长沙橘郡礼顿山：能源接入电网的治理技术及质量问题

　　能源是社会发展的重要物质基础，构建服务范围广、配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳的全球能源互联网，可推动全球清洁能源高效开发、利用，实现世界能源可持续发展，智能电网技术有利于推动全球能源互联网的发展。智能电网的重要标志之一是新能源及可再生能源发电与电网的有机结合，新能源及可再生能源的利用方式分为集中式和分布式。分布式能源（distributed energy resources，DER）在一定程度上可承担支持系统的责任，这将取决于适当的监管环境和接入协议，其规模化接入电网对电网产生了新的挑战。为实现分布式能源与配电网的友好集成，提高分布式能源接入配电网的渗透率及其优化经济运行的水平，更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性的更高要求，采用主动配电网技术（active distribution network，ADN）被认为是规模化利用分布式能源的有效技术途径。
　　1 分布式能源接入电网概述
　　分布式能源的基本构成是：分布式发电（distributedgeneration，DG）、分布式储能（distributed energy storage，DES）、可控负荷（controllable load，CL）等。分布式能源在一定程度上可承担支持系统的责任，这将取决于适当的监管环境和接入协议。
　　由于高渗透率分布式能源接入电网后，导致电网潮流双向流动和潮流的不确定性，分布式能源无序地接入将会导致配电网电压越限、短路电流增大、供电可靠性降低以及电能质量恶化等问题。为实现分布式能源与配电网的友好集成，提高分布式能源接入配电网的渗透率及其优化经济运行的水平，更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性的更高要求，采用主动配电网技术被认为是规模化利用分布式能源的有效技术途径。
　　主动配电网（ADN）是通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流，以便对局部的分布式能源（DER）进行主动控制和主动管理的配电系统。主动配电网技术可以灵活地改变拓扑结构，“主动”对分布式能源的性能进行分析和预测，消除分布式能源对配电网产生的影响，实现分布式能源的高效率利用；同时能够提高配电网对绿色能源的兼容性，有效集成高渗透率分布式能源；还能够充分发挥分布式电源和主动负荷的作用，最大限度地减少对主网的容量需求，为电网提供调频和电压无功控制的帮助；并且具有良好的自愈能力，使供电质量显著提高；还可以延缓对配电网升级的投资，提高配电网的智能化水平。主动配电网（ADN）将成为局部区域能源交换的基础设施，为满足分布式能源接入配电网的并网运行要求提供了技术保障，因此发展主动配电网技术势在必行。
　　2 含分布式能源的主动配电网电能质量问题
　　在主动配电网中，一方面由于分布式电源和非线性波动性负荷的种类复杂多样，特别是风电、光伏发电输出功率的波动性、随机性、间歇性特点，常常导致主动配电网内电源与负荷之间功率难以平衡；另一方面由于电力电子设备大量使用，如并网逆变器、固态开关、电动汽车充电装置等，导致主动配电网中的电能质量问题更为复杂且突出。
　　主动配电网的电能质量问题主要包括：电压与电流谐波、电压暂降、电压突升、电压短时中断、电压波动与闪变、电压与电流不平衡分量、谐振等。对此多种电压质量、电流质量并存的复杂电能质量问题，迫切需要一种电能质量的综合治理技术，因此集串联型与并联型装置于一体的综合型统一电能质量控制器（unified power quality controller，UPQC）有了用武之地。
　　3 统一电能质量控制器（UPQC）
　　3.1 UPQC的基本构成及功能
　　统一电能质量控制器（UPQC）作为定制电力技术中功能最强大的电能质量综合补偿装置，由串联单元、并联单元和储能单元组成。UPQC的串联、并联单元可解耦后独立运行实现各自功能，也可联合运行实现统一的综合功能。典型配置方式的UPQC主电路拓扑结构见图1。
　　图1 UPQC主电路拓扑结构
　　在UPQC中：①串联单元具有动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，DVR）、动态不间断电源（dynamic uninterru ptiblepower supply，DUPS）功能；②并联单元具有静止无功发生器（static var generator，SVG）、有源电力滤波器（active power filter，APF）功能；③储能单元具有蓄电池储能系统（battery energy storage system，BESS）或超级电容器储能等功能。
　　将UPQC的串联单元、并联单元和储能单元通过多目标协调控制可实现如下的多重电能质量综合调节功能：①电压动态调节（电压暂降、电压突升、电压波形畸变等补偿）；②动态无功补偿；③有源滤波；④平衡化补偿；⑤动态不间断电源；⑥储能、有功动态调节；⑦直流电源等。
　　3.2 UPQC的实验验证
　　3.2.1 有源滤波（APF）和动态无功补偿（SVG）的实验
　　UPQC的并联单元实现有源滤波（APF）和动态无功补偿（SVG）的功能。图2所示为补偿前含谐波的电流，电流畸变率21％；图3所示为补偿后的电流，电流畸变率小于4％，并且基波无功电流也得到了动态补偿，功率因数达到了0.96（滞后）～1.0之间，响应时间为20ms。可见，UPQC实现了APF的有源滤波和SVG的动态无功补偿的功能。
　　图2 补偿前含谐波的电流及其频谱
　　图3 补偿后电流及其频谱
　　3.2.2 DVR对电压谐波补偿的实验
　　UPQC的串联单元实现DVR的功能。图4所示为补偿前含谐波的电压，电压畸变率7％；图5所示为补偿后的电压，电压畸变率小于1％。可见，UPQC实现了DVR的动态补偿电压谐波的功能。
　　图4 补偿前含谐波的电压及其频谱
　　图5 补偿后电压及其频谱
　　总之，在UPQC的作用下，主动配电网对用户来说是一个高可靠性、高质量的理想绿色电源；而用户对主动配电网来说又变为一个合格的用户。
　　3.3 经济实用型UPQC的技术方案
　　目前，UPQC装置较昂贵，而静止无功补偿器（static var compensator，SVC）和无源电力滤波器（passive power filter，PPF）已推广应用。所以，可充分发挥这些装置的各自特点，将SVC中的新型晶闸管投切电容器组（advanced thyristor switchedcapacitors，ATSC）、PF与UPQC有机结合构成经济实用型UPQC。经济实用型UPQC拓扑结构见图图6 经济实用型UPQC拓扑结构
　　ATSC型快速动态无功补偿装置（简称ATSC型补偿装置）作为经济实用型UPQC成套装置的一部分，主要负责动态无功补偿的任务，它承担了负荷电流中大部分基波无功电流。所以ATSC型补偿装置可大大减小UPQC本体部分的容量，从而大大提高经济实用型UPQC的性价比，使UPQC更有利于实际推广应用。
　　ATSC型补偿装置可同时实现快速投切响应和投切无冲击的综合效果，ATSC技术可从根本上解决投切电容器时对电网产生冲击而引发的电能质量问题。此项大功率电力电子柔性开关专有技术可应用于分布式电源的柔性并网、主动配电网络的快速重构和故障电流限制器等诸多方面。
　　下面给出了ATSC型补偿装置在用户现场运行的实测结果。图7为实际负荷变化时ATSC无功电流变化波形，由波形可见，ATSC无功补偿电流快速跟踪实际负荷电流变化时无冲击电流产生，充分表明了此ATSC型动态无功补偿装置所达到的无冲击投切电容器的先进技术水平。
　　图7 实际负荷变化时ATSC无功电流变化波形
　　图8给出了ATSC型补偿装置对改善母线电压质量的效果，图中前1.5个周期的波形为ATSC未投入时的母线电压波形，随后的2个周期波形为ATSC投入后的母线电压波形。可见，ATSC型补偿装置投入后可将母线电压中存在的电压切痕吸收掉。
　　图8 ATSC对母线电压质量的改善效果
　　总之，经济实用型UPQC可为主动配电网的电能质量综合治理提供强有力的技术保障。
　　4 结语
　　分布式能源无序接入电网对电网电能质量产生恶劣影响。主动配电网为分布式能源高渗透率接入配电网提供了有效的技术途径，为满足智能电网对集群分布式能源的并网运行要求提供了技术保障。统一电能质量控制器（UPQC）为主动配电网中复杂的多重电能质量问题提供优良的综合治理手段，为主动配电网中实现智能电网的定制电力功能提供可靠的关键技术支撑。