交直流混合配电网国内外发展

国内外在交直流混合配电网领域的相关研究及不范工程尚在起步阶段，针对直流配电网的研究已有初步成果。在北美，弗吉尼亚理工大学CPES中心于2007年提出“Sustainable Building工nitiative (SB工)”计划，于2010年将其发展为“SBN (SustainableBuilding and Nanogrids) "，并且提出了基于分层互联交直流子网混合结构概念性互联网络结构。北卡罗莱纳州立大学于2011年提出“The Future Renewable ElectricEnergy Delivery and Management CFREEDM)”结构[8]适用于“即插即用”型分布式电源及分布式储能的交直流混合配电网结构。阿尔伯塔大学于2012年提出了基于变流器的交直流混合配电网结构，给出小信号分析模型并分析其稳定性。

在欧洲，意大利罗马第二大学和英国诺丁汉大学于2008年针对交直流混合配电网提出“Universal and Flexible Power Management CUN工FLEX-PM)”方案，在各个电网的不同工况下实现能量的双向流动。罗马尼亚布加勒斯特理工大学于2007年提出含有替代电源的直流配电网结构，实验证明该结构提高了电网的运行效率和电能质量。意大利米兰理工大学提出含有分布式电源的本地直流配电网结构，实现分布式电源、负荷与电网之间能量的双向流动。

在国内针对交直流混合配电网的研究刚刚起步 ，相关研究成果主要集中在直流配电网方面。优化规划方面，已有对直流配电网的拓扑、电压等级、规划方法、可靠性、经济性和综合评估问题的研究。运行调度方面，有学者对直流配电网的潮流计算、电压分布、含分布式电源的调度等问题进行了研究。控制保护方面，对直流配电网建模、控制策略保护等问题均有相关研究。此外，相关“863计划”项目获得立项支持，其中山北京市电力公司承担的“863计划”项目“交直流混合配电网关键技术”于2015年正式启动，旨在实现面向城市不同供电区域之间柔性直流互联和交直流混合环网闭环运行控制，从而解决高密度可再生能源接入问题并保障交流配电网可靠性

传统交流配电系统面临线损高、电能质量扰动、电压跌落等一系列问题，难以满足电力用户日益增长的电力需求。与交流配电网相比，直流供电能有效解决谐波、三相不平衡等电能质量问题，且在改善供电质量方面优势明显，但是短时间内还无法完全替代交流配电网。因此，在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网是未来配电网的发展趋势。然而，直流配电网中分布式电源、储能装置等新设备的引入也对能效产生了新的影响。如何评价交直流混合配电网的能效水平是待解决的问题 。

交直流混合配电网网架结构对运行可靠性、灵活性、经济性等方面都有重要影响。传统交流配电网的网架结构已经非常成熟，国内外均有相关网架结构标准和案例。针对交直流混合配电网网架结构的研究较少，主要研究工作集中在直流配电网的网架结构设计。交直流混合配电网网架结构设计需要综合考虑现有交流配电网的网架结构和直流配电网的研究成果，提出交直流混合配电网网架结构设计方案。

我国交流配电网中，高压配电网网架结构主要有链式、环网和辐射状结构;中压配电网结构主要有双环式、单环式、多分段适度联络和辐射状结构;低压配电网一般采用辐射状结构。10kV配电网结构根据架空网和电缆网的不同可以分为2类:架空网主要包括辐射式接线和多分段适度联络接线2种模式;电缆网主要包括单环式接线和双环式接线2种模式。北京市高压配电网以环网建设、放射状运行为主(“手拉手”式网架结构)。巴黎城区的电缆网采用三环网T接或双环网T接方式;东京22kV电缆网采用主线备用线、环形、点状网络接线方式;新加坡采用“花瓣式”结构，22kV配电网采用环网连接、并列运行方式〕 。

直流配电网网架结构主要有辐射型、两端供电型和环型直流配电网[33]①辐射型直流配电网山不同电压等级的直流母线组成骨干网络，分布式电源、交流负载与直流负载通过电力电子装置与直流母线相连，其结构简单，对控制保护要求低，但供电可靠性较低;②两端供电型直流配电网与辐射型直流配电网相比，当一侧电源故障时，可以通过操作联络开关，山另一侧电源供电，实现负荷转供，提高整体可靠性;③环型直流配电网相比于两端供电型直流配电网，可实现故障快速定位、隔离，其运行方式与两端供电型直流配电网相似，且供电可靠性更高。

根据不同的应用需求，交直流混合配电网可分为含柔性直流装置的交直流混合配电网与含直流网的交直流混合配电网，前者适用于直流源荷较少的情况，后者更加适合高密度直流源荷接入的情况。含直流网的交直流混合配电网接线模式主要包括辐射型交直流混合配电网(交直流线路间无联络)、多分段适度联络型交直流混合配电网(交直流线路间有联络。

交直流混合配电网的优化规划问题是配电网结构设计阶段需要解决的核心问题，对交直流混合配电网的安全、可靠、经济运行具有重要意义。 与交直流混合配电网优化规划相关的研究，主要是基于传统交流配电网规划方法的成果，在直流配电网或直流微电网的一些特殊应用场合的规划问题中进行应用。例如，针对海上风电接入配电网已有相关研究;此外，有学者对孤岛直流微电网运行控制进行了相关研究，提出孤岛直流微电网的运行方式及控制策略;针对直流微电网提出基于本地电压分段控制策略的稳定性控制方法;直流微电网的能量协调控制问题。而针对交直流混合配电网的规划问题，着力解决在城市现有交流配电网中扩建直流子系统(包含柔性直流互联装置以及直流线路)的规划方法，并没有特别研究其关键技术及可行的规划方法 。

基于优化问题所需要涉及考虑的优化变量、优化目标和约束条件3方面内容，交直流混合配电网的规划模型具有其自身的特征。

模型的优化变量需要扩展考虑直流源、荷以及柔性直流装置的位置和容量;此外，也可结合交直流混合配电网调度运行方式增加相应的优化变量。

交直流混合配电网的优化目标依然从经济性最优、可靠性最优2方面进行评估。经济性评估主要从全寿命周期内投资成本、运行成本和经济性评价指标(净现值、投资回收期等)3方面进行评估。含有柔性直流互联装置的交直流混合配电网山于装置成本占比较大，需要深入讨论成本不确定性对经济性结论的影响，从而调整优化规划目标;含有直流线路的交直流混合配电网山于其基于已有交流配电网进行扩展规划，通常建设时间较长，且根据直流子系统成熟度的递增，一般可分为多个建设阶段去考虑其经济性优化的规划目标。交直流混合配电网的可靠性评估需要反映柔性直流设备和网络运行的综合可靠性，并在直流子系统所能提供的紧急劝率支撑条件下讨论其对网络可靠性的提升。

黄仁乐. 交直流混合配电网关键技术研究[J]. 电力建设, 2015, 36(1):1-1.

尹忠东, 王超. 分布式风电接入交直流混合配电网的研究[J]. 电力建设, 2016, 37(5):63-68.

孙国萌, 齐琛, 韩蓓,等. 交直流混合配电网规划运行关键技术研究[J]. 供用电, 2016, 33(8):7-17.

张学, 裴玮, 邓卫,等. 交直流混合配电网的运行模式和协调控制方法[J]. 供用电, 2016, 33(8):27-31.

多端柔性直流配电网将是构建交直流混合配电网的重要组成部分 ，其可靠的协调控制策略是交直流混合配电网能够正常运行的重要保障。多端柔性直流配电网的运行控制通常采用分层的形式，分为系统级控制以及换流站级控制，其中系统级控制实现直流电网的功率平衡和电压稳定，换流站级控制实现各个换流站快速跟随上级运行指令，并调整其运行点。系统级控制、换流站级控制与调度级控制共同构成了交直流混合配电网的调度控制系统。

经济性评估环节，是减少和避免交直流混合配电网建设项目决策失误并提高项目经济效益的重要手段。

传统的交直流混合经济性评估方法主要包括确定性评估方法及不确定性评估方法。确定性评估方法主要包括静态评估法和动态评估法:静态评估法在评价工程项目投资的经济效果时，不考虑资金的时间价值，比较简单直观，但也未考虑工程项目在使用期内收益和费用的变化及各方案使用寿命的差异;动态评估法考虑了资金的时间因素，比较符合资金的动态规律，因而给出的经济性评价更符合实际，主要包括净现值法、内部收益率法、动态投资回收期法和费用现值比较法 。

在交直流混合配电网经济性评估中，可以采用静态评估对交直流混合配电网的经济性进行初步预估计，但其结果不能用于实际论证。动态评价法虽然考虑了资金的时间价值，但交直流混合配电网中技术经济变量的不确定性较大，动态评估法也不能保证评估结果的准确性。2100433B

交直流混合微电网稳定性

电力系统的稳定性是指特定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，重新恢复运行平衡状态的能力，根据性质的不同主要分为功角稳定、电压稳定和频率稳定。相比于传统电网，交直流混合微电网，增加了直流子微电网的稳定性问题，主要是电压稳定问题。同时大量DG的不确定性影响和大量电力电子装置导致的低惯量性都导致交直流混合微电网的抗干扰能力减弱，系统稳定性问题更加复杂。

交直流混合微电网的稳定性问题可对并网运行模式和孤岛运行模式分别进行分析：并网模式下，由于大电网的支撑作用，主要考虑直流子微电网母线电压稳定问题，通过对应控制方法实现电压稳定；孤岛模式下则既要考虑直流子微电网的电压稳定问题，又要考虑交流子微电网的电压、频率、功角稳定问题。国内外对交直流微电网稳定性的综合研究较少，主要涉及微电网的小信号干扰稳定、暂态稳定，主要保持电压和频率的稳定。但是，国内外研究主要采用简化的DG和负荷模型，忽略了DG的多样性和波动性以及非线性负荷和感应电动势负荷的影响，缺少对交直流混合微电网稳定性判据的建立。

交直流混合微电网可靠性

电力系统的可靠性评估分为发电系统可靠性评估、输电系统可靠性评估和配电系统可靠性评估。与传统的电力系统相比，交直流混合微电网由于大量DG的接入，使其可靠性评估相比传统电力系统更加复杂，主要集中在发电系统可靠性评估和配电系统可靠性评估，以及可靠性评估指标等方面。

国内外对交直流微电网可靠性研究还处于起步阶段，主要集中在DG可靠性模型的建立含DG微电网的可靠性评估、含DG的配电网可靠性评估书以及新的可靠性指标的提出等。研究内容侧重于微网中的DG和负荷，缺少对微电网内部结构和大量复杂源、储、负荷的考虑。同时，对于交直流混合微电网，交流子微电网和直流子微电网2个系统的互联也使可靠性的分析难度增大，国内外研究也相对较少。

交直流混合微电网安全性

电力系统的安全性是指电力系统突然发生扰动(例如突然短路或非计划失去电力系统元件)时不间断地向用户提供电力和电量的能力。与传统电网相比，交直流混合微电网因其环境的复杂性、DG出力的不确定性、负荷的随机性等，安全性评估在安全性影响因素的分析、评价指标(内部网架结构、容量、电压、频率，DG的出力等)的选择方面更加困难。

国内外对于交直流混合微电网安全性研究的文章相当缺乏，少数涉及综合评价体系与独立微电网安全性分析。独立微电网的综合评价方法主要有主观赋权评价法(层次分析法、模糊综合评价法、德尔菲法等)、客观赋权法(嫡权法、灰色关联度分析法、TOPSIS评价法、神经网络等)和组合方法。

交直流混合微电网的安全性研究是交直流混合微电网实现的必要条件，因此安全性评估仍需要大量的研究工作。

交直流混合微电网经济性

交直流混合微电网除了要考虑其稳定性、可靠性和安全性，还需要分析其经济性指标。经济性评估主要分为3个方面：微电网规划设计阶段的经济性评估、微电网运行时的最优化管理和微电网优化调度问题。微电网规划设计阶段的经济性评估分析主要通过投入产出法、全生命周期和区间分析法来考虑成本指标(等年值设备投资费用、等年值运行维护费用等)和效益指标(利润净现值、投资回收期等)。微电网运行最优化管理主要通过目标函数(利润、最低成本等)和约束函数的建立，来管理系统的功率潮流；微电网的优化调度问题除了需要考虑发电成本问题，还需要结合大电网的实时电价、DG的出力不稳定性和机组组合的环境效益，增加了电网调度的难度。

国内外对微电网规划设计阶段的经济评估研究比较少，主要采用全生命周期分析法分析其规划效益；而交直流混合微电网优化管理与优化调度研究相对比较丰富。优化调度主要涉及交直流混合微电网孤岛运行模式的经济调度、多目标问题的处理和约束条件的线性化、负荷角度的优化等方面的研究，但其内容侧重于算法的改进与模型的搭建，所设计的网络结构也较为单一，未考虑交流微电网与直流微电网的互联等问题。

交直流混合微电网的性能评估伴随着网络拓扑设计与容量配置，根据不同的性能要求设置合理的稳定性、可靠性、安全性与经济性权重因子，来构建交直流微电网以满足电力需求。

随着DG、储能装置和直流负荷的逐步渗透与现有交流系统的广泛存在，交直流混合微电网将是今后发展的必然趋势。主要分析交直流混合微电网中现存的问题并对未来进行展望。

(1)现有的交直流混合微电网研究主要针对典型的交直流混合微电网结构，未来的交直流混合微电网中将包含多条不同等级的交流母线和直流母线，多条母线之间的协调控制与功率管理将是今后研究的热点问题。

(2)未来的交直流混合微电网中，连接DG的电力电子装置、储能装置以及非线性负荷等导致的电能质量问题是一个重要课题。谐波、三相不平衡和电压的凹陷/膨胀等问题在配电网中备受关注，不久的将来电能质量问题将更加严峻。因此，研究辅助装置(如无功补偿，电压不平衡补偿，谐波补偿，功率因数校正等)在交直流混合微电网中的应用将是未来研究的新方向。

(3)经济性能是交直流混合微电网设计与运行的重要指标，虽然微电网相比于传统电网，在某些地区由于成本更高、用电需求多变等因素，经济性欠佳，但是随着大电网的支持作用与辅助装置成本的降低，交直流混合微电网具有更大的发展前景。不过，经济风险问题是大规模微电网渗透所需解决的必要因素。

(4)电源管理系统与单元控制策略需要确保交直流混合微电网在并网、孤岛与瞬时切换3种状态下都能稳定运行，尤其是并网和孤岛运行模式之间的过渡应该无缝和光滑。其次，需求侧响应与大电网的多时段电价等市场条件都对交直流混合微电网的运行产生不同的影响。研究主要针对某一方面调研，实际的微电网运行是一个长期的综合过程，因此，未来的研究应充分考虑多种因素。

(5)交直流混合微电网的自治管理离不开相应的通讯系统。己有的交直流混合微电网都采用简单的集中通讯或分布式通讯系统，但对其通讯系统未深入探讨。通讯系统的可靠性、安全性、鲁棒性和经济性是选择通讯技术和设计通讯拓扑需进一步考虑与研究的课题。

(6)交直流混合微电网的应用离不开保护装置的成熟应用，然而现阶段的交直流混合微电网的保护技术研究才处于起步阶段，开发具有灵活可靠的直流断路器成为未来研究的重点。2100433B

交直流混合微电网的运行控制相比于单一直流微电网或者交流微电网而言，除了复杂的发电单元、储能单元和交/直流负荷单元的控制方法，直流母线与交流母线之间的双向变换器的功率流动也成为研究重点。

交直流混合微电网单元控制方法

单元控制方法，主要指交直流混合微网中的DG、储能装备和负荷的控制运行方式。DG主要有光伏电池、风机等不确定性源和燃料电池、小燃机等稳定性源，电源的控制方式按照交直流混合微电网设计的理念，有提高可再生能源利用率的最大功率跟踪控制，维持系统某一参数(如电压、频率)的V /F控制、PQ控制，自主分配、自主管理能实现即插即用的Droop控制等方法。储能设备主要有电池、飞轮等，储能设备的控制方法往往与系统的能量管理方法相结合，以辅助其他DG协同工作。在交直流混合微电网现有研究中，电池储能是常用的手段，其控制方法需考虑蓄电池的充放电状态、电池的寿命等要素。现阶段对负荷单元的控制研究比较少，主要集中在插入式电动车和电动飞机、负荷特性、需求响应等方面，同时为提高可再生能源的利用率，主动负荷响应的控制方法应运而生。

交直流混合微电网电源管理系统

DG间的协调控制策略是交直流混合微电网在并网模式与孤岛模式下良好运行的关键。在交直流混合微电网中，协调控制策略主要有能量管理和电源管理2种管理方式在控制任务与时间长度上有所区别，前者是长期的电能输出以最优的方式满足需求，而后者则是侧重短期的电源、储能与负荷之间的协调工作，实现电源之间的实时调度。