交直流混合配電網

交直流混合配電網是指交流和直流混合在一起的配電網路。在交流配電網的基礎上建設交直流混合配電網是未來配電網的發展趨勢。然而，直流配電網中分散式電源、儲能裝置等新設備的引入也對能效產生了新的影響。如何評價交直流混合配電網的能效水平是待解決的問題。在國內針對交直流混合配電網的研究剛剛起步，目前相關研究成果主要集中在直流配電網方面。最佳化規劃方面，已有對直流配電網的拓撲、電壓等級、規劃方法、可靠性、經濟性和綜合評估問題的研究。運行調度方面，有學者對直流配電網的潮流計算、電壓分布、含分散式電源的調度等問題進行了研究。控制保護方面，對直流配電網建模、控制策略保護等問題均有相關研究。

基本介紹

• 中文名：交直流混合配電網
• 外文名：Ac/dc hybrid distribution network
• 提出時間：2007年
• 優點：綜合交流與直流優點
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

基本信息

傳統交流配電系統面臨線損高、電能質量擾動、電壓跌落等一系列問題，難以滿足電力用戶日益增長的電力需求。與交流配電網相比，直流供電能有效解決諧波、三相不平衡等電能質量問題，且在改善供電質量方面優勢明顯，但是短時間內還無法完全替代交流配電網。因此，在交流配電網的基礎上建設交直流混合配電網是未來配電網的發展趨勢。然而，直流配電網中分散式電源、儲能裝置等新設備的引入也對能效產生了新的影響。如何評價交直流混合配電網的能效水平是待解決的問題。

國內外發展

目前國內外在交直流混合配電網領域的相關研究及不范工程尚在起步階段，針對直流配電網的研究已有初步成果。在北美，維吉尼亞理工大學CPES中心於2007年提出“Sustainable Building工nitiative (SB工)”計畫，於2010年將其發展為“SBN (SustainableBuilding and Nanogrids) "，並且提出了基於分層互聯交直流子網混合結構概念性網際網路結構。北卡羅萊納州立大學於2011年提出“The Future Renewable ElectricEnergy Delivery and Management CFREEDM)”結構[8]適用於“即插即用”型分散式電源及分散式儲能的交直流混合配電網結構。阿爾伯塔大學於2012年提出了基於變流器的交直流混合配電網結構，給出小信號分析模型並分析其穩定性。

在歐洲，義大利羅馬第二大學和英國諾丁漢大學於2008年針對交直流混合配電網提出“Universal and Flexible Power Management CUN工FLEX-PM)”方案，在各個電網的不同工況下實現能量的雙向流動。羅馬尼亞布加勒斯特理工大學於2007年提出含有替代電源的直流配電網結構，實驗證明該結構提高了電網的運行效率和電能質量。義大利米蘭理工大學提出含有分散式電源的本地直流配電網結構，實現分散式電源、負荷與電網之間能量的雙向流動。

在國內針對交直流混合配電網的研究剛剛起步，目前相關研究成果主要集中在直流配電網方面。最佳化規劃方面，已有對直流配電網的拓撲、電壓等級、規劃方法、可靠性、經濟性和綜合評估問題的研究。運行調度方面，有學者對直流配電網的潮流計算、電壓分布、含分散式電源的調度等問題進行了研究。控制保護方面，對直流配電網建模、控制策略保護等問題均有相關研究。此外，相關“863計畫”項目獲得立項支持，其中山北京市電力公司承擔的“863計畫”項目“交直流混合配電網關鍵技術”於2015年正式啟動，旨在實現面向城市不同供電區域之間柔性直流互聯和交直流混合環網閉環運行控制，從而解決高密度可再生能源接入問題並保障交流配電網可靠性

網架結構

交直流混合配電網網架結構對運行可靠性、靈活性、經濟性等方面都有重要影響。傳統交流配電網的網架結構已經非常成熟，國內外均有相關網架結構標準和案例。目前針對交直流混合配電網網架結構的研究較少，主要研究工作集中在直流配電網的網架結構設計。交直流混合配電網網架結構設計需要綜合考慮現有交流配電網的網架結構和直流配電網的研究成果，提出交直流混合配電網網架結構設計方案。

我國交流配電網中，高壓配電網網架結構主要有鏈式、環網和輻射狀結構;中壓配電網結構主要有雙環式、單環式、多分段適度聯絡和輻射狀結構;低壓配電網一般採用輻射狀結構。10kV配電網結構根據架空網和電纜網的不同可以分為2類:架空網主要包括輻射式接線和多分段適度聯絡接線2種模式;電纜網主要包括單環式接線和雙環式接線2種模式。北京市高壓配電網以環網建設、放射狀運行為主(“手拉手”式網架結構)。巴黎城區的電纜網採用三環網T接或雙環網T接方式;東京22kV電纜網採用主線備用線、環形、點狀網路接線方式;新加坡採用“花瓣式”結構，22kV配電網採用環網連線、並列運行方式〕。

直流配電網網架結構主要有輻射型、兩端供電型和環型直流配電網[33]①輻射型直流配電網山不同電壓等級的直流母線組成骨幹網路，分散式電源、交流負載與直流負載通過電力電子裝置與直流母線相連，其結構簡單，對控制保護要求低，但供電可靠性較低;②兩端供電型直流配電網與輻射型直流配電網相比，當一側電源故障時，可以通過操作聯絡開關，山另一側電源供電，實現負荷轉供，提高整體可靠性;③環型直流配電網相比於兩端供電型直流配電網，可實現故障快速定位、隔離，其運行方式與兩端供電型直流配電網相似，且供電可靠性更高。

根據不同的套用需求，交直流混合配電網可分為含柔性直流裝置的交直流混合配電網與含直流網的交直流混合配電網，前者適用於直流源荷較少的情況，後者更加適合高密度直流源荷接入的情況。含直流網的交直流混合配電網接線模式主要包括輻射型交直流混合配電網(交直流線路間無聯絡)、多分段適度聯絡型交直流混合配電網(交直流線路間有聯絡。

規劃技術

交直流混合配電網的最佳化規劃問題是配電網結構設計階段需要解決的核心問題，對交直流混合配電網的安全、可靠、經濟運行具有重要意義。 目前與交直流混合配電網最佳化規劃相關的研究，主要是基於傳統交流配電網規劃方法的成果，在直流配電網或直流微電網的一些特殊套用場合的規劃問題中進行套用。例如，針對海上風電接入配電網已有相關研究;此外，有學者對孤島直流微電網運行控制進行了相關研究，提出孤島直流微電網的運行方式及控制策略;針對直流微電網提出基於本地電壓分段控制策略的穩定性控制方法;直流微電網的能量協調控制問題。而針對交直流混合配電網的規劃問題，著力解決在城市現有交流配電網中擴建直流子系統(包含柔性直流互聯裝置以及直流線路)的規劃方法，並沒有特別研究其關鍵技術及可行的規劃方法。

基於最佳化問題所需要涉及考慮的最佳化變數、最佳化目標和約束條件3方面內容，交直流混合配電網的規劃模型具有其自身的特徵。

模型的最佳化變數需要擴展考慮直流源、荷以及柔性直流裝置的位置和容量;此外，也可結合交直流混合配電網調度運行方式增加相應的最佳化變數。

交直流混合配電網的最佳化目標依然從經濟性最優、可靠性最優2方面進行評估。經濟性評估主要從全壽命周期內投資成本、運行成本和經濟性評價指標(淨現值、投資回收期等)3方面進行評估。含有柔性直流互聯裝置的交直流混合配電網山於裝置成本占比較大，需要深入討論成本不確定性對經濟性結論的影響，從而調整最佳化規劃目標;含有直流線路的交直流混合配電網山於其基於已有交流配電網進行擴展規劃，通常建設時間較長，且根據直流子系統成熟度的遞增，一般可分為多個建設階段去考慮其經濟性最佳化的規劃目標。交直流混合配電網的可靠性評估需要反映柔性直流設備和網路運行的綜合可靠性，並在直流子系統所能提供的緊急勸率支撐條件下討論其對網路可靠性的提升。

黃仁樂. 交直流混合配電網關鍵技術研究[J]. 電力建設, 2015, 36(1):1-1.
尹忠東, 王超. 分散式風電接入交直流混合配電網的研究[J]. 電力建設, 2016, 37(5):63-68.
孫國萌, 齊琛, 韓蓓,等. 交直流混合配電網規劃運行關鍵技術研究[J]. 供用電, 2016, 33(8):7-17.
張學, 裴瑋, 鄧衛,等. 交直流混合配電網的運行模式和協調控制方法[J]. 供用電, 2016, 33(8):27-31.

控制策略

多端柔性直流配電網將是構建交直流混合配電網的重要組成部分，其可靠的協調控制策略是交直流混合配電網能夠正常運行的重要保障。多端柔性直流配電網的運行控制通常採用分層的形式，分為系統級控制以及換流站級控制，其中系統級控制實現直流電網的功率平衡和電壓穩定，換流站級控制實現各個換流站快速跟隨上級運行指令，並調整其運行點。系統級控制、換流站級控制與調度級控制共同構成了交直流混合配電網的調度控制系統。

經濟性評估

經濟性評估環節，是減少和避免交直流混合配電網建設項目決策失誤並提高項目經濟效益的重要手段。

傳統的交直流混合經濟性評估方法主要包括確定性評估方法及不確定性評估方法。確定性評估方法主要包括靜態評估法和動態評估法:靜態評估法在評價工程項目投資的經濟效果時，不考慮資金的時間價值，比較簡單直觀，但也未考慮工程項目在使用期內收益和費用的變化及各方案使用壽命的差異;動態評估法考慮了資金的時間因素，比較符合資金的動態規律，因而給出的經濟性評價更符合實際，主要包括淨現值法、內部收益率法、動態投資回收期法和費用現值比較法。

在交直流混合配電網經濟性評估中，可以採用靜態評估對交直流混合配電網的經濟性進行初步預估計，但其結果不能用於實際論證。動態評價法雖然考慮了資金的時間價值，但交直流混合配電網中技術經濟變數的不確定性較大，動態評估法也不能保證評估結果的準確性。