直流微电网关键技术研究综述

第36卷第1期中国电机工程学报Vol.36No.1Jan.5,201622016年1月5日ProceedingsoftheCSEE©2016Chin.Soc.forElec.Eng.DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.01.001文章编号：0258-8013(2016)01-0002-16中图分类号：TM71直流微电网关键技术研究综述李霞林1，郭力1，王成山1，李运帷2(1．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津市南开区300072；2．阿尔伯塔大学电气与计算机工程系，加拿大埃德蒙顿T6G2V4)KeyTechnologiesofDCMicrogrids:AnOverviewLIXialin1,GUOLi1,WANGChengshan1,LIYunwei2(1.KeyLaboratoryofSmartGridofMinistryofEducation,TianjinUniversity,NankaiDistrict,Tianjin300072,China;2.DepartmentofElectricalandComputerEngineering,UniversityofAlberta,Edmonton,AB,T6G2V4,Canada)ABSTRACT:Asanimportantpartofthefuturesmartdistributionsystem,microgridcanmakeasignificantcontributiontopromoteenergysaving,emissionreductionandachievethesustainableenergydevelopment.ComparedwithACmicrogrids,theDCmicrogridhasbeenapromisingsolutionforinterfacingthesolar/windrenewableenergysourcesbaseddistributedgenerationsystems,energystoragesystems,electricvehiclesandotherDCloads,withlessenergyconversionstages.Sothesystemcanoperatewithimprovedenergyconversionefficiency,economyandreliability.Inthispaper,firstly,thelatestresearchanddevelopmentoftechnologiesandplatformsofDCmicrogridsfromindustryandacademiawassummarized.Secondly,thetopologystructure,optimalplanning,operationcontrol,protectionandcommunicationtechnologyofDCmicrogridsweredescribedandanalyzed.Finally,thefuturedevelopmentandapplicationofDCmicrogridsweredescribedinAC/DChybridmicrogrids,hybriddistributionsystemsandenergyinternets.KEYWORDS:DCmicrogrid;energyinternet;smartdistributionsystem;operationandcontrol摘要：微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。该文首先对国内外学术界和工业界在直流微电网领域的相关技术和实验系统研究现状进行梳理；然后，从技术角度基金项目：国家863高技术研究发展计划(2015AA050104)；国家自然科学基金项目(51507109)；天津市科技支撑计划重点资助项目(14ZCZDGX00035)。SupportedbyTheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(2015AA050104);NationalNaturalScienceFoundationofChina(51507109);TianjinMunicipalScienceandTechnologyCommission(14ZCZDGX00035).对直流微电网拓扑结构、优化规划、运行控制、保护及通信等几个方面进行了分析归纳；昀后从交直流混合微电网、交直流混合配电网以及能源互联网等方面展望了直流微电网的发展和应用前景。关键词：直流微电网；能源互联网；智能配电网；运行控制0引言微电网技术代表了未来分布式能源供应系统发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义[1-2]。国家能源局近期连续出台《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》[3]、《配电网建设改造行动计划(2015—2020年)的通知》[4]等文件，指出应积极发展新能源，大幅提升配电网接纳新能源、分布式电源及多元负荷的能力，加快推进新能源微电网示范工程建设，探索适应新能源发展的微电网技术及运营管理体制。微电网内光伏、风机、燃料电池、电池储能单元等产生的电能大部分为直流电或非工频交流电；常用电气设备，如个人电脑、手机、LED照明、变空调和电动汽车等，皆通过相应适配器变成直流电驱动。上述发电单元或负荷如果接入交流微电网，则需要通过相应DC-DC、DC-AC和AC-DC等电力电子变流器构成的多级能量转换装置，若接入合适电压等级的直流微电网，将省去部分交直流变换装置，减小成本、降低损耗。直流母线电压是衡量系统内有功功率平衡的唯一标准，系统内不存在类似交流系统里的频率稳定、无功功率等问题。直流微电网还可通过双向DC-AC变流器与现有交流微电网或配电网并联，并能有效隔离交流侧扰动或故第1期李霞林等：直流微电网关键技术研究综述3障，可保证直流系统内负荷的高可靠供电[5-6]。因此，直流微电网系统的研究和发展受到了国内外工业界和学术界的广泛关注。目前国内外在直流微电网领域的相关技术研究和实验系统、示范工程已逐步开展。相关技术研究主要涉及直流微电网电力电子变流器及直流断路器等关键装备、运行控制技术、保护和能量管理系统等方面。电气领域内的国际主流杂志如IEEE电力电子(powerelectronics)和智能电网(smartgrid)相继于2013年和2014年出版“智能直流配用电/微电网”专刊[7-8]，2015年6月IEEE在美国亚特兰大组织召开了第一届直流微电网国际会议，介绍了直流微电网相关研究技术和工程实践的昀新研究进展[9]。在国内目前这一领域已经有一批国家自然科学基金项目(如“直流微电网的暂态特性分析及其控制策略研究(51207001)”、“直流微电网协调控制及其稳定性研究(51307140)”、“针对直流微电网的分布式直流DVR系统研究(51307117)”、“面向高效供电和多端相互支撑的交直流混联配电运行控制研究(51407177)”、“直流微电网分层分布式协同控制及稳定性研究(51507109)”等)获得立项支持。在实验系统和示范工程方面，2007年美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“sustainablebuildinginitiative(SBI)”研究计划[10]，主要为未来住宅和楼宇提供电力。2011年美国北卡罗来纳大学提出了FREEDM系统结构，以直流供电为基础用于构建未来自动灵活的可再生能源传输和管理网络[11]。2012年，由德国、荷兰等国的高校和企业联合开展一项为期3年的名为“DCComponentsandGrid”(DCC+G)的研究项目[12]，旨在通过高效的半导体和电力电子技术，设计和发展基于380V直流配用电系统的高能效建筑。2014年，由丹麦奥尔堡大学、华北电力大学、中科院电工所、国家电网公司联合开展的主题为智能直流微电网的中丹可再生能源合作项目，旨在推动智能直流微电网技术在未来住宅和工业园区等方面的发展和应用[13]。在国内，一批国家科技部“863项目”获得立项支持，其中由深圳供电局承担的国家863项目“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”于2013年正式启动，研究重点以直流固态变压器为核心的柔性直流配电技术，以实现高低压直流配电网或微电网间电压和功率的灵活控制和快速管理[14]；由浙江省电力公司承担的国家863项目“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”于2015年正式启动，项目主要围绕高密度分布式可再生能源接入，重点攻克交直流混合微电网系统的网架配置优化、稳定控制等理论与技术难点。此外，近年来国内外众多高校、研究中心和企业，如荷兰飞利浦电力电子研究中心[12]、德国弗劳恩霍夫研究所[12]、丹麦奥尔堡大学[13]、巴西米纳斯吉拉斯州立大学[15]、新加坡南洋理工大学[16]、韩国电工技术研究所[17]、天津大学[18]、浙江大学[19]、华北电力大学[13]、中科院电工所[13]、厦门大学[20]、台湾国立中正大学[21]等均已建成不同电压等级(如48V、±170V、380V/400V等)、不同母线结构(单母线结构、双极结构、多母线结构等)直流微电网实验系统，并在稳定控制和保护、运行效率等方面开展了相关研究。国内外对直流微电网相关领域的研究和实践已经取得了一些阶段性的成果[22-28]，本文将结合昀新研究成果，对直流微电网拓扑结构、优化规划、运行控制、保护和通信技术等内容进行全面分析和总结。昀后，交直流混合微电网、交直流混合配电网以及能源互联网等方面展望了直流微电网的发展和应用前景。1直流微电网拓扑结构图1示意了一种适用于未来智能家庭、商业楼宇，以及工业园区的典型直流微电网结构，系统内可包含光伏、风电等间歇性分布式电源，微型燃气轮机和燃料电池等可控型分布式电源，电池储能、飞轮或超级电容等储能单元以及本地交/直流负荷。若直流微电网可与外部交流电网互联，则可通过双向DC-AC变流器接入交流系统。在未来直流微电网中，为进一步提高直流系统供电灵活性和可靠性，以适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷接入，可采用双极性三线制结构。根据中线的出线形式不同，双极性三线制供直流母线交流电网分布式电源直流型储能交流负荷直流负荷交流型储能图1典型直流微电网系统结构图Fig.1TypicalconfigurationofaDCmicrogrid4中国电机工程学报第36卷电系统主要如图2所示，其中直流系统与交流系统互联端口采用两个相同容量的双向DC-AC变流器(如图2(a)所示)，或者直流系统中两个储能单元通过DC-DC变流器(如图2(b)所示)，两者共用一极直流母线，实际上直流系统内部为两个独立供电回路[29]，可靠性较高，但需要两套全功率电力电子变流装置，成本更高。(d)基于电压平衡器(c)基于分裂母线电容DCDC(a)基于两DC-AC变流器(b)基于两DC-DC变流器ACDC+ACDC-NDCDC+DCDC-N储能单元储能单元ACDC+-+-N+-电压平衡器+-N电压平衡器储能单元ACDC+-NDCDC+-N储能单元图2直流系统双极性三线制供电结构Fig.2Bipolar-typeDCsystem图2(c)中，通过在直流母线电容中点引出中线，在正负极间分布式电源或负荷不平衡的情况下，如果采用具有中点电位平衡功能的三电平中点箝位式DC-AC变流器(neutralpointclampedconverter，NPC)[30]，则可以保证直流正负母线电压平衡，但对于常规两电平DC-AC或独立直流微电网来说，则无法实现直流正负极母线电压对称。为解决上述