以宁波交直流混合微电网系统为背景，从电压等级、母线结构、接地方式、网络拓扑等方面阐述了交直流混合微电网的规划设计方案，并给出了交直流混合微电网的拓扑结构图。文章提出了4种工程运行方式，详细分析了运行方式切换控制策略。通过实际运行结果证明，灵活的网络结构和智能的切换控制策略可实现交直流微电网运行方式的无缝切换，提高了系统的经济性和可靠性。
0.引言
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 generation，DG）并联接入时带来的谐振、谐波等方面的影响。相比于交流微电网，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。当下，智能电网的概念深入人心，其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就是可以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荷，以达到最优的运行效率。在此背景下，单纯的交流微电网或直流微电网就表现出了局限性。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，研究交直流混合微电网具有重要意义。
1.宁波交直流混合微电网网络结构设计
1.1交流微电网网络结构设计
宁波交直流混合微电网位于华安电力办公大楼，有光伏发电20kWp。现有的交流负荷为三相负荷（空调）160kW、单相负荷（照明）70kW；直流负荷根据调研情况基本为小功率电器。基于此容量，按照表1，交流子微电网的电压等级选择AC400V，不仅有成熟的示范工程经验可借鉴，也方便并网。交流微电网部分通过并网开关与大楼AC400V公用电网联接，接地方式采用TN-C-S。
1.2直流微电网网络结构设计
直流负荷的电压等级较多，分布较广；冗余式母线结构的可靠性高，但造价也很高，且项目中没有对电能质量要求很高的用电设备，故不选择此母线结构方式。在有多种电压等级的用电设备的情况下，将直流微电网母线结构设计为双层式母线结构。高压直流母线选择DC400V，一方面跟国际接轨，借鉴相关成熟经验，另一方面随着智能电网的发展，DC400V易于接纳更大功率的直流电器，且易于跟直流配电网并网运行。其他小型家电负荷及通信设备与48V直流母线连接。直流微电网部分通过分层母线结构的设计，完成对不同电压等级的直流负荷的直接供电，实现交直流混合微电网中对直流负荷直接供电的目标。直流微电网采用TN-C-S接地形式，与交流微电网通过一台AC/DC变流器连接。
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1.3交直流混合微电网网络结构设计
通过以上分析，设计交直流混合微电网拓扑结构见图1。其中，交流母线设计为400V单母线，将华安电力办公大楼已有的光伏电源接入，并与电网相连接，直接向办公大楼交流负荷供电；对于分层母线结构的直流微电网部分，母线电压设为高压400V及低压48V，该示范工程的高压220/110V直流负荷通过DC/DC变流器与高压直流母线相连接，同时接入10kWp光伏电源，通过变流器接入400V直流母线，为直流侧负荷提供能量。为了便于整个网络的正常运行与调控，在直流微电网部分接入一定容量的储能电池，储能电池由48节12V100Ah的铅酸电池串联组成，可以实现电能的自由调控以及直流微电网的孤岛运行，由一台20kW的DC/DC变流器接入DC400V母线。对于低压直流负荷，包括48V通信负荷及小于48V的其他直流负荷，直接或通过变流器接入低压直流母线，实现对展厅内的各类负荷供电。在交直流混合微电网中，交流系统和直流系统按各自的原则组成微电网，由四象限运行AC/DC变流器联接，变流器额定功率30kVA，支持PQ、VF、下垂3种运行模式。
图1交直流混合微电网拓扑结构图
2.交直流混合微电网运行方式与模式切换
2.1交直流混合微电网运行方式
宁波交直流混合微电网工程依靠2个PCC处开关的分合状态和2台变流器工作模式组合，支持4种运行方式，见图2。
图2交直流混合微电网运行方式
1）交、直流微电网并网运行。PCC-1和PCC-2处的开关均闭合；DC/DC变流器维持DC400V母线电压恒定；光伏工作在MPPT模式，以最大限度利用可再生能源；AC/DC工作在PQ模式，通过调整其功率来调理储能电池的SOC，保证有足够的备用以支撑独立运行。连接DC400V母线与DC48V母线之间的DC/DC模块维持48V母线电压恒定。其他连接负荷的DC/DC模块的控制目标均为维持负荷侧直流电压恒定。
2）交流微电网并网运行，直流微电网离网运行。PCC-1处开关闭合，PCC-2处开关断开；AC/DC变流器停机，DC/DC变流器维持DC400V直流母线电压恒定；其他DC/DC模块的运行方式与交、直流微电网并网运行方式下相同；光伏输出功率根据储能电池的SOC进行调整。
3）交、直流微电网并列离网运行。PCC-1处开关断开，PCC-2处开关闭合；DC/DC变流器控制DC400V母线电压恒定，AC/DC控制AC400V母线电压和频率稳定；其他DC/DC模块的运行方式与交、直流微电网并网运行方式下相同。当交直流混合微电网内的总负荷超过储能和光伏的整体调节能力时，需要切除部分负荷，以保证系统稳定。
4）交流微电网停运，直流微电网离网运行。PCC-1和PCC-2处的开关均断开；交流微电网停止运行，直流微电网部分运行，与第2）种运行方式相同。
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2.2交直流混合微电网模式切换
微电网的模式切换包含微电网运行状态切换和主电源控制模式切换。在满足设备可操作性和电网稳定需求的前提下，采用自动策略集顺序控制，其中包括无缝切换技术、微电网与电网同步技术等。
图2所示共4种运行方式、8种切换策略集（对应图中数字①～⑧）。运行人员根据需要选择切换策略集，监控系统开始自动执行：在监控后台完成状态判别、策略号生成等控制策略后，下发给微电网中央控制器（MGCC）执行，通过控制2个并网点开关分合、2台变流器工作模式及输出功率等完成模式切换过程。8种切换策略集中，⑤、⑥2种切换策略集只是对PCC-1并网开关的分合操作；③、④、⑦、⑧4种切换策略集包括对并网开关的分合操作和AC/DC变流器的启停操作，这6种切换策略较为简单，本文不做赘述，主要介绍①、②2种切换策略。
1）交流离网、直流离网转交流并网、直流并网。交直流混合微电网交流离网、直流离网时，PCC-1处开关断开，PCC-2处开关闭合，AC/DC变流器控制交流侧电压、频率，工作在VF模式，DC/DC变流器控制DC400V母线电压稳定。运行人员下达模式切换指令后，MGCC首先将AC/DC变流器由VF模式转为下垂模式，调整变流器的输出电压幅值和频率，当MGCC检测到交流母线电压与电网电压符合并网条件时，发出指令合上PCC-1处开关，然后将AC/DC变流器转为PQ模式，变流器将按照运行人员预先下达的功率指令运行，至此整个模式切换过程完成，切换流程见图3。
图3模式切换1流程
2）交流并网、直流并网转交流离网、直流离网。这种模式切换的初始状态是PCC-1处开关和PCC-2处开关均闭合，AC/DC变流器工作在PQ模式，DC/DC变流器控制DC400V直流母线电压稳定。运行人员下达模式切换指令后，MGCC首先将AC/DC变流器的输出功率逐渐减小为0，以减少模式切换对整个微电网造成的冲击；然后下达AC/DC变流器由PQ模式转为下垂模式的控制指令，变流器模式切换成功后，立即分断PCC-1开关，最后将变流器的运行模式切换为VF模式，整个切换流程见图4。
图4模式切换2流程
3.模式切换实例
宁波交直流混合微电网模式切换实例中，交流微电网负荷约1kW，直流微电网负荷约1kW，光伏输出功率约1.5kW。图5按顺序对应上节中8种模式切换过程，其中通道1为直流母线电压，通道2～4为交流母线电压，通道5～7为PCC-1并网点处电流。8种模式切换过程中，交、直流母线电压稳定，系统未出现振荡或故障停电；且交流离网、直流离网与交流并网、直流并网的相互切换过程实现了无缝切换，仅在与公用电网并网时并网点PCC-1处有10A左右的电流，见图5（a）。
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图5模式切换波形
4.结语
本文研究了宁波交直流混合微电网规划设计方案，重点讨论了交直流混合微电网电压等级的选择、母线结构的确定、接地方式的选取及网络拓扑的确定，形成了符合示范工程实际情况的网络结构方案。在此网络结构的基础上，设计了4种运行方式，给出了运行模式切换的8种切换策略，并在示范工程进行了验证。
宁波交直流混合微电网已于2016年1月投入运行，通过优化的控制系统和完善的运行策略，可快捷地在4种运行方式中切换，以应对大量复杂突发情况。由于避免了大量使用变流器，降低了电能在变换时的损耗，因此大大提高了网架运行的效率。示范工程的投运可为未来交直流混合微电网和配电网的设计、运行提供借鉴。
延伸阅读：
原标题：交直流混合微电网网络结构设计和模式切换控制策略
