交直流混合微电网关键技术研究综述

曹景洲张磊

摘要:微电网是未来智能电网发展不可或缺的重要元素，其发展对实施国家可持续发展的能源战略及推动电力系统的良性发展有积极地推动作用。本文首先对微电网领域在交直流混合微电网的结构﹑网络拓扑、稳定控制等几个方面的相关研究现状进行了分析与归纳；然后对交直流混合微电网在电力领域的发展进行了总结与展望。

关键词：交直流混合微电网；网络拓扑；光伏发电；控制策略；蓄电池储能

引言

21世纪，随着科技与经济的高速发展，电力系统在电网结构方面的发展局限性越来越明显。分布式可再生能源发电系统及微电网技术的应用为优化电网结构提供了一条新的发展思路，微电网是未来分布式能源发电系统的一种新的发展模式，是未来智能配用电系统的关键部分，对促进环境保护和能源可持展略的实施具有重要意义。

1、交直流混合微电网的结构

目前，交直流混合微电网是一种最优的组网形式，交直流混合微电网较于简单的交﹑直流微电网简化了变换环节与变换装置，提高了整个电网运行系统的安全性、经济性、高效性和可靠性。为了减少微网中电力电子器件的使用，减小损耗，提高微网系统的综合利用效率。各国相继开展了对含有交流母线和直流母线的交直流混合微网的研究。交直流混合微网能够继承传统微网的优点，且相对于单一的交流或直流微网，交直流混合微电网具有如下特点：1）其母线由交流和直流两根母线组成，直流元件和交流元件分别连接在直流母线和交流母线上，通过双向AC/DC变流器实现交﹑直流之间的相互转换，这种组网形式有效的减少AC/DC、DC/AC等变流器的使用，降低了电力系统建设成本，并减轻了系统中谐波电流对电网的不利影响。2）既可以直接向交流负载供电，又可以直接向直流负载供电，日常生活中的直流用电设备可直接或者通过变换器与直流母线相连，交流用电设备可直接与交流母线相连。这样能够有效的降低变流器装置的使用率，缩减了电器体积与电器制造成本。3）交直流混合微电网存在并网模式和孤岛模式两种运行模式，各子系统可独立运行也可协调运行，且交、直流子系统间功率可双向流动。4）大量降低了整流、逆变装置的使用率，提高系统的灵活性﹑高效性﹑可靠性和经济性。

2、交直流混合微电网的网络拓扑结构

微电网的网络拓扑结构一般由分布式电源﹑负荷类型和微电网并网接口等关键信息组成。随着智能电网的发展，微电网运行过程中电压的稳定性、系统潮流控制能力以及不同运行模式切换时负荷分配等问题越来越凸显。合理的微电网拓扑结构在一定程度上能够有效的提高微电网接入低压配电网的安全性与灵活性。大多数交流微网的网架结构都具有相似性，多采用辐射状网架结构。储能装置、分布式能源发电装置等交流负荷大多是通过电力电子装置与交流母线连接。微电网并网运行和孤岛运行两种模式之间的切换是通过控制公共连接点处的开关实现的。

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。单端供电式结构适用于负荷较低、供电范围较小的场所。双端供电式结构则一般运用在有较高负荷供电需求的场所。环网供电结构具有供电范围广、可靠性高等诱人优势，但其前期投资巨大，且仍有网络结构复杂、系统控制难度大、故障识别以及保护配合难度较大等关键性问题有待解决。

3、一种交直流混合微电网的控制策略

交直流混合微电网根据总网的负荷要求有并网运行和孤岛运行两种运行模式，并网运行时，在蓄电池等储能元件的平抑作用下，直流侧的分布式可再生能源发电以恒定的功率通过交流侧并入大电网，提高直流侧可再生能源的利用率。孤岛运行时，蓄电池等储能元件作为平衡节点和双向AC/DC变换器一起维持整个混合微网系统的电压、频率稳定，典型的交直流混合微电网系统由交流子微网系统、直流子微网系统、功率转换系统、微电网控制器等组成。交流侧，光伏发电单元通过DC/AC逆变器与交流母线连接，实现MPPT及单位功率因数控制，交流负荷直接连接到交流母线。直流侧，光伏发电单元通过Boost变换器实现最大功率跟踪，蓄电池储能单元通过双向DC/DC变换器实现充放电控制，直流负荷直接连接到直流母线。功率交换单元由隔离变压器及双向AC/DC变换器构成。

4、交直流混合微电网的关键稳定控制技术及相应研究

4.1直流微电网直流母线电压控制

由于分布式电源功率输出具有随机性、间歇性，联网运行时其间歇性波动功率对电网的冲击容易影响本地电网的安全。直流母线电压的稳定控制是保证系统稳定运行以及维持系统瞬时功率平衡的关键。直流分层控制系统，在各接口变换器之间合理分配直流负荷，同时补偿下垂控制带来的直流母线电压跌落，改进交直流混合微电网中直流侧的母线电压性能。鉴于含有储能环节的分布式发电系统的直流母线电压难以准确控制，通过电压下垂控制及改进V-f逆变控制策略确保无储能环节的直流子网的直流母线电压的稳定性。考虑交直流混合微电网中的AC/DC双向变流器对系统的稳定运行和功率的协调分配有重要作用，具有AC/DC双向变流器的交直流混合微电网提出了一种基于非线性干扰观测器﹑功率平衡﹑一阶微分环节相结合的电压环前馈补偿方法﹑DC-AC死区补偿及DC-DC稳态占空比的直流母线电压控制方式，有效的保证了系统的稳定运行和功率的协调分配。

4.2微电网运行模式无缝切换控制

微电网运行模式平滑切换是微电网的重要功能和特征之一,微电网运行模式切换时，如果静态开关切换指令和主电源控制模式切换信号同时发出，会导致主电源输出电流和电压不受控，当微电网输出功率与负荷不匹配时,会使负荷电压幅值和频率发生偏移，在切换过程中极易出现暂态电流或电压冲击，导致无缝切换失败。因此实现微电网运行模式无缝切换是隔离电网故障的安全保障。文献提出了基于控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法，有效减小微电网运行模式切换过程中产生的暂态振荡，保证微电网的平滑切换。采用主从控制的微电网系统，提出了一种平滑切换补偿控制算法，可以克服切换过程中出现过压或过流现象，有效抑制切换后微电网母线电压和主电源输出电流波形的畸变，同时也能避免切换造成微电网母线电压的突降，减小切换对微电网内主电源的暂态冲击。

4.3交直流混合微电网的稳定运行

4.3.1混合微电网的稳定性分析

对含多变流器与LCL滤波器的分布式电源的联网型微电网，采用电阻阻尼和有源阻尼等方法来有效抑制LCL滤波器的谐振峰值，从而抑制系统中的高频振荡分量。在并网运行逆变器的控制系统中采用双二阶滤波器或虚拟阻抗的方法，等有源阻尼方法抑制系统中已出现的高频振荡分量。

4.3.2混合微电网的稳定运行

交直流混合微电网系统的稳定运行是实现混合微网结构功能特性的前提。相关研究表明储能系统在微电网安全稳定运行过程中发挥着不可替代的作用。交直流混合微电网结构的能量管理核心是根据交直流母线的电压频率状态，控制各发电系统、双向功率变换器和储能装置工作在合适的模式，使微电网内部功率保持平衡，既提高了新能源的利用率，又提高了系统供电的可靠性。

5、总结

随着能源可持续发展战略及我国电力结构优化改革的深入推进，微电网将是我国智能电网的重要组成部分。目前，我国输配电电网仍以交流为主，为满足各种各样的交﹑直流型分布式电源和用电设备安全﹑高效的接入电网，交直流混合微电网将是智能电网发展的主流方向。在我国，交直流混合微电网的相关研究仍然处在初期阶段，还有大量理论和技术难题需要攻克。

参考文献

[1]杨新法，苏剑，吕志鹏，等．微电网技术综述[J]．中国电机工程学报，2014，34(1)：57-70．

[2]黄文涛,邰能灵,范春菊,等.微电网结构特性分析与设计[J].电力系统保护与控制,2012,40(18):149-155.

浅析电力企业社保工作的优质服务