編者按：國(guó)網(wǎng)能源院電網(wǎng)發(fā)展綜合研究所主要聚焦于電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃與投資政策、智能電網(wǎng)政策與效益、電網(wǎng)精準(zhǔn)投資策略、電網(wǎng)投資效益評(píng)價(jià)與項(xiàng)目后評(píng)價(jià)等領(lǐng)域，從理論方法、政策機(jī)制、發(fā)展規(guī)劃等方面開展研究，實(shí)現(xiàn)從理論研究到落地應(yīng)用的貫通。本專欄將圍繞電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃關(guān)鍵問題，從理論研究、政策解讀、理念探討和典型實(shí)踐等方面展開，結(jié)合相關(guān)成果和研究思考與讀者進(jìn)行交流分享。
文章導(dǎo)讀：隨著分布式發(fā)電、電力電子和先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以分布式光伏和電動(dòng)汽車為代表的直流發(fā)、用電設(shè)備在配電網(wǎng)中的占比逐漸上升，大量直流設(shè)備通過變流器接入交流電網(wǎng)，另外國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了直流配電網(wǎng)的試點(diǎn)，在此背景下，催生了配電網(wǎng)側(cè)的交直流混合形態(tài)。在硬件層面，交直流混合配電網(wǎng)具有有源化、設(shè)備電力電子化和通信數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，而在軟件層面，則具有能量管理中的多層級(jí)化和控制中的多尺度特性。本文從以上兩個(gè)層面對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期為電網(wǎng)企業(yè)配電網(wǎng)規(guī)劃和布局提供參考。
交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展分析
執(zhí)筆人：?jiǎn)特S、田鑫
國(guó)網(wǎng)能源院電網(wǎng)發(fā)展綜合研究所
一、配電網(wǎng)的交直流混合現(xiàn)狀及發(fā)展需求
19世紀(jì)末，交流電機(jī)和變壓器的問世使得遠(yuǎn)距離且高效率的交流輸電成為可能，自此，交流輸電技術(shù)統(tǒng)治了電力系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)。近年來，隨著電力電子、新能源發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展成熟，直流發(fā)用電技術(shù)重返舞臺(tái)。在輸電網(wǎng)中，高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用大大提升了遠(yuǎn)距離輸電效率，而在配電網(wǎng)側(cè)，直流發(fā)電和直流負(fù)荷發(fā)展迅速，大量直流設(shè)備接入交流電網(wǎng)以及部分地區(qū)直流配電網(wǎng)試點(diǎn)的開展催生了配電網(wǎng)的交直流混合形態(tài)。在電力電子變流技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，交直流混合配電網(wǎng)高效地兼容交流和直流設(shè)備，同時(shí)，包括微電網(wǎng)、分布式光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)許多新興載體的出現(xiàn)，也為多種電源和負(fù)荷之間的柔性連接提供了有力支撐。
在目前的配電網(wǎng)中，雖然交流供電仍為主導(dǎo)且相當(dāng)一部分交流負(fù)荷仍然存在，但以分布式光伏為代表的直流可再生能源和以電動(dòng)汽車為代表的直流負(fù)荷發(fā)展十分迅速，怎樣可靠和高效地接納大規(guī)模直流分布式電源并對(duì)交直流負(fù)荷進(jìn)行有效管理，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷之間動(dòng)態(tài)高效的協(xié)同發(fā)展，成為交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展過程中的關(guān)鍵問題。對(duì)于交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展來說，由于分布式電源、儲(chǔ)能等帶有直流特性的元件的接入，使電網(wǎng)的物理形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，稱之為“硬件”層面的升級(jí)。而由于大量電力電子設(shè)備的接入提升了配電網(wǎng)的可控能力，由此帶來能量管理和控制方法的轉(zhuǎn)變，可稱之為“軟件”層面的升級(jí)，下面將詳細(xì)對(duì)硬件和軟件兩個(gè)層面的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。
二、硬件層面的發(fā)展趨勢(shì)分析
交直流混合配電網(wǎng)在硬件層面的發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為網(wǎng)絡(luò)有源化、設(shè)備電力電子化和通信數(shù)字化。
有源化是交直流混合配電網(wǎng)最為顯著的特征。分布式電源、儲(chǔ)能裝置和微電網(wǎng)等元素的加入使得配電網(wǎng)側(cè)從無源轉(zhuǎn)為有源，潮流由單向變?yōu)殡p向。有源配電網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)本地能源綜合優(yōu)化方面更具優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)本地電源和負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化管理，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，但也存在運(yùn)行穩(wěn)定性降低、故障診斷困難等問題。
電力電子變流器是組成交直流混合配電網(wǎng)的主要設(shè)備。以直流驅(qū)動(dòng)的電源和負(fù)荷經(jīng)過變流器接入交流電網(wǎng)后，通過電力電子控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)交直流之間的能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)前配電網(wǎng)中常見的通過變流器接入的直流設(shè)備有電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能設(shè)備、直流家電以及分布式光伏等，未來可以預(yù)見的是，經(jīng)由變流器并網(wǎng)的設(shè)備將在種類和數(shù)量上呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，配電網(wǎng)的電力電子化屬性將得到增強(qiáng)。電力電子化設(shè)備具有響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制等優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)給系統(tǒng)帶來運(yùn)行慣性低、諧波污染等問題。
通信的數(shù)字化是交直流混合配電網(wǎng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，信息通信技術(shù)與電網(wǎng)正處于快速融合發(fā)展過程中，而對(duì)于交直流混合配電網(wǎng)來說，交直流設(shè)備的協(xié)調(diào)控制目標(biāo)要求其能夠處理多元且海量的數(shù)據(jù)，這強(qiáng)調(diào)了配電網(wǎng)側(cè)對(duì)于先進(jìn)信息通信技術(shù)的應(yīng)用，未來的交直流混合配電網(wǎng)不僅是承載多種電能的能量交換平臺(tái)，更是處理多元海量信息流的數(shù)字樞紐型平臺(tái)。
三、軟件層面的發(fā)展趨勢(shì)分析
交直流混合配電網(wǎng)在軟件層面的發(fā)展趨勢(shì)包括能量管理的多層級(jí)化和控制中的多尺度特性。
多層級(jí)化是交直流混合配電網(wǎng)在能量管理中的一個(gè)主要趨勢(shì)。由于交直流混合配電網(wǎng)中存在包括微網(wǎng)、小型光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的許多可實(shí)現(xiàn)自治的能源管理系統(tǒng)，其能量管理方式趨向于集中式和分布式相結(jié)合的方式，在對(duì)設(shè)備的管理上呈現(xiàn)出多個(gè)層級(jí)。一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景是，配電網(wǎng)主站的管理范圍僅到達(dá)各微網(wǎng)和光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入點(diǎn)，而各微網(wǎng)和光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)則負(fù)責(zé)其本地的綜合能源管理。在具有大量可控設(shè)備的交直流混合配電網(wǎng)中實(shí)施集中式和分布式相結(jié)合的管理方案具有許多優(yōu)勢(shì)，首先，以微網(wǎng)和光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為單位實(shí)施本地能量管理更容易實(shí)現(xiàn)分布式能源的本地消納和調(diào)控，另外，集中式和分布式相結(jié)合的方式也會(huì)減少對(duì)通信系統(tǒng)的投資。
多尺度特性是交直流混合配電網(wǎng)設(shè)備控制的一個(gè)重要特點(diǎn)，這包括時(shí)間和空間上的多尺度。首先，相比傳統(tǒng)設(shè)備，經(jīng)由電力電子器件接入的設(shè)備在響應(yīng)時(shí)間上更短、開關(guān)損耗較低，因此，根據(jù)設(shè)備的不同特性，在日、小時(shí)、分秒等不同時(shí)間尺度上分別對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配，可提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。另外，交直流混合配電網(wǎng)控制還具有空間上的多尺度特性，其控制區(qū)域可劃分為配電網(wǎng)級(jí)（整個(gè)配電網(wǎng)區(qū)域）和臺(tái)區(qū)級(jí)（例如經(jīng)由變壓器接入的微網(wǎng)/或某臺(tái)變壓器下的無源區(qū)域），實(shí)際運(yùn)行中不僅要考慮配電網(wǎng)級(jí)的資源調(diào)配，還要兼顧各個(gè)臺(tái)區(qū)的優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)。
四、結(jié)論
通過電力電子裝置接入的直流發(fā)電設(shè)備和直流用電設(shè)備使得配電網(wǎng)呈現(xiàn)交直流混合特性，促使其在硬件和軟件兩個(gè)層面發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)變，交直流混合配電網(wǎng)在硬件層面的發(fā)展趨勢(shì)包括網(wǎng)絡(luò)的有源化、設(shè)備的電力電子化和通信的數(shù)字化，而軟件層面的發(fā)展趨勢(shì)包括能量管理的多層級(jí)化和控制的多尺度特性。
配電網(wǎng)的交直流混合形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋷砹税ňC合能源優(yōu)化管理、可控性增強(qiáng)在內(nèi)的諸多優(yōu)勢(shì)，但大量電力電子器件的接入，以及包括微電網(wǎng)在內(nèi)的多元供電主體的出現(xiàn)，也給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和協(xié)調(diào)控制能力提出了挑戰(zhàn)，未來的交直流混合配電網(wǎng)不僅是交直流設(shè)備的物理承載主體，而且將作為多元海量信息流的匯聚處理平臺(tái)，推動(dòng)分布式可再生能源和儲(chǔ)能等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綜合能源在配電網(wǎng)側(cè)的落地發(fā)展。
