編者按：國網能源院電網發展綜合研究所主要聚焦于電網發展規劃與投資政策、智能電網政策與效益、電網精準投資策略、電網投資效益評價與項目后評價等領域，從理論方法、政策機制、發展規劃等方面開展研究，實現從理論研究到落地應用的貫通。本專欄將圍繞電網發展規劃關鍵問題，從理論研究、政策解讀、理念探討和典型實踐等方面展開，結合相關成果和研究思考與讀者進行交流分享。
文章導讀：隨著分布式發電、電力電子和先進控制技術的發展和應用，以分布式光伏和電動汽車為代表的直流發、用電設備在配電網中的占比逐漸上升，大量直流設備通過變流器接入交流電網，另外國內也出現了直流配電網的試點，在此背景下，催生了配電網側的交直流混合形態。在硬件層面，交直流混合配電網具有有源化、設備電力電子化和通信數字化的發展趨勢，而在軟件層面，則具有能量管理中的多層級化和控制中的多尺度特性。本文從以上兩個層面對交直流混合配電網的發展趨勢進行分析，以期為電網企業配電網規劃和布局提供參考。
交直流混合配電網發展分析
執筆人：喬豐、田鑫
國網能源院電網發展綜合研究所
一、配電網的交直流混合現狀及發展需求
19世紀末，交流電機和變壓器的問世使得遠距離且高效率的交流輸電成為可能，自此，交流輸電技術統治了電力系統長達一個多世紀。近年來，隨著電力電子、新能源發電和儲能技術的發展成熟，直流發用電技術重返舞臺。在輸電網中，高壓直流輸電技術的應用大大提升了遠距離輸電效率，而在配電網側，直流發電和直流負荷發展迅速，大量直流設備接入交流電網以及部分地區直流配電網試點的開展催生了配電網的交直流混合形態。在電力電子變流技術和先進控制技術的驅動下，交直流混合配電網高效地兼容交流和直流設備，同時，包括微電網、分布式光伏儲能系統在內許多新興載體的出現，也為多種電源和負荷之間的柔性連接提供了有力支撐。
在目前的配電網中，雖然交流供電仍為主導且相當一部分交流負荷仍然存在，但以分布式光伏為代表的直流可再生能源和以電動汽車為代表的直流負荷發展十分迅速，怎樣可靠和高效地接納大規模直流分布式電源并對交直流負荷進行有效管理，實現源網荷之間動態高效的協同發展，成為交直流混合配電網發展過程中的關鍵問題。對于交直流混合配電網發展來說，由于分布式電源、儲能等帶有直流特性的元件的接入，使電網的物理形態發生轉變，稱之為“硬件”層面的升級。而由于大量電力電子設備的接入提升了配電網的可控能力，由此帶來能量管理和控制方法的轉變，可稱之為“軟件”層面的升級，下面將詳細對硬件和軟件兩個層面的發展趨勢進行分析。
二、硬件層面的發展趨勢分析
交直流混合配電網在硬件層面的發展趨勢可總結為網絡有源化、設備電力電子化和通信數字化。
有源化是交直流混合配電網最為顯著的特征。分布式電源、儲能裝置和微電網等元素的加入使得配電網側從無源轉為有源，潮流由單向變為雙向。有源配電網在實現本地能源綜合優化方面更具優勢，能夠實現本地電源和負荷的協調控制和優化管理，有效提高系統運行效率，但也存在運行穩定性降低、故障診斷困難等問題。
電力電子變流器是組成交直流混合配電網的主要設備。以直流驅動的電源和負荷經過變流器接入交流電網后，通過電力電子控制技術實現交直流之間的能量轉換。當前配電網中常見的通過變流器接入的直流設備有電動汽車、儲能設備、直流家電以及分布式光伏等，未來可以預見的是，經由變流器并網的設備將在種類和數量上呈快速增長的趨勢，配電網的電力電子化屬性將得到增強。電力電子化設備具有響應速度快，能夠實現精準控制等優點，但也會給系統帶來運行慣性低、諧波污染等問題。
通信的數字化是交直流混合配電網的重要發展趨勢。當前，信息通信技術與電網正處于快速融合發展過程中，而對于交直流混合配電網來說，交直流設備的協調控制目標要求其能夠處理多元且海量的數據，這強調了配電網側對于先進信息通信技術的應用，未來的交直流混合配電網不僅是承載多種電能的能量交換平臺，更是處理多元海量信息流的數字樞紐型平臺。
三、軟件層面的發展趨勢分析
交直流混合配電網在軟件層面的發展趨勢包括能量管理的多層級化和控制中的多尺度特性。
多層級化是交直流混合配電網在能量管理中的一個主要趨勢。由于交直流混合配電網中存在包括微網、小型光伏儲能系統在內的許多可實現自治的能源管理系統，其能量管理方式趨向于集中式和分布式相結合的方式，在對設備的管理上呈現出多個層級。一個典型的應用場景是，配電網主站的管理范圍僅到達各微網和光伏儲能系統的接入點，而各微網和光伏儲能系統則負責其本地的綜合能源管理。在具有大量可控設備的交直流混合配電網中實施集中式和分布式相結合的管理方案具有許多優勢，首先，以微網和光伏儲能系統為單位實施本地能量管理更容易實現分布式能源的本地消納和調控，另外，集中式和分布式相結合的方式也會減少對通信系統的投資。
多尺度特性是交直流混合配電網設備控制的一個重要特點，這包括時間和空間上的多尺度。首先，相比傳統設備，經由電力電子器件接入的設備在響應時間上更短、開關損耗較低，因此，根據設備的不同特性，在日、小時、分秒等不同時間尺度上分別對它們進行優化調配，可提高系統整體運行效率。另外，交直流混合配電網控制還具有空間上的多尺度特性，其控制區域可劃分為配電網級（整個配電網區域）和臺區級（例如經由變壓器接入的微網/或某臺變壓器下的無源區域），實際運行中不僅要考慮配電網級的資源調配，還要兼顧各個臺區的優化運行目標。
四、結論
通過電力電子裝置接入的直流發電設備和直流用電設備使得配電網呈現交直流混合特性，促使其在硬件和軟件兩個層面發生形態轉變，交直流混合配電網在硬件層面的發展趨勢包括網絡的有源化、設備的電力電子化和通信的數字化，而軟件層面的發展趨勢包括能量管理的多層級化和控制的多尺度特性。
配電網的交直流混合形態轉變為其帶來了包括綜合能源優化管理、可控性增強在內的諸多優勢，但大量電力電子器件的接入，以及包括微電網在內的多元供電主體的出現，也給系統的穩定運行和協調控制能力提出了挑戰，未來的交直流混合配電網不僅是交直流設備的物理承載主體，而且將作為多元海量信息流的匯聚處理平臺，推動分布式可再生能源和儲能等技術的發展，實現綜合能源在配電網側的落地發展。
