直流微电网关键技术研究综述_李霞林.docx
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1、第 36 卷 第 1 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.36 No.1 Jan.5, 2016 2 2016 年 1 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2016 Chin.Soc.for Elec.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: TM 71 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
2、系,加拿大 埃德蒙顿 T6G 2V4) Key Technologies of DC Microgrids: An Overview LI Xialin1, GUO Li1, WANG Chengshan1, LI Yunwei2 (1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China; 2. Department of Electrical and Computer Engineering, University
3、of Alberta, Edmonton, AB, T6G 2V4, Canada) ABSTRACT: As an important part of the future smart distribution system, microgrid can make a significant contribution to promote energy saving, emission reduction and achieve the sustainable energy development. Compared with AC microgrids, the DC microgrid
4、has been a promising solution for interfacing the solar/wind renewable energy sources based distributed generation systems, energy storage systems, electric vehicles and other DC loads, with less energy conversion stages. So the system can operate with improved energy conversion efficiency, economy
5、and reliability. In this paper, firstly, the latest research and development of technologies and platforms of DC microgrids from industry and academia was summarized. Secondly, the topology structure, optimal planning, operation control, protection and communication technology of DC microgrids were
6、described and analyzed. Finally, the future development and application of DC microgrids were described in AC/DC hybrid microgrids, hybrid distribution systems and energy internets. KEY WORDS: DC microgrid; energy internet; smart distribution system; operation and control 摘要 :微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分,对推
7、 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)。 Supported by The National High Technology Research and Development
8、Program of China(863 Program)(2015AA050104); National Natural Science Foundation of China(51507109); Tianjin Municipal Science and Technology Commission(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;最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
9、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,
10、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 进展 。在国内目前这一领域已经有一批国家自然 “ 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
11、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 (power electronics)和智能电网 (smart grid) 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
12、相关研究技术和工程实践的最新研究 9 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 “ sustainable building in
13、itiative(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 “ DC Components 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
14、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,本文将结合最 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。最后
15、,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 and Grid” (DCCG)的研究项目 12,旨在通过高效 向 DC-AC 变流器接入交流系统。 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
16、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 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 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 交
17、流电网 分布式 电源 直流型 储能 交流型 储能 交流 负荷 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 直流 负荷 图 1 典型直流微电网系统结构图 Fig. 1 Typical configuration of a DC microgrid 储能 分布式 储能 本地 分布式 储能 本地 4 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
18、变流器 (如图 2(a)所示 ),或者直流系统中两个储能单元通 DC-AC 过 DC-DC 变流器 (如图 2(b)所示 ),两者共用一极直 高压母线 直流 变压器 低压母线 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 分布式 电源 储能 本地 负荷 分布式 电源 储能 本地 负荷 流装置,成本更高。 图 3 基于直流变压器的多电压等级直流微电网示意图 AC + 储能 DC + Fig. 3 DC transformer based DC microgrid DC N 单元 DC N with multiple DC voltage level
19、s AC 储能 DC 不断增大,为提高直流微电网供电可靠性、以及分 DC - 单元 DC - 布式电源及负荷接入灵活性和易扩展性,直流微电 (a) 基于两 DC-AC 变流器 (b) 基于两 DC-DC变流器 网可采用如图 4 所示多母线结构。 AC + AC + 电压平衡器 + N N DC - DC - - DC-AC DC-AC 储能 单元 DC DC (c) 基于分裂母线电容 + N - 储能 单元 + 电压平衡器 DC DC - (d) 基于电压平衡器 + N - 分布式 电源 储能 母线 1 本地 负荷 母线 i . . 分布式 本地 电源 负荷 图 2 直流系统双极性三线制供电结
20、构 Fig. 2 Bipolar-type DC system 图 2(c)中,通过在直流母线电容中点引出中线, 母线 2 电源 负荷 . 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 (neutral point clamped converter, 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。为解决上述问 题,直流微电网可通过如图 2(d)所示电压平衡器构 成双极三线制系统 31。电压平衡器的应用不受直流 微电网运 行模 式 (并网
21、 运行 或独立 运行 )的限制 ,可 以灵活地并入 DC-AC 或 DC-DC 变流器的输出端 口;同时直流微电网的直流母线电压控制 (如并网时 由 DC-AC 来控制,独立运行时由储能 DC-DC 来控 制 )和正 /负极电压平衡控制 (由电压平衡器来控制 ) 两者完全解耦,相比图 2(c)所示采用 NPC 拓扑的直 流微电网,控制更加灵活,可靠性更高。 另外一种能满足不同类型、容量和直流电压等 级的分布式电源、储能系统以及负荷等接入的直流 微电网结构如图 3 所示,其中包含两个直流电压等 级 (即如高压 380V 母线和低压 48V 母线 ),不同电 压等级直流母线通过基于高频隔离变压器和
22、电力 电子技术的直流变压器互联 32-33。 图 1 所示直流微电网 只含 有一条 公共 直流母 线,当该母线处发生故障时则会影响整个系统稳定 运行和供电可靠性。随着直流微电网容量和规模的 图 4 多母线直流微电网结构示意图 Fig. 4 DC microgrid with multiple buses 每段直流母线处,均可接入相应的分布式电 源、储能系统和本地负荷,亦可通过双向 DC-AC 变流器接入相应的交流电网,构成多端直流微电网 结构 (multi-terminal DC MG)5,34。当某一交流系统 出现故障或电能质量出现问题导致其中一台 DC-AC 退出运行时,或者某处直流母线发
23、生故障, 通过快速隔离故障区域,直流微电网还能保证其余 部分正常运行,可靠性更高。此外有学者提出对于 负荷供电可靠性要求较高的应用场合来说,直流系 统内部可采用环状结构 5,35,即在图 4 多母线结构中 不同直流母线之间可以有两条或两条以上电气连接 通道 (如图 4 中母线 i 和母线 j 相连,即可构成多端 环状结构 ),供电可靠性相对于辐射状结构较高。 随着直流微电网容量和规模的进一步扩大,受 地域因素、供用电主体及功能性差异等影响,在一 定供电区域内将可能形成多个直流微电网,构成 图 5 所示直流微电网群 36-38。多个直流微电网以集 群的形式互联和运行,各子微电网间通过群能量调 度
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- 直流 电网 关键 技术研究 综述 李霞林
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