【摘要】光伏发电系统的并网改变了传统配电网络的结构及配电网中的短路电流的分布，光伏发电的特点必然会给电力系统的运行和调度带来一定的难度。本文主要针对光伏并网发电系统对配电网可能产生的影响，通过分析统一潮流控制器（UPFC）的工作原理，说明了统一潮流控制器在含有光伏发电的现代配电系统中的应用价值。
【关键词】光伏发电；光伏并网；统一潮流控制器
1.引言
近年来，越来越多的国家注重太阳能能源等可再生能源并网发电技术的研究。根据日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算未来30年光伏发电将达到全球发电总量的20%左右，其中主要应用在并网发电（约46%）、离网发电（约27%）、通讯基站（约21%）三个领域。故太阳能并网发电是其发展趋势，但太阳能等可再生能源发电所带来的挑战之一是其间歇性，这种不稳定性会影响到所产生电力的稳定性。所以大规模光伏发电的发展必须要求一个足够灵活、足够智能有足够输电能力的现代化配电网络。随着越来越多的可再生能源并入电网，柔性交流输电系统可以保证电网的容量和稳定性。柔性交流输电系统（FACTS）的英文表达为：Flexible AC Transmission Systems是美国电力科学研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出的，主要是应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高[1]。
2.太阳能光伏并网系统的组成和特点
典型的光伏并网系统包括：光伏阵列、变换器、逆变器、继电保护装置等。如图1所示：
图1 光伏发电系统的组成
现有并网系统的特点是：太阳能电池板产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。三相光伏发电并网系统电路图如图2所示：
图2 三相光伏发电并网系统电路图
由于直接将电能输入到电网，免除了蓄电池的配置，降低了系统的成本；且省掉了蓄电池储能和释放的过程，充分利用太阳能电池板所发的电力，减少了能量的损耗。这种系统能够并行使用市电和太阳能电池板作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率，而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。但另一方面，系统中需要配置专用的并网逆变器，以保证输出的电能满足电网电力对电压、频率等用电性能指标的要求。因为逆变器效率的问题，会有部分的能量损失。但并网光伏系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，将使电力传输系统逐渐由传统的单相潮流向双向潮流转变，这将导致系统短路电流增加，功率输出发生堵塞。另外由于日照的间接性导致输出功率的不确定性，使配电系统的功率不断波动，快速频繁的太阳能发电功率大小及潮流方向的变化，使配电系统节点电压波动不止，严重时将会导致电压电压下降、三相不平衡、频率波动等问题。为了解决这些问题，下面就介绍能快速对系统电压和潮流进行控制的统一潮流控制器[3]。
3.统一潮流控制器（UPFC）的原理和功能
3.1 统一潮流控制器的概念
统一潮流控制器（Unitied power flow controller，UPFC）是目前功能最为强大的FACTS控制器，它由两套共用直流电容器组的电压源换流器分别以并联和串联的方式接入输电系统，可以同时调节线路阻抗、控制电压幅值和相角的装置。它以快速改变系统参数、调节系统电压幅值和相角达到对系统潮流进行控制的目的而著称，它可以同时并非常快速的独立控制输电线路中有功功率和无功功率。UPFC可以控制线路的潮流分布，有效的提高电力系统的稳定性[2]。
统一潮流控制器UPFC系统结构是由共同直流侧大电容的两个完全相同的电压源型变流器及两个变压器组成，结构原理图如图3所示。
图3 统一潮流控制器（UPFC）的结构原理简图
根据上图可知，变流器VSC1是通过变压器T1并联接入系统的，变流器VSC2是通过变压器T2串联接入系统的。采用这种结构，有功功率可以在两个变流器的交流侧之间沿任何一个方向流动，同时在自己的交流输出端，两个变流器可以独立的吸收和发出无功功率。
3.2 并联侧结构与原理
图4 并联侧接入系统图
由图4所示，UPFC接入系统点电压为Us，Us经过R+JX接入无穷大系统（不计对地电容）。线路传输功率为P+JQ，在传输功率一定情况下线路电压降落变化为：
（1）
对于高压输电线路而言在理想情况下，电压损耗标量形式为：
可见，线路上的电压损耗主要决定于其输送的无功功率。当UPFC并联侧接入系统后，若其可以补偿的无功功率为Q1，则有：
由公式可见，通过调节补偿无功可使电压损耗降低到最小。
3.3 串联侧结构与原理
变流器VSC2的主要功能是通过串联在线路中变压器T2给输电线路注入幅值和相角可变的电压，变流器VSC2可看做为一同步交流电压源，当线路电流流经此电压源中将导致有功功率和无功功率在电压源与交流线路之间的交换[2]。
图5 串联侧接入系统等值电路图
由图5可知，假设并联侧控制作用下，电压Us保持恒定。串联侧向系统注入的电压Ub可作为一个同步交流电压源其中Ub的幅值和相位均可控，由于Us’=Us+Ub，故通过改变串联侧注入系统的电压Ub的幅值和相位就可改变电压的幅值和相位。
图6 电压调节向量图
图7 含有统一潮流控制器的太阳能并网电路
由图6可知串联侧能起到调相的作用，正是因为Ub可控故根据向量图和电力系统功率特性公式有：
（2）
（3）
通过上式（2）（3）可以看出：线路潮流可以通过改变电压大小和相位来控制，而电压大小和相位可改变UPFC串联侧输出控制，所以可以控制系统的潮流。
4.应用统一潮流控制器的光伏并网发电系统的方法及特点
统一潮流控制器是柔性交流输电系统中最具代表性的，有以下性能特点：具有综合控制电力系统基本参数的能力，UPFC对电力系统的影响和控制主要是通过串联侧变流器输出正弦波加到线路中来实现的，所以通过利用数字信号处理器（DSP）的事件管理器用纯软件编程的方法来实现SPWM波形的输出来控制UPFC可以输出较高的正弦波形，可以大大提高其性能。
利用UPFC的电压调节能力补偿配电系统的不对称电压及电压波动。即使系统在故障时仍能通过UPFC的潮流调节能力使系统保持工作。将UPFC并联侧与太阳能光伏发电并联接入系统公共节点PCC（point of common coupling）如图7所示，不仅可以解决由于电力市场及光伏发电功率传送造成配电线路输电阻塞问题。还可以提高电力输送能力、光伏发电系统的稳定性以及系统故障时的低压穿通能力。同时还可以调节配电系统节点电压、抑制配电系统频率波动的作用[4]
5.含有UPFC控制装置的光伏发电系统控制方式的改进
电力系统本身是一个多变量、强非线性的动态时变系统。分布式发电和UPFC的接入将使整个被控系统变成一个多层次、多目标的离散和连续相结合的混杂系统。而现有的控制大都将连续变量和离散变量分开控制，这将影响整体控制效果。
近年来，科研人员运用切换控制系统（Swit-ching System）：此系统是介于离散系统和连续系统之间的由多个子系统和相应的切换策略构成的，即有连续状态轨迹又有离散状态轨迹的混杂系统。在运动机器人及先进的汽车变速器中取得的良好效果，实验证明其具有控制的稳定性和响应的快速性。近年来一些电力研究者已尝试将其理念引入电力系统控制当中。
在国外，研究人员通过基于能量的控制方法Hamilton函数的方法，设计出的控制器能很好的改善系统稳定性。它是以结构重构的观点看待控制系统设计并充分运用系统的结构特点而设计的，近年已被成功运用在含有FACTS装置的电力系统控制中。
6.结束语
柔性交流输电系统（FACTS）能大幅度降低线路中传输的能耗，有助于电力公司实时调度电流、最大限度提高电网的容量，还能帮助太阳能和其它可再生能源的电力实现顺利并网。FACTS技术已被美国电气和电子工程师协会评选为过去十年中全球最重要的创新技术，在未来全球电力系统中将占有重要地位。新的控制的方法的引入能使整个电力系统有机的结合，能更好的为人类的发展服务。
参考文献
[1]谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[D].清华大学出版社，2006.
[2]唐爱红.统一潮流控制器运行特点及其控制仿真和实验研究[J].华中科技大学，2007.
[3]Tomonobu Senjyu，Yuri Youaha，Atsushi，Yona.Stable Operation for Distributed Generators on Distribution system using upfc.Transmission &Distribution.conference&Exposition Asia and Pacific，2009.
[4]N.Dizdarevic.M.Majstrovic，G.Andersson，FACTS-based Reactive Power compensation of wind Energy concersion system.Power Tech conference Proceedings.2003IEEE Bologna，2003.
作者简介：张强，重庆三峡水利电力建设有限公司工程师，主要从事电力系统输变电方面的研究。