周金辉;田龙刚;潘浩
【摘 要】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。%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 im‐prove 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 inclu‐ding 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 . 【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】6页(P166-170,238)
【关键词】交直流混合微电网;规划设计;网络拓扑;示范工程
【作 者】周金辉;田龙刚;潘浩
【作者单位】国家电网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州 310014;合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009
【正文语种】中 文
【中图分类】TM711
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。
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。
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。
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。
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。
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］。
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。
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。
本文提到的±170 V采用了双母线结构，其结构如图3所示。
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。
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。
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。
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（volta
ge 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。
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］。
