交直流混合微电网的规划设计

王红阳

（河南开封供电公司，开封 475000）



交直流混合微电网的规划设计

王红阳

（河南开封供电公司，开封 475000）

摘 要：由于交直流混合微电网可以减少多重变换器运行所产生的损耗、谐波电流，同时能够提高系统的经济性、可靠性，所以现在已成为当今微电网的主要发展方向。笔者将从电压等级、接地方式、母线结构和网络拓扑等角度，探讨交直流混合微电网的规划设计，以供有意对交直流混合微电网进行深入研究的专家学者参考。

关键词：交直流混合微电网 规划设计 网络拓补 示范工程

前言

目前，社会在能源需求不断增加的同时，环境保护的概念越来越强烈。结合电网结构在发展过程中的一些问题，微电网作为一种新型模式不断发展起来。微电网从供电方式以及网架结构的角度进行分类，有交流微电网、直流微电网以及交直流混合微电网三种类型。交直流混合微电网是当前发展环境下最主流的一种。虽然其运用广泛，但是分布式电源并联接入时带来的谐振、谐波等问题还需得到进一步分析研究来解决。和交流微电网相比，直流微电网的优势主要在于不需考虑各DG之间的同步问题。因此，可以看出，直流微电网的优势主要体现在环流抑制上。另外，直流微电网的另一个优点是，它只需要在和主网连接的地方应用逆变器即可，使得系统成本包括相关损耗降低。

现在，智能电网正在以其可持续性以及对环境的改善作用，作为当今社会提供高质量的、可靠电能的建设理念，获得了人们的认可。其特点主要在于能够便捷地将不同的储能系统、交直流发电系统以及不同的交直流负载进行连接，从而使运行效率达到最大化。直流微电网以及交流微电网在这种背景下，则有明显的不足之处。因此，为了降低纯粹的交流、直流微电网在实际运用中的多种弊端，交直流混合微电网应运而生。

1 交直流混合微电网的电压等级分类

1.1 交流子微电网电压等级

目前，交流微电网并没有严格固定的电压等级相关标准。所以，分布式电源容量是目前部分微电网工程圈定电压等级的主要判断标准。主要有以下几点：如果电源的总容量在0.2MW及以下，那么并网电压就要处在0.4KV水平；如果电源的总容量是0.2MW到8MW之间，那么并网电压就要处在10KV水平；在并网电压处于35KV时，电源总容量是在8MW到30MW之间；当网电压就要处于110KV水平时，其电源总容量则需要在30MW及以上。

1.2 直流子微电网的电压等级分类

目前，在国内电力企业中，微电网还处理发展研究阶段，因此还需要进一步加强相关研究。国外较为典型的直流微电网所应用的电压等级可以用来参考与借鉴。目前，DC48V为全球众多国家通信系统的统一电源标准；而在日本相关研究团队中，正在对直流微电网的各种情况及数据进行相关实验，主要是经配变6.6KV/200V，通过双向变流器可转换成DC48V。目前，220V是我国使用的唯一单相电压有效值，而390V则为我国的三相电压有效值，220～400V则是直流母线的电压范围。目前，380V是得到了国际相关标准认可的电压。这项标准确定的根据来自美国数据中心的直流配电，而且进行了严密的可行性研究，符合我国居民直流供电系统。

2 交直流混合微电网的母线结构

交流微电网母线结构是由单母线、单母分段、双母线等多种接线方式完成的，与交流配电网的连接方式很相像。通常而言，直流微电网的母线结构不同于交流微电网的母线结构。直流微电网母线的结构包括单母线结构、双母线结构、双层式母线结构以及冗余式母线结构。

2.1 单母线结构

一般来说，单母线结构的直流微电网和现存的交流接线板等相关的转接设备都可兼容。假如给低压设备供电，如计算机，那么变流器的电压应力就会增大。考虑到这种情况，在进行输电时，应该对每个低压电子设备配置电源适配器。

2.2 双层式母线结构

双层式母线结构是利用分层设计的原理重新调整了单母线结构。一般来说，一级母线的电压比较高，二级母线的电压比较低。双层式母线结构主要是运用当住宅流入高直流电压等级的母线后，高直流电压通过变换器进行转化，从而转换为较低的电压等级。相比而言，这种双层式母线结构更加适用含有多种电压等级的电力设备。

2.3 双母线结构

实现与目前存在的转接设备的相互兼容，同时也能够完成较为复杂的电力输送工作，即完成较高程度的工作是具备双母线结构的直流微电网的重要特点之一。但是，这种结构存在着一定的缺点。在电源侧变流器具体运作时，主从母线之间电压关系需要通过均衡才能完成工作。所以，在具体设备如储能装置、连接电网与分布式电源的变流器拓扑和传统拓扑结构上，都有具体的不同之处。

2.4 冗余式的母线结构

通常情况下，冗余式的母线结构会运用在要求较高质量的电能的配电区，如飞机、船舶、数据中心等相应的供电系统。一般情况下，施工人员会采取通过使用两条母线的方法来确保供电的可靠性，其中一条是带电的，另一条则为备用的。当然，虽然这种方法提高了母线结构的可靠性，但同时也增加了相应的投资成本。

3 交直流混合微电网的接地方式

一般来说，系统的性能、相应的保护方案的配置都会受到微电网接地方式的影响，且影响程度很大。笔者认为，更合适的方法是通过使用变压器，将交直流混合微电网分别转换成交、直流。不同的接地方式存在着不同的、相对应的优点和缺点。在进行具体接地模式选择时，微电网需要考虑所连低压配电网接地方式的同时，还需根据特定微电网的特征及要求进行选择。

对于微电网而言，我国交流低压配电系统中多运用的接地方式，其主要目的在于考虑用电的安全问题在电负荷之内。但是，在外馈线的问题上却不需要这方面的考虑。因此，其用电、配电的安全性以及经济性是当前需要研究和考虑的主要影响因素。所以，更加合理的接地方式为交流子微电网的接地方式。

有关仿真结果表明，对微电网不同的运行模式——孤岛和并网，TN-C-S系统更加适合微电网的接地型式。究其原因，主要在于微电网接地方式的故障电流非常大，能够有效、及时地启动相应的过电流保护装置。同时，IT与TT两种方式的故障电流比较小。因此，在实际使用过程中，很难迅速地启动过电流保护装置。此外，一般情况下，TNC-S系统中设备接触的电压大都比较低，所以能够充分保证低压用户的用电安全。

4 交直流混合微电网网络拓扑

常规情况下，微电网根据其网络拓扑结构的不同，主要可以分为分负荷的类型、微电网并网接口以及布式电源等。另外，微电网的关键问题在于解决电压稳定性、潮流控制能力以及解列时负荷分配、稳定性上的相关问题。因此，通过规范科学的微电网拓扑结构调整，一定程度上可以有效提高将微电网接入中低压配电网的灵活程度与可靠程度。通常，大多数交流微电网的网架结构具有相似性，都是运用辐射状网架。储能装置、DG等被连接到交流母线中时，一般也都是通过电力电子装置。开关控制则是通过公共连接点进行的。这样就实现了微电网并网运行和孤岛运行两种模式之间的有效转换。

直流微电网的拓扑结构有三种，分别是双端供电式、单端供电式和环网供电式。单端供电式结构较多地被运用于负荷较低的场所。双端供电式则一般运用在飞机供电系统、船舶电力系统与电力牵引供电系统等要求有较高负荷供电可靠性的场所。而环网供电结构的系统，相较而言，其前期投资很大，具有供电范围广、可靠性高等诸多优势。另外，这种系统也存在着诸多缺点，如系统控制难度大、网络结构复杂、故障识别以及保护配合难度相对较大等问题。

交直流混合微电网网络拓扑是在交直流混合微电网母线结构基础上设计的。对电源、接地保护和负荷等相关装置的接入进行设计时，一般会按照交、直流子微电网的拓扑设计进行。这种设计理念，不仅包含直流母线，其次交流母线也涵盖其中，能够通过相关设备直接向直流负荷供电，且能够直接向交流负荷供电。

在交流子系统运行中，风机、燃气轮机是系统的供电微源。而飞轮储则以交流侧储能装置进行工作，主要是平抑系统功率的波动。蓄电池储则可以平抑可再生能源功率的波动，风机、光伏等一系列可再生能源能够供电给直流子系统，使直流母线电压保持平衡、稳定。功率交换系统的构成部分为两个双向AC/DC的变换器，其中一个供电之用，另一个则是备用。这种设计理念能够实现交、直流侧功率的双向流动。整体的交、直流混合微电网能够单独通过交流子系统、直流子系统来运行，或以交直流两系统联动运行的模式运行。常规状态下，交直流混合微电网可以在保持并网接口控制的具体情况下，进行并网模式与孤岛模式之间的模式切换。此外，它和交流微电网及直流微电网还有一点存在区别，即交直流混合微电网可以通过直流侧并网，还可以用交流侧进行并网。微电网在具体因素影响下可通过交流侧并入大电网，主要根据以下因素决定：并网要求、微电网接入系统的基本要求、继电保护、电能质量、微网解列、电压调节、并网监测、功率控制、电能计量以及通信因素。

5 总结

在我国，对交直流混合微电网规划设计的研究仍然处在初期阶段，还有大量理论和技术问题需要解决。比如，兼顾运行可靠性与经济性的直流子微电网接地方式的研究；不同的电压等级、不同容量交直流混微电网拓扑结构的相关研究；对规模化工业级交直流混合微电网的相关研究；关于交直流混合微电网的储能设备的优化选择、容量配备的研究等等。因此，微电网作为智能电网发展阶段的主要模式之一，还需要进一步加强分析研究，以保证智能电网的发展，促进电力行业持续稳定的发展，努力推进社会快速发展，确保人们生活用电的便捷以及生产用电的供给，同时提高电力企业的运营效率与服务质量。

参考文献

[1]王峥，梁伟，陈思佳，韩亮，王守相.分布式电源接入城市配电网规则分析[J].中国电力，2013，（7）：43-46.

[2]周金辉，葛晓慧.直流微电网供电模式研究初探[J].浙江电力.2013，（4）：6-9.

[3]卢文华，姚伟，罗吉，程卓，程军照，章萍华，李澍森，王少荣.微电网接地方式比较研究[J].电力系统保护与控制，2012，（19）：103-109.

[4]黄文焘，邰能灵，范春菊，兰森林，唐跃中，钟勇.微电网结构特性分析与设计[J].电力系统保护与控制，2012，（18）：149-155.

Micro Analyses AC/DC Hybrid Power Grid Planning and Design

WANG HongYang
(Henan kaifeng power supply company,Kaifeng 475000)

Abstract:Due to micro AC/DC hybrid power grid can reduce multiple converter loss, harmonic current generated by the operation, at the same time can improve the efficiency of system, the reliability, so now it is the main direction of micro grid today. Grounding method, the author will from voltage grade, bus structure and network topology of micro AC/DC hybrid power grid planning and design were discussed, for the intention to conduct the thorough research to the micro AC/DC hybrid power grid in the experts and scholars to provide the reference.

Key words:Micro AC/DC hyb rid power grid,Planning and design,The network topology,demonstration project