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(shù)被認為是分布式能源規(guī)模化利用的有效技術(shù)途徑。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unifiedpowerqualitycontroller，UPQC)作為定制電力技術(shù)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(gòu)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(shù)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(jié)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(shù)(activedistributionnetwork，ADN)被認為是規(guī)模化利用分布式能源的有效技術(shù)途徑。
1分布式能源接入電網(wǎng)概述
分布式能源的基本構(gòu)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(shù)被認為是規(guī)模化利用分布式能源的有效技術(shù)途徑。
主動配電網(wǎng)(ADN)是通過使用靈活的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)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(shù)可以靈活地改變拓撲結(jié)構(gòu)，“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(shù)保障，因此發(fā)展主動配電網(wǎng)技術(shù)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(shù)，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(gòu)成及功能
統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)作為定制電力技術(shù)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(jié)構(gòu)見圖1。
圖1UPQC主電路拓撲結(jié)構(gòu)
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(shù)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(jié)合構(gòu)成經(jīng)濟實用型UPQC。經(jīng)濟實用型 UPQC拓撲結(jié)構(gòu)見圖6。
圖6經(jīng)濟實用型UPQC拓撲結(jié)構(gòu)
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(shù)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(shù)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(gòu)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(jié)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(shù)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(shù)保障。
4結(jié)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(shù)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(shù)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(shù)支撐。
