交直流混合配電網(wǎng)基本信息

傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)面臨線損高、電能質(zhì)量擾動、電壓跌落等一系列問題，難以滿足電力用戶日益增長的電力需求。與交流配電網(wǎng)相比，直流供電能有效解決諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問題，且在改善供電質(zhì)量方面優(yōu)勢明顯，但是短時間內(nèi)還無法完全替代交流配電網(wǎng)。因此，在交流配電網(wǎng)的基礎上建設交直流混合配電網(wǎng)是未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。然而，直流配電網(wǎng)中分布式電源、儲能裝置等新設備的引入也對能效產(chǎn)生了新的影響。如何評價交直流混合配電網(wǎng)的能效水平是待解決的問題 。

國內(nèi)外在交直流混合配電網(wǎng)領域的相關研究及不范工程尚在起步階段，針對直流配電網(wǎng)的研究已有初步成果。在北美，弗吉尼亞理工大學CPES中心于2007年提出“Sustainable Building工nitiative (SB工)”計劃，于2010年將其發(fā)展為“SBN (SustainableBuilding and Nanogrids) "，并且提出了基于分層互聯(lián)交直流子網(wǎng)混合結(jié)構概念性互聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構。北卡羅萊納州立大學于2011年提出“The Future Renewable ElectricEnergy Delivery and Management CFREEDM)”結(jié)構[8]適用于“即插即用”型分布式電源及分布式儲能的交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構。阿爾伯塔大學于2012年提出了基于變流器的交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構，給出小信號分析模型并分析其穩(wěn)定性。

在歐洲，意大利羅馬第二大學和英國諾丁漢大學于2008年針對交直流混合配電網(wǎng)提出“Universal and Flexible Power Management CUN工FLEX-PM)”方案，在各個電網(wǎng)的不同工況下實現(xiàn)能量的雙向流動。羅馬尼亞布加勒斯特理工大學于2007年提出含有替代電源的直流配電網(wǎng)結(jié)構，實驗證明該結(jié)構提高了電網(wǎng)的運行效率和電能質(zhì)量。意大利米蘭理工大學提出含有分布式電源的本地直流配電網(wǎng)結(jié)構，實現(xiàn)分布式電源、負荷與電網(wǎng)之間能量的雙向流動。

在國內(nèi)針對交直流混合配電網(wǎng)的研究剛剛起步 ，相關研究成果主要集中在直流配電網(wǎng)方面。優(yōu)化規(guī)劃方面，已有對直流配電網(wǎng)的拓撲、電壓等級、規(guī)劃方法、可靠性、經(jīng)濟性和綜合評估問題的研究。運行調(diào)度方面，有學者對直流配電網(wǎng)的潮流計算、電壓分布、含分布式電源的調(diào)度等問題進行了研究?？刂票Ｗo方面，對直流配電網(wǎng)建模、控制策略保護等問題均有相關研究。此外，相關“863計劃”項目獲得立項支持，其中山北京市電力公司承擔的“863計劃”項目“交直流混合配電網(wǎng)關鍵技術”于2015年正式啟動，旨在實現(xiàn)面向城市不同供電區(qū)域之間柔性直流互聯(lián)和交直流混合環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行控制，從而解決高密度可再生能源接入問題并保障交流配電網(wǎng)可靠性

交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構對運行可靠性、靈活性、經(jīng)濟性等方面都有重要影響。傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構已經(jīng)非常成熟，國內(nèi)外均有相關網(wǎng)架結(jié)構標準和案例。針對交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構的研究較少，主要研究工作集中在直流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構設計。交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構設計需要綜合考慮現(xiàn)有交流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構和直流配電網(wǎng)的研究成果，提出交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構設計方案。

我國交流配電網(wǎng)中，高壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構主要有鏈式、環(huán)網(wǎng)和輻射狀結(jié)構;中壓配電網(wǎng)結(jié)構主要有雙環(huán)式、單環(huán)式、多分段適度聯(lián)絡和輻射狀結(jié)構;低壓配電網(wǎng)一般采用輻射狀結(jié)構。10kV配電網(wǎng)結(jié)構根據(jù)架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)的不同可以分為2類:架空網(wǎng)主要包括輻射式接線和多分段適度聯(lián)絡接線2種模式;電纜網(wǎng)主要包括單環(huán)式接線和雙環(huán)式接線2種模式。北京市高壓配電網(wǎng)以環(huán)網(wǎng)建設、放射狀運行為主(“手拉手”式網(wǎng)架結(jié)構)。巴黎城區(qū)的電纜網(wǎng)采用三環(huán)網(wǎng)T接或雙環(huán)網(wǎng)T接方式;東京22kV電纜網(wǎng)采用主線備用線、環(huán)形、點狀網(wǎng)絡接線方式;新加坡采用“花瓣式”結(jié)構，22kV配電網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)連接、并列運行方式〕 。

直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構主要有輻射型、兩端供電型和環(huán)型直流配電網(wǎng)[33]①輻射型直流配電網(wǎng)山不同電壓等級的直流母線組成骨干網(wǎng)絡，分布式電源、交流負載與直流負載通過電力電子裝置與直流母線相連，其結(jié)構簡單，對控制保護要求低，但供電可靠性較低;②兩端供電型直流配電網(wǎng)與輻射型直流配電網(wǎng)相比，當一側(cè)電源故障時，可以通過操作聯(lián)絡開關，山另一側(cè)電源供電，實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)供，提高整體可靠性;③環(huán)型直流配電網(wǎng)相比于兩端供電型直流配電網(wǎng)，可實現(xiàn)故障快速定位、隔離，其運行方式與兩端供電型直流配電網(wǎng)相似，且供電可靠性更高。

根據(jù)不同的應用需求，交直流混合配電網(wǎng)可分為含柔性直流裝置的交直流混合配電網(wǎng)與含直流網(wǎng)的交直流混合配電網(wǎng)，前者適用于直流源荷較少的情況，后者更加適合高密度直流源荷接入的情況。含直流網(wǎng)的交直流混合配電網(wǎng)接線模式主要包括輻射型交直流混合配電網(wǎng)(交直流線路間無聯(lián)絡)、多分段適度聯(lián)絡型交直流混合配電網(wǎng)(交直流線路間有聯(lián)絡。

交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃問題是配電網(wǎng)結(jié)構設計階段需要解決的核心問題，對交直流混合配電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行具有重要意義。 與交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃相關的研究，主要是基于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)規(guī)劃方法的成果，在直流配電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)的一些特殊應用場合的規(guī)劃問題中進行應用。例如，針對海上風電接入配電網(wǎng)已有相關研究;此外，有學者對孤島直流微電網(wǎng)運行控制進行了相關研究，提出孤島直流微電網(wǎng)的運行方式及控制策略;針對直流微電網(wǎng)提出基于本地電壓分段控制策略的穩(wěn)定性控制方法;直流微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制問題。而針對交直流混合配電網(wǎng)的規(guī)劃問題，著力解決在城市現(xiàn)有交流配電網(wǎng)中擴建直流子系統(tǒng)(包含柔性直流互聯(lián)裝置以及直流線路)的規(guī)劃方法，并沒有特別研究其關鍵技術及可行的規(guī)劃方法 。

基于優(yōu)化問題所需要涉及考慮的優(yōu)化變量、優(yōu)化目標和約束條件3方面內(nèi)容，交直流混合配電網(wǎng)的規(guī)劃模型具有其自身的特征。

模型的優(yōu)化變量需要擴展考慮直流源、荷以及柔性直流裝置的位置和容量;此外，也可結(jié)合交直流混合配電網(wǎng)調(diào)度運行方式增加相應的優(yōu)化變量。

交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化目標依然從經(jīng)濟性最優(yōu)、可靠性最優(yōu)2方面進行評估。經(jīng)濟性評估主要從全壽命周期內(nèi)投資成本、運行成本和經(jīng)濟性評價指標(凈現(xiàn)值、投資回收期等)3方面進行評估。含有柔性直流互聯(lián)裝置的交直流混合配電網(wǎng)山于裝置成本占比較大，需要深入討論成本不確定性對經(jīng)濟性結(jié)論的影響，從而調(diào)整優(yōu)化規(guī)劃目標;含有直流線路的交直流混合配電網(wǎng)山于其基于已有交流配電網(wǎng)進行擴展規(guī)劃，通常建設時間較長，且根據(jù)直流子系統(tǒng)成熟度的遞增，一般可分為多個建設階段去考慮其經(jīng)濟性優(yōu)化的規(guī)劃目標。交直流混合配電網(wǎng)的可靠性評估需要反映柔性直流設備和網(wǎng)絡運行的綜合可靠性，并在直流子系統(tǒng)所能提供的緊急勸率支撐條件下討論其對網(wǎng)絡可靠性的提升。

黃仁樂. 交直流混合配電網(wǎng)關鍵技術研究[J]. 電力建設, 2015, 36(1):1-1.

尹忠東, 王超. 分布式風電接入交直流混合配電網(wǎng)的研究[J]. 電力建設, 2016, 37(5):63-68.

孫國萌, 齊琛, 韓蓓,等. 交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃運行關鍵技術研究[J]. 供用電, 2016, 33(8):7-17.

張學, 裴瑋, 鄧衛(wèi),等. 交直流混合配電網(wǎng)的運行模式和協(xié)調(diào)控制方法[J]. 供用電, 2016, 33(8):27-31.

多端柔性直流配電網(wǎng)將是構建交直流混合配電網(wǎng)的重要組成部分 ，其可靠的協(xié)調(diào)控制策略是交直流混合配電網(wǎng)能夠正常運行的重要保障。多端柔性直流配電網(wǎng)的運行控制通常采用分層的形式，分為系統(tǒng)級控制以及換流站級控制，其中系統(tǒng)級控制實現(xiàn)直流電網(wǎng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定，換流站級控制實現(xiàn)各個換流站快速跟隨上級運行指令，并調(diào)整其運行點。系統(tǒng)級控制、換流站級控制與調(diào)度級控制共同構成了交直流混合配電網(wǎng)的調(diào)度控制系統(tǒng)。

經(jīng)濟性評估環(huán)節(jié)，是減少和避免交直流混合配電網(wǎng)建設項目決策失誤并提高項目經(jīng)濟效益的重要手段。

傳統(tǒng)的交直流混合經(jīng)濟性評估方法主要包括確定性評估方法及不確定性評估方法。確定性評估方法主要包括靜態(tài)評估法和動態(tài)評估法:靜態(tài)評估法在評價工程項目投資的經(jīng)濟效果時，不考慮資金的時間價值，比較簡單直觀，但也未考慮工程項目在使用期內(nèi)收益和費用的變化及各方案使用壽命的差異;動態(tài)評估法考慮了資金的時間因素，比較符合資金的動態(tài)規(guī)律，因而給出的經(jīng)濟性評價更符合實際，主要包括凈現(xiàn)值法、內(nèi)部收益率法、動態(tài)投資回收期法和費用現(xiàn)值比較法 。

在交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟性評估中，可以采用靜態(tài)評估對交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟性進行初步預估計，但其結(jié)果不能用于實際論證。動態(tài)評價法雖然考慮了資金的時間價值，但交直流混合配電網(wǎng)中技術經(jīng)濟變量的不確定性較大，動態(tài)評估法也不能保證評估結(jié)果的準確性。2100433B

交直流混合微電網(wǎng)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指特定運行條件下的電力系統(tǒng)，在受到擾動后，重新恢復運行平衡狀態(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。同時大量DG的不確定性影響和大量電力電子裝置導致的低慣量性都導致交直流混合微電網(wǎng)的抗干擾能力減弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性問題更加復雜。

交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題可對并網(wǎng)運行模式和孤島運行模式分別進行分析：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，通過對應控制方法實現(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)外研究主要采用簡化的DG和負荷模型，忽略了DG的多樣性和波動性以及非線性負荷和感應電動勢負荷的影響，缺少對交直流混合微電網(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)的可靠性評估分為發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估、輸電系統(tǒng)可靠性評估和配電系統(tǒng)可靠性評估。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，使其可靠性評估相比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)更加復雜，主要集中在發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估和配電系統(tǒng)可靠性評估，以及可靠性評估指標等方面。

國內(nèi)外對交直流微電網(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)的可靠性評估、含DG的配電網(wǎng)可靠性評估書以及新的可靠性指標的提出等。研究內(nèi)容側(cè)重于微網(wǎng)中的DG和負荷，缺少對微電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構和大量復雜源、儲、負荷的考慮。同時，對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(例如突然短路或非計劃失去電力系統(tǒng)元件)時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)境的復雜性、DG出力的不確定性、負荷的隨機性等，安全性評估在安全性影響因素的分析、評價指標(內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構、容量、電壓、頻率，DG的出力等)的選擇方面更加困難。

國內(nèi)外對于交直流混合微電網(wǎng)安全性研究的文章相當缺乏，少數(shù)涉及綜合評價體系與獨立微電網(wǎng)安全性分析。獨立微電網(wǎng)的綜合評價方法主要有主觀賦權評價法(層次分析法、模糊綜合評價法、德爾菲法等)、客觀賦權法(嫡權法、灰色關聯(lián)度分析法、TOPSIS評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡等)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)實現(xiàn)的必要條件，因此安全性評估仍需要大量的研究工作。

交直流混合微電網(wǎng)經(jīng)濟性

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)濟性指標。經(jīng)濟性評估主要分為3個方面：微電網(wǎng)規(guī)劃設計階段的經(jīng)濟性評估、微電網(wǎng)運行時的最優(yōu)化管理和微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題。微電網(wǎng)規(guī)劃設計階段的經(jīng)濟性評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(等年值設備投資費用、等年值運行維護費用等)和效益指標(利潤凈現(xiàn)值、投資回收期等)。微電網(wǎng)運行最優(yōu)化管理主要通過目標函數(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)的實時電價、DG的出力不穩(wěn)定性和機組組合的環(huán)境效益，增加了電網(wǎng)調(diào)度的難度。

國內(nèi)外對微電網(wǎng)規(guī)劃設計階段的經(jīng)濟評估研究比較少，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)孤島運行模式的經(jīng)濟調(diào)度、多目標問題的處理和約束條件的線性化、負荷角度的優(yōu)化等方面的研究，但其內(nèi)容側(cè)重于算法的改進與模型的搭建，所設計的網(wǎng)絡結(jié)構也較為單一，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)的性能評估伴隨著網(wǎng)絡拓撲設計與容量配置，根據(jù)不同的性能要求設置合理的穩(wěn)定性、可靠性、安全性與經(jīng)濟性權重因子，來構建交直流微電網(wǎng)以滿足電力需求。

隨著DG、儲能裝置和直流負荷的逐步滲透與現(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。主要分析交直流混合微電網(wǎng)中現(xiàn)存的問題并對未來進行展望。

(1)現(xiàn)有的交直流混合微電網(wǎng)研究主要針對典型的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構，未來的交直流混合微電網(wǎng)中將包含多條不同等級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、儲能裝置以及非線性負荷等導致的電能質(zhì)量問題是一個重要課題。諧波、三相不平衡和電壓的凹陷/膨脹等問題在配電網(wǎng)中備受關注，不久的將來電能質(zhì)量問題將更加嚴峻。因此，研究輔助裝置(如無功補償，電壓不平衡補償，諧波補償，功率因數(shù)校正等)在交直流混合微電網(wǎng)中的應用將是未來研究的新方向。

(3)經(jīng)濟性能是交直流混合微電網(wǎng)設計與運行的重要指標，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)濟風險問題是大規(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)、孤島與瞬時切換3種狀態(tài)下都能穩(wěn)定運行，尤其是并網(wǎng)和孤島運行模式之間的過渡應該無縫和光滑。其次，需求側(cè)響應與大電網(wǎng)的多時段電價等市場條件都對交直流混合微電網(wǎng)的運行產(chǎn)生不同的影響。研究主要針對某一方面調(diào)研，實際的微電網(wǎng)運行是一個長期的綜合過程，因此，未來的研究應充分考慮多種因素。

(5)交直流混合微電網(wǎng)的自治管理離不開相應的通訊系統(tǒng)。己有的交直流混合微電網(wǎng)都采用簡單的集中通訊或分布式通訊系統(tǒng)，但對其通訊系統(tǒng)未深入探討。通訊系統(tǒng)的可靠性、安全性、魯棒性和經(jīng)濟性是選擇通訊技術和設計通訊拓撲需進一步考慮與研究的課題。

(6)交直流混合微電網(wǎng)的應用離不開保護裝置的成熟應用，然而現(xiàn)階段的交直流混合微電網(wǎng)的保護技術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。2100433B

交直流混合微電網(wǎng)的運行控制相比于單一直流微電網(wǎng)或者交流微電網(wǎng)而言，除了復雜的發(fā)電單元、儲能單元和交/直流負荷單元的控制方法，直流母線與交流母線之間的雙向變換器的功率流動也成為研究重點。

交直流混合微電網(wǎng)單元控制方法

單元控制方法，主要指交直流混合微網(wǎng)中的DG、儲能裝備和負荷的控制運行方式。DG主要有光伏電池、風機等不確定性源和燃料電池、小燃機等穩(wěn)定性源，電源的控制方式按照交直流混合微電網(wǎng)設計的理念，有提高可再生能源利用率的最大功率跟蹤控制，維持系統(tǒng)某一參數(shù)(如電壓、頻率)的V /F控制、PQ控制，自主分配、自主管理能實現(xiàn)即插即用的Droop控制等方法。儲能設備主要有電池、飛輪等，儲能設備的控制方法往往與系統(tǒng)的能量管理方法相結(jié)合，以輔助其他DG協(xié)同工作。在交直流混合微電網(wǎng)現(xiàn)有研究中，電池儲能是常用的手段，其控制方法需考慮蓄電池的充放電狀態(tài)、電池的壽命等要素。現(xiàn)階段對負荷單元的控制研究比較少，主要集中在插入式電動車和電動飛機、負荷特性、需求響應等方面，同時為提高可再生能源的利用率，主動負荷響應的控制方法應運而生。

交直流混合微電網(wǎng)電源管理系統(tǒng)

DG間的協(xié)調(diào)控制策略是交直流混合微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式與孤島模式下良好運行的關鍵。在交直流混合微電網(wǎng)中，協(xié)調(diào)控制策略主要有能量管理和電源管理2種管理方式在控制任務與時間長度上有所區(qū)別，前者是長期的電能輸出以最優(yōu)的方式滿足需求，而后者則是側(cè)重短期的電源、儲能與負荷之間的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)電源之間的實時調(diào)度。