应对微网群大规模接入的互联互动新方案及关键技术

　　因此，从目前的研究发展趋势来看，未来大规模微网群将不仅是在电力上互联，更重要的趋势将是在能源上互联，如图 1 所示[5]，微网间不仅通过电力网络互联，而且天然气网络、供热网络等也根据实际需求相互连接，并且根据各个微网内部机组和用能特点，从微网群整体上协调能源生产与需求的平衡。

　　由于微网群的能源互联与单纯的微电网电力互联相比，其能源网络间的耦合不能被忽略，在规划设计、建设集成、运行控制、运营机制等各个方面都需要进行统一协调，目前学术界关注的关键技术及其难点包括：

　　1)能源互联微网群的建模和计算分析：能源互联微网群系统存在多种能源输入(风能，太阳能，天然气，生物质能，氢能)与多种能源输出(冷，热，电，海水淡化)，能源之间通过能量转换单元的相互转化导致不同能源网络在系统潮流上发生耦合。在这一情形下，基于电力系统最优潮流的微网群经济调度模型需要依据能源特性做出相应调整与扩展。

　　文献[20-21]基于 Energy Hub 的概念建立了电气混合网络的稳态潮流模型，在原始模型的基础上加入天然气网络的节点流量平衡约束与管道容量约束，构建耦合矩阵(Coupling Matrix)描述多能源之间的转换效率，并通过多个算例验证了能源互联系统的经济性与稳定性;为研究电气混合网络的动态交互，文献[22]采用偏微分方程与微分代数方程分别描述天然气管道中的气体质量与动量守恒和电力网络中的功率平衡，两暂态网络模型通过热电联产的微燃机单元联立求解，进一步分析了在不同时间尺度上2 者的互动程度; 文献[23]在此基础上提出了多能源微网的分层控制策略;文献[24]提出了热电混合网络的潮流计算方法。

　　总体来看，能源互联微网群是一个极为复杂的动态系统，输配利用存储等各个环节都存在秒、分钟甚至小时级的多时间尺度动态，而且不同能源间还有相互影响和制约，存在大量的切换、时滞等不连续环节，目前研究主要是在电网基础上加入一些耦合因子等方法，较为全面和完整的理论体系尚未建立，同时能源互联微网群的建模和计算分析仍需进一步加强学科交叉和融合，以更好地解决复杂能源特性的耦合建模和计算、多时间尺度动态特性计算等一系列问题。

　　2)能源互联微网群的规划与运行决策：能源互联背景下，多能源输入使微网的系统结构进一步复杂化，可控难度增加，且规划与运行需要联动，对微网的协调规划与运行控制提出了新的挑战。文献[25]基于模型预测控制提出了热电联产微网系统中发电机组与储能装置的容量规划方法，并在单一家庭住户、建筑集群及与电网联网 3 种系统规模下进行测试，验证了算法的稳健性与可扩展性;考虑能耗成本，能源需求，机组可用性及能源转换效率存在不确定性，文献[26]提出将鲁棒优化算法应用于热电氢三联供能源系统的经济调度，降低了发电计划对于随机因素的敏感程度;而微网系统的规划设计与运行控制 2 个问题往往是相互关联，密不可分的，文献[27-28]分别采用粒子群算法与非支配排序遗传算法-II 实现了对综合能源微网系统容量规划与实时运行的联动优化。

　　从目前研究来看，能源互联微网群既要考虑各供能网络自身特点，还需考虑不同系统间在运行时的相互作用和影响，属于典型的复杂多目标、多时段、多约束、高维数、混合整型非线性优化问题，难度较大，需要进一步探索。

　　1.2 基于多端直流的微网群集成方案及关键技术

　　目前微网供电和并网模式以交流为主，尽管目前提出了一些思路解决微网大规模集成问题，包括通过结合先进的信息和控制技术，实现不同微网、储能、电动汽车、可控负荷等分布式资源的聚合和协调优化，提升微网和配电网的运行能力、互动能力和经济性，但是受到交流配电网固有结构限制，稳态时广域范围多微网的互补特性难以充分发挥，故障时相互支持能力有限，难以进一步在可再生能源功率波动分担、潮流灵活控制、增强可靠性等方面发挥更大的作用。总体来看，目前现有的多微网集成聚合方法皆受到交流配电网固有结构和运行方式的限制，不能发挥微网中可调度资源在更大空间和时间范围的互补以及供电潜力的提升。

　　鉴于在对于目前配电网结构下，微网难以做到以交流方式跨越台区和馈线，甚至跨越电压等级相互直接连接实现互联互补，因此从结构上改变目前多微网在配电网的联络方式是一种新的方案。目前，在配电系统中应用交直流混联技术已成为国内外研究热点[29]，美国北卡罗来纳州立大学 A. Q. Huang等学者提出 FREEDM 交直流混合配电系统用于管理可再生能源和储能等即插即用设备[30]; ABB 提出了 1 种多个交流微网之间通过直流互联方案[31]。借鉴直流配电和多端直流的发展，文献[32]进一步提出了 1 种多端低压直流接入电动汽车结构。

　　采用多端直流互联结构，多微网通过基于直流技术构建的多端直流网络，跨越目前交流配电网馈线互联和固有结构限制，在同一层可控地相互连通，转移能量，完成不同区域各类微网能源的互联和全网优化分配，一方面能够不仅可以支撑交流系统电压，而且可以在更大的时空范围均衡不同类型微网需求波动，实现可再生能源更广范围的分散接入与波动均担;另一方面多端柔性直流构成的直流网络可以互联多个来自不同电源点的微网，可以显著提高系统 N-1 故障时的可靠性和转供能力。基于柔性直流的典型多微网互联示意图如图 2 所示[32]。

　　基于多端直流的微网群互联结构使目前垂直树状结构的配电网扁平化，有利于释放配电网络更大的能源接入潜力和互动能力，激发更多商业模式。但是交直流混联的大量微网使整个配网结构和运行控制更加复杂，其中主要关键问题和目前进展分析如下：

　　1)互联结构与规划设计：目前多端柔性直流的互联拓扑在高压领域较为活跃，研究提出的多端柔性直流网络拓扑结构有串联、并联、环形、星性以及混联等，一些学者针对不同拓扑结构下多端直流输电系统的运行损耗和经济性评估进行了研究，表明不同的结构方案对系统运行经济性有着决定性影响[33]。但是如何在配电网中设计合理的微网群互联结构、选择合理的互联点、规划互联容量等一系列问题目前研究较少，文献[31]提出了几种类型的多微网直流互联系统结构，文献[32]利用随机性方法对电动汽车接入的低压多端直流系统结构和站点容量进行了设计和评估，证明其能够大幅提升电动汽车接入能力。

　　从目前研究来看，柔性直流应用于微网群互联的拓扑结构和规划设计研究仍较为初步。而柔性直流互联微网结构需要考虑的因素较多，主要体现在：

　　①微网和柔性直流运行方式对结构有所限制，互联点、互联容量和电压等级的选择比目前无功补偿装置以及分布式发电接入的选择更为复杂，需要协调多种因素;②N?1 与传统计算有较大不同，互联换流站 N?1 不仅使对交流侧失去功率支撑点也改变了微网群互联拓扑结构，直接影响了微网群及其他互联点运行，并导致整个电网潮流分布出现较大变化;而如果是交流侧 N?1，那么微网群直流互联能够辅助交流侧转供和重构;③多端柔性直流的结构、容量与运行方式密切相关，不同的结构和互联站点容量对应着不同的运行方式，互联多微网的柔性直流系统优化配置时不仅需要协调多端柔性直流系统与现有交流系统之间的关系，还需要协调系统规划网络结构与未来运行模式及运行策略之间的耦合关系，这种多层次的耦合关系致使优化配置问题的建模与求解难度大大增加，需要针对以上柔性直流互联微网群的独特特点开展深入研究。

　　2)交直流互联微网群的优化运行：传统交直流系统中直流线路较少，控制较为简单，最优潮流及运行优化方法也相对成熟。但是在柔性多端直流互联的微网群系统中，直流系统成为承担潮流的主要方式之一，因此潮流优化时需要精细化考虑电力电子变换器损耗，构建其相应的损耗模型;同时交直流混联微网群系统控制方式多样，潮流优化受其运行控制方式的影响，需要考虑不同控制方式之间的调整和优化;另外，潮流优化还需要考虑配网交流系统中三相不平衡、微网内可再生能源的随机性等情况。

　　交直流混合潮流计算是进行优化运行的重要基础，目前针对多端直流潮流计算主要有统一迭代法和交替迭代法，其中交替迭代法将交直流系统的潮流方程分开进行求解，被认为能够更好地在潮流计算中处理交直流多类型控制策略和精细化损耗计算[34-35]。目前对于多端低压直流连接微网群的优化运行研究尚未有开展，但是对于多端直流在大电网中应用后的交直流混合最优潮流问题已开展了初步研究，文献[36]认为多端交直流混合的最优潮流问题是一个非凸非线性的优化问题，其采用二阶锥规划方法将非凸问题转化为凸问题，然后使用内点法求解。文献[37]采用自适应协方差进化策略对交直流潮流进行优化。

　　但是以上研究一方面均较为初步，未考虑多端系统多类型控制和约束，另一方面主要集中于输电网络优化，而微网群如上所述有自身的一些特点，因此计及多种运行控制方式和交直流效率的微网群系统潮流优化是一个更加复杂的非凸非线性问题，同时，系统优化还必须考虑线路之间的相互支撑、提升分布式发电接入能力等多种目标，常规的优化方法在处理该问题时可能难以收敛至全局最优或无法收敛，如何合理建模并寻找求解方法仍有待于进一步的深入研究。

　　3)交直流互联微网群互联协调控制：交直流互联微网群互联协调控制包括交直流电压协同控制、故障协调控制等。其中交流系统电压协调控制目前研究主要涉及带载分接头相互协调改善配网电压[38]、多分布式发电协调对系统电压的共同支撑[39]、含虚拟发电厂配网的电压稳定协调[40]等多个方面;直流系统中，电压协调控制主要基于直流母线电压变化来调整各电力电子变换器的工作方式与运行点，确保不同工况下的有功功率平衡[41]，相关研究涉及直流微网各单元协调控制和状态切换[42]、含分布式储能单元直流微电网自适应 Droop 协调控制[43]等控制策略， 并提出了直流电压控制、 自适应 Droop控制以及有功无功控制等方式之间的协调方法[44-45]。