。交直流混合微电网由于具有更好的经济性、安全性、可靠性，受到国内外的广泛关注。

目前国内外对交直流混合微电网领域相关技术的研究还处于初级阶段，研究内容主要涉及交直流混合微电网的拓扑结构、容量配置、性能评估、运行控制、保护和能量管理等方面。美国电气可靠性技术解决方案联合会、欧洲以希腊雅典国立技术大学为典型代表的微电网研究机构、日本的新能源与工业技术发展组织等都对微电网进行了相关研究，国内主要以单一的微电网结构为主，侧重前瞻性技术与示范工程，己有一大批项目正在开展。

国内外对交直流混合微电网的研究取得了一些初步成果，本文将结合最新研究成果，对交直流混合微电网的拓扑结构与容量配置、性能评估、能量管理系统与保护技术等内容进行总结分析，最后展望交直流混合微电网的发展与应用前景。

拓扑结构与容量配置交直流混合微电网拓扑结构微电网从交流母线和直流母线的配置角度，可分，为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交直流混合微电网因其兼备交流微电网与直流微电网的优势，能更好促进DG的消纳，同时可以提高经济效益，是微电网发展的趋势。交直流混合微电网的典型结构包括各自独立连接运行的直流微电网系统和交流微电网系统以及双向变流器，如右图所示。图中：DG代表各类分布式电源，如光伏、风机、燃料电池、微型同步电机等；ESS代表储能装置，如蓄电池、超级电容器等，各电力电子装置根据母线类型和控制要求选择类型。该交直流混合微电网内部由各单元在其交流子微网或直流子微网内按照各自原则并联构成，外部由四象限运行的换流器连接，整个混合微电网由交流母线通过馈线并入电网。本质上，交直流混合微电网结构是在交流微电网的基础上发展而来，其核心为交流微电网系统中的交流母线，承担整个系统的连接反馈作用。而直流微电网子系统可视为逆变器作用下的特殊DG，其重点是维持直流母线电压稳定，以确保供电可靠。1

图25交直流混合微电网的典型结构

考虑传统交流与直流微电网的网架结构，交直流混合微电网可以设计为辐射型、双端供电型、分段联络型、环型等拓扑结构。辐射型微电网结构简单，对控制保护要求低，但供电可靠性较低。两端供电型与辐射型配电网相比，当一侧电源发生故障时，可以通过操作联络开关，由另一侧电源供电，实现负荷转供，提高整体可靠性。环型微电网相比于两端供电型，可实现故障快速定位、隔离，其余部分电网可像两端供电型运行，供电可靠性更高。构建交直流混合微电网网架时，根据供电可靠性与经济性的不同要求，选择最合适的网架结构。

交直流混合微电网运行方式相比于单一系统的微电网而言更加灵活，可以最大程度地满足就地消纳资源、响应负荷需求等微电网规划设计的个性化需要，但同时对于技术要求偏高，现阶段而言，要将混合微电网模式大面积应用于实际电网市场还需要很长的过程。

分布式电源容量配置交直流混合微电网的拓扑结构是微电网设计之初考虑的问题，当微电网结构设计合理完备后，交直流混合微电网的容量配置问题亚需解决。相比于传统大电网，交直流混合微电网由于DG与储能装置的存在，容量配置问题更加复杂:DG的随机性、波动性受地理环境影响较大;蓄电池的寿命增加了容量配置的约束条件。

交直流混合微电网的容量配置主要分为4部分：（1）资源、负荷、地理环境的调研与微电网网络结构的确定；（2）设备型号与设备数量的选择；（3）容量配置最优化模型的建立；（4）优化求解。容量配置最优化模型的建立主要分为目标函数的选取与约束条件的确定，目标函数主要分为可靠性指标与经济性指标2类，约束条件主要考虑系统运行约束、备用容量、蓄电池充放电约束等。容量配置优化模型的求解主要分为解析法和智能算法，由于智能算法具有计算简单、鲁棒性强、约束限制较少等优点，目前主要采用智能优化算法进行求解，典型代表有遗传算法、粒子群优化算法和模拟退火算法。

目前，国内外针对微电网容量优化配置的研究主要集中在孤立微电网容量配置研究，重点研究容量配置优化模型的建立和智能算法的改进。同时，国外还开发了可用于研究微网(太阳能/风能微网)容量优化配置的软件，例如Hybrid2软件和HOMER软件。但是，近年来关于并网微电网的容量配置研究比较少，同时微电网容量配置问题的研究主要针对具体的情况，目标函数与约束条件纷繁错杂，未能形成统一的标准，因而缺少对交直流混合微电网整体的研究。

新能源接入交直流混合微电网性能评估稳定性电力系统的稳定性是指特定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，重新恢复运行平衡状态的能力，根据性质的不同主要分为功角稳定、电压稳定和频率稳定。相比于传统电网，交直流混合微电网，增加了直流子微电网的稳定性问题，主要是电压稳定问题。同时大量DG的不确定性影响和大量电力电子装置导致的低惯量性都导致交直流混合微电网的抗干扰能力减弱，系统稳定性问题更加复杂。

交直流混合微电网的稳定性问题可对并网运行模式和孤岛运行模式分别进行分析：并网模式下，由于大电网的支撑作用，主要考虑直流子微电网母线电压稳定问题，通过对应控制方法实现电压稳定；孤岛模式下则既要考虑直流子微电网的电压稳定问题，又要考虑交流子微电网的电压、频率、功角稳定问题。目前国内外对交直流微电网稳定性的综合研究较少，主要涉及微电网的小信号干扰稳定、暂态稳定，主要保持电压和频率的稳定。但是，国内外研究主要采用简化的DG和负荷模型，忽略了DG的多样性和波动性以及非线性负荷和感应电动势负荷的影响，缺少对交直流混合微电网稳定性判据的建立。

可靠性电力系统的可靠性评估分为发电系统可靠性评估、输电系统可靠性评估和配电系统可靠性评估。与传统的电力系统相比，交直流混合微电网由于大量DG的接入，使其可靠性评估相比传统电力系统更加复杂，主要集中在发电系统可靠性评估和配电系统可靠性评估，以及可靠性评估指标等方面。

目前国内外对交直流微电网可靠性研究还处于起步阶段，主要集中在DG可靠性模型的建立含DG微电网的可靠性评估、含DG的配电网可靠性评估书以及新的可靠性指标的提出等。研究内容侧重于微网中的DG和负荷，缺少对微电网内部结构和大量复杂源、储、负荷的考虑。同时，对于交直流混合微电网，交流子微电网和直流子微电网2个系统的互联也使可靠性的分析难度增大，国内外研究也相对较少。

安全性电力系统的安全性是指电力系统突然发生扰动(例如突然短路或非计划失去电力系统元件)时不间断地向用户提供电力和电量的能力。与传统电网相比，交直流混合微电网因其环境的复杂性、DG出力的不确定性、负荷的随机性等，安全性评估在安全性影响因素的分析、评价指标(内部网架结构、容量、电压、频率，DG的出力等)的选择方面更加困难。

目前，国内外对于交直流混合微电网安全性研究的文章相当缺乏，少数涉及综合评价体系与独立微电网安全性分析。独立微电网的综合评价方法主要有主观赋权评价法(层次分析法、模糊综合评价法、德尔菲法等)、客观赋权法(嫡权法、灰色关联度分析法、TOPSIS评价法、神经网络等)和组合方法。

交直流混合微电网的安全性研究是交直流混合微电网实现的必要条件，因此安全性评估仍需要大量的研究工作。

经济性交直流混合微电网除了要考虑其稳定性、可靠性和安全性，还需要分析其经济性指标。经济性评估主要分为3个方面：微电网规划设计阶段的经济性评估、微电网运行时的最优化管理和微电网优化调度问题。微电网规划设计阶段的经济性评估分析主要通过投入产出法、全生命周期和区间分析法来考虑成本指标(等年值设备投资费用、等年值运行维护费用等)和效益指标(利润净现值、投资回收期等)。微电网运行最优化管理主要通过目标函数(利润、最低成本等)和约束函数的建立，来管理系统的功率潮流；微电网的优化调度问题除了需要考虑发电成本问题，还需要结合大电网的实时电价、DG的出力不稳定性和机组组合的环境效益，增加了电网调度的难度。

目前，国内外对微电网规划设计阶段的经济评估研究比较少，主要采用全生命周期分析法分析其规划效益；而交直流混合微电网优化管理与优化调度研究相对比较丰富。优化调度主要涉及交直流混合微电网孤岛运行模式的经济调度、多目标问题的处理和约束条件的线性化、负荷角度的优化等方面的研究，但其内容侧重于算法的改进与模型的搭建，所设计的网络结构也较为单一，未考虑交流微电网与直流微电网的互联等问题。

交直流混合微电网的性能评估伴随着网络拓扑设计与容量配置，根据不同的性能要求设置合理的稳定性、可靠性、安全性与经济性权重因子，来构建交直流微电网以满足电力需求。

交直流混合微电网电源管理系统交直流混合微电网的运行控制相比于单一直流微电网或者交流微电网而言，除了复杂的发电单元、储能单元和交/直流负荷单元的控制方法，直流母线与交流母线之间的双向变换器的功率流动也成为研究重点。

单元控制方法单元控制方法，主要指交直流混合微网中的DG、储能装备和负荷的控制运行方式。DG主要有光伏电池、风机等不确定性源和燃料电池、小燃机等稳定性源，电源的控制方式按照交直流混合微电网设计的理念，有提高可再生能源利用率的最大功率跟踪控制，维持系统某一参数(如电压、频率)的V /F控制、PQ控制，自主分配、自主管理能实现即插即用的Droop控制等方法。储能设备主要有电池、飞轮等，储能设备的控制方法往往与系统的能量管理方法相结合，以辅助其他DG协同工作。在交直流混合微电网现有研究中，电池储能是常用的手段，其控制方法需考虑蓄电池的充放电状态、电池的寿命等要素。现阶段对负荷单元的控制研究比较少，主要集中在插入式电动车和电动飞机、负荷特性、需求响应等方面，同时为提高可再生能源的利用率，主动负荷响应的控制方法应运而生。

电源管理系统DG间的协调控制策略是交直流混合微电网在并网模式与孤岛模式下良好运行的关键。在交直流混合微电网中，协调控制策略主要有能量管理和电源管理2种管理方式在控制任务与时间长度上有所区别，前者是长期的电能输出以最优的方式满足需求，而后者则是侧重短期的电源、储能与负荷之间的协调工作，实现电源之间的实时调度。

问题与展望随着DG、储能装置和直流负荷的逐步渗透与现有交流系统的广泛存在，交直流混合微电网将是今后发展的必然趋势。主要分析交直流混合微电网中现存的问题并对未来进行展望。

(1)现有的交直流混合微电网研究主要针对典型的交直流混合微电网结构，未来的交直流混合微电网中将包含多条不同等级的交流母线和直流母线，多条母线之间的协调控制与功率管理将是今后研究的热点问题。

(2)未来的交直流混合微电网中，连接DG的电力电子装置、储能装置以及非线性负荷等导致的电能质量问题是一个重要课题。目前，谐波、三相不平衡和电压的凹陷/膨胀等问题在配电网中备受关注，不久的将来电能质量问题将更加严峻。因此，研究辅助装置(如无功补偿，电压不平衡补偿，谐波补偿，功率因数校正等)在交直流混合微电网中的应用将是未来研究的新方向。

(3)经济性能是交直流混合微电网设计与运行的重要指标，虽然微电网相比于传统电网，在某些地区由于成本更高、用电需求多变等因素，经济性欠佳，但是随着大电网的支持作用与辅助装置成本的降低，交直流混合微电网具有更大的发展前景。不过，经济风险问题是大规模微电网渗透所需解决的必要因素。

(4)电源管理系统与单元控制策略需要确保交直流混合微电网在并网、孤岛与瞬时切换3种状态下都能稳定运行，尤其是并网和孤岛运行模式之间的过渡应该无缝和光滑。其次，需求侧响应与大电网的多时段电价等市场条件都对交直流混合微电网的运行产生不同的影响。目前的研究主要针对某一方面调研，实际的微电网运行是一个长期的综合过程，因此，未来的研究应充分考虑多种因素。

(5)交直流混合微电网的自治管理离不开相应的通讯系统。目前，己有的交直流混合微电网都采用简单的集中通讯或分布式通讯系统，但对其通讯系统未深入探讨。通讯系统的可靠性、安全性、鲁棒性和经济性是选择通讯技术和设计通讯拓扑需进一步考虑与研究的课题。

(6)交直流混合微电网的应用离不开保护装置的成熟应用，然而现阶段的交直流混合微电网的保护技术研究才处于起步阶段，开发具有灵活可靠的直流断路器成为未来研究的重点。