直流微電網

直流微電網是由直流構成的微電網，是未來智慧型配用電系統的重要組成部分，對推進節能減排和實現能源可持續發展具有重要意義。相比交流微電網，直流微電網可更高效可靠地接納風、光等分散式可再生能源發電系統、儲能單元、電動汽車及其他直流用電負荷。該文首先對國內外學術界和工業界在直流微電網領域的相關技術和實驗系統研究現狀進行梳理;然後，從技術角度對直流微電網拓撲結構、最佳化規劃、運行控制、保護及通信等幾個方面進行了分析歸納;最後從交直流混合微電網、交直流混合配電網以及能源網際網路等方面展望了直流微電網的發展和套用前景。

基本介紹

• 中文名：直流微電網
• 外文名：Micro DC-Grid
• 意義：推進節能減排、能源可持續發展
• 地位：智慧型配用電系統的重要組成部分
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

微電網技術代表了未來分散式能源供應系統發展趨勢，是未來智慧型配用電系統的重要組成部分，對推進節能減排和實現能源可持續發展具有重要意義。國家能源局近期連續出台《關於推進新能源微電網示範項目建設的指導意見》《配電網建設改造行動計畫(15-22}年)的通知》等檔案，指出應積極發展新能源，大幅提升配電網接納新能源、分散式電源及多元負荷的能力，加快推進新能源微電網示範工程建設，探索適應新能源發展的微電網技術及運營管理體制。

微電網內光伏、風機、燃料電池、電池儲能單元等產生的電能大部分為直流電或非工頻交流電;常用電氣設備，如個人電腦、手機、LED照明、變空調和電動汽車等，皆通過相應適配器變成直流電驅動。上述發電單元或負荷如果接入交流微電網，則需要通過相應DC-DC, DC-AC和AC-DC等電力電子變流器構成的多級能量轉換裝置，若接入合適電壓等級的直流微電網，將省去部分交直流變換裝置，減小成本、降低損耗。直流母線電壓是衡量系統內有功功率平衡的唯一標準，系統內不存在類似交流系統里的頻率穩定、無功功率等問題。直流微電網還可通過雙向DC-AC變流器與現有交流微電網或配電網並聯，並能有效隔離交流側擾動或故障，可保證直流系統內負荷的高可靠供電。因此，直流微電網系統的研究和發展受到了國內外工業界和學術界的廣泛關注。

目前國內外在直流微電網領域的相關技術研究和實驗系統、示範工程已逐步開展。相關技術研究主要涉及直流微電網電力電子變流器及直流斷路器等關鍵裝備、運行控制技術、保護和能量管理系統等方面。電氣領域內的國際主流雜誌如IEEE電力電子(power electronics)和智慧型電網(smart grid)相繼於2013年和2014年出版“智慧型直流配用電/微電網”專刊, 2015年6月IEEE在美國亞特蘭大組織召開了第一屆直流微電網國際會議，介紹了直流微電網相關研究技術和工程實踐的最新研究進展。在國內目前這一領域已經有一批國家自然科學基金項目(如“直流微電網的暫態特性分析及其控制策略研究(51207001)",“直流微電網協調控制及其穩定性研究(51307140),“針對直流微電網的分散式直流DVR系統研究(51307117)",“面向高效供電和多端相互支撐的交直流混聯配電運行控制研究(51407177)",“直流微電網分層分散式協同控制及穩定性研究(51507109)”等)獲得立項支持。

在實驗系統和示範工程方面，2007年美國維吉尼亞理工大學CPES中心提出了“sustainablebuilding initiative(SBI)”研究計畫，主要為未來住宅和樓宇提供電力。2011年美國北卡羅來納大學提出了FREEDM系統結構，以直流供電為基礎用於構建未來自動靈活的可再生能源傳輸和管理網路。 2012年，由德國、荷蘭等國的高校和企業聯合開展一項為期3年的名為“DC Componentsand Grid" (DCC+G)的研究項旨在通過高效的半導體和電力電子技術，設計和發展基於380V直流配用電系統的高能效建築。2014年，由丹麥奧爾堡大學、華北電力大學、中科院電工所、國家電網公司聯合開展的主題為智慧型直流微電網的中丹可再生能源合作項目，旨在推動智慧型直流微電網技術在未來住宅和工業園區等方面的發展和套用。在國內，一批國家科技部“863項目”獲得立項支持，其中由深圳供電局承擔的國家863項目“基於柔性直流的智慧型配電關鍵技術研究與套用”於2013年正式啟動，研究重點以直流固態變壓器為核心的柔性直流配電技術，以實現高低壓直流配電網或微電網間電壓和功率的靈活控制和快速管理;由浙江省電力公司承擔的國家863項目“高密度分散式能源接入交直流混合微電網關鍵技術”於2015年正式啟動，項目主要圍繞高密度分散式可再生能源接入，重點攻克交直流混合微電網系統的網架配置最佳化、穩定控制等理論與技術難點。

直流微電網拓撲結構

圖1示意了一種適用於未來智慧型家庭、商業樓宇，以及工業園區的典型直流微電網結構，系統內可包含光伏、風電等間歇性分散式電源，微型燃氣輪機和燃料電池等可控型分散式電源，電池儲能、飛輪或超級電容等儲能單元以及本地交/直流負荷。若直流微電網可與外部交流電網互聯，則可通過雙向DC-AC變流器接入交流系統。

典型拓撲

在未來直流微電網中，為進一步提高直流系統供電靈活性和可靠性，以適應不同電壓等級分散式電源、儲能系統及負荷接入，可採用雙極性三線制結構。根據中線的出線形式不同，雙極性三線制供電系統主要如圖2所示，其中直流系統與交流系統互聯連線埠採用兩個相同容量的雙向DC-AC變流器(如圖2(a)所示)，或者直流系統中兩個儲能單元通過DC-DC變流器(如圖2(b)所示)，兩者共用一極直流母線，實際上直流系統內部為兩個獨立供電迴路[}a9}，可靠性較高，但需要兩套全功率電力電子變流裝置，成本更高。 圖2(c)中，通過在直流母線電容中點引出中線，在正負極間分散式電源或負荷不平衡的情況下，如果採用具有中點電位平衡功能的三電平中點箱位式DC-AC變流器(neutral point clamped converterNPC屍)]，則可以保證直流正負母線電壓平衡，但對於常規兩電平DC-AC或獨立直流微電網來說，則無法實現直流正負極母線電壓對稱。為解決上述問題，直流微電網可通過如圖2(d)所示電壓平衡器構成雙極三線制系統]。電壓平衡器的套用不受直流微電網運行模式(併網運行或獨立運行)的限制，可以靈活地併入DC-AC或DC-DC變流器的輸出連線埠;同時直流微電網的直流母線電壓控制(如併網時由DC-AC來控制，獨立運行時由儲能DC-DC來控制)和正/負極電壓平衡控制(由電壓平衡器來控制)兩者完全解藕，相比圖2(c)所示採用NPC拓撲的直流微電網，控制更加靈活，可靠性更高。

直流微電網最佳化規劃

直流微電網最佳化規劃問題是微電網設計階段需要解決的核心問題，最佳化配置方案的優劣將直接決定系統是否能安全、經濟運行。最佳化規劃目的是在對本地負荷需求和可再生能源資源情況進行充分分析預測的基礎上，依據特定的系統最佳化運行目標和約束條件，確定系統結構及設備配置(包括分散式電源、儲能設備類型、容量和位置)，儘可能實現系統經濟性、可靠性及環保性等量化指標的最佳化。因此，直流微電網最佳化配置是典型的最佳化問題，包括最佳化變數、目標函式和約束條件三大要素。

在直流微電網最佳化配置中，規劃設計問題與其運行最佳化策略具有高度的藕合性，規劃時必須充分考慮運行最佳化方法的影響，因此最佳化變數除包括分散式電源、儲能設備類型、位置及容量參數外，微電網運行策略及相關參數也可作為待決策的最佳化變數。

最佳化目標大致可以分為經濟性目標、可靠性目標和環保性目標三類。經濟性主要從投資成本、成本效益、投資回收期等方面開展評估;可靠性評價指標需要能夠反映系統及其設備的運行狀況，以及對用戶供電的影響;環保性主要從減排效益、污染氣體排放量、化石燃料消耗量及可再生能源發電比例等方面考慮。對於交直流互聯的併網型直流微電網來說，其最佳化配置問題還需考慮併網性能指標。直流微電網通過雙向DC-AC變流器與交流系統(大電網或交流微電網)相連，交直流系統可進行電能互動，以實現相互支撐。併網型直流微電網最佳化配置時可採用自平衡率、交直流互聯裝置利用率等指標來評價其併網性能。在最佳化配置時，可根據直流微電網不同的最佳化需求，設定相應的評價指標，以全面評估微電網性能。

直流微電網接地方式

直流微電網系統接地方式對接地故障檢測、故障電流大小、人身與設備安全等有很大影響，同時也會影響保護方案配置。根據IEC60364-1對直流系統接地型式的定義，可分為TT, IT和TN 3種，其中TT表示直流母線處(可以為正極、負極或中性點，為中線接地)直接接地，電氣裝置的外露可電導部分直接接地，且兩接地點在電氣上彼此獨立;IT表示直流母線處(可以為正極、負極或中性點)不接地或經高阻抗接地，電氣裝置的外露可電導部分直接接地;TN表示直流母線處(可以為正極、負極或中性點)直接接地，所有電氣設備外露可導電部分均接到保護線上，並與上述接地點相連。

接地方式

直流微電網保護設備

熔斷器和直流斷路器是直流微電網中常見的兩種保護設備。其中熔斷器是過電流繼電保護裝置與開斷裝置合為一體的開關設備，根據電流超過規定值一段時間後，以其自身產生的熱量使熔體熔化，從而斷開電路。熔斷器的選擇主要依據負載的保護特性和短路電流的大小選擇熔斷器的類型。熔斷器具有結構簡單、使用方便、價格低廉等優點，在低壓系統中廣泛被套用。

直流斷路器根據電流開斷方式不同，主要有機械式直流斷路器、固態直流斷路器和基於二者結合的混合式直流斷路器。機械式直流斷路器主要由交流斷路器和RLC元件構成的輔助振盪迴路組成，藉助輔助振盪迴路人為產生過零點。機械式直流斷路器通態損耗低，但快速切斷故障電流能力不強(目前最快仍需要數十毫秒)。近年來，完全由可控型半導體器件構成的直流固態斷路器，以數毫秒級分斷能力、無觸點、分斷不產生電弧等優點受到廣泛關注。與機械式直流斷路器相比，固態直流斷路器切除故障電流速度更快，但通態損耗相對較大、成本較高。混合式直流斷路器用快速機械開關導通正常運行電流，固態電力電子裝置開斷短路電流，有效地結合機械式斷路器通態損耗小、固態斷路器開斷速度快等優點。未來，隨著半導體器件的快速發展和成本的降低，固態直流斷路器和混合式直流斷路器將會在直流微電網和直流配用電系統中得到套用。

對於直流微電網，多分段或多端複雜直流微電網來說，具有快速開斷直流故障電流和隔離故障功能的直流斷路器對保證系統的安全可靠運行是至關重要的。因此如何提高直流斷路器的開斷速度和開斷容量是研發直流斷路器所面臨的主要挑戰。

直流微電網中直流母線處通常含有較大容量的母線電容。極間故障時，母線電容的瞬時放電造成的瞬態短路衝擊電流可能會導致系統中直流斷路器的誤動作，從而導致保護系統的選擇性喪失、過多分散式電源或負荷等設備的斷電和保護設備相互協調能力的降低等後果。為避免出現過大的瞬時短路電流和減少直流斷路器的誤動作，可採用故障限流裝置與直流斷路器進行配合。

直流微電網關鍵技術發展展望

未來直流微電網關鍵技術發展方向展望如下:

1)目前分散式電源、儲能單元及交直流負荷等均通過常規電力電子裝置接入直流微電網，普遍存在功能單一和不具備即插即用等問題，研發更加高效可靠，以及模組化、智慧型化的即插即用型多功能變流器接口或電能交換器[}9}-9a]將是值得工業界和學術界深入探索的研究方法。

2)為應對高密度分散式能源和多元負荷接入交直流混合微電網，如何綜合考慮系統網架結構設計、源一網一荷一儲最佳化配置及運行與規劃緊密藕合等因素，是未來交直流混合微電網最佳化規劃方向的重要課題。

3)在運行控制方面，如何提高設備級控制系統的魯棒自治性能以及系統級控制系統的可靠性、靈活性和可擴展性，且能綜合協調運行控制技術和智慧型保護技術，是未來直流微電網能量管理和運行控制系統重要的理論研究和技術發展方向。

4)在直流微電網保護技術方面，研發具備更J決開斷速度、更高開斷容量以及更高效可靠的直流斷路器;基於故障限流的新型直流配用電保護技術等，均是值得探索的前沿課題。