郭雅娟，陳錦銘，何紅玉，吳倩紅，韓蓓，李國(guó)杰

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市211103; 2．電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))，上海市200240)

交直流混合微電網(wǎng)接入分布式新能源的關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

郭雅娟1，陳錦銘1，何紅玉2，吳倩紅2，韓蓓2，李國(guó)杰2

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市211103; 2．電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))，上海市200240)

隨著傳統(tǒng)能源的日益短缺和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，分布式電源接入是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。微電網(wǎng)是促進(jìn)分布式能源消納與管理的有效模式，而交直流混合微電網(wǎng)因其兼?zhèn)浣涣魑㈦娋W(wǎng)與直流微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，已成為研究熱點(diǎn)。該文綜合國(guó)內(nèi)外交直流混合微電網(wǎng)的已有研究成果和相關(guān)內(nèi)容，從交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與容量配置、性能評(píng)估、電源管理與保護(hù)技術(shù)等方面進(jìn)行總結(jié)概括，并對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的發(fā)展前景和實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題做出展望，對(duì)國(guó)內(nèi)交直流混合微電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供相關(guān)思路，具備現(xiàn)實(shí)意義。

交直流混合微電網(wǎng);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);容量配置;性能評(píng)估;電源管理;保護(hù)技術(shù)

0 引言

隨著氣候變暖帶來(lái)的環(huán)境危機(jī)與傳統(tǒng)能源的日益短缺，分布式新能源的發(fā)展與整體入網(wǎng)調(diào)配日益受到重視。在能源互聯(lián)網(wǎng)視角下，分布式新能源即為用戶(hù)終端，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)局域內(nèi)部的電能輸送調(diào)配，而且能夠與集中式大電網(wǎng)進(jìn)行能源互通，從而為中央能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補(bǔ)充，也是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分。而微電網(wǎng)是目前分布式新能源與新型用戶(hù)的主要供電模式，符合“節(jié)能減排”、“環(huán)境治理”與“產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型”三大主題概念。依據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》［1］，以及國(guó)務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》［2］、《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃(2015－2020年)的通知》［3］、《中國(guó)制造2025》［4］和《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》［5］等，應(yīng)積極促進(jìn)分布式能源的發(fā)展、持續(xù)推動(dòng)微電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新、支撐能源消費(fèi)革命，從基礎(chǔ)研究、重大共性關(guān)鍵技術(shù)研究到典型應(yīng)用示范全鏈條布局，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展。

微電網(wǎng)主要有交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)3種典型結(jié)構(gòu)。相比于單一的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，交直流混合微電網(wǎng)在交流微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了直流微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，具有突出的優(yōu)勢(shì)［6］:(1)直流母線(xiàn)與交流母線(xiàn)的存在滿(mǎn)足交流或者直流分布式發(fā)電(distributed generation，DG)與負(fù)荷的需求，減少了AC/DC或DC/AC變流環(huán)節(jié)，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(wǎng)可以在交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)獨(dú)立控制的同時(shí)又互為備用，提高系統(tǒng)的可靠性;(3)交直流混合微電網(wǎng)有更好的延展性，應(yīng)用更加廣泛。交流直流混合微電網(wǎng)中，交流DG或者負(fù)荷直接接入交流母線(xiàn)，直流DG或負(fù)荷直接接入直流母線(xiàn)，交流母線(xiàn)與直流母線(xiàn)之間通過(guò)一個(gè)雙向變流器實(shí)現(xiàn)功率流的平衡。交直流混合微電網(wǎng)由于具有更好的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交直流混合微電網(wǎng)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，研究?jī)?nèi)容主要涉及交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、容量配置、性能評(píng)估、運(yùn)行控制、保護(hù)和能量管理等方面。美國(guó)電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(huì)(CERTS)［7-8］、歐洲以希臘雅典國(guó)立技術(shù)大學(xué)為典型代表的微電網(wǎng)研究機(jī)構(gòu)［9］、日本的新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)［10-11］等都對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行了相關(guān)研究，國(guó)內(nèi)主要以單一的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主，側(cè)重前瞻性技術(shù)與示范工程，已有一大批項(xiàng)目正在開(kāi)展。

國(guó)內(nèi)外對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的研究取得了一些初步成果，本文將結(jié)合最新研究成果，對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與容量配置、性能評(píng)估、能量管理系統(tǒng)與保護(hù)技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)分析，最后展望交直流混合微電網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用前景。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與容量配置

1.1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(xiàn)和直流母線(xiàn)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，如圖1所示。圖中:DG代表各類(lèi)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(xiàn)類(lèi)型和控制要求選擇類(lèi)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(xiàn)通過(guò)饋線(xiàn)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(lái)，其核心為交流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的交流母線(xiàn)［12］，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(xiàn)電壓穩(wěn)定，以確保供電可靠。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of AC/DC hybrid microgrid

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(guò)操作聯(lián)絡(luò)開(kāi)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(mǎn)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(zhǎng)的過(guò)程。

1.2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(wèn)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(wèn)題亟需解決。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(wèn)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(lèi)，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)，目前主要采用智能優(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。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)微電網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置的研究主要集中在孤立微電網(wǎng)容量配置研究［13-17］，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(guó)外還開(kāi)發(fā)了可用于研究微網(wǎng)(太陽(yáng)能/風(fēng)能微網(wǎng))容量?jī)?yōu)化配置的軟件，例如Hybrid2軟件和HOMER軟件。但是，近年來(lái)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(wèn)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。

2 新能源接入交直流混合微電網(wǎng)性能評(píng)估

2.1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(wèn)題，主要是電壓穩(wěn)定問(wèn)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(wèn)題更加復(fù)雜。

交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)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(xiàn)電壓穩(wěn)定問(wèn)題，通過(guò)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(wèn)題，又要考慮交流子微電網(wǎng)的電壓、頻率、功角穩(wěn)定問(wèn)題。目前國(guó)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［18-20］、暫態(tài)穩(wěn)定［21-23］，主要保持電壓和頻率［24］的穩(wěn)定。但是，國(guó)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(xiàn)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。

2.2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。

目前國(guó)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［25-28］、含DG微電網(wǎng)的可靠性評(píng)估［29-30］、含DG的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估［31-35］以及新的可靠性指標(biāo)的提出［36-37］等。研究?jī)?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(guó)內(nèi)外研究也相對(duì)較少。

2.3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(hù)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。

目前，國(guó)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)匱乏，少數(shù)涉及綜合評(píng)價(jià)體系［38］與獨(dú)立微電網(wǎng)安全性分析［39］。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?tīng)柗品ǖ?、客觀賦權(quán)法(熵權(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。

2.4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(wèn)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(guò)投入產(chǎn)出法、全生命周期和區(qū)間分析法來(lái)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(rùn)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(guò)目標(biāo)函數(shù)(利潤(rùn)、最低成本等)和約束函數(shù)的建立，來(lái)管理系統(tǒng)的功率潮流(該部分內(nèi)容在第3節(jié)能量管理系統(tǒng)詳細(xì)介紹);微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題除了需要考慮發(fā)電成本問(wèn)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。

目前，國(guó)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［38-39］;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［40］、多目標(biāo)問(wèn)題的處理和約束條件的線(xiàn)性化［41-42］、負(fù)荷角度的優(yōu)化［43-44］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(wèn)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(lái)構(gòu)建交直流微電網(wǎng)以滿(mǎn)足電力需求。

3 交直流混合微電網(wǎng)電源管理系統(tǒng)

交直流混合微電網(wǎng)的運(yùn)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(fù)雜的發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元和交/直流負(fù)荷單元的控制方法，直流母線(xiàn)與交流母線(xiàn)之間的雙向變換器的功率流動(dòng)也成為研究重點(diǎn)。本節(jié)將重點(diǎn)介紹電源管理系統(tǒng)(pow er management system，PMS)，首先對(duì)交直流混合微網(wǎng)中的單元控制進(jìn)行簡(jiǎn)述，再詳細(xì)闡述交直流混合微電網(wǎng)的電源管理策略。

3.1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(chǔ)能裝備和負(fù)荷的控制運(yùn)行方式。DG主要有光伏電池、風(fēng)機(jī)等不確定性源和燃料電池、小燃機(jī)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)即插即用的Droop控制等方法。儲(chǔ)能設(shè)備主要有電池、飛輪等，儲(chǔ)能設(shè)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(chǔ)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?，F(xiàn)階段對(duì)負(fù)荷單元的控制研究比較少，主要集中在插入式電動(dòng)車(chē)［45］和電動(dòng)飛機(jī)［46］、負(fù)荷特性［47］、需求響應(yīng)等方面，同時(shí)為提高可再生能源的利用率，主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)［48-49］的控制方法應(yīng)運(yùn)而生。

3.2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(yùn)行的關(guān)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［50-51］，2種管理方式在控制任務(wù)與時(shí)間長(zhǎng)度上有所區(qū)別，前者是長(zhǎng)期的電能輸出以最優(yōu)的方式滿(mǎn)足需求，而后者則是側(cè)重短期的電源、儲(chǔ)能與負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)電源之間的實(shí)時(shí)調(diào)度。由于短期電源管理方式與接口和變流器的控制更加相關(guān)，本文主要討論電源管理方式。交直流混合微電網(wǎng)的電源管理方式主要有2種，一種是基于規(guī)則的電源管理［52］，另一種是最優(yōu)化電源管理。

3.2.1 基于規(guī)則的電源管理

基于規(guī)則的電源管理主要是根據(jù)交直流混合微電網(wǎng)的運(yùn)行模式，預(yù)先設(shè)定控制規(guī)則，控制整個(gè)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)工作?；谝?guī)則的電源管理方式主要控制以下幾個(gè)方面:主變換器的整流、逆變和空閑狀態(tài);DG的工作和不工作狀態(tài);蓄電池的充放電狀態(tài)以及負(fù)荷是否切除等。交直流混合微電網(wǎng)的運(yùn)行分為并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行2種情況，并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，將交直流混合微電網(wǎng)當(dāng)作整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)載，主要考慮微電網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡，充分利用可再生能源，減少燃料能源的消耗;孤島運(yùn)行狀態(tài)下，主要考慮交流子微電網(wǎng)和直流子微電網(wǎng)各自?xún)?nèi)部的功率平衡以及之間的功率流動(dòng)，從而使電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前基于規(guī)則的電源管理的研究已有一些成果，文獻(xiàn)［53］是一個(gè)由風(fēng)機(jī)作為交流電源和光伏作為直流電源組成的交直流混合微電網(wǎng)，該微電網(wǎng)主要通過(guò)基于規(guī)則的電源管理系統(tǒng)來(lái)管理微電網(wǎng)的功率潮流。文獻(xiàn)［54－56］主要介紹以下垂控制為基礎(chǔ)的交直流微電網(wǎng)電源管理系統(tǒng)，交流側(cè)與直流側(cè)各自控制，結(jié)合兩邊下垂控制信息，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)之間的能量交換。文獻(xiàn)［57－58］中，交直混合流微網(wǎng)中的電源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)由含4種預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行模式的管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［59］同樣是基于規(guī)則的電源管理系統(tǒng)，但是有15條預(yù)定的規(guī)則，蓄電池采用了模糊控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

此種電源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便，僅需要預(yù)設(shè)規(guī)則，然后采集微網(wǎng)中相關(guān)功率的信息，傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，再?zèng)Q策各個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的能量管理。但是，這種管理方法未考慮實(shí)際的經(jīng)濟(jì)因素，因而最優(yōu)化電源管理得到普遍應(yīng)用。

3.2.2 最優(yōu)化電源管理

最優(yōu)化電源管理主要通過(guò)最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，目標(biāo)函數(shù)主要是系統(tǒng)的最低運(yùn)行成本和最高經(jīng)濟(jì)效益，約束方程主要是電網(wǎng)的潮流約束和預(yù)測(cè)的DG、負(fù)荷運(yùn)行特性約束(DG的最大出力、蓄電池充放電范圍、負(fù)荷的波動(dòng)范圍等)。在交直流混合微電網(wǎng)的最優(yōu)化電源管理系統(tǒng)中，中央控制系統(tǒng)接收通過(guò)通信系統(tǒng)采集的功率實(shí)時(shí)信息，再根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件求解功率的理論參考值，然后反饋到單元控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步跟蹤控制。

目前，最優(yōu)化電源管理在國(guó)內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)［60－61］中，直流微電網(wǎng)的最優(yōu)化電源管理以滿(mǎn)足負(fù)荷需求、限制蓄電池充電電流為目標(biāo);文獻(xiàn)［62－63］中，直流微電網(wǎng)或者交流微電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)化管理系統(tǒng)以最小化系統(tǒng)的運(yùn)行成本為目標(biāo);文獻(xiàn)［64］中，風(fēng)電/電池微電網(wǎng)的最優(yōu)化管理系統(tǒng)以最大化售出電力利潤(rùn)為目標(biāo);文獻(xiàn)［65］中，光伏/電池微電網(wǎng)的最優(yōu)化管理系統(tǒng)以微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)新能源費(fèi)用最小化為目標(biāo);文獻(xiàn)［66］中，交流微電網(wǎng)的最優(yōu)化管理系統(tǒng)以最低運(yùn)行成本、燃料消耗和DG啟停頻率為目標(biāo);文獻(xiàn)［67］中，考慮到可再生能源有較大的不確定性，提出了一個(gè)強(qiáng)魯棒性的最優(yōu)化管理系統(tǒng)，以最低運(yùn)行成本為目標(biāo)。

最優(yōu)化電源管理系統(tǒng)受到廣泛的應(yīng)用，但根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的不同，最優(yōu)化電源管理系統(tǒng)也多種多樣。雖然最優(yōu)化電源管理系統(tǒng)充分結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，保持交直流混合微電網(wǎng)的功率平衡，但是交直流混合微電網(wǎng)中仍然存在很多問(wèn)題，如直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定、交流側(cè)頻率穩(wěn)定，這些局部問(wèn)題的解決主要通過(guò)單元控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)［68-70］實(shí)現(xiàn)。

交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要單元控制器的協(xié)調(diào)合作與能量管理系統(tǒng)的完美結(jié)合，從底層DG和儲(chǔ)能裝置的獨(dú)立控制到頂層能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌指揮，為整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行提供保障。

4 交直流混合微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

交直流混合微電網(wǎng)通過(guò)公共連接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)與大電網(wǎng)相連接，微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)主要有并網(wǎng)模式和孤島模式，針對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的故障問(wèn)題，本文主要考慮微電網(wǎng)內(nèi)部故障的保護(hù)方案，不考慮大電網(wǎng)故障和PCC開(kāi)關(guān)動(dòng)作的配合問(wèn)題。本文主要從交直流混合微電網(wǎng)的故障類(lèi)型、接地和保護(hù)方案介紹保護(hù)技術(shù)。

4.1交直流混合微電網(wǎng)故障類(lèi)型

交直流混合微電網(wǎng)的故障類(lèi)型可分為交流子微網(wǎng)和直流子微網(wǎng)2個(gè)模塊討論，交流子微網(wǎng)的故障可以劃分為單相接地故障、相間短路故障、兩相接地短路故障與三相短路故障;直流子微網(wǎng)的故障可以分為單極接地故障和極間短路故障。

交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同、交流側(cè)與直流側(cè)接地形式和連接形式的不同及故障發(fā)生位置的不同［71］，對(duì)交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響不同。當(dāng)故障發(fā)生在交流母線(xiàn)或直流母線(xiàn)時(shí)，都可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定;當(dāng)故障發(fā)生在DG時(shí)，應(yīng)確?？焖偾谐收虾螅到y(tǒng)的功率仍能平衡;當(dāng)故障發(fā)生在負(fù)荷側(cè)時(shí)，應(yīng)保障能快速切除負(fù)荷。同時(shí)當(dāng)交流子微網(wǎng)或者直流子微網(wǎng)發(fā)生較大的故障，應(yīng)斷開(kāi)中間雙向AC-DC變換器，確保另一個(gè)子微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

接地故障主要有高阻抗接地和低阻抗接地2種，同時(shí)接地故障對(duì)系統(tǒng)的影響很大程度上取決于交直流混合微電網(wǎng)的接地方式。

4.2交直流混合微電網(wǎng)接地方式

交直流混合微電網(wǎng)的接地系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)故障、減少雜散電流和保障人員安全等都有很大的影響［72］。接地系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有雜散電流和共模電壓。2個(gè)指標(biāo)與接地系統(tǒng)的接地電阻有很大關(guān)系:高阻抗接地系統(tǒng)的雜散電流幾乎為0，而共模電壓相對(duì)較高;直接接地系統(tǒng)共模電壓幾乎為0，而雜散電流達(dá)到最大值。

交直流混合微電網(wǎng)可以分為交流子微網(wǎng)和直流子微網(wǎng)考慮，此處交流子微網(wǎng)一般是低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)，接地方式的劃分采用了IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［73］，IEC標(biāo)準(zhǔn)按接地形式劃分為T(mén)N(母線(xiàn)經(jīng)中性線(xiàn)在電源處直接接地)、TT(母線(xiàn)單獨(dú)直接接地)和IT(高阻抗直接接地)3種;直流子微網(wǎng)根據(jù)國(guó)標(biāo)［74］同樣可以分為IN (高阻抗經(jīng)中性線(xiàn)在電源處接地)、TT和IT 3種［75］。

不同的接地方式雜散電流和共模電壓各有優(yōu)缺點(diǎn)，一般根據(jù)交直流混合微電網(wǎng)的具體應(yīng)用場(chǎng)合，選擇不同的接地方式。

4.3交直流混合微電網(wǎng)保護(hù)方案

交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)由于其微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，DG的多樣性以及電力電子器件的使用比傳統(tǒng)電網(wǎng)更加復(fù)雜，主要體現(xiàn)在故障特征的提取和保護(hù)方案的配合。因?yàn)榻恢绷骰旌衔㈦娋W(wǎng)的故障電流在并網(wǎng)模式與孤島模式下完全不同，保護(hù)系統(tǒng)要求自主適應(yīng)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變。

目前國(guó)內(nèi)外的研究還未對(duì)交直流混合微電網(wǎng)保護(hù)形成完整的方案，但是針對(duì)故障分析與保護(hù)原理已有不少成果。故障分析主要考慮DG的故障模型建立［76］、故障特征的提?。?7］和分布式接入對(duì)保護(hù)的影響［78］。交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)方案主要包括改進(jìn)電流保護(hù)方案［79］、差動(dòng)保護(hù)方案［80］、低電壓保護(hù)方案［81］、分層保護(hù)方案［82］、多代理(Agent)保護(hù)方案［83］等，而更多的保護(hù)方案都是多特征提?。?4］和保護(hù)之間的配合。交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備主要有熔斷器、斷路器和電力電子開(kāi)關(guān)3類(lèi)，根據(jù)保護(hù)原理選擇合適的保護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)。但目前的研究仍處于起步階段，缺少統(tǒng)一的DG故障模型的建立標(biāo)準(zhǔn)，故障判斷標(biāo)準(zhǔn)與完整的保護(hù)方案。

交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)方案要綜合考慮交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)框架、故障類(lèi)型、接地方式等多種因素，選擇合理完善的方案，使系統(tǒng)能夠快速定位故障位置，切除故障，恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 問(wèn)題與展望

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)。本節(jié)中，主要分析交直流混合微電網(wǎng)中現(xiàn)存的問(wèn)題并對(duì)未來(lái)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(lái)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(xiàn)和直流母線(xiàn)，多條母線(xiàn)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(wèn)題。

(2)未來(lái)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(xiàn)性負(fù)荷等導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題是一個(gè)重要課題。目前，諧波、三相不平衡和電壓的凹陷/膨脹等問(wèn)題在配電網(wǎng)中備受關(guān)注，不久的將來(lái)電能質(zhì)量問(wèn)題將更加嚴(yán)峻。因此，研究輔助裝置(如無(wú)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(lái)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(guò)，經(jīng)濟(jì)性問(wèn)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(guò)渡應(yīng)該無(wú)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。目前的研究主要針對(duì)某一方面調(diào)研，實(shí)際的微電網(wǎng)運(yùn)行是一個(gè)長(zhǎng)期的綜合過(guò)程，因此，未來(lái)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(kāi)相應(yīng)的通訊系統(tǒng)。目前，已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(kāi)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(kāi)發(fā)具有靈活可靠的直流斷路器成為未來(lái)研究的重點(diǎn)。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外交直流混合微電網(wǎng)研究的各項(xiàng)成果進(jìn)行分析，從技術(shù)角度對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與容量配置、性能評(píng)估、電源管理系統(tǒng)與保護(hù)技術(shù)等內(nèi)容并進(jìn)行概括總結(jié)，最后展望交直流混合微電網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用前景。需要指出的是，微電網(wǎng)的發(fā)展尤其是交直流混合微電網(wǎng)的發(fā)展，雖然有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)實(shí)意義，但相關(guān)研究仍需要相當(dāng)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要科學(xué)技術(shù)的累積和市場(chǎng)機(jī)制的完善以及政策法律的制定與支持。

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(編輯 張小飛)

A Review on AC/DC Hybrid Microgrid Key Technology Containing Distributed New Energy

GUO Yajuan1，CHEN Jinming1，HE Hongyu2，WU Qianhong2，HAN Bei2，LI Guojie2

(1．State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Research Institute，Nanjing 211103，China; 2．Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion，Ministry of Education (Shanghai Jiao Tong University)，Shanghai 200240，China)

With the problems of energy shortage and environmental crisis，the integration of distributed energy is the essential way to develop power grid．Microgrid is an effective mode to promote the consumption and management of distributed energy，and AC/DC hybrid microgrid becomes a hot topic due to the advantages of both AC microgrid and DC microgrid．According to the existing research achievements about AC/DC hybrid microgrid domestic and overseas，this paper summarizes the topological structure and capacity allocation，performance evaluation，power management and protection technology of AC/DC hybrid microgrid．Then，this paper discusses the development prospect and practical application of AC/DC hybrid microgrid，and proposes some suggestions for the further development of AC/DC hybrid microgrid in China，which has practical significance．

AC/DC hybrid microgrid;topological structure;capacity allocation;performance evaluation;power management;protection technology

TM 727

A

1000－7229(2017)03－0009－10

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.002

2016-11-06

郭雅娟(1975)，女，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏π畔⒒芾怼⒎植际叫履茉磁c電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化;

陳錦銘(1985)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用研發(fā);

何紅玉(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻恢绷骰旌衔㈦娋W(wǎng);

吳倩紅(1991)，女，博士研究生，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用;

韓蓓(1984)，女，博士，講師，本文通信作者，主要研究方向?yàn)楹履茉唇尤氲碾娏ο到y(tǒng)分析、微電網(wǎng)分析與控制;

李國(guó)杰(1965)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻恢绷骰旌吓潆娋W(wǎng)、新能源并網(wǎng)。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃) (2015AA050102);國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“基于多源數(shù)據(jù)融合與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式系能源公共信息服務(wù)平臺(tái)研究與應(yīng)用”

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