交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計研究

周金輝， 田龍剛， 潘 浩

（1.國家電網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計研究

周金輝1， 田龍剛2， 潘 浩2

（1.國家電網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

交直流混合微電網(wǎng)因其能夠降低多重變換器帶來的損耗、諧波電流，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，已經(jīng)成為下一代微電網(wǎng)的發(fā)展方向。文章結(jié)合浙江省電力公司重點科技項目，從電壓等級、母線結(jié)構(gòu)、接地方式及網(wǎng)絡(luò)拓撲等4個方面對交直流混合微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計問題進行了研究，為深入開展交直流混合微電網(wǎng)的相關(guān)研究和工程化應(yīng)用提供參考。

交直流混合微電網(wǎng)；規(guī)劃設(shè)計；網(wǎng)絡(luò)拓撲；示范工程

近年來，鑒于化石能源危機、環(huán)境保護壓力及現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展局限性等方面的問題，微電網(wǎng)得到了迅速的發(fā)展。微電網(wǎng)的分類標準有很多，從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和供電方式上可將微電網(wǎng)分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)［1－5］。目前，交流微電網(wǎng)仍然是微電網(wǎng)的主要形式，盡管交流微電網(wǎng)的研究已經(jīng)取得了很多成果，但是還需要進一步解決分布式電源（distributed generration，DG）并聯(lián)接入時帶來的諧振、諧波等方面的影響［6］。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)無需考慮各DG之間的同步問題，在環(huán)流抑制上更具優(yōu)勢，且直流微電網(wǎng)只有與主網(wǎng)連接處需要使用逆變器，系統(tǒng)成本和損耗大大降低［5］。

目前，智能電網(wǎng)的建設(shè)理念是以一種環(huán)境友好的、可持續(xù)的方式為數(shù)字社會提供可靠的、高質(zhì)量的電能。智能電網(wǎng)最主要的特點是可以方便連接各種不同的交流和直流發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及各種不同的交直流負載，以達到最優(yōu)的運行效率。在該背景下，單純的交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)表現(xiàn)出了一定的局限性。為了降低單純的交流／直流微電網(wǎng)在應(yīng)用中因多重AC／DC或DC／AC變換帶來的功率損耗、諧波電流及控制難度，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，也為了各式各樣的可再生能源和儲能設(shè)備更好地接入微電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)應(yīng)運而生［1，4，7］。

交直流混合微電網(wǎng)的特點如下：① 交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)包括交流子系統(tǒng)（交流母線）、直流子系統(tǒng)（直流母線）、交直流母線間變換器；② 直接向交流、直流負載供電，降低了因多重變換器帶來的損耗；③ 交、直流子系統(tǒng)間功率可雙向流動，各子系統(tǒng)可獨立控制，也可協(xié)調(diào)控制，混合微電網(wǎng)可在并 網(wǎng) 模 式 與 孤 島 模 式 之 間 切 換 運 行［1－5，8－9］。本文從電壓等級、母線結(jié)構(gòu)、接地方式及網(wǎng)絡(luò)拓撲等方面討論交直流混合微電網(wǎng)的設(shè)計問題。

1 交直流混合微電網(wǎng)的電壓等級

交直流混合微電網(wǎng)包括交流子微電網(wǎng)和直流子微電網(wǎng)，中間經(jīng)雙向變換器（或雙向變換器與變壓器）連接。本文將分別討論交流子微電網(wǎng)和直流子微電網(wǎng)的電壓等級。

1.1 交流子微電網(wǎng)電壓等級

目前，交流微電網(wǎng)的電壓等級還沒有明確的標準，大部分微電網(wǎng)工程中電壓等級主要依據(jù)微電網(wǎng)中分布式電源的容量確定。一般而言，不同容量分布式電源的并網(wǎng)電壓等級［10］如下：電源總?cè)萘繛?.2 MW 及以下，并網(wǎng)電壓等級為0.4 k V；電源總?cè)萘繛?.2～8 MW 時，并網(wǎng)電壓等級為10 k V；電源總?cè)萘繛?～30 MW時，并網(wǎng)電壓等級為35 k V；電源總?cè)萘繛?0 MW及以上時，并網(wǎng)電壓等級為110 k V。

目前國內(nèi)外已建成的典型交流微電網(wǎng)工程及其容量、電壓等級見表1所列。

表1 國內(nèi)外典型示范工程微源容量及電壓等級

由表1可以看出，國內(nèi)外大部分容量較低的交流微電網(wǎng)系統(tǒng)（200 k W及以下）均采用400 V（±7%，380 V）電壓等級。該電壓為我國電網(wǎng)現(xiàn)有三相電壓等級序列里最低電壓等級，小容量交流微電網(wǎng)選擇AC400 V，方便并網(wǎng)。

1.2 直流子微電網(wǎng)電壓等級

當(dāng)前，我國直流微電網(wǎng)的研究和發(fā)展仍處于起步階段，對直流微電網(wǎng)電壓等級的探討有待深入。國外典型直流微電網(wǎng)所應(yīng)用的電壓等級可供借鑒和參考［11］，世界上大多數(shù)國家的通信系統(tǒng)均采用DC48 V作為電源標準。日本在研的一個直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)，經(jīng)配變6.6 k V／200 V通過雙向變流器轉(zhuǎn)換為DC340 V，并且采用三線制供電方式，即正極線、負極線和中性線，也稱為±170 V。日本NTT公司最早提出了DC400 V電力配電系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。芬蘭在居民住宅供電中采用了雙極性±750 V直流配電系統(tǒng)。

直流母線電壓等級的確定應(yīng)滿足現(xiàn)有交流設(shè)備對輸入電壓范圍的要求。我國單相電壓有效值為220 V，三相電壓有效值為380 V，因此直流母線電壓范圍為200～400 V是比較適宜的。目前380 V的直流標準（稱為DC380 V）已逐漸得到國外業(yè)界的認可，該標準是基于美國數(shù)據(jù)中心直流配電提出的，在進一步研究確認后可以將該標準適用于我國普通居民的直流供電系統(tǒng)。在該標準中，高電壓（380 V）用來驅(qū)動主要的家用電器，低電壓（48 V）用來驅(qū)動小型桌面電器和計算機等［12］。美國電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）提出的Nano－Grids直流微電網(wǎng)很好地體現(xiàn)了DC380 V 標準［13］。

根據(jù)浙江省電力公司重點科技項目《低壓智能交直流混合微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程建設(shè)》實際微源容量及交、直流負荷情況并兼顧微電網(wǎng)以后的發(fā)展，該交直流混合微電網(wǎng)母線電壓等級選擇為AC400 V、DC380 V。

2 交直流混合微電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)

交流微電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)類似交流配電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)，一般有單母線、單母分段、雙母線3種接線方式?？紤]本示范工程交直流混合微電網(wǎng)的并網(wǎng)點在交流母線，為簡單起見，交流母線選為單母線結(jié)構(gòu)。

直流微電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)與交流微電網(wǎng)有所不同，一般而言，直流微電網(wǎng)母線的構(gòu)成形式可以分為單母線結(jié)構(gòu)、雙層式母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)和冗余式母線結(jié)構(gòu)［11，14］。

2.1 單母線結(jié)構(gòu)

單母線結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)容易與現(xiàn)有的交流接線板等轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容，但在給計算機等低壓設(shè)備供電時，變流器的電壓應(yīng)力較大，每個低壓電子設(shè)備均需配備一定體積的電源適配器。單母線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單母線結(jié)構(gòu)

2.2 雙層式母線結(jié)構(gòu)

雙層式的母線結(jié)構(gòu)對單母線進行了分層設(shè)計，一級母線電壓較高（如DC380 V或DC400 V），二級母線電壓較低（如DC48 V或DC24 V等），它是通過高直流電壓等級母線進入住宅后經(jīng)過變換器轉(zhuǎn)換為較低電壓等級。對于具有多種電壓等級用電設(shè)備的情況，雙層式母線結(jié)構(gòu)則更合適。雙層式母線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙層式母線結(jié)構(gòu)

2.3 雙母線結(jié)構(gòu)

本文提到的±170 V采用了雙母線結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙母線結(jié)構(gòu)

這種雙母線結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)可與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容，而且可實現(xiàn)較高的電力輸送，但由于電源側(cè)變流器需要均衡主母線與從母線的電壓，連接電網(wǎng)、儲能裝置和分布式電源的變流器拓撲與傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)會有所不同。

2.4 冗余式母線結(jié)構(gòu)

冗余式的母線結(jié)構(gòu)，適用于高電能質(zhì)量要求的配電區(qū)域，如飛機、船舶、數(shù)據(jù)中心等供電系統(tǒng)。為保證供電的可靠性，通常采用2條母線，其中僅1條帶電，另外1條備用。這種母線結(jié)構(gòu)雖然提高了供電的可靠性，但投資也相應(yīng)增加。冗余式母線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 冗余式母線結(jié)構(gòu)

因為本項目示范工程中的直流負荷具有多種電壓等級，因此，雙層母線結(jié)構(gòu)為直流子微電網(wǎng)首選。

3 交直流混合微電網(wǎng)接地方式

微電網(wǎng)的接地方式將影響系統(tǒng)的性能和保護方案的配置［15］。目前國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)微電網(wǎng)接地方式對其繼電保護影響方面的研究不多［16］。整體上研究交直流混合微電網(wǎng)的接地方式，因為有交、直流2種形式的功率存在，會很復(fù)雜。本文建議采用交直流母線間的雙向變換器或者變壓器，將交直流混合微電網(wǎng)隔離成交、直流2個子微電網(wǎng)分開討論。

低壓系統(tǒng)接地方式有 TN（含 TN－S、TN－C、TN－C－S）系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)，各種接地方式都有各自的優(yōu)缺點。微電網(wǎng)選擇接地方式時，不僅要考慮所連低壓配電網(wǎng)中的接地方式，還要考慮特定微電網(wǎng)的需求。文獻［17］研究了TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)3種接地方式的優(yōu)缺點和適用場合，總結(jié)了微電網(wǎng)接地方式的選取原則。據(jù)此，我國交流380／220 V低壓配電系統(tǒng)中采用TN系統(tǒng)接地方式。

對于微電網(wǎng)而言，用電負荷內(nèi)需要考慮觸電安全，而之外的饋線上不用考慮該問題，所以從經(jīng)濟性和安全性考慮，交流子微電網(wǎng)采用 TN－C－S接地是合理的。有仿真結(jié)果［18］表明：微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島2種運行模式下，TN－C－S系統(tǒng)是最適宜于微電網(wǎng)的接地型式，主要原因是該系統(tǒng)中的故障電流足夠大，能夠及時地啟動過電流保護裝置；而TT和IT方式故障電流比較小，難以及時啟動過電流保護。此外，TN－C－S系統(tǒng)中的設(shè)備接觸電壓比較低，能為低壓用戶的安全提供更可靠的保證。

直流微電網(wǎng)所采用的單極（帶回流線路）系統(tǒng)或雙極系統(tǒng)，均涉及其電壓源換流器（voltage source converter，VSC）直流側(cè)的接地問題。若直流側(cè)不接地，接地線的電位將在VSC的開關(guān)頻率下不斷振蕩，從而引起直流配電網(wǎng)正負極電壓的波動，因此直流側(cè)多采用回流線路接地（單極系統(tǒng)）或分裂電容接地（雙極系統(tǒng)）的方式［19］。直流微電網(wǎng)目前尚無明確的接地方式，只能借鑒現(xiàn)有的直流輸配電系統(tǒng)，如海上風(fēng)力發(fā)電、大部分的直流牽引系統(tǒng)、軍艦直流區(qū)域配電和工業(yè)自動化系統(tǒng)等，考慮到電腐蝕效應(yīng)、系統(tǒng)安全或中點漂移等因素均將系統(tǒng)接成IT形式［14］。但是考慮到目前家用設(shè)備接地保護線與交流零線電位差限制，文獻［14］建議未來給住宅、學(xué)校、商業(yè)建筑和工業(yè)區(qū)域供電的直流微電網(wǎng)采用TN系統(tǒng)。

4 交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包含分布式電源和負荷的類型、微電網(wǎng)并網(wǎng)接口等重要信息［20］。微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)也是解決電壓控制、潮流控制和解列時負荷分配、穩(wěn)定等問題的關(guān)鍵。合理的微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)將會提高微電網(wǎng)接入中低壓配電網(wǎng)的靈活性和可靠性［21］。

交流微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基本相似，大多采用輻射狀網(wǎng)架，DG、儲能裝置等均通過電力電子裝置連接至交流母線，通過公共連接點（point of common coupling，PCC）處開關(guān)的控制，可實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行與孤島運行模式的轉(zhuǎn)換。

直流微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有單端供電式、雙端供電式和環(huán)網(wǎng)供電式［11，19，22］。單端供電式結(jié)構(gòu)一般用于負荷較低、供電半徑較小的場合，其結(jié)構(gòu)如圖5a所示。雙端供電式適用于負荷供電可靠性要求較高的場合，如船舶電力系統(tǒng)、飛機供電系統(tǒng)和電力牽引供電系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)如圖5b所示。環(huán)網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)投資較大，供電可靠性很高，供電范圍也較大，但網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，系統(tǒng)控制、故障識別和保護配合難度較大，目前尚無工程應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖5c所示。

交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計是基于交直流混合微電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)，根據(jù)交、直流子微電網(wǎng)的拓撲形式，對電源、負荷及接地保護等裝置的接入設(shè)計。該設(shè)計要求既含有交流母線又含有直流母線，既可以直接向交流負荷供電又可以直接向直流負荷供電。

交直流混合微電網(wǎng)典型拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。該結(jié)構(gòu)包括交流子系統(tǒng)、直流子系統(tǒng)和交直流母線間功率交換系統(tǒng)。

圖5 不同供電式結(jié)構(gòu)

圖6 典型交直流混合微電網(wǎng)

在交流子系統(tǒng)中，燃氣輪機、風(fēng)機作為微源向系統(tǒng)供電，飛輪儲能作為交流側(cè)儲能裝置平抑系統(tǒng)功率波動。直流子系統(tǒng)中，光伏、風(fēng)機等可再生能源向系統(tǒng)供電，蓄電池儲能平抑可再生能源功率波動，維持直流母線電壓穩(wěn)定。功率交換系統(tǒng)由2個雙向AC／DC變換器組成，其中一個備用，實現(xiàn)交、直流側(cè)功率的雙向流動。整個交、直流混合微電網(wǎng)可以進行交流子系統(tǒng)單獨運行、直流子系統(tǒng)單獨運行、交直流兩系統(tǒng)聯(lián)動運行。通過并網(wǎng)接口的控制，交直流混合微電網(wǎng)也可以在并網(wǎng)和孤島模式間切換運行。不同于交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)可以通過交流側(cè)并網(wǎng)，也可以通過直流側(cè)并網(wǎng)。

微電網(wǎng)通過交流側(cè)并入大電網(wǎng)時應(yīng)該考慮以下幾方面的因素［23］：微電網(wǎng)接入系統(tǒng)的基本要求、微電網(wǎng)并網(wǎng)要求、電能質(zhì)量、功率控制和電壓調(diào)節(jié)、繼電保護、并網(wǎng)監(jiān)測、微網(wǎng)解列、通信、電能計量等。

直流側(cè)并網(wǎng)除了滿足并網(wǎng)的一般要求外，還應(yīng)該滿足［24］：① 直流母線電壓可控，可為直流微電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電力輸出；② 具有抗諧波干擾和抗電壓跌落的能力，當(dāng)有故障或干擾發(fā)生時，能保證母線電壓穩(wěn)定；③ 設(shè)備成本低，運行損耗小。目前，直流側(cè)并網(wǎng)接口類型主要以電流反饋型換流器作為直流微電網(wǎng)的并網(wǎng)接口［25］，該并網(wǎng)接口控制直流母線電流，不能直接控制直流母線電壓。兩級拓撲式直流微電網(wǎng)并網(wǎng)接口［26］由1個單相全橋換流器和1個雙向DC／DC變換器串聯(lián)而成，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向流動控制，除了用于直流微電網(wǎng)并網(wǎng)接口外，還可以用于電動汽車或其他儲能裝置的充放電控制器。與交流并網(wǎng)接口相比，直流并網(wǎng)接口需要考慮的因素更多，控制更為復(fù)雜，損耗更大，且工程經(jīng)驗不足。

結(jié)合示范工程實際微源形式和負荷類型，直流子微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)依據(jù)直流雙層式母線結(jié)構(gòu)來設(shè)計。本文設(shè)計的交直流混合微電網(wǎng)示范工程拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 交直流混合微電網(wǎng)示范工程拓撲結(jié)構(gòu)

交流側(cè)采用單母線結(jié)構(gòu)，電壓AC380 V，直流側(cè)雙層母線結(jié)構(gòu)，電壓為DC380 V、DC48 V，分別為高壓／低壓直流負荷供電，整個混合微電網(wǎng)采用交流側(cè)并網(wǎng)形式。該結(jié)構(gòu)完全滿足交直流混合微電網(wǎng)的定義和特點。

5 結(jié)束語

因交直流混合微電網(wǎng)適應(yīng)數(shù)字社會和智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。我國有關(guān)交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的研究尚處于起步階段，大量理論與技術(shù)問題有待深入研究解決：① 不同電壓等級、不同容量交直流混合微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的研究；② 兼顧運行可靠性與經(jīng)濟性的直流子微電網(wǎng)接地方式的研究；③ 交直流混合微電網(wǎng)儲能設(shè)備的優(yōu)化選擇和容量配備的研究；④ 規(guī)?；I(yè)級交直流混合微電網(wǎng)的實證研究。

本文討論了交直流混合微電網(wǎng)電壓等級的選擇依據(jù)、母線結(jié)構(gòu)的確定方法、接地方式的選取及網(wǎng)絡(luò)拓撲的確定，以期為我國進一步深入開展交直流混合微電網(wǎng)的相關(guān)研究提供參考。

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Study of planning and design of hybrid AC／DC micro－grid

ZHOU Jin－h(huán)ui1， TIAN Long－gang2， PAN Hao2

（1.Electric Power Research Institute，State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310014，China；2.School of Electric Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Hybrid AC／DC micro－grid has become the development direction of the next generation of micro－grid because it can reduce the loss caused by multiple converters and harmonic currents，and improve system reliability and economy.Based on the key technology project of Zhejiang Electric Power Company，the planning and design of hybrid AC／DC micro－grid are discussed from four aspects including the voltage level，bus structure，grounding and network topology，so as to provide a reference for the further research and engineering application of hybrid AC／DC micro－grid.

hybrid AC／DC micro－grid；planning and design；network topology；demonstration project

TM711

A

1003－5060（2015）02－0166－06

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.006

2014－09－18；

2014－10－29

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2011AA05A107）

周金輝（1983－），男，黑龍江呼蘭人，博士，國家電網(wǎng)浙江省電力公司工程師.

（責(zé)任編輯 閆杏麗）