交直流電網(wǎng)動(dòng)模與控制裝置

實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源發(fā)電柔性直流接入下的交直流電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬，模擬不同工況條件下的系統(tǒng)靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)特性的分析與測(cè)試，并可進(jìn)行交直流電網(wǎng)運(yùn)行控制的分析與測(cè)試。

1. 交直流動(dòng)模裝置包括四端柔性直流換流站、恒功率/恒阻抗/恒電流交直流負(fù)荷、可重構(gòu)的交直流聯(lián)絡(luò)母線系統(tǒng)、交直流線路、直流潮流控制器、交流電網(wǎng)與變電站模擬、運(yùn)行控制與調(diào)度系統(tǒng)； 2. 可搭建多類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模擬直流環(huán)網(wǎng)、放射狀拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)，以及直流單極、雙極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行交直流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬仿真； 3. 系統(tǒng)容量100kVA；交流系統(tǒng)額定電壓380V/AC，額定頻率50Hz；直流系統(tǒng)具備750V/DC 以及1000V/DC 兩種電壓等級(jí)； 4. 6 節(jié)點(diǎn)交流系統(tǒng),交流接線方式：三相五線制；4 節(jié)點(diǎn)直流母線，線路可以模擬最大750 米，線路連接方式靈活且分段可調(diào)節(jié),可靈活配置接地方式； 5. 各動(dòng)模裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，接線便捷，擴(kuò)展靈活；配置安全接地、保護(hù)等功能； 6. 支持EtherCAT 總線、RS485、CAN 總線等通訊協(xié)議；控制系統(tǒng)通訊時(shí)延100ms； 7. 可以模擬交直流電網(wǎng)故障時(shí)的開關(guān)動(dòng)作，以及故障后的恢復(fù)運(yùn)行控制； 8. 具備自動(dòng)化監(jiān)控功能，可以模擬交直流電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行控制，對(duì)優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

隨著DG、儲(chǔ)能裝置和直流負(fù)荷的逐步滲透與現(xiàn)有交流系統(tǒng)的廣泛存在，交直流混合微電網(wǎng)將是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。主要分析交直流混合微電網(wǎng)中現(xiàn)存的問題并對(duì)未來進(jìn)行展望。

(1)現(xiàn)有的交直流混合微電網(wǎng)研究主要針對(duì)典型的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，未來的交直流混合微電網(wǎng)中將包含多條不同等級(jí)的交流母線和直流母線，多條母線之間的協(xié)調(diào)控制與功率管理將是今后研究的熱點(diǎn)問題。

(2)未來的交直流混合微電網(wǎng)中，連接DG的電力電子裝置、儲(chǔ)能裝置以及非線性負(fù)荷等導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題是一個(gè)重要課題。諧波、三相不平衡和電壓的凹陷/膨脹等問題在配電網(wǎng)中備受關(guān)注，不久的將來電能質(zhì)量問題將更加嚴(yán)峻。因此，研究輔助裝置(如無功補(bǔ)償，電壓不平衡補(bǔ)償，諧波補(bǔ)償，功率因數(shù)校正等)在交直流混合微電網(wǎng)中的應(yīng)用將是未來研究的新方向。

(3)經(jīng)濟(jì)性能是交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的重要指標(biāo)，雖然微電網(wǎng)相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，在某些地區(qū)由于成本更高、用電需求多變等因素，經(jīng)濟(jì)性欠佳，但是隨著大電網(wǎng)的支持作用與輔助裝置成本的降低，交直流混合微電網(wǎng)具有更大的發(fā)展前景。不過，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)問題是大規(guī)模微電網(wǎng)滲透所需解決的必要因素。

(4)電源管理系統(tǒng)與單元控制策略需要確保交直流混合微電網(wǎng)在并網(wǎng)、孤島與瞬時(shí)切換3種狀態(tài)下都能穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式之間的過渡應(yīng)該無縫和光滑。其次，需求側(cè)響應(yīng)與大電網(wǎng)的多時(shí)段電價(jià)等市場(chǎng)條件都對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生不同的影響。研究主要針對(duì)某一方面調(diào)研，實(shí)際的微電網(wǎng)運(yùn)行是一個(gè)長期的綜合過程，因此，未來的研究應(yīng)充分考慮多種因素。

(5)交直流混合微電網(wǎng)的自治管理離不開相應(yīng)的通訊系統(tǒng)。己有的交直流混合微電網(wǎng)都采用簡(jiǎn)單的集中通訊或分布式通訊系統(tǒng)，但對(duì)其通訊系統(tǒng)未深入探討。通訊系統(tǒng)的可靠性、安全性、魯棒性和經(jīng)濟(jì)性是選擇通訊技術(shù)和設(shè)計(jì)通訊拓?fù)湫柽M(jìn)一步考慮與研究的課題。

(6)交直流混合微電網(wǎng)的應(yīng)用離不開保護(hù)裝置的成熟應(yīng)用，然而現(xiàn)階段的交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)研究才處于起步階段，開發(fā)具有靈活可靠的直流斷路器成為未來研究的重點(diǎn)。2100433B

交直流混合微電網(wǎng)交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)從交流母線和直流母線的配置角度，可分，為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。交直流混合微電網(wǎng)因其兼?zhèn)浣涣魑㈦娋W(wǎng)與直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，能更好促進(jìn)DG的消納，同時(shí)可以提高經(jīng)濟(jì)效益，是微電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。交直流混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)包括各自獨(dú)立連接運(yùn)行的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)和交流微電網(wǎng)系統(tǒng)以及雙向變流器，如右圖1所示。圖中：DG代表各類分布式電源，如光伏、風(fēng)機(jī)、燃料電池、微型同步電機(jī)等；ESS代表儲(chǔ)能裝置，如蓄電池、超級(jí)電容器等，各電力電子裝置根據(jù)母線類型和控制要求選擇類型。該交直流混合微電網(wǎng)內(nèi)部由各單元在其交流子微網(wǎng)或直流子微網(wǎng)內(nèi)按照各自原則并聯(lián)構(gòu)成，外部由四象限運(yùn)行的換流器連接，整個(gè)混合微電網(wǎng)由交流母線通過饋線并入電網(wǎng)。本質(zhì)上，交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是在交流微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其核心為交流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的交流母線，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的連接反饋?zhàn)饔?。而直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)可視為逆變器作用下的特殊DG，其重點(diǎn)是維持直流母線電壓穩(wěn)定，以確保供電可靠。

圖25交直流混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

考慮傳統(tǒng)交流與直流微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，交直流混合微電網(wǎng)可以設(shè)計(jì)為輻射型、雙端供電型、分段聯(lián)絡(luò)型、環(huán)型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輻射型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)控制保護(hù)要求低，但供電可靠性較低。兩端供電型與輻射型配電網(wǎng)相比，當(dāng)一側(cè)電源發(fā)生故障時(shí)，可以通過操作聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另一側(cè)電源供電，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，提高整體可靠性。環(huán)型微電網(wǎng)相比于兩端供電型，可實(shí)現(xiàn)故障快速定位、隔離，其余部分電網(wǎng)可像兩端供電型運(yùn)行，供電可靠性更高。構(gòu)建交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)架時(shí)，根據(jù)供電可靠性與經(jīng)濟(jì)性的不同要求，選擇最合適的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行方式相比于單一系統(tǒng)的微電網(wǎng)而言更加靈活，可以最大程度地滿足就地消納資源、響應(yīng)負(fù)荷需求等微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的個(gè)性化需要，但同時(shí)對(duì)于技術(shù)要求偏高，現(xiàn)階段而言，要將混合微電網(wǎng)模式大面積應(yīng)用于實(shí)際電網(wǎng)市場(chǎng)還需要很長的過程。

交直流混合微電網(wǎng)分布式電源容量配置

交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是微電網(wǎng)設(shè)計(jì)之初考慮的問題，當(dāng)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理完備后，交直流混合微電網(wǎng)的容量配置問題亞需解決。相比于傳統(tǒng)大電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)由于DG與儲(chǔ)能裝置的存在，容量配置問題更加復(fù)雜:DG的隨機(jī)性、波動(dòng)性受地理環(huán)境影響較大;蓄電池的壽命增加了容量配置的約束條件。

交直流混合微電網(wǎng)的容量配置主要分為4部分：（1）資源、負(fù)荷、地理環(huán)境的調(diào)研與微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定；（2）設(shè)備型號(hào)與設(shè)備數(shù)量的選擇；（3）容量配置最優(yōu)化模型的建立；（4）優(yōu)化求解。容量配置最優(yōu)化模型的建立主要分為目標(biāo)函數(shù)的選取與約束條件的確定，目標(biāo)函數(shù)主要分為可靠性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)2類，約束條件主要考慮系統(tǒng)運(yùn)行約束、備用容量、蓄電池充放電約束等。容量配置優(yōu)化模型的求解主要分為解析法和智能算法，由于智能算法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、約束限制較少等優(yōu)點(diǎn)，主要采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解，典型代表有遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法和模擬退火算法。

國內(nèi)外針對(duì)微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置的研究主要集中在孤立微電網(wǎng)容量配置研究，重點(diǎn)研究容量配置優(yōu)化模型的建立和智能算法的改進(jìn)。同時(shí)，國外還開發(fā)了可用于研究微網(wǎng)(太陽能/風(fēng)能微網(wǎng))容量優(yōu)化配置的軟件，例如Hybrid2軟件和HOMER軟件。但是，近年來關(guān)于并網(wǎng)微電網(wǎng)的容量配置研究比較少，同時(shí)微電網(wǎng)容量配置問題的研究主要針對(duì)具體的情況，目標(biāo)函數(shù)與約束條件紛繁錯(cuò)雜，未能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因而缺少對(duì)交直流混合微電網(wǎng)整體的研究。

交直流混合微電網(wǎng)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指特定運(yùn)行條件下的電力系統(tǒng)，在受到擾動(dòng)后，重新恢復(fù)運(yùn)行平衡狀態(tài)的能力，根據(jù)性質(zhì)的不同主要分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定。相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)，增加了直流子微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，主要是電壓穩(wěn)定問題。同時(shí)大量DG的不確定性影響和大量電力電子裝置導(dǎo)致的低慣量性都導(dǎo)致交直流混合微電網(wǎng)的抗干擾能力減弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性問題更加復(fù)雜。

交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題可對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式分別進(jìn)行分析：并網(wǎng)模式下，由于大電網(wǎng)的支撐作用，主要考慮直流子微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定問題，通過對(duì)應(yīng)控制方法實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定；孤島模式下則既要考慮直流子微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題，又要考慮交流子微電網(wǎng)的電壓、頻率、功角穩(wěn)定問題。國內(nèi)外對(duì)交直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性的綜合研究較少，主要涉及微電網(wǎng)的小信號(hào)干擾穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定，主要保持電壓和頻率的穩(wěn)定。但是，國內(nèi)外研究主要采用簡(jiǎn)化的DG和負(fù)荷模型，忽略了DG的多樣性和波動(dòng)性以及非線性負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)負(fù)荷的影響，缺少對(duì)交直流混合微電網(wǎng)穩(wěn)定性判據(jù)的建立。

交直流混合微電網(wǎng)可靠性

電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估分為發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估、輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估和配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估。與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比，交直流混合微電網(wǎng)由于大量DG的接入，使其可靠性評(píng)估相比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)更加復(fù)雜，主要集中在發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估和配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估，以及可靠性評(píng)估指標(biāo)等方面。

國內(nèi)外對(duì)交直流微電網(wǎng)可靠性研究還處于起步階段，主要集中在DG可靠性模型的建立含DG微電網(wǎng)的可靠性評(píng)估、含DG的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估書以及新的可靠性指標(biāo)的提出等。研究內(nèi)容側(cè)重于微網(wǎng)中的DG和負(fù)荷，缺少對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大量復(fù)雜源、儲(chǔ)、負(fù)荷的考慮。同時(shí)，對(duì)于交直流混合微電網(wǎng)，交流子微電網(wǎng)和直流子微電網(wǎng)2個(gè)系統(tǒng)的互聯(lián)也使可靠性的分析難度增大，國內(nèi)外研究也相對(duì)較少。

交直流混合微電網(wǎng)安全性

電力系統(tǒng)的安全性是指電力系統(tǒng)突然發(fā)生擾動(dòng)(例如突然短路或非計(jì)劃失去電力系統(tǒng)元件)時(shí)不間斷地向用戶提供電力和電量的能力。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，交直流混合微電網(wǎng)因其環(huán)境的復(fù)雜性、DG出力的不確定性、負(fù)荷的隨機(jī)性等，安全性評(píng)估在安全性影響因素的分析、評(píng)價(jià)指標(biāo)(內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、容量、電壓、頻率，DG的出力等)的選擇方面更加困難。

國內(nèi)外對(duì)于交直流混合微電網(wǎng)安全性研究的文章相當(dāng)缺乏，少數(shù)涉及綜合評(píng)價(jià)體系與獨(dú)立微電網(wǎng)安全性分析。獨(dú)立微電網(wǎng)的綜合評(píng)價(jià)方法主要有主觀賦權(quán)評(píng)價(jià)法(層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、德爾菲法等)、客觀賦權(quán)法(嫡權(quán)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、TOPSIS評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)和組合方法。

交直流混合微電網(wǎng)的安全性研究是交直流混合微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的必要條件，因此安全性評(píng)估仍需要大量的研究工作。

交直流混合微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性

交直流混合微電網(wǎng)除了要考慮其穩(wěn)定性、可靠性和安全性，還需要分析其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)性評(píng)估主要分為3個(gè)方面：微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估、微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)化管理和微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題。微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估分析主要通過投入產(chǎn)出法、全生命周期和區(qū)間分析法來考慮成本指標(biāo)(等年值設(shè)備投資費(fèi)用、等年值運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等)和效益指標(biāo)(利潤凈現(xiàn)值、投資回收期等)。微電網(wǎng)運(yùn)行最優(yōu)化管理主要通過目標(biāo)函數(shù)(利潤、最低成本等)和約束函數(shù)的建立，來管理系統(tǒng)的功率潮流；微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題除了需要考慮發(fā)電成本問題，還需要結(jié)合大電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)、DG的出力不穩(wěn)定性和機(jī)組組合的環(huán)境效益，增加了電網(wǎng)調(diào)度的難度。

國內(nèi)外對(duì)微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的經(jīng)濟(jì)評(píng)估研究比較少，主要采用全生命周期分析法分析其規(guī)劃效益；而交直流混合微電網(wǎng)優(yōu)化管理與優(yōu)化調(diào)度研究相對(duì)比較豐富。優(yōu)化調(diào)度主要涉及交直流混合微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式的經(jīng)濟(jì)調(diào)度、多目標(biāo)問題的處理和約束條件的線性化、負(fù)荷角度的優(yōu)化等方面的研究，但其內(nèi)容側(cè)重于算法的改進(jìn)與模型的搭建，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也較為單一，未考慮交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)的互聯(lián)等問題。

交直流混合微電網(wǎng)的性能評(píng)估伴隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)與容量配置，根據(jù)不同的性能要求設(shè)置合理的穩(wěn)定性、可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)性權(quán)重因子，來構(gòu)建交直流微電網(wǎng)以滿足電力需求。