交直流混合微电网结构分析与研究

摘 要：微电网通过运用各种分布式可再生能源，已成为现代电网重要组成部分。而交直流混合微电网，有效解决分布式电源容量瓶颈以及间歇性接入问题，并具有一定的错峰填谷功能，使其供电可靠性及其电能质量进一步提高，符合电力发展需求。

关键词：交直流混合；微电网；分布式电源；储能系统

1 概述

随着电网技术的发展，与大电网相比，交直流混合微电网结构更加灵活方便，可控性强，并且更加稳定和安全，已成为现代大电网的重要组成部分。对于近端或者重要用户，微电网可实现自行完成供电服务，从而满足用户多样化需求；而对于重要负荷，交直流混合微电网供电更加可靠和安全，可有效减少大电网供电的不稳定性，确保电能质量，可有效降低由大电网供电故障引起的经济损失，从而降低大电网的建设成本投入，故具有良好经济和社会效益。同时，微电网能够有效地调节大电网峰值，并且可以避免增加发电装机容量所引起的高额成本，可以有效改善峰谷差值。

2 交直流混合微电网电源

2.1 燃料电池

燃料电池作为一种常见的分布式电源，其能量转换方式和普通电池相似，结构主要包括电解质、电极和联接电池正负极的端部设备，反应过程能量遵循从化学能到电能的转化。在燃料电池反应过程中，内部物质并不是静止不动的，正式由于燃料不间断的流向负电极，而空气不断的流向正电极，从而形成一个循环，需要在电极表面添加催化剂，经过催化剂的作用，燃料和水将会发生化学反应，在其反应过程中主要是氢气和氧气在催化剂的作用下从而生成水，由于电子是可以在水中运动的，电子的定向移动会形成一定的轨迹，而大量电子的移动便形成封闭电路，从而形成电流。不会对环境产生污染，推广应用前景广阔。

2.2 光伏电池

太阳能是地球上最基本、最常见的可再生能源，相对于当前的人类社会发展，太阳可看作是人类永恒的能量来源，其实质就是传递到地球上的电磁能能够被人类储存和使用。在当前，太阳能发电主要分为并网运行和离网运行两种工作方式，其中并网运行方式是当前主要的研究方向。并网光伏发电系统主要包括光伏阵列模块（又称太阳能电池板）、控制器与逆变器等三部分。

2.3 风能电池

与太阳能相似，风能也是世界上存储量最多的能源之一，同时也是目前世界上开发利用最为廣泛、发展最为迅速的可再生能源。通过风力发电机将风能转化为电能，其转化过程为风力发电装置主要是通过风机的叶片直接接收风能，随后并将风能转化成可拖动轮机叶片转动的动能，从而实现带动原动机进而并带动发电机运转，因此其整个过程可看作机械能转换为电能并输出的过程。在实际运行过程中，风力发电运转需要非常小的风速即可。风力发电研究应用相对较早，当前其技术比光伏发电更为系统完善。

2.4 柴油发电机电池

燃气轮机主要分为两种，一种是采用高速单轴设计，并将压缩机和涡轮连接在相同轴上，因而相当于交流发电机；另外一种则采用分轴设计，通过一个动力涡轮将变速箱连接到普通的发电机上，通常采用感应发电机。

3 储能系统

作为交直流混合微电网，其储能技术主要包括抽水蓄能、压缩气体储能、旋转飞轮储能、高温超导储能、超级电容储能以及铅酸电池储能等。与其他储能技术相比，蓄电池能量密度相对较大，适宜为交直流混合微电网提供短时供电。一般采用铅酸蓄电池，其正负极分别由二氧化铅和铅组成，通常在硫酸溶液中电解。其反应过程可看作是生成氧气不断漂浮并反复循环。尽管铅酸电池存在一些的缺点，譬如环境的温度变化影响电解反应的效率，同时铅酸电池存放需要单独比较大的空间，铅影响环境，会在一定种程度上引起环境污染，然而由于其价格较低，经济实惠，生产技术相对完善，以及后期销售便捷等其他储能方式无法比拟的优势，因此具有得到广泛的应用和普及。而铅酸电池组的结构能够有效吸收附加电解质，并在工作时生成可以发生氧化反应的氧气，同时可以实现漂浮充电和深度循环运行。

4 交直流混合微电网的结构

微电网结构主要分为交流微电网、直流微电网、交直流混合微电网。其中，交直流混合微电网是指同时含有交流与直流母线，并可以同时向两种负荷输出电能。因而，交直流混合微网系统有效集成交流和直流微网的优势，应用场合更为广泛，对于现有工程改造和新建项目均可采用，优势更为突出明显，即使有较多的直流负荷，以及分布式发电为主要电源时均可以考虑应用这种方式。交直流混合微网的主要优点包括：（1）交直流混合微电网输出电能形式可采用交流和直流两种形式，均可以实现两种电源分别接入两种母线，因此AC/DC或DC/AC的转换效率较高，并且更加方便；（2）交直流混合微电网结构形式则更加灵活实用，应用范围广阔，可以有效减少用户的变频装置，从而降低设备的制造成本。因此，交直流混合微电网的应用实现更大的经济效益，减低建设成本，减少变换环节及其装置，操作更为灵活方便，并降低耗能，提高整个电网运行系统的安全性、经济型和可靠性。

在交流微电网系统中，分布式电源和储能装置均是通过电力电子装置连接至交直流母线，并通过控制公共联结点实现微电网并网和孤网运行模式的切换。而直流微电网的电源、储能装置以及负荷的所有组件均是通过电力电子转换装置连接，然后直流母线通过逆变装置再连接到外部大电网。交直流混合微电网通过综合交流和直流微电网的优点，而其概念便是指同时含有交流和直流母线，既可以实现直接向直流负荷输电，又可以实现直接向交流负荷输电的微电网结构。根据分布式电源以及用户负荷特点，通过采用交、直流混合的灵活供电运行方式可以有效降低投入成本，从而充分利用分布式能源。交直流混合微电网的负荷主要分为阻性负荷、感性负荷、容性负荷以及混合负荷等；其中阻性负荷可直接连接至直流母线上，感性、容性等负荷需连接至交流母线。

5 结束语

本文详细阐述了交直流混合微电网内部结构及其常用分布式电源，并对系统常用储能系统进行介绍，最后分析交直流混合系统结构。可见，交直流混合微电网通过使用可再能源，符合电力战略发展要求，并可以有效解决分布式电源容量的问题，具有广阔的应用前景，进一步推动现代电网技术的发展。

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作者简介：邓志辉（1987-），江西崇仁人，毕业于南昌大学电力电子与电力传动专业，主要研究方向：电力系统设计与规划。