分布式能源規(guī)模化接入電網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)，主動配電網(wǎng)(activedistributionnetwork，ADN)技術被認為是分布式能源規(guī)模化利用的有效技術途徑。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unifiedpowerqualitycontroller，UPQC)作為定制電力技術中功能最強大的電能質(zhì)量綜合補償裝置，能夠綜合治理主動配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題，提高分布式能源接入配電網(wǎng)的滲透率及優(yōu)化經(jīng)濟運行水平。
0引言
能源是社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，構建服務范圍廣、配置能力強、安全可靠性高、綠色低碳的全球能源互聯(lián)網(wǎng)，可推動全球清潔能源高效開發(fā)、利用，實現(xiàn)世界能源可持續(xù)發(fā)展，智能電網(wǎng)技術有利于推動全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。智能電網(wǎng)的重要標志之一是新能源及可再生能源發(fā)電與電網(wǎng)的有機結合，新能源及可再生能源的利用方式分為集中式和分布式。分布式能源(distributedenergyresources，DER)在一定程度上可承擔支持系統(tǒng)的責任，這將取決于適當?shù)谋O(jiān)管環(huán)境和接入?yún)f(xié)議，其規(guī)模化接入電網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)分布式能源與配電網(wǎng)的友好集成，提高分布式能源接入配電網(wǎng)的滲透率及其優(yōu)化經(jīng)濟運行的水平，更好地滿足電力用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的更高要求，采用主動配電網(wǎng)技術(activedistributionnetwork，ADN)被認為是規(guī)模化利用分布式能源的有效技術途徑。
1分布式能源接入電網(wǎng)概述
分布式能源的基本構成是：分布式發(fā)電(distributedgeneration，DG)、分布式儲能(distributedenergystorage，DES)、可控負荷(controllableload，CL)等。分布式能源在一定程度上可承擔支持系統(tǒng)的責任，這將取決于適當?shù)谋O(jiān)管環(huán)境和接入?yún)f(xié)議。
由于高滲透率分布式能源接入電網(wǎng)后，導致電網(wǎng)潮流雙向流動和潮流的不確定性，分布式能源無序地接入將會導致配電網(wǎng)電壓越限、短路電流增大、供電可靠性降低以及電能質(zhì)量惡化等問題。為實現(xiàn)分布式能源與配電網(wǎng)的友好集成，提高分布式能源接入配電網(wǎng)的滲透率及其優(yōu)化經(jīng)濟運行的水平，更好地滿足電力用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的更高要求，采用主動配電網(wǎng)技術被認為是規(guī)模化利用分布式能源的有效技術途徑。
主動配電網(wǎng)(ADN)是通過使用靈活的網(wǎng)絡拓撲結構來管理潮流，以便對局部的分布式能源(DER)進行主動控制和主動管理的配電系統(tǒng)。主動配電網(wǎng)技術可以靈活地改變拓撲結構，“主動”對分布式能源的性能進行分析和預測，消除分布式能源對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，實現(xiàn)分布式能源的高效率利用;同時能夠提高配電網(wǎng)對綠色能源的兼容性，有效集成高滲透率分布式能源;還能夠充分發(fā)揮分布式電源和主動負荷的作用，最大限度地減少對主網(wǎng)的容量需求，為電網(wǎng)提供調(diào)頻和電壓無功控制的幫助;并且具有良好的自愈能力，使供電質(zhì)量顯著提高;還可以延緩對配電網(wǎng)升級的投資，提高配電網(wǎng)的智能化水平。主動配電網(wǎng)(ADN)將成為局部區(qū)域能源交換的基礎設施，為滿足分布式能源接入配電網(wǎng)的并網(wǎng)運行要求提供了技術保障，因此發(fā)展主動配電網(wǎng)技術勢在必行。
2含分布式能源的主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題
在主動配電網(wǎng)中，一方面由于分布式電源和非線性波動性負荷的種類復雜多樣，特別是風電、光伏發(fā)電輸出功率的波動性、隨機性、間歇性特點，常常導致主動配電網(wǎng)內(nèi)電源與負荷之間功率難以平衡;另一方面由于電力電子設備大量使用，如并網(wǎng)逆變器、固態(tài)開關、電動汽車充電裝置等，導致主動配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題更為復雜且突出。
主動配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題主要包括：電壓與電流諧波、電壓暫降、電壓突升、電壓短時中斷、電壓波動與閃變、電壓與電流不平衡分量、諧振等。對此多種電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量并存的復雜電能質(zhì)量問題，迫切需要一種電能質(zhì)量的綜合治理技術，因此集串聯(lián)型與并聯(lián)型裝置于一體的綜合型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unifiedpowerqualitycontroller，UPQC)有了用武之地。
3統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)
3.1UPQC的基本構成及功能
統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)作為定制電力技術中功能最強大的電能質(zhì)量綜合補償裝置，由串聯(lián)單元、并聯(lián)單元和儲能單元組成。UPQC的串聯(lián)、并聯(lián)單元可解耦后獨立運行實現(xiàn)各自功能，也可聯(lián)合運行實現(xiàn)統(tǒng)一的綜合功能。典型配置方式的UPQC主電路拓撲結構見圖1。
圖1UPQC主電路拓撲結構
在UPQC中：①串聯(lián)單元具有動態(tài)電壓恢復器(dynamicvoltagerestorer，DVR)、動態(tài)不間斷電源(dynamicuninterruptiblepowersupply，DUPS)功能;②并聯(lián)單元具有靜止無功發(fā)生器(staticvargenerator，SVG)、有源電力濾波器(activepowerfilter，APF)功能;③儲能單元具有蓄電池儲能系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem，BESS)或超級電容器儲能等功能。
將UPQC的串聯(lián)單元、并聯(lián)單元和儲能單元通過多目標協(xié)調(diào)控制可實現(xiàn)如下的多重電能質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)功能：①電壓動態(tài)調(diào)節(jié)(電壓暫降、電壓突升、電壓波形畸變等補償);②動態(tài)無功補償;③有源濾波;④平衡化補償;⑤動態(tài)不間斷電源;⑥儲能、有功動態(tài)調(diào)節(jié);⑦直流電源等。
3.2UPQC的實驗驗證
3.2.1有源濾波(APF)和動態(tài)無功補償(SVG)的實驗
UPQC 的并聯(lián)單元實現(xiàn)有源濾波(APF)和動態(tài)無功補償(SVG)的功能。圖2所示為補償前含諧波的電流，電流畸變率21%;圖3所示為補償后的電流，電流畸變率小于4%，并且基波無功電流也得到了動態(tài)補償，功率因數(shù)達到了0.96(滯后)～1.0之間，響應時間為20ms。可見，UPQC實現(xiàn)了APF的有源濾波和SVG的動態(tài)無功補償?shù)墓δ堋?/p>
圖2補償前含諧波的電流及其頻譜
圖3補償后電流及其頻譜
3.2.2DVR對電壓諧波補償?shù)膶嶒?/p>
UPQC的串聯(lián)單元實現(xiàn)DVR的功能。圖4所示為補償前含諧波的電壓，電壓畸變率7%;圖5所示為補償后的電壓，電壓畸變率小于1%。可見，UPQC實現(xiàn)了DVR的動態(tài)補償電壓諧波的功能。
圖4補償前含諧波的電壓及其頻譜
圖5補償后電壓及其頻譜
總之，在UPQC的作用下，主動配電網(wǎng)對用戶來說是一個高可靠性、高質(zhì)量的理想綠色電源;而用戶對主動配電網(wǎng)來說又變?yōu)橐粋€合格的用戶。
3.3經(jīng)濟實用型UPQC的技術方案
目前，UPQC裝置較昂貴，而靜止無功補償器(staticvarcompensator，SVC)和無源電力濾波器(passivepowerfilter，PPF)已推廣應用。所以，可充分發(fā)揮這些裝置的各自特點，將SVC中的新型晶閘管投切電容器組(advancedthyristorswitchedcapacitors，ATSC)、PF與UPQC有機結合構成經(jīng)濟實用型UPQC。經(jīng)濟實用型 UPQC拓撲結構見圖6。
圖6經(jīng)濟實用型UPQC拓撲結構
ATSC 型快速動態(tài)無功補償裝置(簡稱ATSC型補償裝置)作為經(jīng)濟實用型UPQC成套裝置的一部分，主要負責動態(tài)無功補償?shù)娜蝿眨袚素摵呻娏髦写蟛糠只o功電流。所以ATSC型補償裝置可大大減小UPQC本體部分的容量，從而大大提高經(jīng)濟實用型UPQC的性價比，使UPQC更有利于實際推廣應用。
ATSC型補償裝置可同時實現(xiàn)快速投切響應和投切無沖擊的綜合效果，ATSC技術可從根本上解決投切電容器時對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊而引發(fā)的電能質(zhì)量問題。此項大功率電力電子柔性開關專有技術可應用于分布式電源的柔性并網(wǎng)、主動配電網(wǎng)絡的快速重構和故障電流限制器等諸多方面。
下面給出了ATSC型補償裝置在用戶現(xiàn)場運行的實測結果。圖7為實際負荷變化時ATSC無功電流變化波形，由波形可見，ATSC無功補償電流快速跟蹤實際負荷電流變化時無沖擊電流產(chǎn)生，充分表明了此ATSC型動態(tài)無功補償裝置所達到的無沖擊投切電容器的先進技術水平。
圖7實際負荷變化時ATSC無功電流變化波形
圖8給出了ATSC型補償裝置對改善母線電壓質(zhì)量的效果，圖中前1.5個周期的波形為ATSC未投入時的母線電壓波形，隨后的2個周期波形為ATSC投入后的母線電壓波形。可見，ATSC型補償裝置投入后可將母線電壓中存在的電壓切痕吸收掉。
圖8ATSC對母線電壓質(zhì)量的改善效果
總之，經(jīng)濟實用型UPQC可為主動配電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合治理提供強有力的技術保障。
4結語
分布式能源無序接入電網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生惡劣影響。主動配電網(wǎng)為分布式能源高滲透率接入配電網(wǎng)提供了有效的技術途徑，為滿足智能電網(wǎng)對集群分布式能源的并網(wǎng)運行要求提供了技術保障。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)為主動配電網(wǎng)中復雜的多重電能質(zhì)量問題提供優(yōu)良的綜合治理手段，為主動配電網(wǎng)中實現(xiàn)智能電網(wǎng)的定制電力功能提供可靠的關鍵技術支撐。
