交直流混合微電網

能源是人類社會生存和發展的基石，電力作為其最直接、便利的應用形式，是國民經濟發展的動力之源。當前我國能源發展面臨傳統能源資源約束趨緊、能源利用效率低下、環境生態壓力加大、能源安全形勢嚴峻、應對氣候變化責任加重等問題。大力發展分佈式發電供能技術，一方面能有效提高傳統能源的利用效率，同時又能充分利用就地的各種可再生能源，己成為世界各國保障自身能源安全、加強環境保護、應對氣候變化的重要措施。分佈式發電供能技術通常是指利用本地存在的分佈式能源，包括可再生能源(太陽能、生物質能、風能等)和本地可方便獲取的傳統能源(天然氣、柴油等)進行發電供能的技術。儘管採用分佈式發電供能技術，能有效利用各地豐富的清潔和可再生能源，但隨着分佈式電源併網發電滲透率的日益增加，其對傳統大電網的運行管理也帶來了新的問題，而將本地分佈式發電供能系統與負荷等組織成微電網，作為一個可控單元接入本地電網，能更大程度地發揮分佈式電源的效益，也能避免間歇式電源影響本地用户電能質量，有助於當電網發生故障或遭遇災變時向微電網內的重要負荷持續供電。

隨着氣候變暖帶來的環境危機與傳統能源的日益短缺，分佈式新能源的發展與整體入網調配日益受到重視。在能源互聯網視角下，分佈式新能源即為用户終端，不僅能夠實現局域內部的電能輸送調配，而且能夠與集中式大電網進行能源互通，從而為中央能源供應系統提供支持和補充，也是未來能源互聯網架構中的關鍵組成部分。而微電網是分佈式新能源與新型用户的主要供電模式，符合“節能減排”、“環境治理”與“產業升級轉型”三大主題概念。依據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)户，以及國務院《能源發展戰略行動計劃(2014-2020年)》、《配電網建設改造行動計劃(2015-2020年)的通知》、《中國製造2025和《關於積極推進“互聯網+”行動的指導意見》等，應積極促進分佈式能源的發展、持續推動微電網技術創新、支撐能源消費革命，從基礎研究、重大共性關鍵技術研究到典型應用示範全鏈條佈局，實現微電網技術的快速發展。

微電網主要有交流微電網、直流微電網和交直流混合微電網3種典型結構。相比於單一的微電網結構，交直流混合微電網在交流微電網的基礎上，結合了直流微電網的優點，具有突出的優勢：(1)直流母線與交流母線的存在滿足交流或者直流分佈式發電與負荷的需求，減少了AC/DC或DC/AC變流環節，縮減了電力電子器件的使用，從而抑制了諧波；(2)交直流混合微電網可以在交流微電網與直流微電網獨立控制的同時又互為備用，提高系統的可靠性；(3)交直流混合微電網有更好的延展性，應用更加廣泛。交流直流混合微電網中，交流DG或者負荷直接接入交流母線，直流DG或負荷直接接入直流母線，交流母線與直流母線之間通過一個雙向變流器實現功率流的平衡。交直流混合微電網由於具有更好的經濟性、安全性、可靠性，受到國內外的廣泛關注。

國內外對交直流混合微電網領域相關技術的研究還處於初級階段，研究內容主要涉及交直流混合微電網的拓撲結構、容量配置、性能評估、運行控制、保護和能量管理等方面。美國電氣可靠性技術解決方案聯合會、歐洲以希臘雅典國立技術大學為典型代表的微電網研究機構、日本的新能源與工業技術發展組織等都對微電網進行了相關研究，國內主要以單一的微電網結構為主，側重前瞻性技術與示範工程，己有一大批項目正在開展。

國內外對交直流混合微電網的研究取得了一些初步成果，本文將結合最新研究成果，對交直流混合微電網的拓撲結構與容量配置、性能評估、能量管理系統與保護技術等內容進行總結分析，最後展望交直流混合微電網的發展與應用前景。

微電網從交流母線和直流母線的配置角度，可分，為交流微電網、直流微電網和交直流混合微電網。交直流混合微電網因其兼備交流微電網與直流微電網的優勢，能更好促進DG的消納，同時可以提高經濟效益，是微電網發展的趨勢。交直流混合微電網的典型結構包括各自獨立連接運行的直流微電網系統和交流微電網系統以及雙向變流器，如右圖1所示。圖中：DG代表各類分佈式電源，如光伏、風機、燃料電池、微型同步電機等；ESS代表儲能裝置，如蓄電池、超級電容器等，各電力電子裝置根據母線類型和控制要求選擇類型。該交直流混合微電網內部由各單元在其交流子微網或直流子微網內按照各自原則並聯構成，外部由四象限運行的換流器連接，整個混合微電網由交流母線通過饋線併入電網。本質上，交直流混合微電網結構是在交流微電網的基礎上發展而來，其核心為交流微電網系統中的交流母線，承擔整個系統的連接反饋作用。而直流微電網子系統可視為逆變器作用下的特殊DG，其重點是維持直流母線電壓穩定，以確保供電可靠。 ^[1] 

圖25交直流混合微電網的典型結構

考慮傳統交流與直流微電網的網架結構，交直流混合微電網可以設計為輻射型、雙端供電型、分段聯絡型、環型等拓撲結構。輻射型微電網結構簡單，對控制保護要求低，但供電可靠性較低。兩端供電型與輻射型配電網相比，當一側電源發生故障時，可以通過操作聯絡開關，由另一側電源供電，實現負荷轉供，提高整體可靠性。環型微電網相比於兩端供電型，可實現故障快速定位、隔離，其餘部分電網可像兩端供電型運行，供電可靠性更高。構建交直流混合微電網網架時，根據供電可靠性與經濟性的不同要求，選擇最合適的網架結構。

交直流混合微電網運行方式相比於單一系統的微電網而言更加靈活，可以最大程度地滿足就地消納資源、響應負荷需求等微電網規劃設計的個性化需要，但同時對於技術要求偏高，現階段而言，要將混合微電網模式大面積應用於實際電網市場還需要很長的過程。

交直流混合微電網的拓撲結構是微電網設計之初考慮的問題，當微電網結構設計合理完備後，交直流混合微電網的容量配置問題亞需解決。相比於傳統大電網，交直流混合微電網由於DG與儲能裝置的存在，容量配置問題更加複雜:DG的隨機性、波動性受地理環境影響較大;蓄電池的壽命增加了容量配置的約束條件。

交直流混合微電網的容量配置主要分為4部分：（1）資源、負荷、地理環境的調研與微電網網絡結構的確定；（2）設備型號與設備數量的選擇；（3）容量配置最優化模型的建立；（4）優化求解。容量配置最優化模型的建立主要分為目標函數的選取與約束條件的確定，目標函數主要分為可靠性指標與經濟性指標2類，約束條件主要考慮系統運行約束、備用容量、蓄電池充放電約束等。容量配置優化模型的求解主要分為解析法和智能算法，由於智能算法具有計算簡單、魯棒性強、約束限制較少等優點，主要採用智能優化算法進行求解，典型代表有遺傳算法、粒子羣優化算法和模擬退火算法。

國內外針對微電網容量優化配置的研究主要集中在孤立微電網容量配置研究，重點研究容量配置優化模型的建立和智能算法的改進。同時，國外還開發了可用於研究微網(太陽能/風能微網)容量優化配置的軟件，例如Hybrid2軟件和HOMER軟件。但是，近年來關於併網微電網的容量配置研究比較少，同時微電網容量配置問題的研究主要針對具體的情況，目標函數與約束條件紛繁錯雜，未能形成統一的標準，因而缺少對交直流混合微電網整體的研究。

電力系統的穩定性是指特定運行條件下的電力系統，在受到擾動後，重新恢復運行平衡狀態的能力，根據性質的不同主要分為功角穩定、電壓穩定和頻率穩定。相比於傳統電網，交直流混合微電網，增加了直流子微電網的穩定性問題，主要是電壓穩定問題。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的抗干擾能力減弱，系統穩定性問題更加複雜。

交直流混合微電網的穩定性問題可對併網運行模式和孤島運行模式分別進行分析：併網模式下，由於大電網的支撐作用，主要考慮直流子微電網母線電壓穩定問題，通過對應控制方法實現電壓穩定；孤島模式下則既要考慮直流子微電網的電壓穩定問題，又要考慮交流子微電網的電壓、頻率、功角穩定問題。國內外對交直流微電網穩定性的綜合研究較少，主要涉及微電網的小信號干擾穩定、暫態穩定，主要保持電壓和頻率的穩定。但是，國內外研究主要採用簡化的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穩定性判據的建立。

電力系統的可靠性評估分為發電系統可靠性評估、輸電系統可靠性評估和配電系統可靠性評估。與傳統的電力系統相比，交直流混合微電網由於大量DG的接入，使其可靠性評估相比傳統電力系統更加複雜，主要集中在發電系統可靠性評估和配電系統可靠性評估，以及可靠性評估指標等方面。

國內外對交直流微電網可靠性研究還處於起步階段，主要集中在DG可靠性模型的建立含DG微電網的可靠性評估、含DG的配電網可靠性評估書以及新的可靠性指標的提出等。研究內容側重於微網中的DG和負荷，缺少對微電網內部結構和大量複雜源、儲、負荷的考慮。同時，對於交直流混合微電網，交流子微電網和直流子微電網2個系統的互聯也使可靠性的分析難度增大，國內外研究也相對較少。

電力系統的安全性是指電力系統突然發生擾動(例如突然短路或非計劃失去電力系統元件)時不間斷地向用户提供電力和電量的能力。與傳統電網相比，交直流混合微電網因其環境的複雜性、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(內部網架結構、容量、電壓、頻率，DG的出力等)的選擇方面更加困難。

國內外對於交直流混合微電網安全性研究的文章相當缺乏，少數涉及綜合評價體系與獨立微電網安全性分析。獨立微電網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、灰色關聯度分析法、TOPSIS評價法、神經網絡等)和組合方法。

交直流混合微電網的安全性研究是交直流混合微電網實現的必要條件，因此安全性評估仍需要大量的研究工作。

交直流混合微電網除了要考慮其穩定性、可靠性和安全性，還需要分析其經濟性指標。經濟性評估主要分為3個方面：微電網規劃設計階段的經濟性評估、微電網運行時的最優化管理和微電網優化調度問題。微電網規劃設計階段的經濟性評估分析主要通過投入產出法、全生命週期和區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(利潤淨現值、投資回收期等)。微電網運行最優化管理主要通過目標函數(利潤、最低成本等)和約束函數的建立，來管理系統的功率潮流；微電網的優化調度問題除了需要考慮發電成本問題，還需要結合大電網的實時電價、DG的出力不穩定性和機組組合的環境效益，增加了電網調度的難度。

國內外對微電網規劃設計階段的經濟評估研究比較少，主要採用全生命週期分析法分析其規劃效益；而交直流混合微電網優化管理與優化調度研究相對比較豐富。優化調度主要涉及交直流混合微電網孤島運行模式的經濟調度、多目標問題的處理和約束條件的線性化、負荷角度的優化等方面的研究，但其內容側重於算法的改進與模型的搭建，所設計的網絡結構也較為單一，未考慮交流微電網與直流微電網的互聯等問題。

交直流混合微電網的性能評估伴隨着網絡拓撲設計與容量配置，根據不同的性能要求設置合理的穩定性、可靠性、安全性與經濟性權重因子，來構建交直流微電網以滿足電力需求。

交直流混合微電網的運行控制相比於單一直流微電網或者交流微電網而言，除了複雜的發電單元、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。

單元控制方法，主要指交直流混合微網中的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、小燃機等穩定性源，電源的控制方式按照交直流混合微電網設計的理念，有提高可再生能源利用率的最大功率跟蹤控制，維持系統某一參數(如電壓、頻率)的V /F控制、PQ控制，自主分配、自主管理能實現即插即用的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的能量管理方法相結合，以輔助其他DG協同工作。在交直流混合微電網現有研究中，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、電池的壽命等要素。現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。

DG間的協調控制策略是交直流混合微電網在併網模式與孤島模式下良好運行的關鍵。在交直流混合微電網中，協調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別，前者是長期的電能輸出以最優的方式滿足需求，而後者則是側重短期的電源、儲能與負荷之間的協調工作，實現電源之間的實時調度。

隨着DG、儲能裝置和直流負荷的逐步滲透與現有交流系統的廣泛存在，交直流混合微電網將是今後發展的必然趨勢。主要分析交直流混合微電網中現存的問題並對未來進行展望。

(1)現有的交直流混合微電網研究主要針對典型的交直流混合微電網結構，未來的交直流混合微電網中將包含多條不同等級的交流母線和直流母線，多條母線之間的協調控制與功率管理將是今後研究的熱點問題。

(2)未來的交直流混合微電網中，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中備受關注，不久的將來電能質量問題將更加嚴峻。因此，研究輔助裝置(如無功補償，電壓不平衡補償，諧波補償，功率因數校正等)在交直流混合微電網中的應用將是未來研究的新方向。

(3)經濟性能是交直流混合微電網設計與運行的重要指標，雖然微電網相比於傳統電網，在某些地區由於成本更高、用電需求多變等因素，經濟性欠佳，但是隨着大電網的支持作用與輔助裝置成本的降低，交直流混合微電網具有更大的發展前景。不過，經濟風險問題是大規模微電網滲透所需解決的必要因素。

(4)電源管理系統與單元控制策略需要確保交直流混合微電網在併網、孤島與瞬時切換3種狀態下都能穩定運行，尤其是併網和孤島運行模式之間的過渡應該無縫和光滑。其次，需求側響應與大電網的多時段電價等市場條件都對交直流混合微電網的運行產生不同的影響。研究主要針對某一方面調研，實際的微電網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)交直流混合微電網的自治管理離不開相應的通訊系統。己有的交直流混合微電網都採用簡單的集中通訊或分佈式通訊系統，但對其通訊系統未深入探討。通訊系統的可靠性、安全性、魯棒性和經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)交直流混合微電網的應用離不開保護裝置的成熟應用，然而現階段的交直流混合微電網的保護技術研究才處於起步階段，開發具有靈活可靠的直流斷路器成為未來研究的重點。