01、研究背景
隨著分布式新能源的開發(fā)與利用，現有的傳統(tǒng)配電網適應性已經不夠。微網作為分布式電源接入電力系統(tǒng)的有效利用方式，能實現大規(guī)模、多類型的新能源就地消納和即插即用，正在成為智能配電網的關鍵一環(huán)。當微網在配電網中大量存在并發(fā)展成多微網系統(tǒng)（微網群）后，可以通過尋求微網之間的連接方案，即合理構建基于微網的有源配電網拓撲，構建新型有源智能配電網。
02、蜂巢狀有源配電網的拓撲結構
2.1 基本拓撲結構
蜂巢狀有源配電網拓撲結構如圖1所示，圖中抽象的六邊形代表每個微網的供電區(qū)域，相鄰微網通過各自的公共連接點（PCC）與基于電力電子的智能功率/信息交換基站（SPIES）實現互聯，從而組成蜂巢狀有源配電網整體。正常工況下，各微網內部自有小微電源與負荷之間基本保持供需平衡；當某一微網出現功率異常或發(fā)生故障時，與其關聯的各智能功率/信息交換基站能夠根據所監(jiān)測到的情況迅速做出準確判斷，并根據判斷結果及時對其施以功率支援使之恢復平衡，或選擇切斷與該故障微網的聯絡。
圖1 蜂巢狀有源配電網拓撲結構
對于部分難以自給自足、缺額功率較大而無法通過基站支撐的重負荷微網，可考慮由上級電網承擔電力供應。由于上級電網相對于微網屬于區(qū)外供電單位，故兩者選擇通過交易中心相聯絡。蜂巢狀有源配電網與上級的聯網方式如圖2所示。
圖2 蜂巢狀配電網與上級電網聯網方式
除了蜂巢狀有源配電網外，還可構建其他形式的分布式有源配電網拓撲，如微網的實際供電區(qū)域可以抽象為三角形和四邊形等。圖3為基于微網群的分布式有源配電網拓撲通用架構。
圖3 分布式有源配電網拓撲通用架構
實際工程中，微網的關聯拓撲結構可根據配電網規(guī)模、劃分的微網區(qū)域/數量大小、供電可靠性與靈活性以及經濟性等多方面綜合優(yōu)化確定，如某一供電區(qū)域大部分以六邊形結構的微網鋪展覆蓋，但少部分區(qū)域仍可以根據實際需求選擇以三角形或四邊形的微網鋪展，即圖4中的紅色和橙色區(qū)域所示。
圖4 蜂巢狀有源配電網的派生拓撲
表1給出了微網抽象供電區(qū)域分別為蜂巢狀、矩形及三角形三種不同形態(tài)的有源配電網拓撲的比較?？梢钥闯觯涑矤钣性磁潆娋W中微網關聯的基站數最多，供電可靠性最高；而基站關聯的微網數最少，控制也最簡單。因此，蜂巢狀拓撲可作為分布式有源配電網的優(yōu)選拓撲結構。
2.2 蜂巢狀有源配電網的特點
1）相鄰微網利用基于電力電子的可控設備實現功率互備，從而弱化了與主網的電氣連接。每個微網通過“源網荷儲”規(guī)范化配置構成自治的小/微型供用電系統(tǒng)，實現新能源就地消納和區(qū)內供需基本自平衡。余/缺功率能通過分布在區(qū)間的可控設備與相鄰微網實現自由交換。
2）整個配電系統(tǒng)將由一個個既相對獨立又相互關聯的分布式自治微網群組合而成。其微網群之間不存在電磁環(huán)網，具有網絡架構堅強、清潔能源消納能力強、配電方式靈活和支持電力市場交易等多項優(yōu)點。
3）微網“源網荷儲”規(guī)范化配置，運行控制高度自治。正常情況下電源與負荷間實現功率自平衡控制，類似于孤島運行。
4）兼容性高?？山尤敫鞣N類型的小微型電源和負荷，有很強的清潔能源消納能力。
5）配電方式靈活。電壓等級與交、直流供電方式取決于該區(qū)域的電源與負荷類型，相鄰微網可差異化選擇而無需統(tǒng)一的配電方式。
6）擁有定價權。不同微網的發(fā)電成本和用戶負荷類型可存在較大差異，運營主體對出售的電價擁有自主定價權，有利于電力市場化。
03、蜂巢狀有源配電網發(fā)展的關鍵技術和面臨挑戰(zhàn)
3.1 關鍵技術
1）智能功率/信息交換基站：智能功率/信息交換基站是一種帶有儲能裝置、多端、可交直流混合接入的電力電子設備，主要功能是監(jiān)測關聯微網的運行狀態(tài)、功率平衡輔助控制以及信息交互處理等。它是實現本文所提蜂巢狀有源配電網拓撲的核心設備與關鍵技術，它的結構示意圖和原理簡圖分別如圖5(a)和(b)所示。
圖5 智能功率/信息交換基站
2）站間通信與系統(tǒng)通信的雙層通信機制：站間通信是指基站與關聯微網的所有基站之間的相互通信，對關聯微網運行狀態(tài)信息的實時共享。系統(tǒng)通信是指各基站與上層綜合調控中心之間的通信，確保上層綜合調控中心實時掌握有源配電網中全部微網的運行狀態(tài)，以便做出全局優(yōu)化調控決策和協調控制。站間通信和系統(tǒng)通信如圖6(a)和(b)所示。
圖6 雙層通信機制
3）微網的經濟調度與基站的經濟運營。有源微電網在考慮運行安全約束及關聯基站功率交互成本等條件下，對區(qū)內電源、儲能、負荷等進行優(yōu)化調控以獲得效益的最大化。在這其中，基站充當類似于“微型電能交易中心”的角色，通過購買和出售電能實現經濟運營。
3.2 面臨的挑戰(zhàn)與展望
1）經濟性問題。為了實現分布自治，蜂巢狀有源配電網所需的智能基站數量較多，可能其建設成本占比較高，但長遠來看會逐步下降到可接受范圍內。
2）對微網的自治能力和基站的自主運作能力要求較高。需要研究并建立一套蜂巢狀有源配電網底層的電能自主交易規(guī)則，作為智能基站的運行控制和功率調度的基本規(guī)則。
3）可能存在的潮流環(huán)流問題。智能基站增加了配電網中變流裝置的數量，而多逆變器并聯運行在輸出電壓參數不一致時容易出現環(huán)流現象、增加網損。
4）繼電保護的配置問題。蜂巢狀有源配電網中，各微網的運行控制相對獨立，因此其繼電保護也可相對獨立配置；但由于微網之間通過智能基站相互關聯，每個微網相當于多電源供電模式，需要進一步研究。
04、結論
蜂巢狀有源配電網與傳統(tǒng)配電網相比，具有網絡架構更堅強、供電可靠性更高、消納新能源能力更強、擴展靈活性更高和更易實現電力市場化等諸多優(yōu)點，但其作為一種新型拓撲，面臨挑戰(zhàn)在所難免，許多問題需要進一步深入研究與解決。
原文將發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動化》2019年第43卷第17期，敬請關注！
引文信息
江道灼, 徐寧, 江崇熙, 等. 蜂巢狀有源配電網構想、關鍵技術與展望 [J/OL]. 電力系統(tǒng)自動化, 2019, 43(17) [2019-07-09]. DOI: 10.7500/ AEPS20180730017.
JIANG Daozhuo, XU Ning, JIANG Chongxi, et al. Conception, key technology and prospect of honeycomb active distribution network [J/OL]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(17) [2019-07-09]. DOI: 10.7500/ AEPS20180730017.
