隨著直流源荷和柔性直流技術(shù)的發(fā)展，交直流混合配電網(wǎng)可更高效地接納直流源荷，是未來(lái)配電網(wǎng)的重要發(fā)展方向。文章首先對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納；其次對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化規(guī)劃、調(diào)度控制、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析；最后對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。
0引言
傳統(tǒng)配電網(wǎng)面對(duì)日益多樣化的負(fù)荷和用電需求，在可靠性、經(jīng)濟(jì)適用性、高效性等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合國(guó)家能源局于2015年、2016年分別出臺(tái)《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃（2015-2020年）的通知》和《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》等文件，明確指出要推動(dòng)可再生能源生產(chǎn)智能化，建設(shè)高靈活性的柔性能源網(wǎng)絡(luò)，保證能源傳輸?shù)撵`活可控和安全穩(wěn)定，大幅提升配電網(wǎng)接納新能源、分布式電源及多元化負(fù)荷的能力，優(yōu)化配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提升供電可靠性水平。
目前，發(fā)用電技術(shù)的多樣化發(fā)展需求，很大程度體現(xiàn)在直流電源與直流負(fù)荷的日益增加。光伏電源、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、儲(chǔ)能單元（電池、超級(jí)電容器等）產(chǎn)生的電能大部分為直流電；常用的電氣設(shè)備及大型直流負(fù)荷，如計(jì)算機(jī)、空調(diào)設(shè)備、制冷設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、數(shù)據(jù)中心、電氣化機(jī)車(chē)等采用直流供電更為方便。在交流配電網(wǎng)中，上述直流源荷都需要通過(guò)DC/AC、AC/DC、DC/DC變流器接入相應(yīng)電壓等級(jí)的交流配電網(wǎng)，或者先組網(wǎng)為直流微電網(wǎng)再經(jīng)由變流器接入交流配電網(wǎng)。如果直接接入相應(yīng)等級(jí)的直流配電網(wǎng)，可以省去部分變流器，減小損耗，提高電網(wǎng)的供配電效率及經(jīng)濟(jì)性。此外，交直流混合配電網(wǎng)中直流部分不存在同步問(wèn)題，可以有效隔離交流側(cè)擾動(dòng)和故障，保證高可靠性供電。柔性直流技術(shù)在配電網(wǎng)中的發(fā)展應(yīng)用使交直流混合配電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)輸送功率的靈活控制，在常態(tài)運(yùn)行中保障交直流發(fā)用電設(shè)備的高效接入，并在緊急狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)快速的跨區(qū)功率支撐。
目前國(guó)內(nèi)外在交直流混合配電網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)研究及示范工程尚在起步階段，針對(duì)直流配電網(wǎng)的研究已有初步成果。在北美，弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心于2007年提出“SustainableBuildingInitiative（SBI）”計(jì)劃，于2010年將其發(fā)展為“SBN（SustainableBuildingandNanogrids）”，并且提出了基于分層互聯(lián)交直流子網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)概念性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。北卡羅萊納州立大學(xué)于2011年提出“TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement（FREEDM）”結(jié)構(gòu)，適用于“即插即用”型分布式電源及分布式儲(chǔ)能的交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。阿爾伯塔大學(xué)于2012年提出了基于變流器的交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，給出小信號(hào)分析模型并分析其穩(wěn)定性。
在歐洲，意大利羅馬第二大學(xué)和英國(guó)諾丁漢大學(xué)于2008年針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)提出“UniversalandFlexiblePowerManagement（UNIFLEX-PM）”方案，在各個(gè)電網(wǎng)的不同工況下實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。羅馬尼亞布加勒斯特理工大學(xué)于2007年提出含有替代電源的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)提高了電網(wǎng)的運(yùn)行效率和電能質(zhì)量。意大利米蘭理工大學(xué)提出含有分布式電源的本地直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分布式電源、負(fù)荷與電網(wǎng)之間能量的雙向流動(dòng)。
在國(guó)內(nèi)針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的研究剛剛起步，目前相關(guān)研究成果主要集中在直流配電網(wǎng)方面。優(yōu)化規(guī)劃方面，已有對(duì)直流配電網(wǎng)的拓?fù)洹㈦妷旱燃?jí)、規(guī)劃方法、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和綜合評(píng)估等問(wèn)題的研究。運(yùn)行調(diào)度方面，有學(xué)者對(duì)直流配電網(wǎng)的潮流計(jì)算、電壓分布、含分布式電源的調(diào)度等問(wèn)題進(jìn)行了研究。控制保護(hù)方面，對(duì)直流配電網(wǎng)建
模、控制策略、保護(hù)等問(wèn)題均有相關(guān)研究。此外，相關(guān)“863計(jì)劃”項(xiàng)目獲得立項(xiàng)支持，其中由北京市電力公司承擔(dān)的“863計(jì)劃”項(xiàng)目“交直流混合配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”于2015年正式啟動(dòng)，旨在實(shí)現(xiàn)面向城市不同供電區(qū)域之間柔性直流互聯(lián)和交直流混合環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行控制，從而解決高密度可再生能源接入問(wèn)題并保障交流配電網(wǎng)可靠性。
本文將結(jié)合現(xiàn)有研究成果，對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化規(guī)劃、調(diào)度控制、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)。
1交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)行可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性等方面都有重要影響。傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常成熟，國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和案例。目前針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究較少，主要研究工作集中在直流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮現(xiàn)有交流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和直流配電網(wǎng)的研究成果，提出交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
我國(guó)交流配電網(wǎng)中，高壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要有鏈?zhǔn)健h(huán)網(wǎng)和輻射狀結(jié)構(gòu)；中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要有雙環(huán)式、單環(huán)式、多分段適度聯(lián)絡(luò)和輻射狀結(jié)構(gòu)；低壓配電網(wǎng)一般采用輻射狀結(jié)構(gòu)。10kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)根據(jù)架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)的不同可以分為2類(lèi)：架空網(wǎng)主要包括輻射式接線(xiàn)和多分段適度聯(lián)絡(luò)接線(xiàn)2種模式；電纜網(wǎng)主要包括單環(huán)式接線(xiàn)和雙環(huán)式接線(xiàn)2種模式。北京市高壓配電網(wǎng)以環(huán)網(wǎng)建設(shè)、放射狀運(yùn)行為主（“手拉手”式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）。巴黎城區(qū)的電纜網(wǎng)采用三環(huán)網(wǎng)T接或雙環(huán)網(wǎng)T接方式；東京22kV電纜網(wǎng)采用主線(xiàn)備用線(xiàn)、環(huán)形、點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)方式；新加坡采用“花瓣式”結(jié)構(gòu)，22kV配電網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)連接、并列運(yùn)行方式。
直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要有輻射型、兩端供電型和環(huán)型直流配電網(wǎng)。①輻射型直流配電網(wǎng)由不同電壓等級(jí)的直流母線(xiàn)組成骨干網(wǎng)絡(luò)，分布式電源、交流負(fù)載與直流負(fù)載通過(guò)電力電子裝置與直流母線(xiàn)相連，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)控制保護(hù)要求低，但供電可靠性較低；②兩端供電型直流配電網(wǎng)與輻射型直流配電網(wǎng)相比，當(dāng)一側(cè)電源故障時(shí)，可以通過(guò)操作聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，由另一側(cè)電源供電，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，提高整體可靠性；③環(huán)型直流配電網(wǎng)相比于兩端供電型直流配電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)故障快速定位、隔離，其運(yùn)行方式與兩端供電型直流配電網(wǎng)相似，且供電可靠性更高。
根據(jù)不同的應(yīng)用需求，交直流混合配電網(wǎng)可分為含柔性直流裝置的交直流混合配電網(wǎng)與含直流網(wǎng)的交直流混合配電網(wǎng)，前者適用于直流源荷較少的情況，后者更加適合高密度直流源荷接入的情況。含直流網(wǎng)的交直流混合配電網(wǎng)接線(xiàn)模式主要包括輻射型交直流混合配電網(wǎng)（交直流線(xiàn)路間無(wú)聯(lián)絡(luò)）、多分段適度聯(lián)絡(luò)型交直流混合配電網(wǎng)（交直流線(xiàn)路間有聯(lián)絡(luò)），兩者的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖1、圖2。
根據(jù)端口數(shù)的不同，含柔性直流裝置的交直流混合配電網(wǎng)主要包括兩端互聯(lián)、三端互聯(lián)、四端互聯(lián)和六端互聯(lián)等方式。
2交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃技術(shù)
交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃問(wèn)題是配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需要解決的核心問(wèn)題，對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。
目前與交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃相關(guān)的研究，主要是基于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)規(guī)劃方法的成果，在直流配電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)的一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合的規(guī)劃問(wèn)題中進(jìn)行應(yīng)用。例如，針對(duì)海上風(fēng)電接入配電網(wǎng)已有相關(guān)研究；此外，有學(xué)者對(duì)孤島直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［36～37］提出孤島直流微電網(wǎng)的運(yùn)行方式及控制策略；文獻(xiàn)［38］針對(duì)直流微電網(wǎng)提出基于本地電壓分段控制策略的穩(wěn)定性控制方法；文獻(xiàn)［39］研究了直流微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。而針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的規(guī)劃問(wèn)題，著力解決在城市現(xiàn)有交流配電網(wǎng)中擴(kuò)建直流子系統(tǒng)（包含柔性直流互聯(lián)裝置以及直流線(xiàn)路）的規(guī)劃方法，并沒(méi)有特別研究其關(guān)鍵技術(shù)及可行的規(guī)劃方法。
基于優(yōu)化問(wèn)題所需要涉及考慮的優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)和約束條件3方面內(nèi)容，交直流混合配電網(wǎng)的規(guī)劃模型具有其自身的特征。
模型的優(yōu)化變量需要擴(kuò)展考慮直流源、荷以及柔性直流裝置的位置和容量；此外，也可結(jié)合交直流混合配電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行方式增加相應(yīng)的優(yōu)化變量。
交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化目標(biāo)依然從經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、可靠性最優(yōu)2方面進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)濟(jì)性評(píng)估主要從全壽命周期內(nèi)投資成本、運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)（凈現(xiàn)值、投資回收期等）3方面進(jìn)行評(píng)估。含有柔性直流互聯(lián)裝置的交直流混合配電網(wǎng)由于裝置成本占比較大，需要深入討論成本不確定性對(duì)經(jīng)濟(jì)性結(jié)論的影響，從而調(diào)整優(yōu)化規(guī)劃目標(biāo)；含有直流線(xiàn)路的交直流混合配電網(wǎng)由于其基于已有交流配電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展規(guī)劃，通常建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，且根據(jù)直流子系統(tǒng)成熟度的遞增，一般可分為多個(gè)建設(shè)階段去考慮其經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化的規(guī)劃目標(biāo)。交直流混合配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估需要反映柔性直流設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的綜合可靠性，并在直流子系統(tǒng)所能提供的緊急功率支撐條件下討論其對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的提升。
現(xiàn)階段大量的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)性單目標(biāo)優(yōu)化方面：文獻(xiàn)［41］考慮經(jīng)濟(jì)性，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了配電網(wǎng)重構(gòu)二階錐規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［42］以最小規(guī)劃年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，包括線(xiàn)路投資費(fèi)用、折舊費(fèi)用和運(yùn)行中年電能損耗費(fèi)用，建立基于協(xié)同遺傳算法的配電網(wǎng)規(guī)劃模型。由于經(jīng)濟(jì)性單目標(biāo)優(yōu)化包含的信息十分有限，多目標(biāo)優(yōu)化已經(jīng)成為配電網(wǎng)規(guī)劃的研究方向：文獻(xiàn)［43］采用多目標(biāo)規(guī)劃方法，引入電能質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)，以規(guī)劃電網(wǎng)線(xiàn)路總長(zhǎng)度最短和風(fēng)電場(chǎng)公共接入點(diǎn)PCC處閃變值最小為目標(biāo)函數(shù)，建立基于改進(jìn)NSGA2算法的規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［44］建立以最小化配電網(wǎng)投資、最小化網(wǎng)絡(luò)損耗為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)規(guī)劃模型。
考慮交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化模型，優(yōu)化規(guī)劃問(wèn)題的求解可基于以下幾類(lèi)算法進(jìn)行嘗試：第一類(lèi)是解析算法，包括線(xiàn)性規(guī)劃、非線(xiàn)性規(guī)劃和混合整數(shù)規(guī)劃等；第二類(lèi)是智能算法，包括遺傳算法、禁忌搜索算法和蟻群算法等；另外，還有基于圖論的最小生成樹(shù)等方法。
在相關(guān)的優(yōu)化規(guī)劃算法嘗試方面，文獻(xiàn)［45］提出了基于地理信息系統(tǒng)和遺傳算法的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法，綜合考慮投資、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用，包括用戶(hù)停電損失，考慮了配電網(wǎng)的可靠性?xún)r(jià)值；文獻(xiàn)［46］提出了基于蟻群算法的配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃方法，將蟻群算法應(yīng)用于配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃問(wèn)題的研究，建立了網(wǎng)架規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)［47］提出了一種基于改進(jìn)最小生成樹(shù)算法的配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃方案，將配電網(wǎng)的電源點(diǎn)和負(fù)荷點(diǎn)當(dāng)作頂點(diǎn)，將各個(gè)頂點(diǎn)間可能架設(shè)線(xiàn)路的走廊當(dāng)作邊，將線(xiàn)路的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用（主要為線(xiàn)損）之和作為各條邊的權(quán)，在采用基本最小生成樹(shù)算法獲得初步規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，采取動(dòng)態(tài)調(diào)整各條邊的權(quán)值并反復(fù)迭代的方法，獲得總費(fèi)用最小的優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果；文獻(xiàn)［48］將多粒子群協(xié)同優(yōu)化算法應(yīng)用于配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)研究；文獻(xiàn)［49］利用混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃方法解決大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題。
交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題屬于大規(guī)模組合規(guī)劃問(wèn)題，對(duì)于實(shí)際大系統(tǒng)，第一類(lèi)解析算法計(jì)算時(shí)間通常較長(zhǎng)，容易造成“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題，一般適用于小系統(tǒng)。如果需要采用解析算法（智能算法無(wú)法處理或陷入局部最優(yōu)解），需要對(duì)交直流混合配電網(wǎng)先進(jìn)行分區(qū)，再對(duì)每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃求解。第二類(lèi)智能算法對(duì)數(shù)據(jù)的要求較低且可同時(shí)考慮多個(gè)目標(biāo)函數(shù)和約束條件，適用于交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題。另外，大部分智能算法均可實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，可在交直流混合配電網(wǎng)分區(qū)的基礎(chǔ)上，利用智能算法的并行特性提高求解速度，且能做到在各個(gè)配電網(wǎng)分區(qū)間的信息交互，實(shí)現(xiàn)交直流混合配電網(wǎng)各個(gè)子分區(qū)間的聯(lián)合規(guī)劃。