基于可再生能源的分布式发电系统的网络拓扑研究

袁立军

（海军驻上海江南造船（集团）有限公司军事代表室，上海 201913）

基于可再生能源的分布式发电系统的网络拓扑研究

袁立军

（海军驻上海江南造船（集团）有限公司军事代表室，上海 201913）

基于可再生能源的分布式发电系统，是大力发展新能源，提高供电可靠性，扩大供电系统容量的重要途径。分布式发电系统的组网方式多种多样，通常基于母线的组网方式有三种：基于直流母线的组网方式，基于交流母线的组网方式，基于直流和交流混合母线的组网方式。本文给出了这三种组网方式的拓扑结构，详细分析了其特点及适用范围，最后给出系统优化设计准则。

可再生能源；分布式发电；直流母线；交流母线；混合母线

0 引言

基于可再生能源的分布式发电系统（Distributed generating system, DGS）与环境相兼容，发电方式灵活，可广泛应用于偏远地区供电。分布式发电系统与集中供电系统结合将形成一个高效，灵活的电力系统，提高了可再生能源的利用率，可有效改善电力系统的可靠性和电能质量。

分布式发电系统可工作在独立运行模式，即向本地负载在供电，也可以运行在并网模式，与外部电网联合给负载供电。

基于可再生能源的分布式发电系统的网络拓扑是决定系统供电可靠性、控制协调性、扩容方便性、能源利用率及供电成本的重要因素。美国电力可靠性技术解决方案联合会（Consortium for electric reliabilitytechnology solution, CERTS）提出的网络拓扑如图1所示[1]。该系统是由分布式电源（Distributed Generator,DG）、储能元件、能量管理器、潮流控制器、负荷等组建的微网（Microgrid）。

图1 CERTS提出的基本拓扑结构

该系统中分布式源的能量在给负载供电的同时，经过汇流母线送入配电网。敏感负荷及可调节负荷接入含有分布式源的馈线，以保证其可靠供电，普通负荷经馈线直接与配电网连接。

实际上，DGS组网方式需要根据当地资源条件，考虑负荷需求，在高效利用资源情况下保证系统供电的稳定性和可靠性。

DGS的组网方式按汇流母线的类型可以分为三类：1）基于直流母线组网；2）基于交流母线组网；3）基于直流及交流混合母线组网。本文将详细介绍这三类网络拓扑的结构，分析其特点及适用范围，最后提出优化设计准则。

1 基于直流母线的组网方式

基于直流母线架构的网络拓扑如图2所示。各分布式发电单元及储能单元通过变流器与直流母线相连接，再经过逆变器将直流变电换为交流电，通过工频变压器与低压配电网相连接。其中储能单元与直流母线之间的能流可以双向进行。直流与交流负载可分别通过终端变流器接于直流母线。

从图2所示的网络拓扑可以看出基于直流母线的组网方式有如下特点[2]：1）系统只需对直流母线电压进行控制；2）单一工频变压器隔离，可靠性高，成本低；3）易于在直流母线上扩展储能单元或者发电单元，实现多种可再生能源互补的应用；4）易于实现系统独立运行，并网运行，及并网/独立双模式运行，应用范围广。

图2 基于直流母线的组网拓扑

但是由于系统母线侧组建的是直流电网，系统存在以下几个方面的问题：1）系统中采用公共直流母线连接各个发电单元和变换单元，需要可靠的直流母线故障保护措施；2）直流母线较危险，直流部件造价高，直流系统继电保护实现起来很复杂。

直流组网系统以其控制协调容易实现，充分发挥了光伏，风电特性而广泛应用于中小容量的基于可再生能源的分布式发电系统中。实际中的直流组网中还有双回直流母线结构，双直流电压等级结构等[3,4]。图3所示的系统采用双回直流母线组网，直流母线用混合限流式断路器进行分段，其中，重要负载接于带储能单元的母线。该系统的特点是组网灵活，扩容方便，并且双直流母线均由断路器分段，提高了系统的供电可靠性。图4所示的系统采用双直流电压等级的母线架构，其主要特点是组网灵活，分布式发电单元，负载可灵活的接入480V母线或者220V母线。

图3 双回直流母线组网拓扑

图4 双直流电压等级母线组网拓扑

实际上，直流组网方式的应用不仅经局限在中小容量的分布式发电系统中，在大功率、远距离输电中也得到广泛应用。尤其是海底输电，向偏远地区供电，轻型HVDC输电技术以其成本低、损耗小、传送功率大、输出距离远等优势得到了广泛应用。

2 基于交流母线的组网方式

基于交流母线架构的网络拓扑如图5所示。各分布式发电单元及储能单元经过变流器将能量汇聚于交流母线，再经过升压变压器与配电网连接。负载可直接接于母线，也可以经过终端变换器与母线相连[5]。从图5所示的拓扑可以看出交流组网有如下几个特点：1）并网单元分布于各种发电和储能单元中，容量相对较小，可靠性高；2）各分布源发出的电能可方便，高效的变换为交流电能，适宜于大容量的分布式电源并网；3）相较于直流组网系统，交流系统的开关设备，继电保护等更易于实现。

图5 基于交流母线的组网拓扑

但是从图5中也可以看出，各分布式电源与储能单元均需逆变器与交流母线相连。显然，逆变器的并联协调控制决定了整个系统可靠，稳定的工作，也决定了交流组网系统存在以下问题：1）各并网单元协调控制复杂；2）系统孤岛运行时协调控制复杂。

相较于直流组网中DC/DC的并联技术，交流组网中逆变器的并联控制复杂很多，具体表现在[6]：1）要使逆变器并联运行时输出有功功率相等，则逆变器的输出电压频率和相位就要严格同步。即使频率相同，微小的相位差也会使并联运行的逆变器输出有功功率严重不平衡；2）各逆变电源输出电压频率和相位严格同步后，若输出电压幅值不相同，则输出电流中会含有无功环流分量；3）即使并联运行的各逆变电源输出电压、频率、相位和幅值完全一致的正弦波，但各自输出电压所含谐波分量存在较大差异，此时各并联单元之间就会存在谐波环流。

因此，各逆变单元并联运行要求其电压、幅值、相位、频率和波形等要素保持严格一致，并且能合理分配负载电流。显然严格满足这些条件使得控制上相当复杂。

交流组网系统尽管协调控制复杂，但相较于直流组网，其开关设备，继电保护容易实现，对负载供电特性的适应性强，目前仍然得到大规模应用。

图6给出了一个典型的实际交流组网拓扑结构，对交流母线分段，对于接入重要负载如电梯，重要照明等的母线，通过双回的形式，经升压变压器与配电网相连接，对于接入普通负载如空调等的母线，直接经过升压变压器与配电网相连。其它负载可根据要求接入相应的分段母线段。

图6 实际交流组网拓扑

3 基于混合母线的组网方式

前面分析过直流组网与交流组网的特点。实际上可以结合直流组网与交流组网的优势构建基于混合母线的组网系统，其拓扑如图7所示。从图7可以看出，基于混合母线的组网方式有如下特点：1）组网灵活。各分布式源，储能单元及负载各根据自身特性有选择的接入直流母线或者交流母线；2）扩容方便，可靠性高。大容量风机及储能单元接入交流母线，中小容量的光伏及储能单元接入直流母线，减轻了并网逆变器单元的容量负担，提高了系统可靠性；3）系统充分发挥了风光互补的特性，能广泛适应不同了类型的负荷；4）充分考虑了风电，光伏及储能介质的特性，易于系统优化控制。

图7 基于混合母线的组网拓扑

基于混合母线的组网方式结合了直流组网和交流组网的优势，能广泛适应不同容量，不同负荷类型的系统。但是从图 7所示的拓扑也可以看出，基于混合母线组网方式存在以下几个难点：1）交流母线侧并联逆变器的协调控制复杂；2）系统孤岛运行时，需要提供交流电压，频率支撑，还需提供直流电压支撑，导致整个系统控制很复杂。

图8给出了一个典型的基于混合母线的组网拓扑[7]。该系统中，不同区域的大电网通过高压直流输电(HVDC)互联，大容量的分布式发电系统接入交流母线，再通过变流器与电网相连，其中电动汽车(PHEV，Plug-in Hybrid Electric Vehicles)与母线之间的能量可双向流动。图中ECC(Energy Control Center)是能量控制中心，包含智能功率表，断路器等。ECC可以采集电网及变换器的数据信息，实现各级分布式发电系统与电网的交互通信。中小容量的分布式发电单元根据自身特性及负荷需求接入相应的母线。图8中中小容量的分布式发电单元接入直流母线，供给家用负荷及电子负载用电，通过逆变器与上一级母线互联。

图8 实际基于混合母线的组网拓扑

4 优化设计准则

前面主要介绍了基于母线架构的三种组网方式，主要是从系统供电可靠性，控制复杂程度，扩容方便性等角度分析各种组网方式的特点。实际上基于可再生能源的分布式发电系统的组网方式受到多方面因素的影响，如可再生能源的分布，资源储量，本地负荷需求，系统的供电范围等。本章节将简要介绍系统组网方式的优化设计。

对于可再生能源的利用，必须清楚可再生能源的分布，资源储量，以便选择合理的发电类型。例如,某地风资源很丰富，太阳光相对较弱，可以优先考虑建立大容量风电，将各风电单元的能量汇聚于交流母线，经升压变压器接入电网，光伏可以通过直流母线方式供给办公大楼或者家用电子负载。

对于分布式发电系统的组网，最核心的问题是系统供电稳定性与可靠性。分布式发电系统可供在在孤岛模式及并网模式。工作在并网模式下，要保证分布式发电系统与电网的互联能够稳定工作；在孤岛运行时，要保证系统能够对负载可靠、稳定、持续地供电。

在保证系统稳定、可靠工作的前提下，还需考虑成本、系统经济运行、备用容量等。图 9给出优化设计准则。

图9 优化设计准则

5 总结

本文综述了基于母线架构的三种组网方式，分析了各种方式的特点及应用场合，给出了各种典型的拓扑结构。

分析表明，基于直流母线的组网方式控制简单，易实现系统独立运行或并网运行。中、小容量的分布式发电系统中，直流组网方式是首选方案。但直流系统中也存在开关设备造价高，继电保护困难等缺点。基于交流母线的组网方式可靠性高、与电网的兼容性强、继电保护简易，广泛应用于中、大容量的分布式发电系统。但是交流系统中，逆变器的协调控制复杂，不易实现系统独立运行与并网运行的无缝切换。基于直流与交流混合母线的组网方式充分结合了直流系统与交流系统的优势，可以广泛应用于不同容量，不同负荷需求的分布式发电系统。但是基于混合母线的组网方式仍然存在交流系统协调控制复杂的缺点。

文章最后简要分析了基于可再生能源的分布式发电系统的网络拓扑优化设计需要考虑的因素。实际中，对于基于可再生能源的分布式发电系统，需要考虑当地资源分布及储量、负荷需求，在保证系统稳定、可靠、持续供电的情况下，还需要考虑系统的成本、效率、备用容量以及未来扩充容量的方便性等因素。

[1] Lassetr R, Akhil A, MarnayA C, et al. White paperon integration of distributed energy resources - the CERTS microgrid concept. 2007.

[2] ISE T. Advantages and circuit configuration of a DC Microgrid// Proceedings of the Montreal 2006 Symposium on Microgrids, June 23, 2006, Montreal,Canada.

[3] Yushi Miura, Ryo Sato, Masaki Saisho, Toshifumi Ise. DC Loop Type Superconducting Distribution System Including Various Distributed Generations.IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPER CONDUCTIVITY, VOL. 17, NO. 2, June 2007,pp.2335-2338.

[4] L. Petrucci, Chiara Boccaletti, B. François and P. Di Felice. Hybrid generation System Management with a Double DC-Bus Configuration on the Electrical Side. ELECTROMOTION 2009 – EPE Chapter‘Electric Drives’ Joint Symposium, 1-3 July 2009,Lille, France.

[5] European microgrids project. Large scale integration of micro-generation to low voltage grids:MicroGrids[EB/OL].[2008-03-25].http://Micro Grids.power.ece.ntua.gr.

[6] K.Chen, T F.Wu, Y E.Wu and C-PKu. A current sharing control strategy of Paralleled multi-inverter systems using microproeessor-based robust control.Eleetrical and Eleetronic Technology 2001.TENCON.Proeeedings of IEEE Region 10 International Conefrence on Volume 2, 19-22 Aug.2001, 647-653.

[7] FUNABASHI T, YOKOYAMA R. Microgrid field test experiences in Japan// Proceedings of the Power Engineering Society General Meeting, June 18-22,2006, Montreal, Quebec, Canada:18-22.

Research on Network Topology of Distributed Power Generation System Based on Renewable Energy

YUAN Li-jun
(Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co. Ltd., Shanghai 201913, China)

Distributed power generation system based on renewable energy is an important approach to develop the new source of energy, improve the reliability of power supply and enlarge the power supply system’s capacity. There are different grid types of distributed power generation system. Three common grid types are based respectively on direct current bus, alternating current bus and mixed bus of direct current and alternating current. The topology of the mentioned three grid types are given in this paper. Their characteristics and applications are analyzed in detail. Systems’ optimization design criterion is given.

renewable energy; distributed power generation; direct current bus; alternating current bus;mixed bus

TM61

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.020

袁立军（1972-），男，硕士研究生，高级工程师。