直流微網技術及發展動態

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(廣西大學電氣學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

一個多世紀之前的那一場交直流之戰(War of currents1)，以特斯拉為代表的西屋(Westinghouse)公司完勝愛迪生及其直流供電系統。特斯拉發明的交流系統通過變壓器升壓，實現了遠距離輸電， 奠定了今天交流電力系統的主導地位。

愛迪生當初的直流系統，其實就是今天不含可再生能源的直流微網，其供電半徑只是一公里左右， 受制于當時直流無法升壓的現實。

隨著電子技術的日益成熟和廣泛應用，我們的日常生活已離不開電子設備。電視、電話、計算機等電子設備成為今天不可或缺的生活必需品。然而，電子設備的工作離不開直流電源。晶體管、集成電路正常工作都需經交流(220V/110V)轉換成直流電源供電。電能的多程交直流轉換所產生的損耗， 是目前構成配網網損的最大占比。

我國能源正向清潔可再生能源轉型。 電動汽車的優先發展政策，充電基礎設施的建設與規劃，分布式光伏發電的推出，是清潔替代、電能替代、社會可持續發展的需要。國家能源局十三五規劃強調配網改造建設，投資超2萬億以全面加快配網現代化建設。南方電網將在2020年實現非化石能源占一次能源比重的27%，裝機占比達50%。直面可再生能源特有的間歇性，分散性和不穩定性，提升電網對可再生能源的就地消納能力，確保電網的安全穩定可靠運行，是目前兩個轉型、節能環保所面臨的嚴重挑戰。

建設直流微網，可以節省了輸配電資源和運行費用，減少了集中輸電的線路損耗，改善電網峰谷性能，提高供電可靠性，且減少了電能的浪費。具有分布式發電的直流微網是電力系統的發展趨勢之一。

2 直流微網概述

直流微網是以直流配電的方式，通過公共直流母線將所有微電源連接起來的可控的獨立系統，由太陽能電池、蓄電池、微網系統及能量管理系統組成，對微網范圍內的用戶提供電能和熱能[3]。由于受主網交流結構的影響，目前主要是在交流電網結構存在的形式，但目前電力電子技術的快速發展可能很快改變這一格局。

2.1 直流微網的優勢

目前，由于電子產品的應用普遍帶來的儲能設備的增多，和可再生能源的接入，迫切需要我們改變現有的交流配網結構。

發展直流微網優勢可以被概括為幾個方面：

環境優勢：大部分國家對分布式發電有補貼，以推動可再生能源的應用?？稍偕茉磁c直流微網更適應。

表1

用電成本優勢：直流微網相對于建設一個完全覆蓋某個區域的電網構架而言的，能夠提供更為便宜和高效的電能。

可靠性優勢：對于經常由于供電不足導致的停電或部分停電，微網提供了一種不用建設大電廠和和輸電線路的解決方式。

安全性優勢：直流微網孤島供電能力也是對非常敏感和重要的用戶，如軍事基地，國家安全部門等供電的重要指標。

效率優勢：分布式電能有效降低了長線路的有功損耗。目前發達國家線損為7%，而落后國家為25%。

直流微網包括大量的標準元件。沒有元件是單獨為微網應用而設計的。實際上微網的元件與電網的相同，只是應用條件不同。很多元件經過控制就可以滿足微網的應用，簡要介紹微網的物理基礎元件：

(1)傳感器：傳感器作為主要的信息輸入單元，是確定微網孤島運行還是并網運行的關鍵，傳感器相當于直流微網的眼睛和耳朵。

(2)開關設備：智能開關設備是直流微網中的關鍵設備，是微網快速重構的基礎。開關設備也是控制微網并網切換和分布式發電并網的元件。

(3)電力電子設備：電力電子設備科實現AC/DC和DC/DC的變換，電力電子設備還是分布式電源和儲能裝備并網的基礎。

(4)同步發電設備：直流微網中同步發電設備可以采用多種形式，常見的是柴油或天然氣發電機。就算可再生能源的容量足夠。這些同步發電設備也是必須的。這樣才能確保微網的持續不斷供電。

(5)測量設備：高級測量設備必需在直流微網電網和用戶之間兩側安裝，以保證電網運行狀態和功率的實時監控。

(6)保護設備：直流微網中的保護設備必須能夠滿足微網運行的復雜性和特殊性。尤其是考慮微網孤島和并網兩種狀態下的保護。保護控制設備必需與傳統不同，以便適應直流微網。

3 直流微網的網絡架構

直流微網的構架包括物理系統、控制系統和接口系統?，F簡要談及幾個主要問題。

3.1 直流微網的接地

不同的微網絡有不同的接地系統性能和系統保護方案。在現有的直流輸配電系統當中，由于電腐蝕效果，系統安全方面等原因，均將系統接成電源端不接地或經高阻抗接地和電氣裝置的外露可電導部分直接接地，獨立于電源端的接地點。但這樣接地故障的檢測相對難一些。

電源端有一點直接接地，所有電氣設備的外露可導電部分均接到保護線上，并與電源的接地點相連的TN系統或電源端有一點直接接地，電氣裝置的外露可電導部分直接接地的TT系統將電源的一點直接接地(可是電源的正極或負極，也可是電源的中點)，系統發生接地故障時，漏電流較大，接地故障的檢測相對容易一些?？紤]到目前家用設備接地保護線與交流零線電位差限制，未來直流微網在給住宅、學校、商業區和工業區供電建議采用TN系統。

3.2 母線電壓的調整、直流母線的構成形式

直流配電系統中選擇母線電壓很重要，電纜的電能損耗與有功功率相關，和電流平方成正比。直流母線電壓提高才能使電纜損耗下降。

直流微網母線的構成形式主要可以分為四類：單母線結、雙層式母線結構、冗余式的母線結構和雙母線結構。單母線結構的直流微網系統容易與現有的交流接線板等兼容，但在給計算機等低壓設備供電時，變流器的電壓應力較大，各具有低電壓要求的電子設備提供一個電源適配器。雙層式的母線結構對母線進行了分層設計，一級母線電壓設計為380V，二級母線電壓設計為48V，380V電壓進入住宅后經過變換器變流為48V電壓的。這種雙層式的母線結構提高了低壓設備供電的安全性，減小了自身體積，但不易設備兼容；冗余式的母線結構，適合于高電能質量要求的配電區域，住宅用雙母線結構的直流微網系統電壓等級170V，接地方式為中間接地。

雙層式的單總線總線結構是分層設計，母線電壓等級為380V，次級總線電壓為48V，轉換器380V到48V轉換器之后。提高低壓供電設備的安全性，降低了電源適配器的大小，但不容易與現有的交換設備兼容;商業建筑和船舶等區域分布冗余總線結構，170V的直流微電網系統的電壓額定值雙總線結構，接地的中間接地，可基于電源電壓的總線電源，根據交直流側的的不同需求實現共同點。

圖1 單母線結構

直流微網的母線電壓應保持在規定的值域。在并網時，直流微網的母線電壓由并網變流器負責控制。在一臺并網變流器的情況下，一般用恒定電壓控制。在并聯兩臺以上并網變流器情況下，采用功率/電壓下垂法控制來調節直流母線電壓。對于直流微網，直流母線電壓等級非常重要。母線電壓對整個微網系統存在多方面的影響，因此直流母線電壓等級的選擇也應結合實際工程，主要應考慮的因素包括：直流微網的供電容量；直流微網的供電半徑；系統成本；設計難度等。母線電壓控制問題。直流微電網內大量分散式的可再生能源發電單元、負荷等具有明顯的隨機波動性，這類波動功率尤其是短時功率沖擊將可能對直流母線電壓造成沖擊。

圖2 分層母線結構

圖3 雙級母線結構

圖4 冗余式母線結構

3.3 直流微網儲能系統

直流微網有并網和孤網兩種運行模式，儲能系統在直流微網在兩種運行模式中都非常重要。分布式能源的接入形式有：(1)逆變器接入系統-如電池組、燃料電池、光伏電池、風力發電機。(2)并連接如配電網系統，常用語削峰、緊急功率支撐、主力供電，需要與系統同步。

當微網處于并網模式時，對于大電網來說，直流微網相當于一個可控負荷或電源，保證不對電網產生負面影響，甚至為大電網提供支持。儲能系統可以平抑直流微網內功率波動，這些波動主要由于分布式電源和負荷投切所造成。使直流微網成為一個穩定的負荷或電源。當微網處于孤網模式時，儲能系統應成為微網的主電源支撐微網直流母線電壓，保證微網內重要負荷的供電。儲能裝置的種類有很多種，不同的儲能裝置在工作性能上也不同，需要根據具體的應用選擇合適的儲能裝置。常用儲能技術有：超級電容儲能、飛輪儲能、蓄電池儲能等。其中，蓄電池儲能應用最為廣泛，儲能容量較大；超級電容儲能能量密度高、充放電速度快，適用于短時間、大功率的負荷調節，儲能容量不大；飛輪儲能是利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化為機械能存儲起來，需要供電時再由飛輪帶動發電機發電。其優點在于使用壽命長、對環境影響小，但是功率密度較低且運行費用較高；對于充換電站直流微網，儲能系統需要在孤網模式下給站內重要負荷持續供電，因此儲能系統需要選用容量較大的設備。如果分布式能源的容量過大，將會增加線路損耗。

4 直流微網的孤島運行

當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時，微網可與主網斷開由分布式電源單獨向微網內的負荷供電，這就是孤島運行。孤島運行方式發生在保護裝置動作，部分電網與主網分離的時候。在部分時候，孤島方式較為危險。當孤島與主網不同步運行時，或當分布式能源的容量無法滿足運行參數的需要時，無法直接重新并網。

孤島運行最重要的的是如何合理的優化孤島，最優孤島劃分。配電網的最優電力孤島首先應保證功率平衡、電壓和設備載流量等；其次，應滿足重要負荷優先供電恢復，且恢復的負荷總量盡可能多的條件；此外，需考慮孤島的網絡損耗少；以及考慮可控負荷和不可控負荷的影響。模型的搭建尤為重要，如果在模型中準確體現上述四方面要求和影響，問題的求解將變得很復雜。如何權衡模型的準確度和求解過程的實時性要求，是孤島運行研究的前沿問題。

孤島運行待解決的關鍵問題是控制問題，包括故障時孤島運行控制以及故障恢復之后的孤島并網控制。孤島運行控制更加復雜。孤島內以太陽能，風等為一次能源的分布式發電裝置的功率輸出具有間歇性和隨機性的特點，孤島內負荷波動較大。目前研究重點側重孤島內電壓和頻率的控制，隨著智能電網相關技術的進步，孤島系統的智能化控制是今后研究的重點。為實現孤島系統的智能控制，首先應建立發電和負荷的準確預測，這需要對孤島范圍內的各項信息全面感知掌握與分析；在此基礎上，建立精確控制系統，對負荷和分布式發電裝置進行優化控制。整體而言，孤島系統的智能化控制能夠從全局優化角度利用負荷的精確調節，維持用戶良好的用電體驗。此外，孤島運行情況下，孤島內部分保護設備應隨運行方式的變化作相應的自適應調整，對保護系統提出了更高的要求。

5 直流微網的并網

在正常情況下，微網與常規電網并聯運行，向電網提供多余的電能或由電網補充自身發電量的不足，這就是并網運行。

目前在分布式電源下微網并網控制中，通常采用逆變器進行控制，雖然有很高的分布式電源微網并網控制時的靈活性，但是當受到外部因素的干擾作用時，由于控制系統的慣量較弱，可能會出現輸出震蕩的問題。在微網并網控制過程中，頻域特性主要體現于相位裕量、增益裕量等方面。

目前，研究大多是對簡化模型進行分析，實質性研究較少對含直流微電網的配電系統不僅要考慮分布式電源的不確定性，還要研究并網與孤島的相互機制。另外，由于直流微電網的引入，將改變系統的結構，增加潮流的不確定性。因此，直流電網保護、潮流控制、諧波影響等，都是含直流微電網的配電系統所需考慮的問題。

6 發展趨勢

作為直流微網安全運行的一個關鍵問題，有關直流微網保護的研究還處于起步階段，許多保護方案尚不成熟，一些關鍵的技術還有待繼續深入研究開發。特別是以下四個方面的研究將成為未來一段時間的發展趨勢：

(1)繼續推進并完善直流斷路器，尤其是中高壓直流斷路器的研發，重點是解決滅弧的快速性，要能投入市場實際應用。

(2)研究故障檢測與定位的實用化算法，包括短路故障和接地故障，要提高檢測的快速性和定位的精確性。

(3)結合智能電網，特別是智能微電網的建設，研發基于人工智能的直流微網保護技術并探索直流微網智能保護和智能安全穩定控制裝置的一體化融合應用。

(4)目前我國直流微網的保護還缺乏相應的工程標準和執行準則，因此要在實際運行積累經驗的基礎上抓緊制定相關的管理標準和技術規程。