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)濟性評估等關(guān)鍵技術(shù)問題進行總結(jié)分析；最后對交直流混合配電網(wǎng)的應(yīng)用前景進行展望。

　　0引言

　　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)改造行動計劃（2015-2020年）的通知》和《關(guān)于推進“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，如計算機、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)可實現(xiàn)輸送功率的靈活控制，在常態(tài)運行中保障交直流發(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“SustainableBuildingInitiative（SBI）”計劃，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“UniversalandFlexiblePowerManagement（UNIFLEX-PM）”方案，在各個電網(wǎng)的不同工況下實現(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)，實驗證明該結(jié)構(gòu)提高了電網(wǎng)的運行效率和電能質(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)濟性和綜合評估等問題的研究。運行調(diào)度方面，有學(xué)者對直流配電網(wǎng)的潮流計算、電壓分布、含分布式電源的調(diào)度等問題進行了研究?？刂票Ｗo方面，對直流配電網(wǎng)建

　　模、控制策略、保護等問題均有相關(guān)研究。此外，相關(guān)“863計劃”項目獲得立項支持，其中由北京市電力公司承擔(dān)的“863計劃”項目“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)濟性評估等內(nèi)容進行歸納總結(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)對運行可靠性、靈活性、經(jīng)濟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。交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮現(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)?、環(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，可以通過操作聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另一側(cè)電源供電，實現(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)，可實現(xiàn)故障快速定位、隔離，其運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)濟運行具有重要意義。

　　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)運行控制進行了相關(guān)研究，文獻［36～37］提出孤島直流微電網(wǎng)的運行方式及控制策略；文獻［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［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)濟性最優(yōu)、可靠性最優(yōu)2方面進行評估。經(jīng)濟性評估主要從全壽命周期內(nèi)投資成本、運行成本和經(jīng)濟性評價指標(biāo)（凈現(xiàn)值、投資回收期等）3方面進行評估。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)進行擴展規(guī)劃，通常建設(shè)時間較長，且根據(jù)直流子系統(tǒng)成熟度的遞增，一般可分為多個建設(shè)階段去考慮其經(jīng)濟性優(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。

　　現(xiàn)階段大量的研究主要集中在經(jīng)濟性單目標(biāo)優(yōu)化方面：文獻［41］考慮經(jīng)濟性，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［42］以最小規(guī)劃年綜合費用最小為目標(biāo)函數(shù)，包括線路投資費用、折舊費用和運行中年電能損耗費用，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［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PCC處閃變值最小為目標(biāo)函數(shù)，建立基于改進NSGA2算法的規(guī)劃模型；文獻［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［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、維護和運行費用，包括用戶停電損失，考慮了配電網(wǎng)的可靠性價值；文獻［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［47］提出了一種基于改進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)的電源點和負(fù)荷點當(dāng)作頂點，將各個頂點間可能架設(shè)線路的走廊當(dāng)作邊，將線路的建設(shè)費用和運行費用（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，獲得總費用最小的優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果；文獻［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［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，對于實際大系統(tǒng)，第一類解析算法計算時間通常較長，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)先進行分區(qū)，再對每個子區(qū)域進行規(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考慮多個目標(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現(xiàn)并行計算，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，且能做到在各個配電網(wǎng)分區(qū)間的信息交互，實現(xiàn)交直流混合配電網(wǎng)各個子分區(qū)間的聯(lián)合規(guī)劃。