新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向_唐巍.pdf

Vol.47 No.6 Mar.25,2023第 47卷 第 6期 2023年 3月 25日新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向唐巍，张起铭，张璐，张博，张宇菁（中国农业大学信息与电气工程学院，北京市 100083）摘要：随着“双碳”政策的推进与新型电力系统建设的深化，以分布式光伏与电动汽车为代表的新型源荷发展迅速，占比达到新高度。新型源荷功率的波动性和随机性对配电网的安全运行和灵活性提出了新的要求和挑战。针对柔性配电网建设的多样性、差异化特点，剖析了配电网各层级对交直流互联的需求，介绍了其在低压台区内实现源荷高效接入、低压台区间互联实现功率转移与故障支援、中压馈线实现供电能力与灵活性提升、区域层面实现新型源荷“大时空”匹配与区域间的互联互济 4个层次的核心作用和研究进展。围绕交直流混合配电系统结构、优化规划、运行控制和故障恢复，对未来交直流混合配电系统的技术发展方向进行了展望。关键词：新型配电系统；交直流混合配电网；功率支援；灵活性；时空匹配；关键技术0 引言近年来，随着化石燃料大量消耗导致的温室效应加剧，全球变暖问题愈发严重。为此，中国政府在联合国大会上做出了“碳达峰碳中和”的承诺。电力系统作为能源系统的重要组成部分，构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要途径1。为了实现上述目标，配电系统的源荷特征发生了很大的变化。在电源侧，大量光伏发电等新型电源接入中低压配电网；在负荷侧，随着电动汽车的数量不断增加，大量电动汽车充电桩接入配电网。这些新型源荷具有不确定性和波动性强的特点，其规模化接入对配电系统的灵活调控能力提出了新的技术挑战2。传统配电网受“闭环设计，开环运行”方式影响，调控手段有限且灵活性较差。以配电网电压控制为例，传统配电网通过调整有载调压变压器分接头或电压调节器虽可抑制电压越限，但随着大规模新能源和电动汽车的接入，调控资源明显不能满足要求。随着电力电子技术的发展，交直流混合配电技术越来越多地被应用于中低压配电网。相比于传统的交流配电系统，交直流混合配电系统具有容量大、损耗小、便于新型源荷接入等优势。因此，发展建设交直流混合配电系统并展开交直流混合配电关键技术研究，对提升配电网灵活调控能力、促进新型电力系统建设具有重要意义。针对大规模分布式光伏的多层级接入问题，在不同层级进行交直流改造的目的和作用不同。在低压配电网中，台区内交直流混合配电网的核心在于提升台区能效，改善低压台区供电能力不足的问题；台区间的柔性互联可以实现负载均衡以及故障状态下的负荷转供。交直流混合中压配电网可以有效增强网络调度功率的能力，实现馈线间功率的实时灵活转供，提升分布式可再生能源的消纳能力。在区域间，交直流混合配电网能够充分利用区域间源荷的互补潜力，实现大时空尺度的能量互济。综合来看，多层级交直流互联的新型配电系统可以促进光伏消纳，充分挖掘新型源荷的调度和故障恢复潜力，推进“双碳”目标实现。本文综述了新型配电系统多层级交直流互联的关键问题、研究现状和发展方向。首先，梳理了新型源荷大量接入低压台区和中压配电网带来的典型问题；其次，针对各层级的典型问题，分析了柔性直流配电技术在不同层级的作用，论证了多层级交直流混合配电网理念的优越性；接着，介绍了各电压等级下交直流混合配电技术的研究现状，分析了现有研究存在的不足；最后，从网架结构、优化规划、运行控制和故障恢复 4 个方面，指出交直流混合配电系统面临的挑战和需要突破的关键技术。1 新型源荷大规模接入下配电网各层级典型问题分析大规模新型源荷以不同电压等级、分散接入配DOI：10.7500/AEPS20221031014收稿日期：2022-10-31；修回日期：2023-02-01。上网日期：2023-03-06。国家自然科学基金资助项目（51977211）。2唐巍，等 新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向http：/www.aeps-电网，当前不同电压等级的交流配电网面临的典型问题不同。1.1低压台区典型问题分析低压配电台区直面用户，负荷情况复杂，易发生电能质量问题，分布式光伏、电动汽车等新型源荷接入使得电能质量问题更加突出。由于 5G 基站、数据中心等对电能质量要求较高的负荷越来越多地接入配电台区，提升配电台区供电质量和可靠性，保证配电网经济稳定运行刻不容缓。1.1.1低压台区在运行控制方面的问题随着“双碳”目标的不断推进，大量分布式光伏和电动汽车充电桩等新型源荷接入低压配电台区，加剧了低压配电网的电能质量问题4。从负荷方面看，电动汽车的充电功率大且不确定性强，大量电动汽车同时充电会加剧台区重过载问题，造成更严重的低电压问题；从电源方面看，相比于燃气轮机等传统电源，分布式光伏的功率波动大，对配电网电压幅值的影响较大，在中午时段光伏大发，台区内负荷功率不足，功率消纳困难，容易导致潮流倒送，出现电压越上限问题。除了电压越限问题，新型源荷的不平衡接入会进一步增大相间的功率差，导致更严重的三相不平衡问题5。由于配电网情况复杂，不同台区的新型源荷接入情况差别较大，功率时空差异明显。有些台区负荷较少，而光伏接入较多，光伏消纳困难6；有的台区容量不足，重过载和低电压问题严重。如果能够把前者的一部分功率转移到后者，就可以利用前者溢出的功率抬高重载台区线路末端的电压，有助于解决两个台区的问题，但是传统的交流配电台区采取开环运行的模式，无法实现功率的实时转供。1.1.2低压台区在故障恢复方面的问题从故障后负荷恢复的角度，低压台区直面用户，如果发生故障会直接导致用户失电。传统的配电网大多通过网络重构实现重要负荷的恢复，主要依靠上级电网的恢复能力进行复电，恢复范围有限。近年来，随着分布式电源和储能大量接入低压配电台区，低压台区的主动支撑能力增强，依靠台区内的多元化资源可以提升恢复效果。然而，由于低压台区内的光伏和储能容量较小，经常出现恢复能力不足、支撑供电时间短的问题。另一方面，当一个台区发生故障时，其相邻台区的配变大多还存在裕度，利用相邻台区的恢复能力可以支撑台区线路末端的恢复，但传统的联络开关动作成本高，而且控制不够灵活，难以充分发挥相邻台区的故障恢复能力。综上所述，如何深入分析台区间的功率时空互补性，实现功率转供和故障支援，是低压配电网的重要研究课题。1.2中压配电网典型问题分析与低压配电网相比，中压配电网的覆盖范围更广，由于中压光伏集中接入，功率更大，光伏消纳的压力同样存在。因此，中压配电网的功率调度能力亟待提升。1.2.1中压配电馈线存在的问题近年来，分布式光伏大规模、多层级接入中低压配电网。由于光伏出力波动大，如何消纳光伏功率成为关键问题。一方面，在低压配电台区接入大规模分布式光伏的情况下，由于部分台区负荷较小、储能容量有限，无法做到在台区内部消纳光伏，会出现功率返送中压配电网的情况；另一方面，中压配电网中光伏接入模式以光伏电站集中并网为主，功率较大，易导致并网点附近节点电压升高7。随着并网光伏数量和容量的增加，中压配电网电压波动、网损过大等问题日益突出。造成中压馈线内光伏消纳困难的原因主要有三点：1）传统中压交流配电网容量有限、负荷柔性不足、控制不够灵活，无法在光伏大发时段充分消纳功率；2）配电线路功率转供能力不足，中压交流配电网采取“闭环设计，开环运行”的模式，稳态运行状态下功率只能在网络内转移，不通过上级电网则无法在网络间转移功率；3）中低压协调消纳能力不强，传统低压台区消纳光伏的能力有限，很难参与中压网络的优化调度，协助中压配电网的光伏消纳。1.2.2中压区域间存在的问题由于城市地区建筑密集，建设光伏和风力发电的空间不足，但其负荷密集且功率较大，配电网重过载问题严重；而城郊、乡村地区大面积推行“整县光伏”和“农光互补”等项目，清洁能源的容量巨大，但由于其负荷不足，存在严重的弃光问题。在夜间，市中心的写字楼、商业区等负荷功率显著降低，配电变压器容量裕度较大，而城郊区域的配电变压器容量较低，易发生重过载问题。从源荷情况上分析，城市中心的负荷需求与城郊和周边乡村冗余的清洁能源容量存在时空匹配的可能性，与区域内或台区间的源荷时空匹配不同，区域间的源荷互补是一种大范围、长时间尺度的“大时空”匹配。如果能建设能源互联网，实现市中心和城32023，47（6）智能配电网柔性互联与形态演变 郊两种区域的功率互济，既能缓解前者的重过载问题，又能解决后者的弃光现象。在传统的交流配电网中，中压馈线间不能互联，为了实现区域间的功率转移，只能将功率返送到上级电网，由于光伏功率的波动性，返送的功率会影响上级电网的安全运行。如何在不影响上级电网运行的情况下实现区域间的功率互济，是一个重要的研究课题。综上所述，无论在低压台区、中压馈线还是区域间，传统交流配电网都存在电压受源荷功率波动的影响较大、功率调度不够灵活的问题。在新型源荷大规模接入配电网的趋势下，配电网亟须提升网络柔性，增强功率灵活调控能力。2 新型配电系统多层级交直流互联方式与运行特性分析高不确定性新型源荷接入对配电网柔性提升的需求日益迫切，多层级交直流混合配电技术是基于现状电网提升配电网柔性最根本的解决方案。多层级交直流互联包括低压台区内部的改造、台区间的互联、中压馈线间的互联和区域间的互济。不同层级交直流互联方式是交直流配电网设备配置、网络布局、运行控制的基础，也直接涉及交直流配电网建设改造的投资经济性。由于中压、低压配电网面临的新型源荷接入问题不同，在进行交直流混合配电网互联方式与规划运行特性分析时，既需要考虑柔性元件的运行工况与调控能力，又需要考虑对于不同类型供电质量问题的改善作用与需求，还需要兼顾交流存量资产与建设条件及代价。2.1交直流混合配电网的基本形态和优势分析传统的中压配电网线路间通过常开的联络开关相连，无法实现功率的实时转供。随着电力电子技术的发展，电力电子设备越来越多地被应用于中低压 配 电 网，基 于 电 压 源 型 换 流 器（voltage source converter，VSC）和 智 能 软 开 关（soft open point，SOP）的交直流混合配电网成为未来配电网的发展趋势8，如图 1所示。换流器可以同时控制有功功率、无功功率、交流电压、直流电压等变量中的 2 个状态量。根据控制状态量的不同，可以分类为 Vdc-Q 控制、Vdc-控制、P-Q 控 制、Vdc-Vac控 制 等 控 制 方 式。图 1（a）中，VSC1 选择 Vdc-Q 控制方式，控制直流电压；VSC2选择 P-Q 控制方式，实现有功功率的转移和无功功率的控制。图 1（b）中，不需要新建线路，而是通过用 SOP 代 替 原 有 的 联 络 开 关，实 现 功 率 的 实 时转供。面对新型源荷大规模接入配电网的场景，利用VSC 互联实现的交直流混合配电网具有明显优势。另一方面，与基于多端口能量路由器、SOP 的柔性互联结构9-11相比，除了方便直流负荷接入的优点，交直流混合配电技术还存在诸多优势，具体表现在以下几个方面：1）更强的供电能力，能够利用原有线路以及线路走廊满足更多的负荷接入，节省线路扩容或新建线路的成本；2）更高的分布式电源消纳能力，能够利用互联后的功率灵活转供以及更强的供电能力消纳更多的分布式电源；3）更低的系统损耗，尽管换流器会增加损耗，但是可以通过灵活的功率转供能力、直流线路自身的低损耗，以及直流源荷接入直流线路时节约的逆变器损耗等实现配电系统整体损耗的降低。值得注意的是，以上分析只是基于直流配电技术的特性，定性分析交直流混合配电技术的优势，实SOP光伏光伏光伏光伏DC负荷DC负荷DC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷ACDCVSC1ACDCACDCVSC2DCDCACAC(a)基于VSC互联的交直流混合配电网典型拓扑光伏DC负荷AC负荷DCDCACAC光伏DC负荷AC负荷DCDCACACDCACACDC(b)基于SOP互联的交直流混合配电网典型拓扑DC线路;AC线路图 1交直流混合配电网典型拓扑Fig.1Typical topology of AC/DC hybrid distribution network4唐巍，等 新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向http：/www.aeps-际直流配电工程的具体经济效益需要结合相应的电压等级、源荷情况等因素进一步分析。2.2低压交直流配电网的网架结构及运行特性分析2.2.1低压交直流互联改造方案在低压台区内，与传统交流配电网相比，交直流混合配电网在新型源荷大量接入的场景下有明显的优势，主要表现在两方面：一方面，由于直流线路的绝缘难度更低，低压直流配电线路的电压比交流线路更高，根据 中低压直流配电电压导则（GB/T 357272017），低压直流配电网的推荐电 压 为 375 V，方 便 与 380 V 低 压 交 流 系 统 连接12，而且直流线路中没有无功功率，电压降落更小，交直流改造可以有效缓解线路末端的低电压问题13；另一方面，直流线路不存在三相不平衡，VSC可以在交流线路的相间进行功率转移，通过采用合理的 VSC 控制策略可以大幅缓解低压配电网的三相不平衡问题。考虑到直流配电网的建设成本较高，现阶段大规模建设直流线路并不现实。因此，大多数理论研究与示范工程对原有交流台区进行直流改造。由于低压配电网的接线方式和源荷情况复杂，不同地区需要选择不同的直流结构。1）城市地区。城市低压配电网广泛采用四芯电缆，直流改造方案需要满足日益增长的负荷需求以及高可靠性和电能质量的要求，适合使用图 2（a）所示的并联单极结构。2）城镇地区。城镇低压配电网通常采用三相四线架空线路，其中，零线为裸导体，比其他相线细。因此，推荐城镇地区采用图 2（b）所示的有回路的双极结构，充分利用现有的 3条交流线路，将原有的三相交流配电线路改为两回直流配电线路。3）农村地区。部分农村低压配电网三相线路单独供电，从配电变压器出口处分为 A-N、B-N 和 C-N三回供电线路，这种结构可能会造成严重的三相不平衡问题，直流改造方案需要保证有 3 个回路。因此，采用图 2（c）所示的改进的有回路双极结构，可以充分利用现有的交流线路，构造三回直流线路。2.2.2低压交直流配电网运行特性分析假设直流改造后负荷有功功率 Pl均匀分布在各条 直 流 线 路 上14。对 于 图 1（a）的 结 构，直 流 压降为：UDC=Pl4UDCrDC（1）式中：UDC和rDC分别为直流线路的电压和电阻。对于图 1（b）所示的结构，直流压降为：UDC=Pl2UDCrDC（2）对于图 1（c）所示的结构，直流压降为：UDC=Pl3UDCrDC（3）取功率因数为 0.9，交流配电网电阻电抗之比rAC/xAC=1.49，可计算得到 3 种结构的电压降落分别为交流线路的 23.4%、46.8%和 31.2%。在台区间，传统配电网需严格满足辐射状约束，而柔性直流设备和线路具有隔离能力，可以通过直流设备或线路将不同的配电台区连接起来，打破辐射状结构限制15。在正常运行时，台区间互联可以实现功率在空间层面上的实时转供，而储能可以实现功率的时间转移，通过制定合适的控制策略将柔+-VSCVSCVSCVSCVSCVSCUDCUDC负荷负荷负荷负荷+-UDCUDC(a)并联单极结构+UDC-UDC(b)有回路双极结构+UDC-UDC负荷负荷负荷(c)改进的有回路双极结构图 2不同交直流改造结构示意图Fig.2Schematic diagram of different AC and DC conversion structures52023，47（6）智能配电网柔性互联与形态演变 性互联设备与储能协调调度，可以充分利用柔性设备的控制潜力，实现时空层面上的功率互补16；当某一台区发生故障时，可以综合考虑拓扑结构、负荷分布以及柔性设备空间分布，以故障恢复效率最高、重要负荷恢复量最大为目标，制定源网荷储协调的故障恢复策略。综上所述，低压交直流混合配电网可以改善台区供电质量，通过对柔性设备的灵活控制来实现能源的高效利用和故障时的功率支援，提高供电可靠性和保障重要用户用电。2.3中压交直流配电网的网架结构及特性分析2.3.1中压交直流互联改造方案与低压交直流改造优势分析同理，为了增强中压配电网消纳光伏的能力、增加线路容量，需要对现有的交流网络进行交直流改造。现阶段应用较多的交直流改造方案有 SOP 互联型、交流-直流互联型、交流-直流-交流互联型、“两交一直”互联型 4种，如图 3所示。1）SOP 互 联 型。图 3（a）所 示 的 改 造 方 案 用SOP 代替原有的联络开关，将中压配电网原有的两条交流线路互联，实现功率的灵活转供。2）交流-直流互联型。图 3（b）所示改造方案在变压器二次侧加装一个 VSC，控制方式选择 VDC-Q，将该配电变压器供电的配电线路改造为直流线路，再于线路末端加装 VSC，与另一个交流配电线路互联，采用 P-Q控制方式。3）交流-直流-交流互联型。图 3（c）所示的改造方案在两个交流配电线路之间新建一段直流线路，直流线路的两端分别用 VSC 与交流线路的末端相连，两个 VSC 分别选择 VDC-Q 控制方式和 P-Q 控制方式。4）“两交一直”互联型。图 3（d）所示改造方案将一条中压交流线路改为直流线路，再与其他两条交流线路互联，形成“两交一直”互联的结构。相比改造之前，图 3（a）中的方式并没有增大某一条线路的容量，但 SOP 的存在使网络整体的功率DC线路;AC线路SOPAC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷光伏DC负荷AC负荷ACDCACDC光伏DC负荷AC负荷DCACACDCACDCACDC(a)SOP互联型配电网光伏光伏光伏DC负荷DC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷AC负荷DCACVSC1ACDCACDCVSC2光伏DC负荷ACDCACDC(b)交流-直流互联型配电网AC负荷AC负荷AC负荷光伏DC负荷AC负荷ACDCACDCDCACVSC1光伏光伏DC负荷光伏DC负荷AC负荷ACDCAC负荷光伏DC负荷ACDCACDCACDCVSC2AC负荷AC负荷AC负荷(c)交流-直流-交流互联型配电网 AC负荷AC负荷AC负荷光伏DC负荷AC负荷ACDCACDCDCACVSC1光伏光伏DC负荷光伏DC负荷AC负荷ACDCAC负荷光伏DC负荷ACDCACDCACDCVSC2AC负荷AC负荷AC负荷ACDCVSC3(d)“两交一直”互联型配电网 图 34种典型的中压交直流混合配电网Fig.3Four kinds of typical medium-voltage AC/DC hybrid distribution networks6唐巍，等 新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向http：/www.aeps-调度更加灵活；其他 3 种方式都通过直流线路增加了网络整体的容量，同时利用 VSC 实现线路间互联，与传统的联络开关相比，VSC 的功率可控，实现了线路间功率的实时转供。将 4 种方式进行对比，图 3（b）中的方案充分利用了原有的交流线路，图3（c）中的方案需要新建直流线路，但可以在这段线路集中接入直流负荷，而图 3（d）中方案所代表的多条线路互联的方案能实现更大区域内的功率协调调度，但分析功率互补性相对困难。各种方案之间存在经济性、技术性等多方面的差异，并没有绝对的优劣，在实际规划时，需要分析区域中的源荷情况选择合适方案。2.3.2交直流线路容量分析由于中压配电网线路多为同杆架设双回线路，若 VSC 采用双极对称结构，将双回的三相三线交流配电线路通过 VSC 改为三回的直流配电线路，可以充分利用已有的线路，而且能够最大程度增大线路容量13。对于直流线路来说，两回线路分别为“3根直流正极电压线路”和“3根直流负极电压线路”，因此在考虑绝缘时应考虑线路对地的绝缘，即 UDC不大于线路最大绝缘电压；对交流线路来说，考虑绝缘时应考虑相电压的幅值不能超过线路最大绝缘电压。因此，可得交直流线路最大电压的关系为：UDC=23UAC（4）式中：UAC为交流线路电压。在功率因数取 0.9 时，可得到交直流线路的最大容量之比：Pmax，DCPmax，AC=6UDCIDC23 UACIACcos=1.587（5）式中：Pmax，DC为直流配电网最大功率；Pmax，AC为交流配电网最大功率；IDC为直流线路电流；IAC为交流线路电流；cos 为交流配电网功率因数。由此可知，在电压等级相同、线路型号相同的情况下，直流线路比交流线路的供电能力更大，接入新型源荷的能力更强。2.3.3中压改造对促进多层级协调控制的优势利用柔性直流设备和线路实现中压配电网的互联，可以实现网络间的功率灵活调度17。同时，随着低压交直流改造的应用越来越多，低压侧的光伏消纳潜力更大，如果制定合适的中低压协调控制策略，可以充分发挥区域内的控制潜力。一方面，可以深入挖掘低压交直流台区内柔性设备和储能的能力，促进中压网络经济运行；另一方面，对于保供电能力较弱的台区，中压的设备可以对其进行协助，提升台区供电质量。相比于传统交流配电网，交直流混合配电网中的柔性设备更容易控制，使中低压协调优化调度效果更好。利用柔性直流设备和线路也可以通过中压馈线与区域间互联，实现功率实时转供的同时，不影响上级电网的稳定运行。基于区域间的功率互补性分析，利用柔性直流线路将源荷互补的中压馈线互联，形成如图 4 所示的区域间互联交直流配电系统，可以充分发挥直流配电技术带来的柔性，实现大时间尺度、大空间范围的功率高效利用。因此，比较合理的方案为使用中压直流配电线路进行互联，具体使用 10 kV、35 kV 或合适的电压等级进行互联，需要分析实际情况，综合考虑区域间距离、调度的功率大小等因素，选择最合适的电压等级。区域间直流互联的交直流混合配电系统示意图如图 4所示。图 4 中，边缘的 3 个方框分别代表城郊的区域，其与市中心区域通过直流线路连接，实现功率的“大时空”调度。在白天，城郊光伏消纳困难，将多余的功率传输到市中心，供负荷使用；在夜晚，城郊台区容量不足，市中心台区容量冗余，可以通过互联线路帮助缓解城郊台区重过载问题。不同于传统意义上基于电源供电范围的电网分区，利用直流配电线路实现区域间互联的配电网是基于源荷“大时空”互补特性分析的结果对中压馈线进行分区和互联的。在规划低压交直流配电网或区域内交直流配电系统时，考虑新型源荷的不确定性，制定交直流互联方案；而在规划建设区域间的互联线路时，不能简单地10 kV110 kV市中心区域夜间功率流动方向;日间功率流动方向DCACDCAC城郊区域110 kV110 kVDCACDCAC城郊区域210 kV110 kVDCACDCAC城郊区域3集中式光伏;分布式光伏图 4区域间直流互联的交直流混合配电系统Fig.4Inter-regional DC interconnected AC/DC hybrid distribution system72023，47（6）智能配电网柔性互联与形态演变 通过源荷功率的概率分布判断区域间是否有互补性，而是需要基于区域整体的联合功率概率分布分析多条线路、多个区域的功率互补性18。首先，需要基于各区域内源荷的情况和特性，分析区域间互联的交直流混合配电网形态特征；其次，分析各区域中设备功率的概率分布，获得整个区域功率特性的联合概率分布；最后，基于不同区域间的功率特性概率分布，充分考虑区域间运行状态相关性及状态条件概率，研究特定场景下的区域间源荷互补性。3 中低压交直流混合配电网研究进展在不同的电压等级下，交直流混合配电网的作用不尽相同，需要按电压等级梳理交直流混合配电技术的研究进展，分析其解决低压配电网、中压配电网和中低压协调中不同问题的优势和不足。3.1柔性互联设备和交直流混合配电网拓扑研究现状近年来，为了解决新型源荷大量接入配电网导致的一系列问题，柔性互联的理念和交直流混合配电技术越来越多地被应用在中低压配电网中。针对多端口能量路由器的拓扑，文献 19 提出了一种适用于中低压交直流混合配电网的新型固态变压器，具有 4 个端口，分别连接中压直流母线、中压交流母线、低压直流母线和低压交流母线；文献20 结合中国东莞松山湖地区中压配电网的实际问题和工程示范规划，研究了基于模块化多电平换流器的柔性互联典型拓扑；文献 21 面向多端口无线能量路由器，提出一种全双工无线能量信息同步传输方法，通过建立等效电路模型，分析不同工作模式下的信息传输路径增益，探讨关键元件参数对信息传输性能的影响。上述的研究关注点在于柔性互联的设备本身，对于交直流混合配电网等网络层面的研究并不深入。文献 22 对交直流混合配电网、直流能量路由器、能源互联网等智慧能源应用场景与发展趋势进行分析，总结和展望了柔性直流配电系统关键技术的主要研究方向。3.2低压交直流混合配电网研究进展3.2.1低压交直流配电网优化规划研究进展通过建模分析，交直流改造可以提高台区的供电能力，增强网络运行的经济性和可靠性。在进行改造和规划时，需要考虑配电网运行控制、故障恢复等场景的需求，实现技术经济性的最大化。文献 23 通过建模分析，对比了交直流改造前后台区的性能指标，证明了交直流改造对供电能力的提升效果；文献 24-25 研究了交直流改造的经济性，其中，文献 24 对比了多类型分布式电源接入下的低压交流和直流配电网的运行经济性，通过算例分析证明了大规模光储系统接入情况下直流配电系统的优越性；文献 25 以经济性最优为目标，提出了最优低压供电半径确定方法。文献 26-27 在规划过程中考虑了电网的经济调度，针对光伏、储能和电动汽车快速充电站接入配电网的场景，以经济性最优为目标，分别提出了充电站的选址定容方法和光储充一体充电站的优化配置方法。文献 28-30 综合考虑经济性和可靠性，提出了交直流混合配电网规划方法。其中，文献 28-29 考虑场景分析、概率分析和改进的非支配排序遗传算法（NSGA-），建立交直流混合配电网网架规划模型，构造了可靠性和经济性的全局 Pareto 最优集，实现了多目标的综合最优；文献 30 考虑到换流器耐流特性、保护装置及断路器动作特性，提出限流电抗器的优化配置方法，并通过仿真优化确定了故障限流电抗器的最优配置方案。通过以上分析可以看出，低压交直流混合配电网的规划研究需要考虑配电网中源荷的不确定性。值得注意的是，在进行互联台区功率互补性分析的时候，还要充分考虑新型源荷出力的相关性，基于其功率的特性曲线计算源荷间各状态对应的条件概率，分析各台区的源荷时空互补情况。3.2.2低压交直流配电网运行控制研究进展针对新型源荷大量接入低压配电网的场景，通过建立优化模型，调整配电网中的柔性设备功率，制定源-网-荷-储协调控制策略，可以实现台区内和台区间功率的时空互补，促进光伏消纳，保证负荷供电质量和网络经济安全运行。针对低压交直流混合配电网的光伏消纳问题，文献 24 对比了交流配电网和交直流混合配电网在大规模光伏接入情况下的运行成本，验证了交直流混合配电网在光伏消纳方面的优势。文献 31 提出了能量路由器互联端口基于时间一致性算法的分布式控制策略，在保证直流母线电压稳定的前提下实现了光伏功率跨区域互济消纳。在经济运行调度和提升供电质量方面，文献 32-33 针对不同规模电动汽车充电站接入的低压交直流混合配电系统，综合考虑各种灵活资源建立优化模型，分别提出了适合各自情况的调度策略，实现经济性最优。值得注意的是，文献 34 针对低压配电网计算能力有限以及出现功率波动时设备快速动作要求，研究低压三相四线制配电网的灵敏度计算方法，计算交流网络中各节点电压对于 VSC 节点功率的灵敏度，依据灵敏度获得 VSC 功率调节量，从而控制交直流网络的节点电压。8唐巍，等 新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向http：/www.aeps-3.2.3低压交直流配电网故障恢复研究进展在故障恢复方面，柔性直流配电网也有诸多优势。一方面，柔性设备可以进行快速的故障定位和故障隔离；另一方面，利用网络重构进行失电负荷的复电时，交直流混合配电网可以在台区间进行功率互济，在交直流柔性互联的情况下，功率可以在更大范围里调度。因此，在制定故障恢复策略时，同时考虑台区间的功率互济和台区内光伏、储能和电动汽车等资源协调调度，可以实现失电负荷的复电效果最优。文献 35 对交直流混合配电网的故障类型和处理流程进行了分类讨论，从理论上论述了交直流混合配电网相比于传统的低压交流台区在故障恢复方面的优势。文献 36 考虑多种故障场景，计及 VSC的运行方式和故障恢复策略，提出了交直流混合配电网可靠性评估方法，验证了交直流混合配电网具有更高的可靠性。文献 37-38 基于柔性设备的特性，论证了其在故障快速定位和故障隔离方面的优势。3.2.4交直流微电网研究进展在某些故障情况下，低压台区需要发挥主动支撑能力，在主网恢复供电之前离网运行。在离网阶段，低压台区以交直流微电网的形式运行。在交直流微电网的功率协调控制和优化调度方面，文献 39-40 通过隔离换流器和低压换流器的协调控制，实现了低压交流子网和低压直流子网之间的功率互济控制；文献 41 针对独立型交直流混合微电网，提出了计及储能运行特性的优化调度模型，并建立交直流系统运行约束。近年来，随着“光储直柔”柔性建筑概念的提出，也有很多交直流微电网方面的研究围绕着这个思路展开，文献 42 证明了该思路在提升负荷柔性方面的优越性。综上所述，低压交直流配电网直面用户，应基于新型源荷和设备特性，研究重点通过控制柔性设备高效利用能源和保证供电质量。研究成果验证了低压交直流混合配电网的优越性，后续可以针对不同场景和需求进一步深入研究。3.3中压交直流配电网研究进展相较于低压配电网，中压交直流配电网相关的研究起步更早，考虑的情况也更全面。3.3.1中压交直流配电网优化规划研究进展在交直流改造规划设计方面，为了促进光伏消纳，在确定中压交直流改造方案时需要充分考虑光伏大发时段针对光伏功率溢出问题的优化调度；另一方面，如果在柔性设备和直流线路规划的过程中能够充分考虑可靠性指标，就能有效地利用其功率转供能力，提升配电网的可靠性。针对含分布式光伏的中压配电网，文献 43 从两端直流配电网入手，提出典型城市中压直流配电网拓扑并进行仿真分析，结果表明在光伏、储能以及负荷功率波动时通过有效控制能够使直流配电网稳定运行。文献 44 考虑配电网经济运行调度，以经济性、可靠性的最优为目标，提出了变电站和互联设备的选址定容方法；文献 45 针对多电压等级的交直流混合配电网，利用电力电子变压器构建典型拓扑结构，分析“源-荷-储”相互作用，以运行成本最小为目标建立优化模型，实现源荷储协调优化；文献46 综合考虑分布式光伏和新型负荷的不确定性，提出了一种交直流混合配电网的优化规划方法，并利用改进的遗传算法求解，实现互联线路间源荷的互补。3.3.2中压交直流配电网运行控制研究进展柔性设备和网络互联使中压交直流配电网具有更强的柔性。如何制定合理的控制策略，充分发挥柔性设备的调节潜力和直流网络的功率转供能力，对促进配电网经济安全运行有重要意义。文献 47-48 针对柔性互联设备的特性和控制模式展开研究，文献 47 充分考虑 VSC 的功率特性和控制模式，在正常状态下以降低损耗为目标，在风险状态下以调压为目标建立功率-电压协调控制优化模型，实现电网的经济安全运行；文献 48 以中国深圳某园区为例，提出基于中压直流配电柔性互联的能源互联网系统，并研究了其在不同情况下的控制模式，保证网络运行的经济性。针对高比例分布式光伏接入的中压配电网，文献 49 提出了基于场景的交直流混合配电网多阶段随机优化模型，通过储能、换流站的协调控制，实现网络经济运行；文献50 通过光伏逆变器进行电压-无功调节，建立双层优化模型，并转化为二阶锥求解，保证光伏消纳效果最优；文献 51 考虑光伏功率、负荷需求和上级电网电价的不确定性，用两点估计策略计算概率密度函数，代替蒙特卡洛抽样，综合负荷转移和电压-无功控制，促进光伏消纳；文献 52 以最小化网络总损耗为目标建立鲁棒优化模型，在协同优化 VSC 有功和无功功率下垂控制斜率的同时保证系统安全性；文献 53 提出一种基于功率时空协同的交直流混合配电网调度计划日内修正策略，通过 VSC 与储能的协调优化实现资源的时空互补，有效应对负荷与新能源的随机波动。3.3.3中压交直流配电网故障恢复研究进展相对于传统的交流配电网，柔性直流设备的优势之一在于故障情况下的故障定位能力和隔离能92023，47（6）智能配电网柔性互联与形态演变 力，但这些都是设备本身的优势，并不是交直流混合配电技术的关键。在中压交直流柔性互联的情况下，功率可以在更大范围调控，因此，在制定故障恢复策略时，应综合考虑馈线间功率互济和多元资源协调优化，有助于提升供电可靠性和减少停电损失。文 献54结 合 层 次 分 析 法（analytic hierarchy process，AHP）和逼近理想解排序法（technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS），提出了一种中低压交直流混合配电网故障恢复策略评估方法，采用功率恢复程度、电网稳定程度、恢复方案经济性等作为评价指标，利用 AHP确定评价指标权重，通过 TOPSIS 对各故障恢复方案进行综合评价。文献 55 针对新型源荷接入较多的配电网，通过分析多元源荷参与故障恢复的潜力，建立了网络重构和电动汽车、储能等多元源荷协调的交直流混合配电网故障恢复优化模型，保证重要负荷的持续供电；文献 8 针对电动汽车的不确定性进 行 了 更 加 深 入 的 研 究，采 用 高 斯 混 合 模 型（Gaussian mixture model，GMM）来刻画新型源荷的不确定性，建立联合概率密度函数，可以充分表征不同设备功率的条件概率，值得进一步深入研究；文献56 针对当前配电线路覆冰情况多发、过负荷融冰易出现潮流越限的问题，考虑 SOP 的灵活调节能力和移动融冰装置的机动性，提出一种配电网多时段融冰策略优化方法。3.4中低压交直流配电网研究进展针对多层级接入的分布式光伏消纳问题，在传统交流配电网中，由于低压配电网节点数量多，计算能力有限，难以完成集中优化调度，文献 57 提出一种中压集中-低压分布式的控制结构，由中压集中式优化控制生成低压侧调度指令参考值，低压侧根据参考值进行分布式控制。随着交直流混合柔性配电技术的发展，中低压多层级的光伏消纳问题有了新的解决思路。一方面，中低压交直流柔性配电网的相关示范工程越来越多，低压侧的控制能力越来越强；另一方面，随着边缘计算、云计算等大数据技术迅速发展，优化模型的求解成本越来越低，给中低压协调控制带来了新的发展方向。3.4.1中低压交直流混合配电网示范工程建设随着电力电子技术的发展，中国的中低压交直流混合配电网示范工程越来越多。北京电网针对延庆地区新能源谷丰富的太阳能、生物质能、地热能、风能、水电等可再生资源，将多端柔性直流电力电子装置应用于配电网柔性闭环运行，促进了分布式可再生能源的消纳58；张北示范区建设了首个全可控电 力 电 子 柔 性 变 电 站，能 够 实 现 10 kV AC、10 kV DC、750 V DC、380 V AC 4 个电压等级的双向输入输出，可灵活接入可再生能源及交直流负荷，能够实现清洁能源的高品质消纳、柔性接入和灵活调配59；深圳宝龙工业城示范工程采用双电源“手拉手”式的拓扑，通过使用直流断路器、直流变压器等不同的设备模块，解决了分布式发电的就地消纳问题，并且降低了系统成本60；珠海唐家湾示范工程采用三端口耦合负压型混合式直流断路器形成三端交流供电的拓扑结构，三端可实现实时功率支援，提高了系统的可靠性61；贵州电网同样做了很多的交直流改造，包括中国首个五端城市配电网和交直流混合微电网示范工程，在此基础上采用分层 分 布 式 控 制 架 构62；苏 州 直 流 配 电 系 统 具 有10 kV、750 V 和 375 V 这 3个电压等级，分为主网侧、