摘 要

伴随着传统能源供应不足以及对能源的需求越来越高的矛盾日益尖锐，分布式电源和微电网逐渐进入了人们的视野中来，分布式电源和微电网并入低压配电网可以降低损耗，改善电压质量，减小用电压力，保证可靠供电。因此，关于低压配电网，研究具有高度可控性和灵活性，各种微源和负载都能够并入、又能达到控制负载的目标的交直流混合配电系统，以便使城市配电系统的经济性、可靠性、电能质量和运行效率显著提高具有重要的现实意义。

本文首先介绍了交直流混合微电网的基本情况，包括国内外交直流混合微电网的发展状况与研究现状。其次对交直流混合微电网的拓扑结构进行了相关分析，提出了几种典型的拓扑结构，并指出了各自的适用场景，有助于加深我们对交直流混合微电网的理解。由于对于分布式发电量较大的配电网，分布式电源的输出波动和负荷变化会导致电压超限。因此针对交直流混合配电网的交流电压控制问题，本文又提出了分级电压控制策略，并基于实际网络进行仿真，验证了其合理性和有效性。最后，对交直流混合微电网进行建模，提出适用于交直流混合微电网暂态稳定分析的几种方法，并选用其中的变步长的龙格-库塔法及负荷脱落后的暂态过程进行仿真实验验证，验证了RKF算法的可行性。并在文章结尾对本文进行了简要的概括。

关键词：交直流混合微电网；拓扑结构；分级电压控制；暂态稳定分析；RKF分析方法

Abstract

Along with the shortage of traditional energy supply and the increasingly sharp contradiction of energy demand, distributed generation and micro-grid gradually come into people's vision. The integration of distributed generation and micro-grid into low-voltage distribution network can reduce losses, improve voltage quality, reduce power supply pressure and ensure reliable power supply. Therefore, the research on low-voltage distribution network has high controllability and flexibility. Various micro-sources and loads can be incorporated into the AC-DC hybrid distribution system, which can achieve the goal of load control. It has important practical significance to improve the economy, reliability, power quality and operation efficiency of urban distribution system.

Firstly, this paper introduces the basic situation of AC-DC hybrid microgrid, including the development and research status of AC-DC hybrid microgrid at home and abroad. Secondly, the topological structure of AC/DC hybrid microgrid is analyzed, several typical topological structures are proposed, and their respective application scenarios are pointed out, which will help us to deepen our understanding of AC/DC hybrid microgrid. For the distribution network with large amount of distributed generation, the output fluctuation and load variation of distributed generation will lead to voltage overrun. Therefore, aiming at the AC voltage control problem of AC/DC hybrid distribution network, this paper proposes a hierarchical voltage control strategy, and simulates it based on the actual network to verify its rationality and effectiveness. Finally, the AC-DC hybrid microgrid is modeled, and several methods suitable for transient stability analysis of AC-DC hybrid microgrid are proposed. The Runge-Kutta method with variable step size and the transient process of load dropout are selected to simulate and verify the feasibility of RKF algorithm. At the end of the article, this paper briefly summarizes.

Key Words：AC/DC hybrid microgrid; topology; hierarchical voltage control; transient stability analysis; RKF analysis method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究动态 1

1.3 论文研究的主要内容 2

第2章 交直流混合配电网的拓扑结构分析 4

2.1 现有的交直流混合微电网拓扑 4

2.2 3类新型的混合微电网拓扑 5

2.2.1 一对多型 5

2.2.2 多对一型 6

2.2.3 多对多型 7

2.3 本章小结 7

第3章 交直流混合微电网的分级电压控制策略 8

3.1 交直流混合配电网电压控制方式 8

3.2 电压正常场景的控制策略 10

3.2.1 目标功能 10

3.2.2 不等式约束 10

3.3 电压轻度超限现场控制策略 10

3.4电压严重超标现场控制策略 11

3.5本章小结 11

第4章 交直流混合微电网的暂态稳定分析 12

4.1 基于混合模型的交直流混合微电网建模 12

4.1.1 交直流混合微电网简化结构 12

4.1.2 交直流混合微电网的混合模型 14

4.2 微电网的暂态稳定分析 14

4.3 李雅普诺夫直接法 14

4.4 暂态稳定性的数值分析法 16

4.4.1 改进欧拉法 16

4.4.2 龙格－库塔法 17

4.4.3 变步长的龙格－库塔法 17

4.5 仿真验证 18

4.6 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 24

绪论

研究背景与意义

人类社会和社会的生存与发展离不开能源的支持，而电能作为最普遍，最直接和便利的能源，是国民经济发展的不竭动力之源。目前我们国家大量缺乏传统的化石能源，不能做到充分的能源利用，周围生态环境日益恶化，能源的安全利用问题亟待解决，气候环境变化日益威胁我们的生活健康。面对这些日益严峻的问题，加大对分布式发电供能技术的支持，既能显著提高我们对传统化石能源的利用效率，与此同时又能充分地利用好就地的各种可再生能源，己成为世界各国保障自身能源安全、加强环境保护、应对气候变化的重要举措。分布式能源发电供能技术一般来说就是指充分开采使用本地区现有的分布式能源，其中包含可以再生的清洁能源如太阳能、化学能、机械能和热能等和在本地区可轻易地得到的传统化石能源如煤、石油和天然气等等进行用于发电提供生活所需能量的技术。虽然我们可以采用分布式能源发电供能技术，来方便有效地利用各个地区取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，但是如果大量的使用分布式能源并入电网进行发电供能，那么就不能对传统电网的运行进行有效的管理，用电安全和可靠性也会下降。

因此如今传统电力系统正逐步朝现代智能微电网方向发展，可再生能源和储能系统的普及率变得越来越高。具有直、交流电源和负载的交直流混合微电网系统同时具有交流和直流电力系统的优点，被认为是将来微电网结构的主流形式。越来越多的各国研究学者把目光投在交直流混合微电网上。

国内外研究动态

传统的电网使用化石燃料作为其主要能源，这会导致二氧化碳和灰尘排放、气候变化和化石燃料的持续消耗。此外，它还有其他缺点，如集中供电、有限的可扩展性和较高的成本。近年来，基于可再生能源（RESS）的分布式发电（DG）机组具有效率高、环境友好、可扩展性强、可靠性高等优点，引起了世界各国研究者的广泛关注。分布式能源（DER），例如光伏（PV）系统、风力涡轮机（WT）、电池储能（BES）和微型涡轮机（MT），被视为柔性电源，并直接连接到低压网络。但是，由于具有间歇性和不确定的特点，当接入电网或独立运行时，DER装置可能会导致不可预测的问题。因此，提出了微网格概念来解决这些问题^[1]。由于微网格很灵活并且其效率很高，人们开始投入越来越多的关注。它可以插入或从公用电网中拔出，这意味着它可以在电网连接条件下或作为独立系统运行。预计微电网市场将在2015年至2020年期间大幅增长，并将成为一个价值数百万美元的产业。由于交流电力系统已经存在了很长的时间，一般负荷基本上都是交流型，所以常用的微电网类型也是交流微电网^[2]。然而，为了节约能源和减少碳信用，将直流负载和资源连接到交流电力系统的趋势正在增长，这需要大量的直流电源逆变器在交流微电网中转换为交流电源。对于某些直流发电机组来说，直流-直流转换器也是将直流输出调节到与直流总线相同的水平（包括管理电池存储系统和电动汽车充电系统的影响）的关键。不同电位之间的切换将会致使功率的消耗和电能质量降低。因此，提出了混合微电网概念，以克服交流微电网或直流微电网单独应用所造成的缺陷^[3]。由于分布式能源与微电网中的负荷接近，以及可再生分布式发电机的利用，微电网值得信赖，可以为电网运营商和消费者提供更高的电能质量和可靠性，减少电力损失和网络拥塞，以及与之相比更高效、更环保的能源。因此，近年来开展了广泛的研究和部署工作，并对微电网进行了大量投资。根据2015年的一份报告，预计微电网行业在2015年至2020年间将增长3.5倍以上，年市场价值将超过8.29亿美元。此外，微型电网项目的数量也大幅增加，全球安装的微型电网总容量已从2014年的4393兆瓦增至2015年的12031兆瓦。目前微电网部署的实践主要集中在交流微电网，类似于传统的标准化为交流的电力系统。然而，随着各种直流负载（如数据和通信中心、LED灯和计算机）和直流电源（如太阳能光伏、燃料电池和分布式储能（DES））的出现，部署混合型交直流微电网将更为可取。混合微电网提供了将交流和直流微电网的优点结合起来的机会。在交流（DC）微电网中，只有交流（DC）公共总线，其中所有的电源和负载都使用适当的交流-直流或直流-交流转换器连接。然而，在混合微电网中，交流和直流总线都存在，微电网中各种总线的类型取决于连接到特定总线的负载类型和DER。在混合微电网中，交流负载和二次侧接可与交流母线连接，直流负载和二次侧接可与直流母线连接。因此，所需转换器的数量和相关的转换功率损失将最小化，从而显著降低规划成本，提高能源效率。此外，与交流微电网中的连接相比，通过简化的接口，直流电源的集成更加容易。这些好处可以将混合式交直流微电网作为未来电网发展中最可行和最理想的选择之一。

交直流混合微电网^[4]由于具有更好的经济性、安全性、可靠性，受到国内外的广泛关注。现如今世界各国对混合微电网还处于不断摸索的过程，涉及的内容深度还比较浅，涉及领域主要包括微网的框架结构及其拓展、协调控制策略、运行模式的研究与切换、容量的以及管理与保护等。欧美，日本等世界强国研究所都已经开展了相关的研究。而我国主要是针对某一种特定的结构进行工程研究，开展一大批示范性工程。由于混合微电网为配电系统提供了解决方案，因此本文主要对交直流混合微电网进行初步的研究。。

论文研究的主要内容

随着我国低压配电网分布式发电穿透日益增加，并入传统电网的能源种类和形式越来越复杂，传统的低压配电网无法正常接收这么多的分布式能源。因此，针对低压配电网，研究具有高度可控性和灵活性、能独立满足各类能源和负荷接入、可以实现负荷控制的交直流混合配电系统，用于提升城市配电系统的电能质量、可靠性、经济性和运行效率具有重要的现实意义。本设计旨在分析交直流混合配电网的拓扑结构，对交直流混合配电网的电压进行控制，分析交直流混合配电网典型扰动（如负荷投切）下的暂态过程。主要内容及结构为：

（1）第二章分析交直流混合配电网的拓扑结构；

（2）第三章研究适用于混合配电网的交流侧电压控制策略；

（3）第四章提出了混合微电网经简化后的组成结构，并参考相关文献得到关与研究对象混合数学模型，大大简化了建模过程。

（4）第五章首先提出什么叫做混合微电网的暂态稳定性，然后又系统的研究了交直流混合微电网暂态稳定的特点以及能影响系统暂态稳定性的相关对象，然后又介绍了李雅普诺夫法，阐述了其局限性和不严谨的地方，在第四章推出混合数学模型的基础之上列举并解释了三种数值分析手段，最后用MATLAB仿真软件验证了其中RKF分析方法的合理性和有效性。

（5）对本文进行总结。

交直流混合配电网的拓扑结构分析

上章简单了解了混合微电网的意义和如今的研究情况。本章将系统地研究微电网的拓扑结构。混合微电网的设计，运行控制模式的分析，静态和暂态稳定性的研究和建设所需资金的预估都离不开微电网的拓扑结构分析。但是研究学者对拓扑结构的研究深度还比较浅正处于探索阶段，因此对运行控制模式和静态暂态稳定分析所应用的拓扑结构比较少。目前大部分的研究都主要针对于功率协调控制和无功优化方面。因此本章也主要对微电网的拓扑结构进行初步分析。

现有的交直流混合微电网拓扑

根据文献^[5]可以得到如下图2.1所展示的混合微电网典型拓扑结构1，该拓扑结构的并网点为交流侧，在这种交直流混合微电网中，交流微电网由交流微源（比如微型蒸汽机）、储能装置和交流负载通过电力电子装置间接地或者直接地连到交流母线上构成。直流微电网由直流微源（如微电流源）、储能装置和直流负载间接或直接地连到直流母线上构成。其中互联变流器将交流母线和直流母线连接起来，这种拓扑结构比较适合那种在直流母线侧没什么重要的负载而交流侧负载所占比例较大的场合。

图2.1 拓扑结构1

根据文献^[6]可以得到下图2.2所展示的微电网典型拓扑结构2，这种典型拓扑结构与图2-1所示的拓扑结构主要区别就是这种结构在直流侧接入电力系统。一般我们把这种拓扑结构应用在直流负载分布比较密集的地点。

图2.2 拓扑结构2

3类新型的混合微电网拓扑

本节总结了现有的混合微电网拓扑结构设计经验，并参考了对其拓扑结构的需求，设计了3类新型的混合微电网拓扑结构。交直流混合微电网的拓扑结构一般说的是直流微电网、交流微电网和交流配电网之间是如何进行连接的。本节把交直流混合微电网的基本结构分成一对多型(一个交流微电网与多个直流微电网)、多对一型（即包含多个交流微电网但仅有一个直流微电网的类型）和多对多型(即交流微电网和直流微电网都很多的类型)，在此基础上分别说明每种拓扑结构适用于什么场合。

其中对本节内容作出两点解释：(1)通过本节所展示的拓扑结构，我们只能知道交流配电网、直流微电网和交流微电网的连接关系。但是我们是不可能了解其内部的详细结构的，至于其内部结构，如果有兴趣可以参考文献^[7]中的有关内容，在这里不予过多解释；(2)本节列举的拓扑结构只展示交流配电网和交流微电网之间是如何相连的，直流微电网和交流配电网与之差不多，就不在一一列举。

一对多型

图2.3（a）为一对多1型拓扑结构，从中可以看出不同的直流微网通过互联变流器等电力电子设备和交流微网相连接，但是不同直流微网之间相互孤立，并且还能得出对于此种混合微网交流微电网是沟通配电网的桥梁。如图2.3（b）所示是一对多2型拓扑结构，在这种情况下，各直流微网不再彼此孤立，而是通过开关相联系。我们可以把它看成是1型的变式。

这种拓扑一般在直流负载和微源含量比较多但是分布稀疏的地域比较常见，其中的直流微源和负载如果相距较近可以组成局网，之后这些直流微源之间不再彼此孤立而是相互联系，通过这种方式既能使线路不会出现那么多的功率损失，还能使电网的供电更加稳定和可靠，这种拓扑结构一般在方特等娱乐场所或者生态保护区比较常见。

图2.3 一对多型拓扑

多对一型

如图2.4(a)所示该结构为多对一型1型结构，该结构中互联变流器将一个直流微电网和多个交流微电网连接起来，而各个交流微电网之间各自独立。如图2-4(b)所示为多对一型2型结构，在该结构中交流开关将各交流微电网之间连接起来，这种情况相当于是多对一型1型结构的变形。

这种拓扑一般在交流微源和负载较多但是分布零散的地域比较适合投入应用。且可以使不同小地方的微网彼此相联组成局网来达到降低运输过程中的无谓损耗，并且使供电的可靠性显著提高，可用于住宅区配电网增加容量；与此同时，多对一型拓扑中可以将直流微网作为桥梁实现不同交流微网的非同步互联。

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