新型交直流混合微电网拓扑及其可靠性分析

新型交直流混合微电网拓扑及其可靠性分析

朱永强, 唐萁，贾利虎

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)， 北京市102206)

摘 要：交直流混合微电网综合了交流微电网和直流微电网的优点，是未来智能电网的发展趋势之一，而拓扑结构和可靠性研究是交直流混合微电网发展的基础。参考现有微电网拓扑结构，结合交直流混合微电网的构成和运行方式，提出了3类新型交直流混合微电网拓扑，分别是一对多型(一个交流微电网与多个直流微电网)、多对一型和多对多型，根据3类拓扑自身的特点，指出了各自的适用场景；基于配电网可靠性分析方法，考虑分布式电源接入和微电网孤岛运行，提出了交直流混合微电网的可靠性计算方法；通过算例，对比和分析了提出的3类新型交直流混合微电网拓扑的可靠性。

关键词：交直流混合微电网; 拓扑结构; 可靠性; 分布式电源

0 引 言

化石能源短缺和环境污染的双重压力促使新能源发电技术成为全世界的研究热点，相较于直接接入配电网，新能源发电以分布式电源的形式接入微电网有利于充分发挥其综合效能，而拓扑设计和可靠性分析是微电网发展的基础[1-3]。文献[1]从包括微电网拓扑结构设计和可靠性分析在内的5个方面，对微电网发展过程中的关键技术进行了详细的探讨。文献[2]介绍了交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网的典型拓扑，分析了每种拓扑的特点与应用条件，提出了微电网拓扑的设计方法。

相较于交流微电网和直流微电网，交直流混合微电网具有电力电子变换环节少、能量损耗小和负荷配置灵活等优点，逐渐引起了相关研究人员的注意[4-9]。文献[4]指出交直流混合微电网主要包括交流微电网、直流微电网和互联变流器，并介绍了混合微电网的优点和关键技术。文献[5]研究了交直流混合微电网的运行模式和功率流动方式，并设计了相应的控制策略。文献[6]提出了一种典型交直流混合微电网拓扑，并对互联变流器的控制方式进行了研究。文献[7]综述了交直流混合微电网的拓扑结构和基本控制策略，并根据交直流混合微电网接入大电网的方式将其拓扑结构分为3类：(1)在交流侧经由变压器接入大电网；(2)在直流侧通过DC/AC逆变器接入大电网；(3)通过电力电子变压器接入大电网。文献[8]根据分区、分层和资源最大利用等原则，设计了交直流混合微电网的拓扑，并对拓扑进行了可靠性和经济性分析。

目前对交直流混合微电网的研究主要集中在功率控制和协调优化等方面，拓扑结构和可靠性方面的研究还比较少。本文根据微电网设计要求提出3类新型交直流混合微电网拓扑，并对各自的特点和使用场景进行分析，为今后相关研究和设计提供更加丰富的拓扑结构；最后，对本文提出的3类拓扑进行可靠性分析，为今后交直流混合微电网的可靠性分析和拓扑选择提供参考。

1 新型交直流混合微电网拓扑

微电网拓扑是微电网建设、运行控制研究、潮流计算、稳定分析和成本估算等的基础，然而，当前对于交直流混合微电网拓扑的研究还比较少，运行控制和稳定分析等使用的拓扑结构比较单一。

1.1 现有交直流混合微电网拓扑

文献[10]提出了如图1所示的一种并网点位于AC侧的交直流混合微电网(典型拓扑I)，在该混合微电网中，交流微电网由交流母线和与之连接的风力发电系统、微型燃气轮机、储能装置、交流负荷构成，直流微电网由直流母线和与之相连的光伏发电系统、储能装置、直流负荷构成，交直流母线间通过互联变流器相连，该拓扑适用于交流负荷所占比重较大且直流侧无重要负荷的区域。

图1 典型拓扑I
Fig.1 Typical topology I

文献[11]提出了如图2所示的一种交直流混合微电网(典型拓扑Ⅱ)，该拓扑与图1所示拓扑之间的区别在于混合微电网的并网点位于直流侧。该拓扑适用于电动汽车充电桩较为普及的单位或社区等直流负荷所占比重较大的区域。

图2 典型拓扑Ⅱ
Fig.2 Typical topology Ⅱ

1.2 3类新型混合微电网拓扑

本文结合交直流混合微电网的可靠性需求，吸取现有微电网的设计经验，提出了3类交直流混合微电网拓扑。混合微电网的拓扑主要指的是交流配电网、交流微电网和直流微电网三者之间的连接关系，本文将混合微电网基本网架结构分为一对多型(一个交流微电网与多个直流微电网)、多对一型(多个交流微电网与一个直流微电网)、多对多型(多个交流微电网与多个直流微电网)，并指出每类拓扑的适用场景。

在此需要说明的是：(1)本文所提出的交直流混合微电网拓扑仅绘制出了配电网、交流微电网和直流微电网三者之间的连接关系，至于微电网内部的具体结构可以参考文献[12]中相关部分，本文不再详细讨论；(2)本文提出的拓扑仅涉及交流微电网与配电网相连的情况，直流微电网与配电网相连的情况与之类似。

1.2.1 一对多型

图3(a)所示为一对多型I型结构，该结构中一个交流微电网与多个直流微电网通过互联变流器进行互联，而多个直流微电网之间没有连接，且混合微电网在交流微电网侧并入配电网。图3(b)所示为一对多型Ⅱ型结构，该结构中直流微电网通过直流开关连接，可以看作是一对多型I型结构的变形。

一对多型拓扑适合于直流电源和负荷较为丰富但地理分布比较分散的地区，这些直流电源和负荷可以就近局部组网，而后通过直流开关实现这些直流微网的互联，既减小了线路上功率的损耗，又提高了供电的可靠性，新建的生态公园、游乐场等适合此种拓扑。

图3 一对多型拓扑
Fig.3 Topology of one-to-many

1.2.2 多对一型

如图4(a)所示多对一型I型结构，该结构中多个交流微电网与一个直流微电网通过互联变流器进行互联，而2个交流微电网之间没有连接。如图4(b)所示多对一型Ⅱ型结构，该结构中交流微电网之间通过连接开关进行连接，可以看作是多对一型I型结构的变形。

多对一型拓扑适合于交流电源和负荷较为丰富但地理分布比较分散的地区，通过局部组网可以减少线路损耗，提高供电可靠性，可用于居民区电网增容改造；同时，多对一型拓扑中的多个交流微电网通过直流微电网相连，可用于不同交流微电网间的非同步互联。

图4 多对一型拓扑
Fig.4 Topology of many-to-one

1.2.3 多对多型

如图5所示，多对多型是指多个交流微电网与多个直流微电网之间通过互联变流器分别进行互联，根据多个交流微电网之间、多个直流微电网之间互联与否，可以将多对多型分为3种形式。

多对多型拓扑综合了一对多型和多对一型的优点，适合于交直流电源和负荷均比较丰富且地理位置分布比较分散的地区，但多对多型拓扑的结构相对复杂，成本较高，新建的高新科技园区、产业园区比较适合此类拓扑，将其中的交直流负荷和电源分别接入对应的微电网，而后各微电网根据负荷供电可靠性需要进行同种类型微电网之间的连接。

图5 多对多型拓扑
Fig.5 Topology of many-to-many

2 混合微电网可靠性计算方法

交直流混合微电网拓扑可靠性受诸多因素的影响，包括线路、电力电子设备、交直流断路器和分布式电源等。相较于配电网的可靠性分析，交直流混合微电网需要考虑分布式电源和孤岛运行对可靠性指标的影响，不能直接使用配电网可靠性计算方法，因此本文提出了一种适用于交直流混合微电网的可靠性计算方法。

2.1 配电网可靠性计算方法

配电网可靠性评估指标包括两类：一是从负荷角度进行评估；二是从系统角度进行评估。评估所需的基础数据为系统中元件的可靠性参数，分别是：年故障率λ和平均故障修复时间r。

负荷可靠性指标主要包括：负荷点的年平均停电频率λL，次/a；负荷点年平均停电时间UL，h/a；负荷点平均停电持续时间rL，h/次。负荷点处各指标的计算公式[13]：

(1)

式中：f为造成负荷点停电的所有元件的集合；λi为元件i的年故障停运频率；ri为元件i的平均停电持续时间。

系统可靠性指标反映的是发生故障后对整个系统的影响，可以通过对负荷可靠性指标进行计算得出，常用的指标主要有：系统平均停电率(system average interruption frequency index，SAIFI)ISAIF，次/(户·a)；系统平均停电持续时间(system average interruption duration index，SAIDI)ISAID，h/(户·a)；平均供电可用率(average service availability index, ASAI)IASA，%；系统缺供电量(energy not served，ENS)ENS，kW·h/a。常用指标的计算公式[13]：

(2)

式中：NL为负荷点的用户数；PNL为负荷点的平均负荷。

2.2 适用于交直流混合微电网的可靠性计算方法

在交直流混合微电网中，由于加入了分布式电源，导致可靠性计算方法与配电网有所不同。鉴于混合微电网中分布式电源一般搭配储能装置，在可靠性计算中可将出力波动的分布式电源等效为出力恒定为置信容量的常规电源，其中，分布式电源的置信容量即在等可靠性前提下分布式电源替代常规发电机组的容量。

在混合微电网中，可将负荷点的相关元件分为2类：一是故障后会导致该负荷点停电的元件，此类元件故障后导致停电的用户为该负荷点的所有用户，即NL；二是故障后会导致该负荷点孤岛运行的元件，此类元件故障后导致停电的用户为该负荷点分布式电源不足以供给的用户，本文假设负荷点处各用户的功率需求相同，则此时停电的用户数为NL(1-PDG/PNL)，其中，PDG为该负荷点分布式电源的置信容量。

式(2)中λLNL表示负荷点的年停电总用户数：配电网可靠性分析时可直接用式(1)中的λL与该负荷点用户数NL相乘得到，因为配网中每个相关元件故障导致的停电用户数相同且均为总用户数；交直流混合微网中，不同元件故障导致停电的用户数不同，根据上文所述λLNL表示的意义和混合微网中2类元件故障后导致停电的用户数，得到交直流混合微网中λLNL的计算方法如式(3)所示：

(3)

式中：f1为故障后会导致负荷点停电的元件集合；f2为故障后会导致负荷点孤岛运行的元件集合。

同理，交直流混合微网可靠性计算过程中式(2)中ULNL和PNLUL的计算方式也需要修改为式(4)：

(4)

对式(3)和(4)化简后得到式(5)：

(5)

式中f3为故障后会影响负荷点正常供电的元件集合，有f3=f1∪f2。

3 算例分析

3.1 混合微电网结构及参数

如图6所示，以一对多型的I型拓扑为例，将交直流混合微电网中的线路、断路器和换流器等元件进行编号，各编号含义如表1所示。

图6 算例拓扑
Fig.6 Topology of study case

表1 元件编号
Table 1 Component number

图6所示拓扑中包含3个负荷节点，负荷点A位于与编号为①的直流断路器相连的直流母线上，负荷点B位于与编号为⑩的直流断路器相连的直流母线上，负荷点C位于交流母线上，各负荷点的用户数、负荷功率和分布式电源(DG)置信容量如表2所示。

表2 负荷统计
Table 2 Load statistic

根据文献[14]中对直流配电网可靠性的研究，可以得到直流元件的可靠性参数，另外，参考IEEE RBTS可靠性标准网络给出的参数[15]和IEEE 2007年对电力系统元件可靠性的统计数据[16]，可以得到常见交直流混合微电网中元件可靠性参数，如表3所示。

表3 交直流混合微电网中元件可靠性参数
Table 3 Reliability parameters of components in hybrid AC/DC microgrid

3.2 混合微电网拓扑可靠性计算与分析

不接入DG时，计算得到该拓扑的可靠性指标为： ISAIF=0.185 02次/(户·a)；ISAID=1.63 h/(户·a)；IASA=99.981 4%；ENS=5 881.55 kW·h/a。接入分布式电源后，利用式(2)和式(5)计算出该拓扑的系统可靠性指标为：ISAIF=0.164 97次/(户·a)；ISAID=1.55 h/(户·a)；IASA=99.982 3%；ENS=5 583.95 kW·h/a。同理，根据相同的方法可以得出本文提出3类拓扑的可靠性指标，结果如表4所示。

表4 不同拓扑可靠性指标汇总
Table 4 Summary of different topological reliability indicators

对上述可靠性指标计算结果进行分析，可以得出以下结论：

(1)对比图6所示拓扑不接DG与接入DG的可靠性指标，可以看出，DG接入后，系统可靠性得到明显改善，但各可靠性指标的改善程度不同，其中指标SAIFI减小了10.84%，改善效果最明显；指标ENS和SAIDI的改善程度次之，分别减小了5.06%和4.91%；指标ASAI的改善程度最小，仅增大了0.001%，其原因在于不接入DG时ASAI已经达到 99.981 4%，可以改善的空间极小。因此，通过接入DG改善可靠性时，各可靠性指标是否达到要求需要分别进行验证。

(2)在一对多型拓扑中，对比I型和Ⅱ型拓扑结构可以发现，Ⅱ型拓扑相对于I型而言，在2个直流微网间加入了连接线路和直流断路器，实现了2个直流微电网的互联，正常情况下Ⅱ型结构的可靠性应该比I型高；从表4中可以发现，I型结构各项可靠性指标均优于Ⅱ型，说明一对多型拓扑中I型结构的可靠性反而比Ⅱ型高。计算结果与结构分析产生矛盾的原因在于连接线路和直流断路器接入的影响，根据表3中所示直流断路器的故障率远大于连接线路和其他元件，可以得出，直流断路器的高故障率是导致上述矛盾的原因。因此，直流断路器的接入会大大降低系统的可靠性，在设计拓扑结构时要慎重考虑是否加入直流断路器。

(3)在多对一型拓扑中，根据计算结果可以发现，Ⅱ型结构可靠性比I型的高；对比I型和Ⅱ型拓扑结构，Ⅱ型拓扑相对于I型仅在2个交流微电网间加入了联络线路和交流断路器，正常情况下Ⅱ型结构的可靠性应该高于I型。计算结果与分析结论吻合，说明交流断路器接入不会对系统可靠性造成显著影响，将交流微电网互联可以改善系统的可靠性。

(4)在多对多型拓扑中，从表4中数据可以发现，I型可靠性高于Ⅲ型的，Ⅲ型可靠性高于Ⅱ型的。对比三者的拓扑结构，Ⅲ型相比I型在2个直流微电网间加入了直流断路器实现互联，虽然2个直流微电网可以互相供电，但由于直流断路器本身的故障率过高，导致最终系统可靠性反而降低；Ⅲ型结构相对于Ⅱ型结构在2个交流微网间加入交流断路器实现互联，使交流微网间可以相互供电，同时交流断路器故障率较小，使得整个系统的可靠性得到提高；对多对多型拓扑中的分析结论与一对多型拓扑和多对一型拓扑中得到的结论相同。

(5)在结构方面，相较于一对多型I型拓扑，多对多型I型拓扑将交流微电网分为两部分，并在两部分之间设置交流断路器，缩小了不与配电网直接相连交流微网中元件的故障影响范围，理论上有助于提高供电可靠性；而从表4中数据可得，一对多型I型拓扑的可靠性指标优于多对多型I型的。其原因在于，不与配电网直接相连交流微电网中线路较短、元件较少，其故障影响原本就较小，在混合微电网中再加入一个交流断路器后，相当于引入一个新的故障源，反而使得混合微电网部分可靠性指标变差。因此，利用交流断路器拆分元件较少的交流微电网以提高可靠性时，需要验算其改善效果是否满足要求。

4 结 论

(1)提出了3类新型交直流混合微电网拓扑，并指出各自的适用场景：一对多型(一个交流微电网与多个直流微电网)适用于直流电源和负荷丰富的地区；多对一型(多个交流微电网与一个直流微电网)适用于交流电源和负荷丰富的地区，也可用于不同交流微网间的非同步互联；多对多型(多个交流微电网与多个直流微电网)适用于交直流电源和负荷都比较丰富的地区。

(2)改进配电网可靠性计算方法，使之适应于交直流混合微电网。利用改进的可靠性算法对本文提出的3类拓扑进行分析，发现在2个交流微网间加入交流断路器实现互联后可以提高系统可靠性，但在2个直流微网间加入直流断路器实现互联后反而会降低系统可靠性，其原因在于直流断路器故障率较高。因此，在进行拓扑设计时要慎重考虑是否加入直流断路器；同时，考虑到微电网本身线路较短、元件较少，加入交流断路器后仍需要验算是否满足可靠性的改善要求。

本文提出了3类新型交直流混合微电网拓扑结构，为今后微网拓扑的设计提供了参考；对本文提出的3类拓扑进行了可靠性分析，为交直流混合微网可靠性分析进行了有益探索，分析结论可为微网拓扑的选择提供参考。

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(编辑 张小飞)

New Hybrid AC/DC Microgrid Topology and Its Reliability Analysis

ZHU Yongqiang, TANG Qi, JIA Lihu

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

ABSTRACT：Hybrid AC/DC microgrid combines the advantages of AC microgrid and DC microgrid, which is one of the future trends of smart grid development. The topology and reliability research are the basis of hybrid AC/DC microgrid development. Based on the existing microgrid topology and the composition and operation mode of hybrid AC/DC microgrid, this paper proposes three new types of hybrid AC/DC microgrids, which are one-to-many (an AC microgrid and multiple DC microgrids), many-to-one and many-to-many. According to the characteristics of the three types of topologies, the respective application scenarios are pointed out. Based on the reliability analysis method of distribution network, the reliability calculation method of hybrid AC/DC microgrid is put forward by considering the distributed power supply and the operation of micro-grid islanding. The reliabilities of the proposed three types of topologies are analyzed and compared through an example.

KEYWORDS：hybrid AC/DC microgrid; topology; reliability; distributed generation

基金项目：国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050102)；新能源电力系统国家重点实验室自主研究课题(LAPS2016-14)

中图分类号：TM 727

文献标志码：A

文章编号：1000-7229(2017)09-0081-07

DOI：10.3969/j.issn.1000-7229.2017.09.012

收稿日期：2017-05-25

作者简介：

朱永强(1975)，男，博士，副教授，主要研究方向为新能源发电与并网技术；

唐萁(1994)，男，硕士研究生，通信作者，主要研究方向为新能源发电与并网技术；

贾利虎(1988)，男，博士研究生，主要研究方向为新能源发电与并网技术。

Project supported by theNational High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)