朱夢(mèng)穎， 彭勇剛， 宋弘亮

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027； 2.寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司， 浙江 寧波 315000)

1 引言

隨著分布式電源接入比例不斷增加[1]、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)飛速發(fā)展，直流配電系統(tǒng)逐漸走入人們的視野[2]。由于直流系統(tǒng)便于可再生能源、儲(chǔ)能裝置、充電樁等新能源設(shè)備的互動(dòng)化接入；相對(duì)交流配電網(wǎng)絡(luò)而言，在電能質(zhì)量、供電可靠性、供電能力等方面均具有一定優(yōu)勢(shì)；并且符合當(dāng)前國網(wǎng)公司發(fā)展基于信息物理融合的能源互聯(lián)網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)的需求[2,3]，國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)相繼從各角度開展針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的研究。

在系統(tǒng)評(píng)估方面，文獻(xiàn)[4-8]分別針對(duì)交直流方案、系統(tǒng)建立不同方面的評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)交直流系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[9]研究并提出了直流電壓等級(jí)選擇對(duì)直流系統(tǒng)能效的影響。在優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[10-15]分別從設(shè)備的需求側(cè)響應(yīng)、光儲(chǔ)聯(lián)合、電力電子變壓器等方面開展交直流混合電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度的研究；文獻(xiàn)[16,17]從交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)的分層分布式的優(yōu)化形式和考慮柔性負(fù)荷兩方面對(duì)交直流混合系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行創(chuàng)新。在應(yīng)用方面，有團(tuán)隊(duì)從直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備特性、運(yùn)行控制、負(fù)荷接入方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面出發(fā)，研究交直流混合電網(wǎng)的適用模式[1,18,19]；也有團(tuán)隊(duì)從分布式能源接入和工程出發(fā)在供電效率、可靠性、電能質(zhì)量等方面論證交直流配電系統(tǒng)相對(duì)純交流配電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[20]。

國外，美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)應(yīng)用中心提出了交流母線主要用于負(fù)荷供電，直流母線用于接入分布式電源和分布式儲(chǔ)能，交直流母線共存的交直流配電分層連接的混合配電結(jié)構(gòu)[21]。美國北卡羅萊納大學(xué)提出了未來可再生電力能源傳輸與管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量路由器的概念[22]。英國、瑞士及意大利等國也開展了通過新型功率變換技術(shù)適應(yīng)未來有大量分布式電源接入的歐洲電網(wǎng)的功率流動(dòng)管理技術(shù)的研究。以上研究均對(duì)交直流混合系統(tǒng)的發(fā)展具有較大價(jià)值，但是并沒有考慮母線源-荷-儲(chǔ)配置對(duì)設(shè)置交直流母線時(shí)是否具有能效優(yōu)勢(shì)的影響。

國內(nèi)交直流配電網(wǎng)研究中，在配電系統(tǒng)能效方面的研究多注重對(duì)系統(tǒng)整體能效進(jìn)行評(píng)估，以證明直流系統(tǒng)優(yōu)于交流系統(tǒng)或評(píng)價(jià)體系和指標(biāo)構(gòu)建，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和高壓直流系統(tǒng)的規(guī)劃有一定的借鑒意義，但是對(duì)于實(shí)際低壓交直流配電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)和配置參考價(jià)值有限。文獻(xiàn)[23]針對(duì)商業(yè)樓宇的負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行分析，通過商業(yè)樓宇實(shí)際工程時(shí)序數(shù)據(jù)對(duì)交直流配電系統(tǒng)進(jìn)行建模和能效對(duì)比，同時(shí)分析交直流系統(tǒng)各部分的全年損耗占比，證明了交直流系統(tǒng)在能效方面存在優(yōu)勢(shì)。對(duì)實(shí)際應(yīng)用有一定參考價(jià)值，但是對(duì)負(fù)荷特性有一定限制，沒有考慮光伏容量與負(fù)荷容量比例，儲(chǔ)能方面也未考慮最大充放電功率的影響。

目前電力系統(tǒng)中可再生能源、儲(chǔ)能裝置、充電樁等新能源設(shè)備比重加大，廣義上直流負(fù)荷逐漸增加，相對(duì)傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)而言，直流配電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)日益明顯。隨著交直流配電系統(tǒng)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，在實(shí)際配電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，如何選擇母線類型、怎樣進(jìn)行母線配置、如何確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題將逐漸顯現(xiàn)。如今交直流系統(tǒng)研究已經(jīng)取得了一定的成果，然而在實(shí)際交直流系統(tǒng)規(guī)劃配置階段，如何選擇和配置交直流母線以提升系統(tǒng)能效、如何規(guī)劃交直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使其更具能效優(yōu)勢(shì)還沒有明確界限。本文針對(duì)交直流配電網(wǎng)絡(luò)各元件特性，對(duì)交直流混合系統(tǒng)各類型元件建立能效數(shù)學(xué)模型，對(duì)母線組合為純負(fù)載、負(fù)載-光伏、負(fù)載-光伏-儲(chǔ)能三種典型場景；基于典型日曲線，考慮瞬時(shí)和日周期兩種場景；對(duì)于以上時(shí)間維度和組合維度的各種組合場景，層層遞進(jìn)，進(jìn)行各種情景下交、直流母線能效對(duì)比，對(duì)各種組合場景下，交直流母線如何配置才具有能效優(yōu)勢(shì)進(jìn)行探討。為交直流母線規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的配置問題提供一定的理論依據(jù)。

2 研究原理和建模

2.1 交直流母線各元器件能效數(shù)學(xué)建模

(1)電力電子元件

由于電力電子變壓器簡化模型由三個(gè)電壓源型逆變器(Voltage Source Converter,VSC)元件組成，因此僅需對(duì)VSC建立能效數(shù)學(xué)模型，考慮只需計(jì)算元件能耗，根據(jù)文獻(xiàn)[24]，對(duì)于VSC換流器損耗率建立數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中，η為換流器損耗率；γ為換流器實(shí)際功率與額定功率的比值(負(fù)載率)。

(2)儲(chǔ)能元件

儲(chǔ)能元件在配電網(wǎng)絡(luò)損耗計(jì)算中，忽略裝置的老化，總共需要考慮三個(gè)方面損耗：充電損耗、放電損耗、自放電損耗。儲(chǔ)能裝置能效數(shù)學(xué)模型如式(2)、式(3)所示，其中充放電損耗如下：

PLoss_Sto=|PStorageλ|

(2)

式中，PLoss_Sto為儲(chǔ)能損耗；PStorage為儲(chǔ)能充放電功率；λ為儲(chǔ)能充放電損耗率。

自放電損耗基于時(shí)間維度，根據(jù)目前市場標(biāo)稱參數(shù)，借鑒參考文獻(xiàn)[24]，儲(chǔ)能自放電損耗按每月3%比例，均分至每5 min計(jì)算漏電率，其數(shù)學(xué)模型為：

(3)

式中，WLoss_Ts為T時(shí)間內(nèi)的功率損耗;SOCi_Storage為第i時(shí)間段初期，儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)；ε為漏電率；N為劃分時(shí)段的總數(shù)。

(3)負(fù)荷和光伏元件

在瞬時(shí)維度，對(duì)于負(fù)荷能效模型，交流、直流負(fù)荷裝機(jī)容量為SAC、SDC，負(fù)荷利用系數(shù)γL表示負(fù)荷實(shí)際用電占裝機(jī)容量比例，實(shí)際用電為：

PLoad=PAC+PDC=SACγL+SDCγL

(4)

對(duì)于光伏能效模型，裝機(jī)容量為SPV，光伏出力系數(shù)為γPV，其實(shí)際出力功率如下：

PPV=SPVγPV

(5)

式中，PLoad為總負(fù)荷實(shí)際用電量；PAC為交流負(fù)荷的實(shí)際用電量；PDC為直流負(fù)荷的實(shí)際用電量；PPV為光伏的實(shí)際出力。

在時(shí)間維度，以江蘇某項(xiàng)目一年數(shù)據(jù)處理和抽象所得的典型日負(fù)荷和日光伏曲線數(shù)據(jù)(采樣間隔統(tǒng)一為5 min)，作為本文研究典型日負(fù)荷情況下的負(fù)荷和光伏計(jì)算用數(shù)學(xué)模型。

2.2 研究方法

本文針對(duì)交直流配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，從單母線配置開始，在考慮純負(fù)載、負(fù)載-光伏、負(fù)載-光伏-儲(chǔ)能從簡到繁三種典型場景下，基于典型日曲線，以直流負(fù)荷占比為因變量，從瞬時(shí)遞進(jìn)到日周期，對(duì)交、直流母線如何選擇和配置時(shí)母線具有能效方面優(yōu)勢(shì)、交直流母線能效優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換點(diǎn)隨各變量變化的情況，進(jìn)行一定程度的研究和探討。最后采用實(shí)際工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和典型日曲線對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)驗(yàn)證了項(xiàng)目系統(tǒng)拓?fù)湎鄬?duì)傳統(tǒng)交直流系統(tǒng)拓?fù)渚哂心苄?yōu)勢(shì)，為交直流配電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文研究中母線分為交流母線和直流母線兩類，由于能耗計(jì)算主要考慮對(duì)比交直流母線能耗差值，而新能源的DC/DC變換損耗在同一運(yùn)行條件下，接至交流或直流母線時(shí)差別不大，為簡化算法，本文中不予計(jì)算，交流、直流母線配置如圖1所示?；趫D1的交流、直流母線簡化拓?fù)涞幕九渲眠M(jìn)行本文交直流母線能效計(jì)算的定義。

圖1 交直流母線配置模型Fig.1 AC/DC bus configuration model

對(duì)于交流母線，考慮直流負(fù)荷損耗PLoss_DC_Load、光伏逆變損耗PLoss_PV及電池逆變、整流損耗PLoss_Sto三部分，其能耗計(jì)算為：

PLoss_AC_Bus=PLoss_DC_Load+PLoss_PV+PLoss_Sto

(6)

對(duì)于直流母線，考慮交流負(fù)荷逆變損耗PLoss_AC_Load及直流母線與外界交換能量損耗PLoss_DC_Trans兩部分，其能耗計(jì)算為：

PLoss_DC_Bus=PLoss_AC_Load+PLoss_DC_Trans

(7)

式中，PLoss_AC_Bus為交流母線能耗；PLoss_DC_Bus為直流母線能耗。

首先基于建立的能耗計(jì)算公式，在瞬時(shí)單母線情況下進(jìn)行研究。為了明確各部分加入與能效的關(guān)系，先從純負(fù)荷情況下求解交直流能耗轉(zhuǎn)換點(diǎn)處直流負(fù)荷占比R隨負(fù)荷利用系數(shù)γL變化關(guān)系。然后增加光伏裝機(jī)容量占比和光伏出力系數(shù)兩個(gè)變量，限定光伏出力系數(shù)γPV為定值0.8，設(shè)置負(fù)荷利用系數(shù)γL處于[0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8]之間，求解交直流母線能效平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比R隨光伏裝機(jī)容量占比ξ變化關(guān)系。最后增加儲(chǔ)能最大充放電功率比率為變量，限定光伏出力系數(shù)為0.8,負(fù)荷利用系數(shù)0.6，求解能效平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比R隨儲(chǔ)能最大充放電功率比率SStorage和光伏裝機(jī)容量占比ξ的變化關(guān)系，最終期望得到函數(shù)如式(8)，考慮如式(9)幾個(gè)參數(shù)及其偏導(dǎo)進(jìn)行函數(shù)曲線分析。

R=F(γL，ξ，SStorage)

(8)

(9)

此后于三種情景下，結(jié)合元件特性和典型日曲線，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行時(shí)間維度積分，在日周期內(nèi)進(jìn)行能效平衡點(diǎn)求解原理如下：

(10)

研究各情況下最大限度降低直流負(fù)荷占比代價(jià)最小的點(diǎn)，并探討平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比的趨勢(shì)。在純負(fù)荷情況下得到一個(gè)直流負(fù)荷占比為能效平衡點(diǎn)，在負(fù)荷-光伏情況下得到直流負(fù)荷占比隨光伏安裝比率變化曲線為能效平衡點(diǎn)曲線，在負(fù)荷-光伏-儲(chǔ)能情況下得到一系列不同光伏裝機(jī)容量占比下，直流負(fù)荷占比隨儲(chǔ)能裝機(jī)容量變化的曲線為能效平衡線。

最后，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目拓?fù)洌幢疚难芯康慕Y(jié)論分別進(jìn)行母線配置和能效計(jì)算，驗(yàn)證研究結(jié)論正確性，并說明該項(xiàng)目母線選擇的合理性，同時(shí)證明該項(xiàng)目規(guī)劃拓?fù)湎鄬?duì)傳統(tǒng)拓?fù)渚哂心苄?yōu)勢(shì)。

2.3 瞬時(shí)情況下單母線能效分析

2.3.1 純負(fù)載交直流母線能效計(jì)算分析

考慮瞬時(shí)、純負(fù)載情況下，以負(fù)載利用系數(shù)為變量、直流負(fù)載占比為因變量，求解交直流母線能效平衡點(diǎn)處二者變化關(guān)系。該點(diǎn)亦為交、直流母線能效優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，為判斷設(shè)置何種母線、變量如何配置具有能效優(yōu)勢(shì)提供較為明確界線。

交、直流負(fù)荷，負(fù)荷利用系數(shù)、線路長度(用電點(diǎn))、電壓等級(jí)相同情況下，求解交、直流母線能效平衡點(diǎn)。考慮到電力設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的負(fù)荷利用系數(shù)和安全系數(shù)等因素，直流母線總換流器按日常負(fù)荷用電功率時(shí)負(fù)載率為77%進(jìn)行配置，代入式(1)得到直流母線取電損耗率ηT，直接接于各負(fù)荷的換流器根據(jù)負(fù)荷安裝功率配置，將負(fù)荷利用系數(shù)代入式(1)，計(jì)算得到其損耗率ηL交流負(fù)荷損耗如下：

PLoss_AC_Load=PACηL

(11)

PLoss_DC_Trans=(PDC+PAC+PLoss_AC_Load)ηT

(12)

將PLoss_DC_Trans和PLoss_AC_Load代入式(7)求得直流母線損耗。

交流母線損耗率為：

PLoss_AC_Bus=PDCηL

(13)

求解功率平衡點(diǎn)為：

PLoss_AC_Bus=PLoss_DC_Bus

(14)

解得直流負(fù)荷占比為：

(15)

(16)

由式(16)解得，當(dāng)γL=0.918 9時(shí)，曲線斜率為0，該點(diǎn)值僅與換流器損耗參數(shù)有關(guān)，此時(shí)平衡點(diǎn)處，直流負(fù)荷占比需求達(dá)1.028，無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)γL<0.918 9時(shí)R為γL的增函數(shù)，當(dāng)γL=0.77與換流器負(fù)載率一致時(shí)，平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比需求達(dá)到1，此后再增大γL，平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比需求大于1，即使全部負(fù)荷均為直流，配置直流母線也不能使得其能效優(yōu)于交流母線。而當(dāng)γL>0.918 9時(shí)，R為γL的減函數(shù)，當(dāng)增大至γL=1時(shí)，平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比需求為1.02左右，依舊無法實(shí)現(xiàn)?？梢娫谪?fù)荷利用系數(shù)γL達(dá)到換流器設(shè)計(jì)負(fù)載率后，配置直流母線無法獲得能效優(yōu)勢(shì)。

若以直流負(fù)荷占比為縱坐標(biāo)，負(fù)荷利用系數(shù)為橫坐標(biāo)，由式(15)做曲線，在γL<0.77時(shí)，斜率變化較小，二者近似成正比，此時(shí)對(duì)位于曲線上方的點(diǎn)，配置直流母線具有能效優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 考慮光伏的交直流母線能效計(jì)算求解

增加光伏接入，同樣以直流負(fù)荷占比為因變量，求解交直流母線能效轉(zhuǎn)換點(diǎn)。此時(shí)，共存在四個(gè)自變量：光伏出力系數(shù)、光伏安裝容量、負(fù)荷容量、負(fù)荷利用系數(shù)。

(17)

式中，γTrans為母線交換能量負(fù)載率。

PLoss_DC_Trans=(PLoad+PLoss_AC_Load-PPV)ηT

(18)

PLoss_PV=PPVηPV

(19)

以上結(jié)果代入式(7)計(jì)算直流母線損耗，代入式(6)計(jì)算交流母線損耗，然后求解式(20)：

PLoss_DC_Bus=PLoss_AC_Bus

(20)

解得：

(21)

(22)

式中，ηPV為光伏并網(wǎng)損耗率，由γPV代入式(1)而來。

為了在不同光伏裝機(jī)容量占比下得到使得直流母線占據(jù)能效優(yōu)勢(shì)的最小的直流負(fù)荷占比，在式(21)中，先限定光伏出力系數(shù)為0.8(確定ηPV以及γPV)，設(shè)置負(fù)荷利用系數(shù)[0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8](確定變化的γL序列)，以光伏裝機(jī)容量占比為自變量，直流負(fù)荷占比為因變量，所得結(jié)果如圖2所示，同時(shí)對(duì)R求ξ的偏導(dǎo)如式(22)，圖2中，按箭頭指示方向，從下至上曲線對(duì)應(yīng)的負(fù)荷系數(shù)分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8?？梢?，在任意負(fù)荷利用系數(shù)下，隨著光伏裝機(jī)容量占比增大，直流負(fù)荷占比逐漸降低，結(jié)合式(22)，當(dāng)ξ較小時(shí)，其對(duì)ηT影響不占主導(dǎo)，此時(shí)導(dǎo)數(shù)小于0，為減函數(shù)，此后達(dá)到一個(gè)極小值點(diǎn)，此時(shí)安裝光伏對(duì)降低能效平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比效益較好；同時(shí)隨著負(fù)荷利用系數(shù)逐漸接近光伏出力系數(shù)，光伏裝機(jī)容量占比為1.05左右時(shí)，能效平衡點(diǎn)所在曲線的最低直流負(fù)荷占比逐漸降低到0。

圖2 光伏裝機(jī)容量占比與平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比關(guān)系Fig.2 Relationship between PV installed capacity ratio and DC load ratio at equilibrium point

不同地區(qū)的光伏出力系數(shù)不同，為了得到不同光伏出力系數(shù)對(duì)交直流能效平衡點(diǎn)處光伏裝機(jī)容量的影響，對(duì)式(21)，限制負(fù)荷利用系數(shù)為0.8和1(確定γL)，研究使直流負(fù)荷占比R為0的點(diǎn)隨光伏出力系數(shù)變化情況，做圖3，圖3中，按箭頭指示方向，從下至上曲線對(duì)應(yīng)的負(fù)荷系數(shù)分別為0.4、0.6、0.8、1.0。隨著負(fù)荷利用系數(shù)增加，曲線向右上方移動(dòng)，而結(jié)合式(21)可知，光伏安裝容量比率ξ與出力系數(shù)γPV近似成反比例關(guān)系。

由上可知，在瞬時(shí)功率、光伏配合負(fù)荷的情況下，采用光伏裝機(jī)容量降低直流負(fù)荷占比具有效益最優(yōu)點(diǎn)；隨著負(fù)荷利用系數(shù)增大接近光伏出力系數(shù)，效益最優(yōu)點(diǎn)處直流負(fù)荷占比逐漸接近0，而隨著光伏出力系數(shù)增大，能效平衡點(diǎn)處光伏裝機(jī)容量比率減小。因此，瞬時(shí)直流母線配置中，負(fù)荷處有條件配置光伏時(shí)，裝機(jī)容量應(yīng)接近效益最優(yōu)點(diǎn)，以保證在能效和效益方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.3.3 增加儲(chǔ)能的交直流母線配置

由于負(fù)荷利用系數(shù)取決于工程實(shí)際情況，光伏出力取決于地區(qū)光照實(shí)際情況和安裝情況?，F(xiàn)限定光伏出力系數(shù)為0.8,負(fù)荷利用系數(shù)0.6，不考慮儲(chǔ)能容量，只考慮儲(chǔ)能最大瞬時(shí)功率。由于交、直流母線運(yùn)行在同負(fù)荷、同光伏的情況下，此時(shí)儲(chǔ)能的充放電功率差值為交直流負(fù)荷、光伏、儲(chǔ)能的換流器損耗。由于儲(chǔ)能裝置充放電效率較高(可達(dá)99%)[25]，交、直流母線儲(chǔ)能充放電損耗的差別較小，對(duì)能效平衡點(diǎn)計(jì)算結(jié)果影響不大，在計(jì)算瞬時(shí)功率交、直流母線能效平衡點(diǎn)時(shí)可忽略。分別計(jì)算交、直流母線能耗如下:

PRemanent=PAC+PLoss_AC_Load+PDC-PPV

(23)

若PRemanent

(24)

將γTrans代入式(1)計(jì)算可得ηT：

PLoss_DC_Trans=PReηT

(25)

代入式(7)計(jì)算即可得直流母線能耗。

計(jì)算交流母線能耗：

PRemanent=PLoad+PLoss_DC_Load+PLoss_PV-PPV

(26)

若PRemanent

(27)

(28)

PLoss_Sto=PStorageηStoλ

(29)

代入式(6)即可得交流母線能耗。

求解：

PLoss_DC_Bus=PLoss_AC_Bus

(30)

式中，PRemanent為母線剩余功率；PRe為母線與外界交換功率；γSto為儲(chǔ)能換流器負(fù)載率；ηSto為儲(chǔ)能裝置換流器損耗；PStorage為母線上需要增補(bǔ)的能量；PLoss_Sto為母線上儲(chǔ)能裝置交直流交換的損耗。

求解交直流母線能耗轉(zhuǎn)換點(diǎn)，所得散點(diǎn)解，使用Matlab安插值法繪制三維圖形如圖4所示。可見在直流負(fù)荷占比為0的平面上有2條交線，為使光伏安裝比率和儲(chǔ)能最大功率比率均較小時(shí)，平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比最小，選取靠近零點(diǎn)處交線效益更優(yōu)。

圖4 光伏比率、儲(chǔ)能功率比率和直流負(fù)荷占比關(guān)系Fig.4 PV ratio, energy storage power ratio and DC load ratio

臨界線如圖5所示，在該線上，儲(chǔ)能最大功率占比和光伏裝機(jī)容量占比近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，二者之和約為0.90。

圖5 臨界處光伏裝機(jī)容量比率、儲(chǔ)能功率比率關(guān)系Fig.5 Critical PV ratio, energy storage power ratio relationship

可見，在直流負(fù)荷占比為0平衡線上進(jìn)行直流母線配置，可以在較高效益、直流負(fù)荷占比無限制的情況下，保證配置直流母線具有能效優(yōu)勢(shì)。

3 基于時(shí)序的母線及系統(tǒng)規(guī)劃配置

考慮日周期，規(guī)劃設(shè)置交、直流母線在各種母線配置情況下對(duì)母線、系統(tǒng)能效的影響，按江蘇項(xiàng)目數(shù)據(jù)，選擇負(fù)荷典型日曲線如圖6所示，光伏出力典型日曲線如圖7所示。換流器損耗計(jì)算同式(1)。

圖6 負(fù)荷典型日曲線Fig.6 Typical load daily curve

圖7 光伏典型日曲線Fig.7 Typical photovoltaic daily curve

以5 min為采樣間隔進(jìn)行能耗計(jì)算，基于瞬時(shí)計(jì)算，采用二分法用計(jì)算機(jī)分別求解純負(fù)荷配置、增加光伏配置、配合儲(chǔ)能三種情況下日周期內(nèi)的交、直流單母線能效平衡點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 考慮光伏的日周期能效平衡點(diǎn)曲線Fig.8 Diurnal cycle energy efficiency equilibrium curve of photovoltaic is considered

日周期下配置時(shí)，按式(10)對(duì)式(14)、式(20)、式(30)兩端在時(shí)間維度上積分。考慮實(shí)際采樣間隔采用5 min采樣求解如下：

(31)

考慮源-荷-儲(chǔ)配合情況下時(shí)，為了簡化問題，假設(shè)儲(chǔ)能容量充足且儲(chǔ)能單獨(dú)服務(wù)于母線源-荷差值調(diào)節(jié)時(shí)，只考慮儲(chǔ)能最大充放電功率相對(duì)負(fù)荷容量比率，在python中基于建立的各個(gè)數(shù)學(xué)模型，限定光伏裝機(jī)容量為[0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2]，用pandas庫進(jìn)行典型日負(fù)荷、日光伏數(shù)據(jù)的讀??；設(shè)置全局變量進(jìn)行不同配置下交流、直流母線能耗的計(jì)算與累加，并對(duì)交直流母線日損耗能量做差，然后用二分法迭代進(jìn)行交直流能耗平衡點(diǎn)求解，其結(jié)果如圖9所示，圖9中，按箭頭指示方向，從下至上曲線對(duì)應(yīng)的光伏裝機(jī)容量占比分別為1.8、1.6、1.4、1.2、1.0、0.8、0.6，可見日周期下，光伏裝機(jī)容量占比達(dá)到1以上時(shí)，配置儲(chǔ)能才可能將平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比需求降低至0，并且當(dāng)儲(chǔ)能最大充放電容量占比達(dá)1.25以上后增加儲(chǔ)能充放電功率來降低平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比較為不經(jīng)濟(jì)。保持直流負(fù)荷占比不變情況下，當(dāng)光伏裝機(jī)容量占比達(dá)到1.8以上時(shí)，增加光伏裝機(jī)容量占比來減少儲(chǔ)能最大充放電功率投入的作用不大。

圖9 儲(chǔ)能最大功率比率與直流負(fù)荷占比關(guān)系Fig.9 Relationship between maximum power ratio of stored energy and proportion of DC load

圖10為現(xiàn)場兩種不同運(yùn)行方式下的簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，共計(jì)設(shè)置直流母線兩處，交流母線一處，按配置方案進(jìn)行驗(yàn)證。DC375 V母線，配置儲(chǔ)能不配合新能源發(fā)電、直流負(fù)荷占比為1；按此前日曲線研究純負(fù)荷母線配置情況下，該母線配置大于能效平衡點(diǎn)0.96，無論儲(chǔ)能如何配置，設(shè)置直流母線應(yīng)當(dāng)具有能效優(yōu)勢(shì)。經(jīng)計(jì)算設(shè)置的直流母線日損耗約為140.33 kW·h，設(shè)置的交流母線日損耗約為156.14 kW·h，符合預(yù)期。DC750 V母線，配置直流負(fù)荷占比為1，光伏裝機(jī)容量比率為0.233，儲(chǔ)能占比為0.115，經(jīng)比較可見其配置位于此前綜合考慮儲(chǔ)能、光伏、負(fù)荷情況下的能效平衡點(diǎn)之上，配置直流母線能耗應(yīng)低于配置交流母線。經(jīng)計(jì)算得直流母線日損耗為1 649.708 kW·h，交流母線日損耗為2 243.28 kW·h，符合預(yù)期。

AC400 V母線，交流負(fù)荷占比為0，由于地域原因風(fēng)機(jī)發(fā)電量基本可忽略、光熱按光伏計(jì)，由于母線未配置儲(chǔ)能，按考慮光伏日曲線的交直流能效平衡點(diǎn)曲線可知，交流母線能效應(yīng)高于直流。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證,設(shè)置直流母線損耗為497.59 kW·h,設(shè)置交流母線損耗為101.335 kW·h，符合預(yù)期。

對(duì)兩種運(yùn)行方式分別計(jì)算系統(tǒng)能耗，可得工頻變加VSC方案全天候損耗為1 948.79 kW·h，電力電子變壓器方案全天候損耗為824.38 kW·h，可見電力電子變壓器方案能效較優(yōu)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)能效針對(duì)交直流母線配置問題，進(jìn)行交直流母線能效平衡點(diǎn)的研究。根據(jù)江蘇某實(shí)際工程，建立光伏、負(fù)荷數(shù)據(jù)模型，換流器、儲(chǔ)能損耗模型；在瞬時(shí)功率和日周期曲線下，分別在純負(fù)載情況、負(fù)荷-光伏情況及光伏-負(fù)荷-儲(chǔ)能情況下對(duì)交直流母線能耗情況進(jìn)行對(duì)比分析，研究交直流母線能效平衡點(diǎn)位置。最后按實(shí)際工程各直流母線配置對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，并計(jì)算實(shí)際工程不同運(yùn)行方式下的能耗并進(jìn)行對(duì)比，主要得出以下結(jié)論：

圖10 現(xiàn)場運(yùn)行方式簡化拓?fù)鋱D

(1)典型日曲線純負(fù)荷情況下，負(fù)荷利用系數(shù)不過大時(shí)，一般會(huì)存在單個(gè)定直流負(fù)荷占比的交直流母線配置能效平衡點(diǎn)，當(dāng)直流負(fù)荷占比大于該值時(shí)，配置直流母線相對(duì)于配置交流母線具有能效優(yōu)勢(shì)。

(2)典型日曲線光伏接入情況下，當(dāng)光伏比率達(dá)到一定值后交直流能效平衡點(diǎn)處直流負(fù)荷占比可以達(dá)到一個(gè)最低點(diǎn)；在該點(diǎn)處配置光伏裝機(jī)容量以降低直流負(fù)荷占比經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

(3)典型曲線光伏-負(fù)荷-儲(chǔ)能配合情況，儲(chǔ)能容量不限制的情況下，儲(chǔ)能最大充放電功率配置和容量配置對(duì)直流母線能效平衡點(diǎn)處的直流負(fù)荷占比降低，僅起到輔助作用。

(4)獲取基于典型日曲線求解不同配置情景下的交直流母線能效轉(zhuǎn)換點(diǎn)的普適性變量因變量選取和計(jì)算方法，在配置曲線上方時(shí)直流母線能效優(yōu)于交流母線。

本文基于能效對(duì)交直流母線各種配置情況下，考慮瞬時(shí)功率和日周期，以直流負(fù)荷占比為因變量，求解各交直流母線規(guī)劃配置情況下的能效平衡點(diǎn)，在能效平衡點(diǎn)上方時(shí)配置直流母線能效占優(yōu)，否則配置交流母線能效占優(yōu)；并討論了各變量變化情況下的能效平衡點(diǎn)變化趨勢(shì)，為實(shí)際交直流配電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和配置提供依據(jù)。