交直流混合微电网规划设计研究

周金辉， 田龙刚， 潘 浩

（1.国家电网浙江省电力公司 电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

交直流混合微电网规划设计研究

周金辉1， 田龙刚2， 潘 浩2

（1.国家电网浙江省电力公司 电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

交直流混合微电网因其能够降低多重变换器带来的损耗、谐波电流，提高系统的可靠性和经济性，已经成为下一代微电网的发展方向。文章结合浙江省电力公司重点科技项目，从电压等级、母线结构、接地方式及网络拓扑等4个方面对交直流混合微电网的规划设计问题进行了研究，为深入开展交直流混合微电网的相关研究和工程化应用提供参考。

交直流混合微电网；规划设计；网络拓扑；示范工程

近年来，鉴于化石能源危机、环境保护压力及现有电网结构发展局限性等方面的问题，微电网得到了迅速的发展。微电网的分类标准有很多，从网架结构和供电方式上可将微电网分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网［1－5］。目前，交流微电网仍然是微电网的主要形式，尽管交流微电网的研究已经取得了很多成果，但是还需要进一步解决分布式电源（distributed generration，DG）并联接入时带来的谐振、谐波等方面的影响［6］。与交流微电网相比，直流微电网系统无需考虑各DG之间的同步问题，在环流抑制上更具优势，且直流微电网只有与主网连接处需要使用逆变器，系统成本和损耗大大降低［5］。

目前，智能电网的建设理念是以一种环境友好的、可持续的方式为数字社会提供可靠的、高质量的电能。智能电网最主要的特点是可以方便连接各种不同的交流和直流发电系统、储能系统以及各种不同的交直流负载，以达到最优的运行效率。在该背景下，单纯的交流微电网或直流微电网表现出了一定的局限性。为了降低单纯的交流／直流微电网在应用中因多重AC／DC或DC／AC变换带来的功率损耗、谐波电流及控制难度，提高系统的可靠性和经济性，也为了各式各样的可再生能源和储能设备更好地接入微电网，交直流混合微电网应运而生［1，4，7］。

交直流混合微电网的特点如下：① 交直流混合微电网系统包括交流子系统（交流母线）、直流子系统（直流母线）、交直流母线间变换器；② 直接向交流、直流负载供电，降低了因多重变换器带来的损耗；③ 交、直流子系统间功率可双向流动，各子系统可独立控制，也可协调控制，混合微电网可在并 网 模 式 与 孤 岛 模 式 之 间 切 换 运 行［1－5，8－9］。本文从电压等级、母线结构、接地方式及网络拓扑等方面讨论交直流混合微电网的设计问题。

1 交直流混合微电网的电压等级

交直流混合微电网包括交流子微电网和直流子微电网，中间经双向变换器（或双向变换器与变压器）连接。本文将分别讨论交流子微电网和直流子微电网的电压等级。

1.1 交流子微电网电压等级

目前，交流微电网的电压等级还没有明确的标准，大部分微电网工程中电压等级主要依据微电网中分布式电源的容量确定。一般而言，不同容量分布式电源的并网电压等级［10］如下：电源总容量为0.2 MW 及以下，并网电压等级为0.4 k V；电源总容量为0.2～8 MW 时，并网电压等级为10 k V；电源总容量为8～30 MW时，并网电压等级为35 k V；电源总容量为30 MW及以上时，并网电压等级为110 k V。

目前国内外已建成的典型交流微电网工程及其容量、电压等级见表1所列。

表1 国内外典型示范工程微源容量及电压等级

由表1可以看出，国内外大部分容量较低的交流微电网系统（200 k W及以下）均采用400 V（±7%，380 V）电压等级。该电压为我国电网现有三相电压等级序列里最低电压等级，小容量交流微电网选择AC400 V，方便并网。

1.2 直流子微电网电压等级

当前，我国直流微电网的研究和发展仍处于起步阶段，对直流微电网电压等级的探讨有待深入。国外典型直流微电网所应用的电压等级可供借鉴和参考［11］，世界上大多数国家的通信系统均采用DC48 V作为电源标准。日本在研的一个直流微电网实验系统，经配变6.6 k V／200 V通过双向变流器转换为DC340 V，并且采用三线制供电方式，即正极线、负极线和中性线，也称为±170 V。日本NTT公司最早提出了DC400 V电力配电系统，并将其应用于数据中心。芬兰在居民住宅供电中采用了双极性±750 V直流配电系统。

直流母线电压等级的确定应满足现有交流设备对输入电压范围的要求。我国单相电压有效值为220 V，三相电压有效值为380 V，因此直流母线电压范围为200～400 V是比较适宜的。目前380 V的直流标准（称为DC380 V）已逐渐得到国外业界的认可，该标准是基于美国数据中心直流配电提出的，在进一步研究确认后可以将该标准适用于我国普通居民的直流供电系统。在该标准中，高电压（380 V）用来驱动主要的家用电器，低电压（48 V）用来驱动小型桌面电器和计算机等［12］。美国电力电子系统研究中心（CPES）提出的Nano－Grids直流微电网很好地体现了DC380 V 标准［13］。

根据浙江省电力公司重点科技项目《低压智能交直流混合微电网关键技术研究及示范工程建设》实际微源容量及交、直流负荷情况并兼顾微电网以后的发展，该交直流混合微电网母线电压等级选择为AC400 V、DC380 V。

2 交直流混合微电网母线结构

交流微电网母线结构类似交流配电网母线结构，一般有单母线、单母分段、双母线3种接线方式。考虑本示范工程交直流混合微电网的并网点在交流母线，为简单起见，交流母线选为单母线结构。

直流微电网母线结构与交流微电网有所不同，一般而言，直流微电网母线的构成形式可以分为单母线结构、双层式母线结构、双母线结构和冗余式母线结构［11，14］。

2.1 单母线结构

单母线结构的直流微电网容易与现有的交流接线板等转接设备兼容，但在给计算机等低压设备供电时，变流器的电压应力较大，每个低压电子设备均需配备一定体积的电源适配器。单母线结构如图1所示。

图1 单母线结构

2.2 双层式母线结构

双层式的母线结构对单母线进行了分层设计，一级母线电压较高（如DC380 V或DC400 V），二级母线电压较低（如DC48 V或DC24 V等），它是通过高直流电压等级母线进入住宅后经过变换器转换为较低电压等级。对于具有多种电压等级用电设备的情况，双层式母线结构则更合适。双层式母线结构如图2所示。

图2 双层式母线结构

2.3 双母线结构

本文提到的±170 V采用了双母线结构，其结构如图3所示。

图3 双母线结构

这种双母线结构的直流微电网可与现有的转接设备兼容，而且可实现较高的电力输送，但由于电源侧变流器需要均衡主母线与从母线的电压，连接电网、储能装置和分布式电源的变流器拓扑与传统拓扑结构会有所不同。

2.4 冗余式母线结构

冗余式的母线结构，适用于高电能质量要求的配电区域，如飞机、船舶、数据中心等供电系统。为保证供电的可靠性，通常采用2条母线，其中仅1条带电，另外1条备用。这种母线结构虽然提高了供电的可靠性，但投资也相应增加。冗余式母线结构如图4所示。

图4 冗余式母线结构

因为本项目示范工程中的直流负荷具有多种电压等级，因此，双层母线结构为直流子微电网首选。

3 交直流混合微电网接地方式

微电网的接地方式将影响系统的性能和保护方案的配置［15］。目前国内外学者有关微电网接地方式对其继电保护影响方面的研究不多［16］。整体上研究交直流混合微电网的接地方式，因为有交、直流2种形式的功率存在，会很复杂。本文建议采用交直流母线间的双向变换器或者变压器，将交直流混合微电网隔离成交、直流2个子微电网分开讨论。

低压系统接地方式有 TN（含 TN－S、TN－C、TN－C－S）系统、TT系统和IT系统，各种接地方式都有各自的优缺点。微电网选择接地方式时，不仅要考虑所连低压配电网中的接地方式，还要考虑特定微电网的需求。文献［17］研究了TN系统、TT系统、IT系统3种接地方式的优缺点和适用场合，总结了微电网接地方式的选取原则。据此，我国交流380／220 V低压配电系统中采用TN系统接地方式。

对于微电网而言，用电负荷内需要考虑触电安全，而之外的馈线上不用考虑该问题，所以从经济性和安全性考虑，交流子微电网采用 TN－C－S接地是合理的。有仿真结果［18］表明：微电网在并网和孤岛2种运行模式下，TN－C－S系统是最适宜于微电网的接地型式，主要原因是该系统中的故障电流足够大，能够及时地启动过电流保护装置；而TT和IT方式故障电流比较小，难以及时启动过电流保护。此外，TN－C－S系统中的设备接触电压比较低，能为低压用户的安全提供更可靠的保证。

直流微电网所采用的单极（带回流线路）系统或双极系统，均涉及其电压源换流器（voltage source converter，VSC）直流侧的接地问题。若直流侧不接地，接地线的电位将在VSC的开关频率下不断振荡，从而引起直流配电网正负极电压的波动，因此直流侧多采用回流线路接地（单极系统）或分裂电容接地（双极系统）的方式［19］。直流微电网目前尚无明确的接地方式，只能借鉴现有的直流输配电系统，如海上风力发电、大部分的直流牵引系统、军舰直流区域配电和工业自动化系统等，考虑到电腐蚀效应、系统安全或中点漂移等因素均将系统接成IT形式［14］。但是考虑到目前家用设备接地保护线与交流零线电位差限制，文献［14］建议未来给住宅、学校、商业建筑和工业区域供电的直流微电网采用TN系统。

4 交直流混合微电网网络拓扑

微电网网络拓扑结构包含分布式电源和负荷的类型、微电网并网接口等重要信息［20］。微电网拓扑结构也是解决电压控制、潮流控制和解列时负荷分配、稳定等问题的关键。合理的微电网拓扑结构将会提高微电网接入中低压配电网的灵活性和可靠性［21］。

交流微电网的网架结构基本相似，大多采用辐射状网架，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线，通过公共连接点（point of common coupling，PCC）处开关的控制，可实现微电网并网运行与孤岛运行模式的转换。

直流微电网的拓扑结构主要有单端供电式、双端供电式和环网供电式［11，19，22］。单端供电式结构一般用于负荷较低、供电半径较小的场合，其结构如图5a所示。双端供电式适用于负荷供电可靠性要求较高的场合，如船舶电力系统、飞机供电系统和电力牵引供电系统等，其结构如图5b所示。环网供电结构的系统投资较大，供电可靠性很高，供电范围也较大，但网络较复杂，系统控制、故障识别和保护配合难度较大，目前尚无工程应用，其结构如图5c所示。

交直流混合微电网网络拓扑的设计是基于交直流混合微电网母线结构，根据交、直流子微电网的拓扑形式，对电源、负荷及接地保护等装置的接入设计。该设计要求既含有交流母线又含有直流母线，既可以直接向交流负荷供电又可以直接向直流负荷供电。

交直流混合微电网典型拓扑结构如图6所示。该结构包括交流子系统、直流子系统和交直流母线间功率交换系统。

图5 不同供电式结构

图6 典型交直流混合微电网

在交流子系统中，燃气轮机、风机作为微源向系统供电，飞轮储能作为交流侧储能装置平抑系统功率波动。直流子系统中，光伏、风机等可再生能源向系统供电，蓄电池储能平抑可再生能源功率波动，维持直流母线电压稳定。功率交换系统由2个双向AC／DC变换器组成，其中一个备用，实现交、直流侧功率的双向流动。整个交、直流混合微电网可以进行交流子系统单独运行、直流子系统单独运行、交直流两系统联动运行。通过并网接口的控制，交直流混合微电网也可以在并网和孤岛模式间切换运行。不同于交流微电网和直流微电网，交直流混合微电网可以通过交流侧并网，也可以通过直流侧并网。

微电网通过交流侧并入大电网时应该考虑以下几方面的因素［23］：微电网接入系统的基本要求、微电网并网要求、电能质量、功率控制和电压调节、继电保护、并网监测、微网解列、通信、电能计量等。

直流侧并网除了满足并网的一般要求外，还应该满足［24］：① 直流母线电压可控，可为直流微电网提供高品质的电力输出；② 具有抗谐波干扰和抗电压跌落的能力，当有故障或干扰发生时，能保证母线电压稳定；③ 设备成本低，运行损耗小。目前，直流侧并网接口类型主要以电流反馈型换流器作为直流微电网的并网接口［25］，该并网接口控制直流母线电流，不能直接控制直流母线电压。两级拓扑式直流微电网并网接口［26］由1个单相全桥换流器和1个双向DC／DC变换器串联而成，该结构能够实现功率的双向流动控制，除了用于直流微电网并网接口外，还可以用于电动汽车或其他储能装置的充放电控制器。与交流并网接口相比，直流并网接口需要考虑的因素更多，控制更为复杂，损耗更大，且工程经验不足。

结合示范工程实际微源形式和负荷类型，直流子微电网的拓扑结构依据直流双层式母线结构来设计。本文设计的交直流混合微电网示范工程拓扑结构如图7所示。

图7 交直流混合微电网示范工程拓扑结构

交流侧采用单母线结构，电压AC380 V，直流侧双层母线结构，电压为DC380 V、DC48 V，分别为高压／低压直流负荷供电，整个混合微电网采用交流侧并网形式。该结构完全满足交直流混合微电网的定义和特点。

5 结束语

因交直流混合微电网适应数字社会和智能电网的发展趋势，得到了国内外研究者的广泛关注。我国有关交直流混合微电网规划设计的研究尚处于起步阶段，大量理论与技术问题有待深入研究解决：① 不同电压等级、不同容量交直流混合微电网拓扑结构的研究；② 兼顾运行可靠性与经济性的直流子微电网接地方式的研究；③ 交直流混合微电网储能设备的优化选择和容量配备的研究；④ 规模化工业级交直流混合微电网的实证研究。

本文讨论了交直流混合微电网电压等级的选择依据、母线结构的确定方法、接地方式的选取及网络拓扑的确定，以期为我国进一步深入开展交直流混合微电网的相关研究提供参考。

［1］Liu Xiong，Wang Peng，Loh P C.A hybrid AC／DC microgrid and its coordination control［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，12（2）：278－286.

［2］Jiang Zhenhua，Yu Xunwei.Power electronics interfaces for hybrid DC and AC－linked microgrids［C］／／IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference（IPEMC）.Wuhan，China：IEEE，2009：730－736.

［3］杨 为，丁 明，毕 锐，等.微电网实验平台的设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（1）：38－41.

［4］Jin C，Loh P C，Wang P，et al.Autonomous operation of hybrid AC－DC microgrids［C］／／IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies （ICSET）.Kandy：IEEE，2010：1－7.

［5］杨占刚.微网实验系统研究［D］.天津：天津大学，2010.

［6］Guerrero J M，Loh P C，Lee T L，et al.Advanced control architectures for intelligent microgrids，part II：power quality，energy storage，and AC／DC microgrids［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（4）：1263－1270.

［7］Akbari M，Golkar M A，Tafreshi S M M.A PSO solution for improved voltage stability of a hybrid AC－DC microgrid［C］／／IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies.Kollam，Kerala，India：IEEE，2011：352－357.

［8］Santos Jr E C，Alibeik M，Creek B.New power electronics converter interfacing a DG system with hybrid DC／AC microgrid［C］／／Power and Energy Conference at Illinois（PECI）.Champaign，IL：IEEE，2013：180－185.

［9］陆晓楠.交直流混合微电网中电力电子接口变换器控制策略研究［D］.北京：清华大学，2013.

［10］王 峥，梁 伟，陈思佳，等.分布式电源接入城市配电网规则分析［J］.中国电力，2013，46（7）：43－46.

［11］周金辉，葛晓慧.直流微电网供电模式研究初探［J］.浙江电力，2013（4）：6－9.

［12］柯人观.微电网典型供电模式及微电源优化配置研究［D］.杭州：浙江大学，2013.

［13］Boroyevich D，Cvetkovic I，Dong D，et al.Future electronic power distribution systems：a contemplative view［C］／／12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment（OPTIM）.Basov：IEEE，2010：1369－1380.

［14］吴卫民，何元彬，耿 攀，等.直流微网研究中的关键技术［J］.电工技术学报，2012，27（1）：98－106.

［15］Paul D.DC traction power system grounding［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（3）：818－824.

［16］Baran M E，EL－Markaby I.Fault analysis on distribution feeders with distributed generators［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2005，20（4）：1757－1764.

［17］程军照，李澍森，陈江波，等.低压微电网接地型式选择和中性 线 环 流 抑 制 ［J］.高 电 压 技 术，2011，37（9）：2280－2287.

［18］卢文华，姚 伟，罗 吉，等.微电网接地方式比较研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（19）：103－109.

［19］江道灼，郑 欢.直流配电网研究现状与展望［J］.电力系统自动化，2012，36（8）：98－104.

［20］Salomonsson D，Soder L，Sannino A.An adaptive control system for a DC microgrid for data centers［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44（6）：1910－1917.

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

［22］朱克平.适应于分布式电源接入的直流微电网研究［D］.杭州：浙江大学，2013.

［23］杨志淳，乐 健，刘开培，等.微电网并网标准研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（2）：66－76.

［24］何佳安.直流微电网并网控制技术研究［D］.大连：大连理工大学，2013.

［25］Vekhande V，Fernandes B G.Bidirectional current－fed converter for integration of DC micro－grid with AC grid［C］／／India Conference（INDICON），2011 Annual IEEE.Hyderabad：IEEE，2011：1－5.

［26］Dong D，Cvetkovic I，Boroyevich D，et al.Grid－interface bidirectional converter for residential DC distribution systems，part one：high－density two－stage topology［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28 （4）：1655－1666.

Study of planning and design of hybrid AC／DC micro－grid

ZHOU Jin－hui1， TIAN Long－gang2， PAN Hao2

（1.Electric Power Research Institute，State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310014，China；2.School of Electric Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Hybrid AC／DC micro－grid has become the development direction of the next generation of micro－grid because it can reduce the loss caused by multiple converters and harmonic currents，and improve system reliability and economy.Based on the key technology project of Zhejiang Electric Power Company，the planning and design of hybrid AC／DC micro－grid are discussed from four aspects including the voltage level，bus structure，grounding and network topology，so as to provide a reference for the further research and engineering application of hybrid AC／DC micro－grid.

hybrid AC／DC micro－grid；planning and design；network topology；demonstration project

TM711

A

1003－5060（2015）02－0166－06

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.006

2014－09－18；

2014－10－29

国家高新技术研究发展计划（863计划）资助项目（2011AA05A107）

周金辉（1983－），男，黑龙江呼兰人，博士，国家电网浙江省电力公司工程师.

（责任编辑 闫杏丽）