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，是未來配電網(wǎng)的重要發(fā)展方向。文章首先對交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)勢、國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納;其次對交直流混合配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化規(guī)劃、調(diào)度控制、經(jīng)濟(jì)性評估等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行總結(jié)分析;最后對交直流混合配電網(wǎng)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)面對日益多樣化的負(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)。國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合國家能源局于2015年、2016年分別出臺《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計(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》等文件，明確指出要推動可再生能源生產(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、儲能單元(電池、超級電容器等)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、電動汽車、數(shù)據(jù)中心、電氣化機(jī)車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DC/AC、AC/DC、DC/DC變流器接入相應(yīng)電壓等級的交流配電網(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題，可以有效隔離交流側(cè)擾動和故障，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“Sustainable Building Initiative(SBI)”計(jì)劃，于2010年將其發(fā)展為“SBN(Sustainable Building and Nanogrids)”，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“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”結(jié)構(gòu)，適用于“即插即用”型分布式電源及分布式儲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)和英國諾丁漢大學(xué)于2008年針對交直流混合配電網(wǎng)提出“Universal and Flexible Power Management(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。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。
在國內(nèi)針對交直流混合配電網(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，已有對直流配電網(wǎng)的拓?fù)?、電壓等級、?guī)劃方法、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和綜合評估等問題的研究。運(yùn)行調(diào)度方面，有學(xué)者對直流配電網(wǎng)的潮流計(jì)算、電壓分布、含分布式電源的調(diào)度等問題進(jìn)行了研究?？刂票Ｗo(hù)方面，對直流配電網(wǎng)建
模、控制策略、保護(hù)等問題均有相關(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，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：架空網(wǎng)主要包括輻射式接線和多分段適度聯(lián)絡(luò)接線2種模式;電纜網(wǎng)主要包括單環(huán)式接線和雙環(huán)式接線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)采用主線備用線、環(huán)形、點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)接線方式;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)由不同電壓等級的直流母線組成骨干網(wǎng)絡(luò)，分布式電源、交流負(fù)載與直流負(fù)載通過電力電子裝置與直流母線相連，其結(jié)構(gòu)簡單，對控制保護(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)，可以通過操作聯(lián)絡(luò)開關(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)接線模式主要包括輻射型交直流混合配電網(wǎng)(交直流線路間無聯(lián)絡(luò))、多分段適度聯(lián)絡(luò)型交直流混合配電網(wǎng)(交直流線路間有聯(lián)絡(luò))，兩者的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別見圖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)劃問題是配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需要解決的核心問題，對交直流混合配電網(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)用場合的規(guī)劃問題中進(jìn)行應(yīng)用。例如，針對海上風(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)控制問題。而針對交直流混合配電網(wǎng)的規(guī)劃問題，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)裝置以及直流線路)的規(guī)劃方法，并沒有特別研究其關(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)行評估。經(jīng)濟(jì)性評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)性評價(jià)指標(biāo)(凈現(xiàn)值、投資回收期等)3方面進(jìn)行評估。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，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)性優(yōu)化的規(guī)劃目標(biāo)。交直流混合配電網(wǎng)的可靠性評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網(wǎng)絡(luò)可靠性的提升。
2016售電研討會（第四期）正式啟動——關(guān)注售電公司商業(yè)模式創(chuàng)新與業(yè)務(wù)實(shí)操
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)線路總長度最短和風(fēng)電場公共接入點(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)劃問題的求解可基于以下幾類算法進(jìn)行嘗試：第一類是解析算法，包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和混合整數(shù)規(guī)劃等;第二類是智能算法，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，包括用戶停電損失，考慮了配電網(wǎng)的可靠性價(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)線路的走廊當(dāng)作邊，將線路的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用(主要為線損)之和作為各條邊的權(quán)，在采用基本最小生成樹算法獲得初步規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，采取動態(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)線性規(guī)劃方法解決大型風(fēng)電場并網(wǎng)規(guī)劃問題。
交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃問題屬于大規(guī)模組合規(guī)劃問題，對于實(shí)際大系統(tǒng)，第一類解析算法計(jì)算時(shí)間通常較長，容易造成“維數(shù)災(zāi)”問題，一般適用于小系統(tǒng)。如果需要采用解析算法(智能算法無法處理或陷入局部最優(yōu)解)，需要對交直流混合配電網(wǎng)先進(jìn)行分區(qū)，再對每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃求解。第二類智能算法對數(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。
3 交直流混合配電網(wǎng)調(diào)度與控制技術(shù)
智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，對配電網(wǎng)的可控性提出了更高的要求。傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的可控性較差，而在交直流混合配電網(wǎng)中，柔性直流換流器可以靈活地調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，大大提升了電網(wǎng)的控制能力，與此同時(shí)，也對配電網(wǎng)的調(diào)度與控制提出了更高的要求。
3.1 交直流混合配電網(wǎng)的調(diào)度方案
交直流混合配電網(wǎng)的調(diào)度方案應(yīng)當(dāng)結(jié)合分布式電源、儲能設(shè)備以及實(shí)際的負(fù)荷特性進(jìn)行制定。由于交直流混合配電網(wǎng)相對傳統(tǒng)配電網(wǎng)具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式，因此兩者的調(diào)度方式也有所不同，交直流混合配電網(wǎng)中可借助柔性互聯(lián)裝置，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域間潮流的廣域調(diào)度。
目前針對交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的研究相對較少，研究成果也相對集中在柔性交直流混合電網(wǎng)的最優(yōu)潮流(optimal power flow，OPF)方面。文獻(xiàn)[52～54]分別利用遺傳算法、牛頓法以及二階錐規(guī)劃的相關(guān)技術(shù)對交直流混合電網(wǎng)OPF問題進(jìn)行了建模和求解。在電力系統(tǒng)中，內(nèi)點(diǎn)法是一種常用的優(yōu)化算法，文獻(xiàn)[55]建立了交直流混合電網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)法OPF模型。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們進(jìn)一步研究了考慮暫態(tài)穩(wěn)定的交直流混合電網(wǎng)OPF等問題，推進(jìn)了相關(guān)方法的實(shí)用化進(jìn)程。在OPF研究的基礎(chǔ)上，已有部分研究人員對考慮多時(shí)段的交直流混合電網(wǎng)調(diào)度問題進(jìn)行了研究，采用的方法包括通過簡化模型降低問題的求解難度，或者通過優(yōu)化分解算法，將較復(fù)雜的交直流混合電網(wǎng)調(diào)度問題分解為若干子問題，分別進(jìn)行求解等。
在上述問題中，通過優(yōu)化分解算法，采用分布式的思想構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度方案，是一個(gè)較有前景的研究方向。首先，交直流混合配電網(wǎng)分區(qū)清晰，易于劃分各個(gè)優(yōu)化主體，并且利用柔性直流換流站的功率控制能力，也可降低各子優(yōu)化問題的建模和求解難度;其次，各個(gè)交流配電網(wǎng)區(qū)域原本就獨(dú)立運(yùn)行，極大地便利了分布式優(yōu)化控制系統(tǒng)的部署，利用分布式優(yōu)化也可以充分利用各個(gè)區(qū)域的自主運(yùn)行能力，進(jìn)行并行計(jì)算;最后，通過分布式優(yōu)化，可以避免配電網(wǎng)內(nèi)大量信息的遠(yuǎn)距離報(bào)送，減小了通信的需求，也保護(hù)了內(nèi)部運(yùn)行信息的安全。
本文研究了交直流混合配電網(wǎng)的多源協(xié)同分層分布式優(yōu)化調(diào)度方案，其結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 交直流混合配電網(wǎng)的分層分布式優(yōu)化調(diào)度策略
該策略利用分層調(diào)度和分布式優(yōu)化理論和方法，對含有多類型分布式發(fā)電的交直流混合主動配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)電能的高效生產(chǎn)和使用。在局部調(diào)度層，對可再生分布式能源發(fā)電結(jié)合儲能裝置進(jìn)行聯(lián)合出力優(yōu)化;在區(qū)域調(diào)度層，根據(jù)局部調(diào)度層的優(yōu)化結(jié)果對配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的可控分布式發(fā)電以及區(qū)域間的交換功率進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)化配電網(wǎng)的供電方式。通過仿真研究，可以證明該分層分布式優(yōu)化調(diào)度策略的可行性和有效性，在局部調(diào)度層可以充分利用可再生能源，并有效利用儲能平抑波動;在區(qū)域調(diào)度層，通過分布式優(yōu)化調(diào)度，可以得到整體交直流混合配電網(wǎng)的最優(yōu)供電方案，且驗(yàn)證了通過構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)，可以更好地利用各個(gè)交流配電網(wǎng)區(qū)域不同的負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)能量的廣域調(diào)度。
在上述分層分布式優(yōu)化調(diào)度策略中，本文采用了基于分析目標(biāo)級聯(lián)的分布式優(yōu)化方法，從而將交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題分解到交流配電網(wǎng)區(qū)域和直流配電網(wǎng)區(qū)域分別進(jìn)行求解，見圖4
3.2 交直流混合配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略
多端柔性直流配電網(wǎng)將是構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)的重要組成部分，其可靠的協(xié)調(diào)控制策略是交直流混合配電網(wǎng)能夠正常運(yùn)行的重要保障。多端柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行控制通常采用分層的形式，分為系統(tǒng)級控制以及換流站級控制，其中系統(tǒng)級控制實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定，換流站級控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)換流站快速跟隨上級運(yùn)行指令，并調(diào)整其運(yùn)行點(diǎn)。系統(tǒng)級控制、換流站級控制與3.1節(jié)所述調(diào)度級控制共同構(gòu)成了交直流混合配電網(wǎng)的調(diào)度控制系統(tǒng)，見圖5。
對于系統(tǒng)級控制，可進(jìn)一步分為一次和二次控制層。其中二次控制層通過快速優(yōu)化控制，可消除一次控制誤差，實(shí)現(xiàn)多端柔性直流系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。加入二次控制層，還可以為系統(tǒng)級控制帶來諸多好處，例如，可通過二次優(yōu)化控制為系統(tǒng)級一次協(xié)調(diào)控制提供參考;或在二次控制層中通過N-1校核等手段提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)級一次控制常通過設(shè)定各個(gè)換流站之間的控制模式實(shí)現(xiàn)，包括主從控制、電壓偏差控制和下垂控制等。其中電壓偏差控制模式以及下垂控制模式由于具有更高的可靠性和更寬的系統(tǒng)運(yùn)行范圍，因此更受到認(rèn)可。相關(guān)研究多集中在對上述幾種控制模式的改進(jìn)，以獲得更好的協(xié)調(diào)控制效果，研究思路包括將不同的控制模式加以結(jié)合，從而在系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)改變時(shí)選擇合適的協(xié)調(diào)模式;或通過附加控制環(huán)以自適應(yīng)地修正協(xié)調(diào)控制參數(shù)，從而獲得更優(yōu)的控制效果等。
對于換流站級控制，矢量控制是目前最常用的控制形式，通過坐標(biāo)變換將abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)對有功功率和無功功率的直接控制。最常見的矢量控制形式利用比例—積分(proportional-integral，PI)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種形式的控制器可能存在因運(yùn)行點(diǎn)大范圍變化而使控制效果變差的問題，因此，很多學(xué)者在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，以改善其控制效果。
本文研究了多端柔性直流系統(tǒng)的分散非線性控制策略，其“分散”的特性可以保證各換流站在較少通信的條件下仍可以自主協(xié)調(diào)運(yùn)行，而“非線性”的特性可以保證在運(yùn)行點(diǎn)大范圍變化的條件下仍具有良好的控制性能，從而能夠融合多端柔性直流系統(tǒng)的系統(tǒng)級一次控制和換流站級控制目標(biāo)，獲得更優(yōu)的協(xié)調(diào)控制效果。
在交直流混合配電網(wǎng)中，間歇式分布式電源和負(fù)荷的功率波動會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)在較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，也給多端柔性直流配電網(wǎng)的控制的魯棒性和有效性提出了更高的要求。針對相關(guān)問題，有學(xué)者提出了“魯棒優(yōu)化”等新興優(yōu)化思想，其特點(diǎn)是可以保證運(yùn)行點(diǎn)波動時(shí)結(jié)果的可行性和最優(yōu)性，相關(guān)研究可為系統(tǒng)級二次控制層提供借鑒。此外，可進(jìn)一步探索針對多端柔性直流系統(tǒng)的分散非線性控制方法，融合系統(tǒng)級一次控制與換流站級控制的功能，使多個(gè)換流站在分散、少通信的情況下，利用非線性控制保證在運(yùn)行點(diǎn)大范圍變化的情況下仍具有良好的控制效果。上述角度將是多端柔性直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制層面需持續(xù)研究的問題，其結(jié)構(gòu)見圖7。
4 交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估
經(jīng)濟(jì)性評估環(huán)節(jié)，是減少和避免交直流混合配電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目決策失誤并提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。
傳統(tǒng)的交直流混合經(jīng)濟(jì)性評估方法主要包括確定性評估方法及不確定性評估方法。確定性評估方法主要包括靜態(tài)評估法和動態(tài)評估法：靜態(tài)評估法在評價(jià)工程項(xiàng)目投資的經(jīng)濟(jì)效果時(shí)，不考慮資金的時(shí)間價(jià)值，比較簡單直觀，但也未考慮工程項(xiàng)目在使用期內(nèi)收益和費(fèi)用的變化及各方案使用壽命的差異;動態(tài)評估法考慮了資金的時(shí)間因素，比較符合資金的動態(tài)規(guī)律，因而給出的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)更符合實(shí)際，主要包括凈現(xiàn)值法、內(nèi)部收益率法、動態(tài)投資回收期法和費(fèi)用現(xiàn)值比較法。
在交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估中，可以采用靜態(tài)評估對交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行初步預(yù)估計(jì)，但其結(jié)果不能用于實(shí)際論證。動態(tài)評價(jià)法雖然考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，但交直流混合配電網(wǎng)中技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性較大，動態(tài)評估法也不能保證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。
不確定性評估方法主要包括盈虧平衡分析和基于區(qū)間的經(jīng)濟(jì)評價(jià)算法。盈虧平衡分析用來研究項(xiàng)目的產(chǎn)品產(chǎn)量與項(xiàng)目的成本及收入之間關(guān)系，進(jìn)而確定項(xiàng)目的盈虧平衡分析。盈虧平衡分析針對當(dāng)某一參數(shù)或原始數(shù)據(jù)完全無法確定時(shí)，通過分析該參數(shù)的取值范圍，以確定該參數(shù)在什么范圍內(nèi)方案是經(jīng)濟(jì)可取的，在什么范圍內(nèi)方案是不經(jīng)濟(jì)的?；趨^(qū)間的經(jīng)濟(jì)評價(jià)算法對現(xiàn)金流、利率和生命期等概念加以擴(kuò)展，使之不再是一個(gè)確定的數(shù)值，而是一個(gè)區(qū)間數(shù)，進(jìn)而基于區(qū)間分析對項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。
在交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估中，基于區(qū)間的分析方法具有簡單易行且能較好處理不確定性信息的特點(diǎn)，比較適合于不確定性經(jīng)濟(jì)評價(jià)。但是該方法雖然在一定程度上考慮了技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性，但是提供的評估結(jié)果是一個(gè)區(qū)間數(shù)，并不能提供區(qū)間上的概率分布信息。
此外，還有應(yīng)用較為廣泛的全壽命周期方法。當(dāng)前配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評估中，存在忽視中長期成本、注重短期投資的問題，為了彌補(bǔ)這一問題，引入全壽命周期成本經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方法。該方法在產(chǎn)品壽命周期或其預(yù)期的有效壽命期內(nèi)，考慮了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研究和研制、投資、使用、維修及產(chǎn)品保障中，發(fā)生或可能發(fā)生的一切直接、間接、派生或非派生的所有費(fèi)用的總和，此方法雖然考慮了全壽命周期內(nèi)的設(shè)備和系統(tǒng)的成本效益，但是沒有考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性。
綜上，在交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估中，傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評估算法已經(jīng)難以適應(yīng)新的經(jīng)濟(jì)性評估要求。需要在全壽命周期內(nèi)，考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性和資金的時(shí)間價(jià)值，對交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。有學(xué)者提出基于概率全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性評估方法，該方法在全壽命周期方法的基礎(chǔ)上，考慮了經(jīng)濟(jì)性評估變量的不確定性，適用于交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性評估。
此外，相比于交直流混合配電網(wǎng)中其他設(shè)備費(fèi)用，含有柔性直流裝置的交直流混合配電網(wǎng)中柔性直流裝置一次投資、運(yùn)維費(fèi)用較大，如何考慮柔性直流裝置的不確定性，是需要進(jìn)一步研究的問題。
5 結(jié)語
本文對交直流混合配電網(wǎng)的已有研究進(jìn)行總結(jié)，討論了交直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化規(guī)劃方法、調(diào)度控制方法、經(jīng)濟(jì)性評估方案等關(guān)鍵技術(shù)，提出了未來交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)可能的發(fā)展方向，期望能對未來交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展提供一些借鑒。
交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃中，相比于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，由于加入了柔性直流裝置和分布式源荷，需要綜合考慮規(guī)劃、運(yùn)行過程，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)側(cè)重點(diǎn)需要從成本更多地轉(zhuǎn)向關(guān)注電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)控制。此外，由于新能源的不確定性，規(guī)劃模型及評估方案需要從傳統(tǒng)的確定性模型轉(zhuǎn)變?yōu)楦怕?、隨機(jī)性模型。上述方面在交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)給予高度重視。
柔性直流設(shè)備給配電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了新的可控手段，可以實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)內(nèi)有功、無功潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)。在交直流混合配電網(wǎng)這種新的電網(wǎng)形式中，如何對多種連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)備和離散調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下均保持良好的控制效果，值得深入研究。此外，在交直流混合配電網(wǎng)中，分布式電源和負(fù)荷功率均存在較大波動，將引起系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)的大范圍變化，研究交直流混合配電網(wǎng)的魯棒控制方法，從而在運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)移時(shí)仍具有良好的控制能力，將為其運(yùn)行帶來很大的幫助。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)面對日益多樣化的負(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)。國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合國家能源局于2015年、2016年分別出臺《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計(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》等文件，明確指出要推動可再生能源生產(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、儲能單元(電池、超級電容器等)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、電動汽車、數(shù)據(jù)中心、電氣化機(jī)車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DC/AC、AC/DC、DC/DC變流器接入相應(yīng)電壓等級的交流配電網(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題，可以有效隔離交流側(cè)擾動和故障，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“Sustainable Building Initiative(SBI)”計(jì)劃，于2010年將其發(fā)展為“SBN(Sustainable Building and Nanogrids)”，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“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”結(jié)構(gòu)，適用于“即插即用”型分布式電源及分布式儲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)和英國諾丁漢大學(xué)于2008年針對交直流混合配電網(wǎng)提出“Universal and Flexible Power Management(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。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。
在國內(nèi)針對交直流混合配電網(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，已有對直流配電網(wǎng)的拓?fù)?、電壓等級、?guī)劃方法、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和綜合評估等問題的研究。運(yùn)行調(diào)度方面，有學(xué)者對直流配電網(wǎng)的潮流計(jì)算、電壓分布、含分布式電源的調(diào)度等問題進(jìn)行了研究?？刂票Ｗo(hù)方面，對直流配電網(wǎng)建
模、控制策略、保護(hù)等問題均有相關(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，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：架空網(wǎng)主要包括輻射式接線和多分段適度聯(lián)絡(luò)接線2種模式;電纜網(wǎng)主要包括單環(huán)式接線和雙環(huán)式接線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)采用主線備用線、環(huán)形、點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)接線方式;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)由不同電壓等級的直流母線組成骨干網(wǎng)絡(luò)，分布式電源、交流負(fù)載與直流負(fù)載通過電力電子裝置與直流母線相連，其結(jié)構(gòu)簡單，對控制保護(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)，可以通過操作聯(lián)絡(luò)開關(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)接線模式主要包括輻射型交直流混合配電網(wǎng)(交直流線路間無聯(lián)絡(luò))、多分段適度聯(lián)絡(luò)型交直流混合配電網(wǎng)(交直流線路間有聯(lián)絡(luò))，兩者的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別見圖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)劃問題是配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需要解決的核心問題，對交直流混合配電網(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)用場合的規(guī)劃問題中進(jìn)行應(yīng)用。例如，針對海上風(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)控制問題。而針對交直流混合配電網(wǎng)的規(guī)劃問題，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)裝置以及直流線路)的規(guī)劃方法，并沒有特別研究其關(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)行評估。經(jīng)濟(jì)性評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)性評價(jià)指標(biāo)(凈現(xiàn)值、投資回收期等)3方面進(jìn)行評估。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，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)性優(yōu)化的規(guī)劃目標(biāo)。交直流混合配電網(wǎng)的可靠性評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網(wǎng)絡(luò)可靠性的提升。
2016售電研討會（第四期）正式啟動——關(guān)注售電公司商業(yè)模式創(chuàng)新與業(yè)務(wù)實(shí)操
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)線路總長度最短和風(fēng)電場公共接入點(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)劃問題的求解可基于以下幾類算法進(jìn)行嘗試：第一類是解析算法，包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和混合整數(shù)規(guī)劃等;第二類是智能算法，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，包括用戶停電損失，考慮了配電網(wǎng)的可靠性價(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)線路的走廊當(dāng)作邊，將線路的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用(主要為線損)之和作為各條邊的權(quán)，在采用基本最小生成樹算法獲得初步規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，采取動態(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)線性規(guī)劃方法解決大型風(fēng)電場并網(wǎng)規(guī)劃問題。
交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃問題屬于大規(guī)模組合規(guī)劃問題，對于實(shí)際大系統(tǒng)，第一類解析算法計(jì)算時(shí)間通常較長，容易造成“維數(shù)災(zāi)”問題，一般適用于小系統(tǒng)。如果需要采用解析算法(智能算法無法處理或陷入局部最優(yōu)解)，需要對交直流混合配電網(wǎng)先進(jìn)行分區(qū)，再對每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃求解。第二類智能算法對數(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。
3 交直流混合配電網(wǎng)調(diào)度與控制技術(shù)
智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，對配電網(wǎng)的可控性提出了更高的要求。傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的可控性較差，而在交直流混合配電網(wǎng)中，柔性直流換流器可以靈活地調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，大大提升了電網(wǎng)的控制能力，與此同時(shí)，也對配電網(wǎng)的調(diào)度與控制提出了更高的要求。
3.1 交直流混合配電網(wǎng)的調(diào)度方案
交直流混合配電網(wǎng)的調(diào)度方案應(yīng)當(dāng)結(jié)合分布式電源、儲能設(shè)備以及實(shí)際的負(fù)荷特性進(jìn)行制定。由于交直流混合配電網(wǎng)相對傳統(tǒng)配電網(wǎng)具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式，因此兩者的調(diào)度方式也有所不同，交直流混合配電網(wǎng)中可借助柔性互聯(lián)裝置，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域間潮流的廣域調(diào)度。
目前針對交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的研究相對較少，研究成果也相對集中在柔性交直流混合電網(wǎng)的最優(yōu)潮流(optimal power flow，OPF)方面。文獻(xiàn)[52～54]分別利用遺傳算法、牛頓法以及二階錐規(guī)劃的相關(guān)技術(shù)對交直流混合電網(wǎng)OPF問題進(jìn)行了建模和求解。在電力系統(tǒng)中，內(nèi)點(diǎn)法是一種常用的優(yōu)化算法，文獻(xiàn)[55]建立了交直流混合電網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)法OPF模型。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們進(jìn)一步研究了考慮暫態(tài)穩(wěn)定的交直流混合電網(wǎng)OPF等問題，推進(jìn)了相關(guān)方法的實(shí)用化進(jìn)程。在OPF研究的基礎(chǔ)上，已有部分研究人員對考慮多時(shí)段的交直流混合電網(wǎng)調(diào)度問題進(jìn)行了研究，采用的方法包括通過簡化模型降低問題的求解難度，或者通過優(yōu)化分解算法，將較復(fù)雜的交直流混合電網(wǎng)調(diào)度問題分解為若干子問題，分別進(jìn)行求解等。
在上述問題中，通過優(yōu)化分解算法，采用分布式的思想構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度方案，是一個(gè)較有前景的研究方向。首先，交直流混合配電網(wǎng)分區(qū)清晰，易于劃分各個(gè)優(yōu)化主體，并且利用柔性直流換流站的功率控制能力，也可降低各子優(yōu)化問題的建模和求解難度;其次，各個(gè)交流配電網(wǎng)區(qū)域原本就獨(dú)立運(yùn)行，極大地便利了分布式優(yōu)化控制系統(tǒng)的部署，利用分布式優(yōu)化也可以充分利用各個(gè)區(qū)域的自主運(yùn)行能力，進(jìn)行并行計(jì)算;最后，通過分布式優(yōu)化，可以避免配電網(wǎng)內(nèi)大量信息的遠(yuǎn)距離報(bào)送，減小了通信的需求，也保護(hù)了內(nèi)部運(yùn)行信息的安全。
本文研究了交直流混合配電網(wǎng)的多源協(xié)同分層分布式優(yōu)化調(diào)度方案，其結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 交直流混合配電網(wǎng)的分層分布式優(yōu)化調(diào)度策略
該策略利用分層調(diào)度和分布式優(yōu)化理論和方法，對含有多類型分布式發(fā)電的交直流混合主動配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)電能的高效生產(chǎn)和使用。在局部調(diào)度層，對可再生分布式能源發(fā)電結(jié)合儲能裝置進(jìn)行聯(lián)合出力優(yōu)化;在區(qū)域調(diào)度層，根據(jù)局部調(diào)度層的優(yōu)化結(jié)果對配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的可控分布式發(fā)電以及區(qū)域間的交換功率進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)化配電網(wǎng)的供電方式。通過仿真研究，可以證明該分層分布式優(yōu)化調(diào)度策略的可行性和有效性，在局部調(diào)度層可以充分利用可再生能源，并有效利用儲能平抑波動;在區(qū)域調(diào)度層，通過分布式優(yōu)化調(diào)度，可以得到整體交直流混合配電網(wǎng)的最優(yōu)供電方案，且驗(yàn)證了通過構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)，可以更好地利用各個(gè)交流配電網(wǎng)區(qū)域不同的負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)能量的廣域調(diào)度。
在上述分層分布式優(yōu)化調(diào)度策略中，本文采用了基于分析目標(biāo)級聯(lián)的分布式優(yōu)化方法，從而將交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題分解到交流配電網(wǎng)區(qū)域和直流配電網(wǎng)區(qū)域分別進(jìn)行求解，見圖4
3.2 交直流混合配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略
多端柔性直流配電網(wǎng)將是構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)的重要組成部分，其可靠的協(xié)調(diào)控制策略是交直流混合配電網(wǎng)能夠正常運(yùn)行的重要保障。多端柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行控制通常采用分層的形式，分為系統(tǒng)級控制以及換流站級控制，其中系統(tǒng)級控制實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定，換流站級控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)換流站快速跟隨上級運(yùn)行指令，并調(diào)整其運(yùn)行點(diǎn)。系統(tǒng)級控制、換流站級控制與3.1節(jié)所述調(diào)度級控制共同構(gòu)成了交直流混合配電網(wǎng)的調(diào)度控制系統(tǒng)，見圖5。
對于系統(tǒng)級控制，可進(jìn)一步分為一次和二次控制層。其中二次控制層通過快速優(yōu)化控制，可消除一次控制誤差，實(shí)現(xiàn)多端柔性直流系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。加入二次控制層，還可以為系統(tǒng)級控制帶來諸多好處，例如，可通過二次優(yōu)化控制為系統(tǒng)級一次協(xié)調(diào)控制提供參考;或在二次控制層中通過N-1校核等手段提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)級一次控制常通過設(shè)定各個(gè)換流站之間的控制模式實(shí)現(xiàn)，包括主從控制、電壓偏差控制和下垂控制等。其中電壓偏差控制模式以及下垂控制模式由于具有更高的可靠性和更寬的系統(tǒng)運(yùn)行范圍，因此更受到認(rèn)可。相關(guān)研究多集中在對上述幾種控制模式的改進(jìn)，以獲得更好的協(xié)調(diào)控制效果，研究思路包括將不同的控制模式加以結(jié)合，從而在系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)改變時(shí)選擇合適的協(xié)調(diào)模式;或通過附加控制環(huán)以自適應(yīng)地修正協(xié)調(diào)控制參數(shù)，從而獲得更優(yōu)的控制效果等。
對于換流站級控制，矢量控制是目前最常用的控制形式，通過坐標(biāo)變換將abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)對有功功率和無功功率的直接控制。最常見的矢量控制形式利用比例—積分(proportional-integral，PI)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種形式的控制器可能存在因運(yùn)行點(diǎn)大范圍變化而使控制效果變差的問題，因此，很多學(xué)者在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，以改善其控制效果。
本文研究了多端柔性直流系統(tǒng)的分散非線性控制策略，其“分散”的特性可以保證各換流站在較少通信的條件下仍可以自主協(xié)調(diào)運(yùn)行，而“非線性”的特性可以保證在運(yùn)行點(diǎn)大范圍變化的條件下仍具有良好的控制性能，從而能夠融合多端柔性直流系統(tǒng)的系統(tǒng)級一次控制和換流站級控制目標(biāo)，獲得更優(yōu)的協(xié)調(diào)控制效果。
在交直流混合配電網(wǎng)中，間歇式分布式電源和負(fù)荷的功率波動會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)在較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，也給多端柔性直流配電網(wǎng)的控制的魯棒性和有效性提出了更高的要求。針對相關(guān)問題，有學(xué)者提出了“魯棒優(yōu)化”等新興優(yōu)化思想，其特點(diǎn)是可以保證運(yùn)行點(diǎn)波動時(shí)結(jié)果的可行性和最優(yōu)性，相關(guān)研究可為系統(tǒng)級二次控制層提供借鑒。此外，可進(jìn)一步探索針對多端柔性直流系統(tǒng)的分散非線性控制方法，融合系統(tǒng)級一次控制與換流站級控制的功能，使多個(gè)換流站在分散、少通信的情況下，利用非線性控制保證在運(yùn)行點(diǎn)大范圍變化的情況下仍具有良好的控制效果。上述角度將是多端柔性直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制層面需持續(xù)研究的問題，其結(jié)構(gòu)見圖7。
4 交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估
經(jīng)濟(jì)性評估環(huán)節(jié)，是減少和避免交直流混合配電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目決策失誤并提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。
傳統(tǒng)的交直流混合經(jīng)濟(jì)性評估方法主要包括確定性評估方法及不確定性評估方法。確定性評估方法主要包括靜態(tài)評估法和動態(tài)評估法：靜態(tài)評估法在評價(jià)工程項(xiàng)目投資的經(jīng)濟(jì)效果時(shí)，不考慮資金的時(shí)間價(jià)值，比較簡單直觀，但也未考慮工程項(xiàng)目在使用期內(nèi)收益和費(fèi)用的變化及各方案使用壽命的差異;動態(tài)評估法考慮了資金的時(shí)間因素，比較符合資金的動態(tài)規(guī)律，因而給出的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)更符合實(shí)際，主要包括凈現(xiàn)值法、內(nèi)部收益率法、動態(tài)投資回收期法和費(fèi)用現(xiàn)值比較法。
在交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估中，可以采用靜態(tài)評估對交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行初步預(yù)估計(jì)，但其結(jié)果不能用于實(shí)際論證。動態(tài)評價(jià)法雖然考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，但交直流混合配電網(wǎng)中技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性較大，動態(tài)評估法也不能保證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。
不確定性評估方法主要包括盈虧平衡分析和基于區(qū)間的經(jīng)濟(jì)評價(jià)算法。盈虧平衡分析用來研究項(xiàng)目的產(chǎn)品產(chǎn)量與項(xiàng)目的成本及收入之間關(guān)系，進(jìn)而確定項(xiàng)目的盈虧平衡分析。盈虧平衡分析針對當(dāng)某一參數(shù)或原始數(shù)據(jù)完全無法確定時(shí)，通過分析該參數(shù)的取值范圍，以確定該參數(shù)在什么范圍內(nèi)方案是經(jīng)濟(jì)可取的，在什么范圍內(nèi)方案是不經(jīng)濟(jì)的?；趨^(qū)間的經(jīng)濟(jì)評價(jià)算法對現(xiàn)金流、利率和生命期等概念加以擴(kuò)展，使之不再是一個(gè)確定的數(shù)值，而是一個(gè)區(qū)間數(shù)，進(jìn)而基于區(qū)間分析對項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。
在交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估中，基于區(qū)間的分析方法具有簡單易行且能較好處理不確定性信息的特點(diǎn)，比較適合于不確定性經(jīng)濟(jì)評價(jià)。但是該方法雖然在一定程度上考慮了技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性，但是提供的評估結(jié)果是一個(gè)區(qū)間數(shù)，并不能提供區(qū)間上的概率分布信息。
此外，還有應(yīng)用較為廣泛的全壽命周期方法。當(dāng)前配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評估中，存在忽視中長期成本、注重短期投資的問題，為了彌補(bǔ)這一問題，引入全壽命周期成本經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方法。該方法在產(chǎn)品壽命周期或其預(yù)期的有效壽命期內(nèi)，考慮了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研究和研制、投資、使用、維修及產(chǎn)品保障中，發(fā)生或可能發(fā)生的一切直接、間接、派生或非派生的所有費(fèi)用的總和，此方法雖然考慮了全壽命周期內(nèi)的設(shè)備和系統(tǒng)的成本效益，但是沒有考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性。
綜上，在交直流混合配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評估中，傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評估算法已經(jīng)難以適應(yīng)新的經(jīng)濟(jì)性評估要求。需要在全壽命周期內(nèi)，考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)變量的不確定性和資金的時(shí)間價(jià)值，對交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。有學(xué)者提出基于概率全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性評估方法，該方法在全壽命周期方法的基礎(chǔ)上，考慮了經(jīng)濟(jì)性評估變量的不確定性，適用于交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性評估。
此外，相比于交直流混合配電網(wǎng)中其他設(shè)備費(fèi)用，含有柔性直流裝置的交直流混合配電網(wǎng)中柔性直流裝置一次投資、運(yùn)維費(fèi)用較大，如何考慮柔性直流裝置的不確定性，是需要進(jìn)一步研究的問題。
5 結(jié)語
本文對交直流混合配電網(wǎng)的已有研究進(jìn)行總結(jié)，討論了交直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化規(guī)劃方法、調(diào)度控制方法、經(jīng)濟(jì)性評估方案等關(guān)鍵技術(shù)，提出了未來交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)可能的發(fā)展方向，期望能對未來交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展提供一些借鑒。
交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃中，相比于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，由于加入了柔性直流裝置和分布式源荷，需要綜合考慮規(guī)劃、運(yùn)行過程，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)側(cè)重點(diǎn)需要從成本更多地轉(zhuǎn)向關(guān)注電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)控制。此外，由于新能源的不確定性，規(guī)劃模型及評估方案需要從傳統(tǒng)的確定性模型轉(zhuǎn)變?yōu)楦怕?、隨機(jī)性模型。上述方面在交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)給予高度重視。
柔性直流設(shè)備給配電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了新的可控手段，可以實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)內(nèi)有功、無功潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)。在交直流混合配電網(wǎng)這種新的電網(wǎng)形式中，如何對多種連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)備和離散調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下均保持良好的控制效果，值得深入研究。此外，在交直流混合配電網(wǎng)中，分布式電源和負(fù)荷功率均存在較大波動，將引起系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)的大范圍變化，研究交直流混合配電網(wǎng)的魯棒控制方法，從而在運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)移時(shí)仍具有良好的控制能力，將為其運(yùn)行帶來很大的幫助。
