在论述了国内外交直流混合微电网发展现状的基础上，研究了交直流混合微电网电压等级的选取、接地模式、典型接线模式，并对交流、直流供电模式的优劣利弊分别做了比较和研究，详细阐述了南京众彩物流园区低压交直流混合微电网的构建，通过对园区内现状用电设备进行梳理获得了科学、合理的优化方案，取得了明显的经济效益。
引言
由于大规模、远距离输配电技术发展的推动，世界上绝大部分电力采用交流输/配电作为主流的传输模式。但近年来随着电力电子技术的发展，直流配电或用电设备越来越普遍。传统配电网主要采用交流配电模式，直流配用电设备必须采用DC/AC换流器或AC/DC整流器。直流配电系统可以简化现有配用电设备中大量的交直流变换环节，减少能源在传输过程中的损耗，提高能源利用效率。绝大多数的新能源发电和负载都是直流设备，电网很容易采用直流供电方式，当前采用交流供电，因此有必要探索直流供电方式。
由于电力技术发展主流方向已经形成，目前世界上尚没有大规模、商业化的直流公共配电网的应用实例。直流配电技术要想在电力系统中得到广泛应用，还有很长的路要走，交直流混合配电更有可能成为可行的过渡技术模式。
南京供电公司在“十二五”期间，通过开展 “一流配电网”的规划建设，开展了主动配电网规划等方面的研究。在此基础上，又开展了交直流微电网的研究和示范应用，对南京地区交直流混供模式的探索有开创性意义。
1交直流混供模式的发展现状
据了解，荷兰能源研究中心(ECN)于1997年系统地提出在住宅中采用直流配电技术的实施方案，国际能源机构(IEA)对此予以肯定。
瑞典兰德大学研究了直流配电系统的电压控制和功率分配，研究的对象为五端环形电网，探讨了直流配电网的特征。欧洲已经出现了采用直流300V供电的体育场试验项目、采用直流350V住宅供电试验项目以及其他一系列直流供电技术验证项目，侧重于直流微电网的研究。
日本政府有关部门以及日本新能源与产业技术开发机构(NEDO)等组织了多家日本企业和大学，开展住宅直流配电技术的研发工作。
2007年，美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative (SBI)”研究计划，主要为未来住宅和楼宇提供电力。随着研究的深入，CPES于2010将SBI发展为SBN (Sustainable Building and Nanogrids)，其典型结构中具有两个电压等级的直流母线DC 380V和DC 48V，分别给不同等级的负载供电。在SBN研究的基础上，结合高压直流输电的发展，CPES还提出了交直流配电分层连接的混合配电系统结构。在该结构中，交流配电网和直流配电网是同时存在的，系统根据电压等级从低到高依次分为皮网、纳网、微网、子网，这些网络系统均通过电力电子变换器与上层配电母线连接，由此采用分层的结构组成了一个交直流混合的配电网络。
目前，国内对于直流配电网的研究仍处于起步阶段，交直流活配电技术从规划设计、调度运行、控制与保护、关键设备、经济分析等方面还有大量问题需研究。许多关于交直流配电技术的研究成果并没有得到实践的检验，还需要不断完善。借鉴国外经验开展相关试验项目，探索适合中国国情的直流配电适用技术及运行模式，作为技术储备，有必要开展相应的前瞻性研究。
2低压交直流混合供电模式研究
当前，能源领域正在发生生产方式和消费方式的新变革，各种新能源和多样性负荷的接入，对电网的发展形成了新的挑战和机遇。电力系统稳定运行要求供需实时平衡，而风力、光伏等可再生能源发电具有间歇性、不确定性的特性，其所发电能存在无法完全消纳的问题。同时，随着多样性负荷的接入，直流负荷亦体现出其优越性。而应用分布式储能技术与风电、光伏等分布式电源以及用户多种负荷组建成能够实现自我控制、保护和管理的微电网正是一项可有效解决这一问题的关键技术。交直流混合微电网使处于电力系统管理边缘的大量分布式电源并网成为可能，有效弱化了分布式电源接入电力系统后的不可控、不安全和不稳定情况，解决了分布式发电面临的许多技术障碍和质疑。通过加入分布式储能装置将地域相近的分布式电源与负荷结合起来形成微电网系统进行协调控制，对配电网来说则表现为“电网友好型”的单个可控集合，既可以与大电网进行能量交换，又可在大电网发生故障时独立运行。因此，开展交直流混合微电网示范应用，不仅可以促进示范区内各类可再生能源的有效消纳，还可以对示范区内多种不同类型的负荷进行有效管理和控制，同时还可以有效提高示范区内的供电可靠性，具有积极的示范作用。
2.1直流电压等级的选取
2.1.1 直流电压等级的理论计算方法 (略)
2.1.2 用户端低压直流电压等级的设置
参考现有特殊直流供电场合标准(数据中心用380V，通信基站用48V)，已有较成熟设备和供电方案。同时考虑到用双极接线的方式，可选择从48V(+/-24V双极接线方式)单相供给24V直流入户，是满足家庭一般用电设备的安全电压等级。用户端低压建议采用380V和48V。
2.1.3 公共配网端低压直流电压等级的设置
参考欧盟标准(EU LVD 72/23/EEC)将1kV交流/1.5kV直流及以下的设备划分为公共配电网区域的低压直流设备。1.5kV直流相比380V(0.4kV)和1kV交流系统可输送能力大大提高，1.5kV直流采用双极接线的方式，可方便通过单相接出750V直流电压，利用成熟变换设备，作为原380V交流系统及规划中入户低压直流系统的备用供电支路。因此，公共配网端低压直流电压建议选取1.5kV。
2.1.4 中压直流电压等级的设置
考虑到以下因素：①在存量10kV手拉手配电网络基础上，增加直流配电互联，可以实现环网供电;②大规模分布式能源供给支路，可提供城市在紧急状况时独立于原交流系统运行所需的大容量有源接入。在现状交流10kV的基础上以绝缘、整流器为约束条件，得出直流极对地电压可选范围为8.49～13.45kV。
2.2直流接地模式的研究
接线方式可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式，大地也可以与两电极中的一极或者变换器和电池的中性点连接。直流单极和双极系统的接地模式分别见图1和图2。
2.3直流供电的典型接线模式
直流供电网分为单极和双极供电两种模式。在低负荷密度时，单极LVDC系统和双极LVDC系统的系统损耗和可靠性成本差别不大。在高负荷密度时，双极系统的可靠性成本较低，双极系统的LVDC最小经济百分比比单极系统低。直流单极和双极系统的典型接地模式见图3和图4。
3南京低压交直流混合微电网应用示范
3.1示范区的选取
南京众彩农副产品物流配送中心总占地面积3000亩，规划总建筑面积107万m2，是南京城市居民农副产品消费、农产品交易平台，现代化农副产品物流基地，供电可靠性要求较高(地理区位图见图5)。目前，区内已接入装机容量达6.18MWp的分布式屋顶光伏以及5MW的填埋气发电等可再生能源发电。区内已投运的用电负荷主要包含有农副产品物流区、交易和展示区、冷库区以及商务办公、商业服务、酒店餐饮娱乐、滨水娱乐中心等业态，负荷性质多样。
图5 物流园地理区位图
3.2示范区的供电现状
南京众彩农副产品物流配送中心目前由位于区域南侧的220kV高桥变电站新出的4回10kV线路提供电源，分别为10kV佘村线、大理线、谢家1号线和谢家2号线。其中，10kV佘村线和大理线接入位于交易市场1区的1号中心站供电，10kV谢家1号线和谢家2号线接入10kV开闭所后分别接入位于交易市场5区的2号中心站和位于冷库区的润恒物流配电室。物流园局部现状中压配电网接线见图6，分布式电源接入接线见图7。
3.3示范区的建设目标
通过试点构建中压交直流混合微电网，研究交直流混合供电的可行性，掌握交直流混合微电网运行、供电的数据，获得相关运行经验，为直流供电积累经验。并主要实现以下目标：
① 分布式能源基本实现就地消纳：充分发挥园区分布式能源优势，应用分布式能源及微电网规划技术和分布式储能技术，实现区域源—储—荷的综合协调运行和分布式能源的基本就地消纳。
②区域微电网安全、可靠、稳定运行：应用区域微电网协调运行控制技术，通过源—储—荷间的相互协调运行，显现区域微电网安全、可靠、稳定运行。
③交直流负荷优化配置：构建交直流混合微电网，集中展示交直流混合微电网运行水平和供电质量。
3.4交直流混合网试点建设方案
在电源侧，逆变器型分布式电源发出的电力均为直流电或经简单整流变为直流电，这些直流电源如并入直流配电网，则可省去大量的换流环节。在用电侧，直流配电技术的应用，主要体现在用电负荷，如办公用电、商业用电、居民用电。可用于直流供电的用电设备主要包括：照明(白炽灯和荧光灯)，烹饪和加热，直流电动机(采用直流变频技术的空调、冰箱、洗衣机)，计算机和办公设备，电动汽车充电等。
目前物流园区的负荷主要为仓储、照明、空调、办公、冷库、电梯、电动汽车充电桩等。先对现有的主要用点设备进行梳理，找出潜在可能改造的直流用电设备(负荷)。物流园区内潜在直流用电设备统计见表1。
考虑到先期试点应用，不影响物流园用电可靠性，构造中压交直流混合微电网宜选取部分方便改造、易于接入的设备。最终选取物流园水果区的屋顶光伏、水果区办公楼及酒店的部分负荷接入，构建中压交直流混供微电网。最终选取的负荷设备清单及进线电缆截面见表2。
此外，再选取5台物流园区内直流快速充电桩(DC750V，60kW)接入交直流混合网。选取1台(300kW)园区内已有的储能装置接入网络。
物流园区交直流混合微电网的构建方案为：从物流园水果区的屋顶太阳能光伏板的2个汇流母线箱分别引出两路直流电源至新建的直流母线箱，考虑到日后直流负荷的发展，本次新建的直流母线箱预留2个可扩展接口，方便新增的直流负荷接入。同期新建5台DC/DC转换装置，物流园水果区的LED照明、酒店餐厨等用电设备通过DC/DC转换器接入直流母线箱。物流园低压交直流混供接线见图8。
3.5低压交直流混合微电网建设投资估算
该工程共计新建低压直流电缆约200m，DC/DC转换装置6套，直流母线箱一面(直流断路器型)，总投资约25万元。物流园区试点工程一次设备规模见表3。
4效益分析
为便于分析，将该试点交直流混供微电网的经济效益简单分为2个部分：①运行产生的效益;②未来直流负荷接入产生的效益。
第一部分运行的效益涉及的因素较多，为了简化计算便于理解，本文只计及交直流变换环节减少后带来的能耗的减少。一台逆变器的年损耗约为65.7万kWh，折算成电费约为45万元/年。
第二部分，经咨询园区管委会，近两年物流园区为配套净菜配送业务，将新建100座直流电动汽车充电桩。由于直流充电桩具有快速充电的优势，充电效率为交流充电桩的1倍左右，如改为交流充电桩，为满足园区净菜配送的需求，则需配备160座交流充电桩。目前同功率的交、直流充电桩市场价格相差不大，按照每台8万元考虑，使用直流充电桩，园区节约480万元的设备采购成本。
综上，一年内，采用交直流混合微电网供电，潜在的经济效益约为45万元+480万元=525万元，去除改造费用25万元，经济效益为500万元。
5结语
本文介绍了南京众彩物流园中压交直流混供微电网的建设方案，并对园区内潜在的直流用电设备做了梳理，评估了其建设改造的可行性，通过构建低压交直流混合微电网同步建立了交直流微电网能量管理系统，并在现有的直流母线箱中预留可扩展接口，便于日后新上直流负荷的接入。本文为未来交直流混供网络的建设提供了改造经验，随着交直流微电网运行经验的积累，可以为未来直流网络的发展提供参考。该方案的经济效益可在未来长期运行之后得到体现。通过对近两年直流负荷的接入投资评估，直流微电网的建设具有可观的经济效益。
原标题：【城市交直流灵活供电技术】南京低压交直流混合微电网研究及试点应用
