交直流混合微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

王紅陽

（河南開封供電公司，開封 475000）

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交直流混合微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

王紅陽

（河南開封供電公司，開封 475000）

摘 要：由于交直流混合微電網(wǎng)可以減少多重變換器運(yùn)行所產(chǎn)生的損耗、諧波電流，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性，所以現(xiàn)在已成為當(dāng)今微電網(wǎng)的主要發(fā)展方向。筆者將從電壓等級、接地方式、母線結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞冉嵌?，探討交直流混合微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，以供有意對交直流混合微電網(wǎng)進(jìn)行深入研究的專家學(xué)者參考。

關(guān)鍵詞：交直流混合微電網(wǎng) 規(guī)劃設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ) 示范工程

前言

目前，社會在能源需求不斷增加的同時(shí)，環(huán)境保護(hù)的概念越來越強(qiáng)烈。結(jié)合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在發(fā)展過程中的一些問題，微電網(wǎng)作為一種新型模式不斷發(fā)展起來。微電網(wǎng)從供電方式以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分類，有交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)以及交直流混合微電網(wǎng)三種類型。交直流混合微電網(wǎng)是當(dāng)前發(fā)展環(huán)境下最主流的一種。雖然其運(yùn)用廣泛，但是分布式電源并聯(lián)接入時(shí)帶來的諧振、諧波等問題還需得到進(jìn)一步分析研究來解決。和交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢主要在于不需考慮各DG之間的同步問題。因此，可以看出，直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在環(huán)流抑制上。另外，直流微電網(wǎng)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，它只需要在和主網(wǎng)連接的地方應(yīng)用逆變器即可，使得系統(tǒng)成本包括相關(guān)損耗降低。

現(xiàn)在，智能電網(wǎng)正在以其可持續(xù)性以及對環(huán)境的改善作用，作為當(dāng)今社會提供高質(zhì)量的、可靠電能的建設(shè)理念，獲得了人們的認(rèn)可。其特點(diǎn)主要在于能夠便捷地將不同的儲能系統(tǒng)、交直流發(fā)電系統(tǒng)以及不同的交直流負(fù)載進(jìn)行連接，從而使運(yùn)行效率達(dá)到最大化。直流微電網(wǎng)以及交流微電網(wǎng)在這種背景下，則有明顯的不足之處。因此，為了降低純粹的交流、直流微電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)用中的多種弊端，交直流混合微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 交直流混合微電網(wǎng)的電壓等級分類

1.1 交流子微電網(wǎng)電壓等級

目前，交流微電網(wǎng)并沒有嚴(yán)格固定的電壓等級相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。所以，分布式電源容量是目前部分微電網(wǎng)工程圈定電壓等級的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)。主要有以下幾點(diǎn)：如果電源的總?cè)萘吭?.2MW及以下，那么并網(wǎng)電壓就要處在0.4KV水平；如果電源的總?cè)萘渴?.2MW到8MW之間，那么并網(wǎng)電壓就要處在10KV水平；在并網(wǎng)電壓處于35KV時(shí)，電源總?cè)萘渴窃?MW到30MW之間；當(dāng)網(wǎng)電壓就要處于110KV水平時(shí)，其電源總?cè)萘縿t需要在30MW及以上。

1.2 直流子微電網(wǎng)的電壓等級分類

目前，在國內(nèi)電力企業(yè)中，微電網(wǎng)還處理發(fā)展研究階段，因此還需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)研究。國外較為典型的直流微電網(wǎng)所應(yīng)用的電壓等級可以用來參考與借鑒。目前，DC48V為全球眾多國家通信系統(tǒng)的統(tǒng)一電源標(biāo)準(zhǔn)；而在日本相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)中，正在對直流微電網(wǎng)的各種情況及數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，主要是經(jīng)配變6.6KV/200V，通過雙向變流器可轉(zhuǎn)換成DC48V。目前，220V是我國使用的唯一單相電壓有效值，而390V則為我國的三相電壓有效值，220～400V則是直流母線的電壓范圍。目前，380V是得到了國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的電壓。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)確定的根據(jù)來自美國數(shù)據(jù)中心的直流配電，而且進(jìn)行了嚴(yán)密的可行性研究，符合我國居民直流供電系統(tǒng)。

2 交直流混合微電網(wǎng)的母線結(jié)構(gòu)

交流微電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)是由單母線、單母分段、雙母線等多種接線方式完成的，與交流配電網(wǎng)的連接方式很相像。通常而言，直流微電網(wǎng)的母線結(jié)構(gòu)不同于交流微電網(wǎng)的母線結(jié)構(gòu)。直流微電網(wǎng)母線的結(jié)構(gòu)包括單母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)、雙層式母線結(jié)構(gòu)以及冗余式母線結(jié)構(gòu)。

2.1 單母線結(jié)構(gòu)

一般來說，單母線結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)和現(xiàn)存的交流接線板等相關(guān)的轉(zhuǎn)接設(shè)備都可兼容。假如給低壓設(shè)備供電，如計(jì)算機(jī)，那么變流器的電壓應(yīng)力就會增大?？紤]到這種情況，在進(jìn)行輸電時(shí)，應(yīng)該對每個低壓電子設(shè)備配置電源適配器。

2.2 雙層式母線結(jié)構(gòu)

雙層式母線結(jié)構(gòu)是利用分層設(shè)計(jì)的原理重新調(diào)整了單母線結(jié)構(gòu)。一般來說，一級母線的電壓比較高，二級母線的電壓比較低。雙層式母線結(jié)構(gòu)主要是運(yùn)用當(dāng)住宅流入高直流電壓等級的母線后，高直流電壓通過變換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而轉(zhuǎn)換為較低的電壓等級。相比而言，這種雙層式母線結(jié)構(gòu)更加適用含有多種電壓等級的電力設(shè)備。

2.3 雙母線結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)與目前存在的轉(zhuǎn)接設(shè)備的相互兼容，同時(shí)也能夠完成較為復(fù)雜的電力輸送工作，即完成較高程度的工作是具備雙母線結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)的重要特點(diǎn)之一。但是，這種結(jié)構(gòu)存在著一定的缺點(diǎn)。在電源側(cè)變流器具體運(yùn)作時(shí)，主從母線之間電壓關(guān)系需要通過均衡才能完成工作。所以，在具體設(shè)備如儲能裝置、連接電網(wǎng)與分布式電源的變流器拓?fù)浜蛡鹘y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，都有具體的不同之處。

2.4 冗余式的母線結(jié)構(gòu)

通常情況下，冗余式的母線結(jié)構(gòu)會運(yùn)用在要求較高質(zhì)量的電能的配電區(qū)，如飛機(jī)、船舶、數(shù)據(jù)中心等相應(yīng)的供電系統(tǒng)。一般情況下，施工人員會采取通過使用兩條母線的方法來確保供電的可靠性，其中一條是帶電的，另一條則為備用的。當(dāng)然，雖然這種方法提高了母線結(jié)構(gòu)的可靠性，但同時(shí)也增加了相應(yīng)的投資成本。

3 交直流混合微電網(wǎng)的接地方式

一般來說，系統(tǒng)的性能、相應(yīng)的保護(hù)方案的配置都會受到微電網(wǎng)接地方式的影響，且影響程度很大。筆者認(rèn)為，更合適的方法是通過使用變壓器，將交直流混合微電網(wǎng)分別轉(zhuǎn)換成交、直流。不同的接地方式存在著不同的、相對應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在進(jìn)行具體接地模式選擇時(shí)，微電網(wǎng)需要考慮所連低壓配電網(wǎng)接地方式的同時(shí)，還需根據(jù)特定微電網(wǎng)的特征及要求進(jìn)行選擇。

對于微電網(wǎng)而言，我國交流低壓配電系統(tǒng)中多運(yùn)用的接地方式，其主要目的在于考慮用電的安全問題在電負(fù)荷之內(nèi)。但是，在外饋線的問題上卻不需要這方面的考慮。因此，其用電、配電的安全性以及經(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前需要研究和考慮的主要影響因素。所以，更加合理的接地方式為交流子微電網(wǎng)的接地方式。

有關(guān)仿真結(jié)果表明，對微電網(wǎng)不同的運(yùn)行模式——孤島和并網(wǎng)，TN-C-S系統(tǒng)更加適合微電網(wǎng)的接地型式。究其原因，主要在于微電網(wǎng)接地方式的故障電流非常大，能夠有效、及時(shí)地啟動相應(yīng)的過電流保護(hù)裝置。同時(shí)，IT與TT兩種方式的故障電流比較小。因此，在實(shí)際使用過程中，很難迅速地啟動過電流保護(hù)裝置。此外，一般情況下，TNC-S系統(tǒng)中設(shè)備接觸的電壓大都比較低，所以能夠充分保證低壓用戶的用電安全。

4 交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

常規(guī)情況下，微電網(wǎng)根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，主要可以分為分負(fù)荷的類型、微電網(wǎng)并網(wǎng)接口以及布式電源等。另外，微電網(wǎng)的關(guān)鍵問題在于解決電壓穩(wěn)定性、潮流控制能力以及解列時(shí)負(fù)荷分配、穩(wěn)定性上的相關(guān)問題。因此，通過規(guī)范科學(xué)的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整，一定程度上可以有效提高將微電網(wǎng)接入中低壓配電網(wǎng)的靈活程度與可靠程度。通常，大多數(shù)交流微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有相似性，都是運(yùn)用輻射狀網(wǎng)架。儲能裝置、DG等被連接到交流母線中時(shí)，一般也都是通過電力電子裝置。開關(guān)控制則是通過公共連接點(diǎn)進(jìn)行的。這樣就實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種模式之間的有效轉(zhuǎn)換。

直流微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種，分別是雙端供電式、單端供電式和環(huán)網(wǎng)供電式。單端供電式結(jié)構(gòu)較多地被運(yùn)用于負(fù)荷較低的場所。雙端供電式則一般運(yùn)用在飛機(jī)供電系統(tǒng)、船舶電力系統(tǒng)與電力牽引供電系統(tǒng)等要求有較高負(fù)荷供電可靠性的場所。而環(huán)網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，相較而言，其前期投資很大，具有供電范圍廣、可靠性高等諸多優(yōu)勢。另外，這種系統(tǒng)也存在著諸多缺點(diǎn)，如系統(tǒng)控制難度大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障識別以及保護(hù)配合難度相對較大等問題。

交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫窃诮恢绷骰旌衔㈦娋W(wǎng)母線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。對電源、接地保護(hù)和負(fù)荷等相關(guān)裝置的接入進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般會按照交、直流子微電網(wǎng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)進(jìn)行。這種設(shè)計(jì)理念，不僅包含直流母線，其次交流母線也涵蓋其中，能夠通過相關(guān)設(shè)備直接向直流負(fù)荷供電，且能夠直接向交流負(fù)荷供電。

在交流子系統(tǒng)運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)是系統(tǒng)的供電微源。而飛輪儲則以交流側(cè)儲能裝置進(jìn)行工作，主要是平抑系統(tǒng)功率的波動。蓄電池儲則可以平抑可再生能源功率的波動，風(fēng)機(jī)、光伏等一系列可再生能源能夠供電給直流子系統(tǒng)，使直流母線電壓保持平衡、穩(wěn)定。功率交換系統(tǒng)的構(gòu)成部分為兩個雙向AC/DC的變換器，其中一個供電之用，另一個則是備用。這種設(shè)計(jì)理念能夠?qū)崿F(xiàn)交、直流側(cè)功率的雙向流動。整體的交、直流混合微電網(wǎng)能夠單獨(dú)通過交流子系統(tǒng)、直流子系統(tǒng)來運(yùn)行，或以交直流兩系統(tǒng)聯(lián)動運(yùn)行的模式運(yùn)行。常規(guī)狀態(tài)下，交直流混合微電網(wǎng)可以在保持并網(wǎng)接口控制的具體情況下，進(jìn)行并網(wǎng)模式與孤島模式之間的模式切換。此外，它和交流微電網(wǎng)及直流微電網(wǎng)還有一點(diǎn)存在區(qū)別，即交直流混合微電網(wǎng)可以通過直流側(cè)并網(wǎng)，還可以用交流側(cè)進(jìn)行并網(wǎng)。微電網(wǎng)在具體因素影響下可通過交流側(cè)并入大電網(wǎng)，主要根據(jù)以下因素決定：并網(wǎng)要求、微電網(wǎng)接入系統(tǒng)的基本要求、繼電保護(hù)、電能質(zhì)量、微網(wǎng)解列、電壓調(diào)節(jié)、并網(wǎng)監(jiān)測、功率控制、電能計(jì)量以及通信因素。

5 總結(jié)

在我國，對交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究仍然處在初期階段，還有大量理論和技術(shù)問題需要解決。比如，兼顧運(yùn)行可靠性與經(jīng)濟(jì)性的直流子微電網(wǎng)接地方式的研究；不同的電壓等級、不同容量交直流混微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相關(guān)研究；對規(guī)?；I(yè)級交直流混合微電網(wǎng)的相關(guān)研究；關(guān)于交直流混合微電網(wǎng)的儲能設(shè)備的優(yōu)化選擇、容量配備的研究等等。因此，微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)發(fā)展階段的主要模式之一，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)分析研究，以保證智能電網(wǎng)的發(fā)展，促進(jìn)電力行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，努力推進(jìn)社會快速發(fā)展，確保人們生活用電的便捷以及生產(chǎn)用電的供給，同時(shí)提高電力企業(yè)的運(yùn)營效率與服務(wù)質(zhì)量。

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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