交直流混合微電網結構分析與研究

摘 要：微電網通過運用各種分布式可再生能源，已成為現代電網重要組成部分。而交直流混合微電網，有效解決分布式電源容量瓶頸以及間歇性接入問題，并具有一定的錯峰填谷功能，使其供電可靠性及其電能質量進一步提高，符合電力發展需求。

關鍵詞：交直流混合；微電網；分布式電源；儲能系統

1 概述

隨著電網技術的發展，與大電網相比，交直流混合微電網結構更加靈活方便，可控性強，并且更加穩定和安全，已成為現代大電網的重要組成部分。對于近端或者重要用戶，微電網可實現自行完成供電服務，從而滿足用戶多樣化需求；而對于重要負荷，交直流混合微電網供電更加可靠和安全，可有效減少大電網供電的不穩定性，確保電能質量，可有效降低由大電網供電故障引起的經濟損失，從而降低大電網的建設成本投入，故具有良好經濟和社會效益。同時，微電網能夠有效地調節大電網峰值，并且可以避免增加發電裝機容量所引起的高額成本，可以有效改善峰谷差值。

2 交直流混合微電網電源

2.1 燃料電池

燃料電池作為一種常見的分布式電源，其能量轉換方式和普通電池相似，結構主要包括電解質、電極和聯接電池正負極的端部設備，反應過程能量遵循從化學能到電能的轉化。在燃料電池反應過程中，內部物質并不是靜止不動的，正式由于燃料不間斷的流向負電極，而空氣不斷的流向正電極，從而形成一個循環，需要在電極表面添加催化劑，經過催化劑的作用，燃料和水將會發生化學反應，在其反應過程中主要是氫氣和氧氣在催化劑的作用下從而生成水，由于電子是可以在水中運動的，電子的定向移動會形成一定的軌跡，而大量電子的移動便形成封閉電路，從而形成電流。不會對環境產生污染，推廣應用前景廣闊。

2.2 光伏電池

太陽能是地球上最基本、最常見的可再生能源，相對于當前的人類社會發展，太陽可看作是人類永恒的能量來源，其實質就是傳遞到地球上的電磁能能夠被人類儲存和使用。在當前，太陽能發電主要分為并網運行和離網運行兩種工作方式，其中并網運行方式是當前主要的研究方向。并網光伏發電系統主要包括光伏陣列模塊（又稱太陽能電池板）、控制器與逆變器等三部分。

2.3 風能電池

與太陽能相似，風能也是世界上存儲量最多的能源之一，同時也是目前世界上開發利用最為廣泛、發展最為迅速的可再生能源。通過風力發電機將風能轉化為電能，其轉化過程為風力發電裝置主要是通過風機的葉片直接接收風能，隨后并將風能轉化成可拖動輪機葉片轉動的動能，從而實現帶動原動機進而并帶動發電機運轉，因此其整個過程可看作機械能轉換為電能并輸出的過程。在實際運行過程中，風力發電運轉需要非常小的風速即可。風力發電研究應用相對較早，當前其技術比光伏發電更為系統完善。

2.4 柴油發電機電池

燃氣輪機主要分為兩種，一種是采用高速單軸設計，并將壓縮機和渦輪連接在相同軸上，因而相當于交流發電機；另外一種則采用分軸設計，通過一個動力渦輪將變速箱連接到普通的發電機上，通常采用感應發電機。

3 儲能系統

作為交直流混合微電網，其儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮氣體儲能、旋轉飛輪儲能、高溫超導儲能、超級電容儲能以及鉛酸電池儲能等。與其他儲能技術相比，蓄電池能量密度相對較大，適宜為交直流混合微電網提供短時供電。一般采用鉛酸蓄電池，其正負極分別由二氧化鉛和鉛組成，通常在硫酸溶液中電解。其反應過程可看作是生成氧氣不斷漂浮并反復循環。盡管鉛酸電池存在一些的缺點，譬如環境的溫度變化影響電解反應的效率，同時鉛酸電池存放需要單獨比較大的空間，鉛影響環境，會在一定種程度上引起環境污染，然而由于其價格較低，經濟實惠，生產技術相對完善，以及后期銷售便捷等其他儲能方式無法比擬的優勢，因此具有得到廣泛的應用和普及。而鉛酸電池組的結構能夠有效吸收附加電解質，并在工作時生成可以發生氧化反應的氧氣，同時可以實現漂浮充電和深度循環運行。

4 交直流混合微電網的結構

微電網結構主要分為交流微電網、直流微電網、交直流混合微電網。其中，交直流混合微電網是指同時含有交流與直流母線，并可以同時向兩種負荷輸出電能。因而，交直流混合微網系統有效集成交流和直流微網的優勢，應用場合更為廣泛，對于現有工程改造和新建項目均可采用，優勢更為突出明顯，即使有較多的直流負荷，以及分布式發電為主要電源時均可以考慮應用這種方式。交直流混合微網的主要優點包括：（1）交直流混合微電網輸出電能形式可采用交流和直流兩種形式，均可以實現兩種電源分別接入兩種母線，因此AC/DC或DC/AC的轉換效率較高，并且更加方便；（2）交直流混合微電網結構形式則更加靈活實用，應用范圍廣闊，可以有效減少用戶的變頻裝置，從而降低設備的制造成本。因此，交直流混合微電網的應用實現更大的經濟效益，減低建設成本，減少變換環節及其裝置，操作更為靈活方便，并降低耗能，提高整個電網運行系統的安全性、經濟型和可靠性。

在交流微電網系統中，分布式電源和儲能裝置均是通過電力電子裝置連接至交直流母線，并通過控制公共聯結點實現微電網并網和孤網運行模式的切換。而直流微電網的電源、儲能裝置以及負荷的所有組件均是通過電力電子轉換裝置連接，然后直流母線通過逆變裝置再連接到外部大電網。交直流混合微電網通過綜合交流和直流微電網的優點，而其概念便是指同時含有交流和直流母線，既可以實現直接向直流負荷輸電，又可以實現直接向交流負荷輸電的微電網結構。根據分布式電源以及用戶負荷特點，通過采用交、直流混合的靈活供電運行方式可以有效降低投入成本，從而充分利用分布式能源。交直流混合微電網的負荷主要分為阻性負荷、感性負荷、容性負荷以及混合負荷等；其中阻性負荷可直接連接至直流母線上，感性、容性等負荷需連接至交流母線。

5 結束語

本文詳細闡述了交直流混合微電網內部結構及其常用分布式電源，并對系統常用儲能系統進行介紹，最后分析交直流混合系統結構。可見，交直流混合微電網通過使用可再能源，符合電力戰略發展要求，并可以有效解決分布式電源容量的問題，具有廣闊的應用前景，進一步推動現代電網技術的發展。

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作者簡介：鄧志輝（1987-），江西崇仁人，畢業于南昌大學電力電子與電力傳動專業，主要研究方向：電力系統設計與規劃。