第一章　緒論

1.1 研究背景及意義 
電力系統(tǒng)近一百年來在規(guī)模和電壓等級兩個維度上持續(xù)保持著高速發(fā)展的勢頭，其面貌已發(fā)生翻天覆地的變化。然而僅在這兩個維度上的發(fā)展已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會對于電力系統(tǒng)高安全性和高穩(wěn)定性的要求，必須在開放發(fā)展的電網(wǎng)中集成更為精準(zhǔn)的控制和管理技術(shù)，而智能電網(wǎng)正是人們對未來電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)研究取得的共識。智能電網(wǎng)技術(shù)旨在大幅度提高電網(wǎng)運(yùn)行水平、促進(jìn)電網(wǎng)與自然環(huán)境的和諧發(fā)展，智能電網(wǎng)將帶來電力系統(tǒng)運(yùn)行形態(tài)的一場深刻的變革[1-4]。 智能電網(wǎng)（Smart Grid）的概念在 2003 年 6 月美國“未來能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”發(fā)表的報(bào)告中首次出現(xiàn)。該報(bào)告將智能電網(wǎng)定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術(shù)、高級傳感和監(jiān)視技術(shù)、信息與通信技術(shù)的輸配電系統(tǒng)，具有更加完善的性能并且能夠?yàn)橛脩籼峁┮幌盗性鲋捣⻊?wù)。”伴隨著近十幾年對于智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究及工程實(shí)踐，智能電網(wǎng)的定義有了進(jìn)一步的明確：智能電網(wǎng)是使用數(shù)字技術(shù)和其他先進(jìn)技術(shù)對來自所有發(fā)電源的電力輸送進(jìn)行監(jiān)測和管理以滿足終端用戶不同電力需求的電力網(wǎng)絡(luò)，是一種電源、用戶和其他設(shè)備智能自組織的電網(wǎng)形態(tài)，適應(yīng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的要求，具有控制、監(jiān)測、通訊、自愈等先進(jìn)的功能。智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)所有發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)運(yùn)營商、終端用戶和電力市場利益相關(guān)者的需求和能力，以盡可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個部分的有效運(yùn)行，使成本和環(huán)境影響最小化，使系統(tǒng)可靠性、彈性和穩(wěn)定性最大化[5,6]。 電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸配電和用電三層結(jié)構(gòu)組成，智能電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)發(fā)展的新型形態(tài)，同樣是智能發(fā)電系統(tǒng)、智能輸電系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)和智能用電等組成的完整系統(tǒng)[6,7]。智能輸電系統(tǒng)和智能配電系統(tǒng)作為現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)的主體，是智能電網(wǎng)發(fā)展的重中之重。智能輸電系統(tǒng)旨在利用先進(jìn)的技術(shù)解決能源資源分布地域廣、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，提高電網(wǎng)輸送能力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量輸電，提升調(diào)度控制的靈活性和冗余度；智能配電系統(tǒng)旨在提高供電質(zhì)量和可靠性，通過先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析提高用電側(cè)自動化水平，降低系統(tǒng)運(yùn)行損耗，改善系統(tǒng)的資產(chǎn)利用率，解決分布式能源分散化接入的問題。
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1.2 智能配電系統(tǒng)的發(fā)展概述 
解決 DG 在配電系統(tǒng)的集成問題方法有很多，這些方法的共同目的都是將現(xiàn)有的被動的配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為主動的配電系統(tǒng)。本節(jié)首先介紹幾種在智能配電系統(tǒng)發(fā)展過程中出現(xiàn)的電網(wǎng)構(gòu)架的概念，繼而指出主動配電網(wǎng)將會成為未來智能電網(wǎng)體系中最為重要的一個組成部分。微網(wǎng)的概念是隨著分布式發(fā)電的發(fā)展而提出的，是目前智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用最成熟的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。微網(wǎng)是由 DG 和負(fù)載構(gòu)成的獨(dú)立可控、最接近用戶的電網(wǎng)形態(tài)，其基本要求是保證用戶安全、優(yōu)質(zhì)、可靠的供電。美國、歐洲和日本對于微網(wǎng)相繼提出了各自的定義標(biāo)準(zhǔn)[26,27]。美國和日本將微網(wǎng)定義為一種自治供電系統(tǒng)，提供用戶可靠的供電，本質(zhì)是服務(wù)于用戶；歐洲將微網(wǎng)定義為可以推廣至整個電網(wǎng)承擔(dān)電網(wǎng)支撐功能的電網(wǎng)單元，是服務(wù)于電網(wǎng)和用戶雙方的。中國配電系統(tǒng)薄弱，微網(wǎng)作為一種小型的局域發(fā)配電系統(tǒng)，通過分布式能源發(fā)電技術(shù)、儲能及電力電子控制技術(shù)的集成，不僅能解決我國偏遠(yuǎn)地區(qū)和可再生能源豐富地區(qū)的用電問題，同時(shí)可以強(qiáng)化配電網(wǎng)穩(wěn)定性，提高我國的電網(wǎng)運(yùn)行水平。因此中國的微網(wǎng)也應(yīng)該是同時(shí)服務(wù)于用戶和電網(wǎng)的[28,29]。目前我國對于微網(wǎng)還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和定義，對微網(wǎng)的特征比較公認(rèn)的認(rèn)識是：①  支持多種新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電，節(jié)能環(huán)保、綠色低碳；②  能夠?qū)崿F(xiàn)快速隔離，對大電網(wǎng)無影響；③  具備安全、穩(wěn)定、智能和即插即用的運(yùn)行能力，能夠提供用戶高質(zhì)量的電能；④  可靈活的實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行并在兩種狀態(tài)無縫切換；⑤  支持削峰填谷，可以承擔(dān)部分電網(wǎng)支撐任務(wù)；⑥  包含多類型能源，是高效的能量傳遞和供給系統(tǒng)，具備綜合能源管理能力；⑦  微網(wǎng)對外變現(xiàn)為一可控負(fù)荷，無需改變現(xiàn)有的電網(wǎng)運(yùn)行方式即可并入電網(wǎng)，適應(yīng)目前的電力管理體制[8,30-33]。 
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第二章　配電系統(tǒng)電壓質(zhì)量問題分析及控制措施的研究 

2.1 概述 
配電系統(tǒng)中接入的工業(yè)、商業(yè)負(fù)荷和城市居民負(fù)荷的隨機(jī)波動，以及可能出現(xiàn)的對稱或不對稱故障，導(dǎo)致配電系統(tǒng)長期存在較為嚴(yán)重的電壓問題。而越來越多的 DG 接入配電系統(tǒng)，使得配電系統(tǒng)電壓問題變得更加突出和復(fù)雜。為解決這些電壓問題以滿足用戶對供電質(zhì)量和安全可靠性的要求，而大力改造和升級配電系統(tǒng)，在技術(shù)和資金上都存在較大的困難。 智能配電系統(tǒng)中以“集中　分散”的形式大規(guī)模接入的 DG 主要分為同步機(jī)型 DG 和逆變型 DG 兩類，從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性的角度考慮，充分利用逆變型 DG 高度可控的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)成基于具有靈活發(fā)電功能的逆變型 DG 的分布式電壓控制體系，是解決配電系統(tǒng)電壓問題的有效途徑。所謂靈活發(fā)電分布式電源（flexible DG，F(xiàn)DG），是指基于多功能并網(wǎng)逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量主動控制的新型可定制型電源[87]。從技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性看，一方面，并網(wǎng)逆變器和電能質(zhì)量專用治理裝置如有源濾波器（active  power  filter，APF）等具有相同的主電路結(jié)構(gòu)，僅需調(diào)整并網(wǎng)逆變器的控制策略即可實(shí)現(xiàn)和電能質(zhì)量專用治理裝置一樣的功能，在應(yīng)用中更加靈活方便，能更好地適應(yīng)智能配電系統(tǒng)電壓控制的需求；另一方面，逆變型 DG 的設(shè)計(jì)容量一般為其額定發(fā)電容量的兩倍以上，工作在單位功率因數(shù)運(yùn)行模式，具有可觀的剩余容量，具備進(jìn)行電能質(zhì)量主動控制的潛力。從經(jīng)濟(jì)性看，依靠 FDG 輔助智能配電系統(tǒng)電壓控制，無需增加額外補(bǔ)償設(shè)備，在用戶側(cè)電網(wǎng)推廣的阻力更小。因此，充分利用 FDG 在并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量控制上的優(yōu)勢，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)綜合的智能配電系統(tǒng)電壓控制，而且無需額外的專用設(shè)備的投資，提高了逆變型 DG 的利用率，是有效利用可再生能源，提高用戶電能質(zhì)量，提高用電效率，實(shí)現(xiàn)智能配電系統(tǒng)動態(tài)電壓控制的關(guān)鍵。 
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2.2 配電系統(tǒng)常見電壓質(zhì)量問題分析 
電壓質(zhì)量問題是配電系統(tǒng)中突出的電能質(zhì)量問題，主要包括電壓偏移，電壓暫升、暫降，電壓畸變、三相不平衡、電壓波動和閃變等。而電壓暫降、電壓不平衡和電壓波動是配電系統(tǒng)突出的電壓質(zhì)量問題： （1）電壓暫降：電壓暫降指的是電壓的有效值在半周期到幾秒鐘內(nèi)的變化，通常源于故障或負(fù)荷的突然投入等。 （2）電壓不平衡：電壓不平衡是指電力系統(tǒng)中三相電壓幅值不一致，且幅值差超過規(guī)定范圍的現(xiàn)象。 （3）電壓波動：電壓波動是指電壓均方根值一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象，其變化周期大于工頻周期（20ms）。
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第三章　基于靈活發(fā)電分布式電源的微網(wǎng)分區(qū)電壓控制 ........ 43
3.1 概述 ............ 43
3.2 微網(wǎng)分區(qū)電壓控制方案 .......... 43
3.3 多靈活發(fā)電分布式電源協(xié)同進(jìn)行分區(qū)電壓控制存在的問題 .......... 46
3.4 適用于微網(wǎng)分區(qū)電壓控制的靈活........ 49
3.5 分區(qū)電壓控制實(shí)施方案 .......... 53
3.6 算例驗(yàn)證 .... 56
3.7 本章小結(jié) .... 61
第四章　微網(wǎng)安全防御體系下的分區(qū)協(xié)調(diào)電壓控制 ...... 63
4.1 概述 ............ 63
4.2 微網(wǎng)安全防御體系下的分層控制框架 ...... 63
4.3 微網(wǎng)安全防御體系下的分區(qū)協(xié)調(diào)電壓控制方案 .......... 65
4.4 微網(wǎng)分區(qū)協(xié)調(diào)電壓控制的實(shí)現(xiàn) ........ 71
4.5 算例驗(yàn)證 .... 72
4.6 本章小結(jié) .... 81
第五章　主動配電網(wǎng)兩階段分區(qū)電壓控制 ............ 83
5.1 概述 ............ 83
5.2 主動配電網(wǎng)分區(qū)電壓控制設(shè)備的選擇和電壓分區(qū)方案 ........ 84
5.3 主動配電網(wǎng)兩階段分區(qū)電壓控制策略 ...... 86
5.4 分區(qū)電壓控制 ...... 88
5.5 算例驗(yàn)證 .... 94
5.6 本章小結(jié) .... 99

第五章　主動配電網(wǎng)兩階段分區(qū)電壓控制 

5.1 概述 

中高壓配電系統(tǒng)中 DG 的滲透率伴隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展而大幅提高，在某些地區(qū)電網(wǎng)中 DG 在配電網(wǎng)的接入已達(dá)可觀的規(guī)模。以德國為例，其太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、水力發(fā)電五項(xiàng)可再生能源的發(fā)電量截止 2012 年已達(dá)全國發(fā)電總量的 16.8%，預(yù)計(jì)在 2020 年可再生能源發(fā)電量占電力消費(fèi)總量能達(dá)到 50%[152]。DG 在配電系統(tǒng)的規(guī)�；尤牒瓦\(yùn)行極大程度上改變了配電系統(tǒng)的潮流分布以及電壓水平，而這些因素在傳統(tǒng)中高壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段是沒有考慮到的，所以 DG 在傳統(tǒng)中高壓配電系統(tǒng)的滲透率增長存在瓶頸。消除這個瓶頸，關(guān)鍵在于提升配電系統(tǒng)對 DG 的控制和管理能力，因而出現(xiàn)了主動配電網(wǎng)（active  disteibuted  neweork，ADN）的概念。ADN 是充分利用數(shù)據(jù)分析和控制管理技術(shù)的發(fā)電、配電和用電三者協(xié)同工作的互動網(wǎng)絡(luò)，能夠主動消納各種類型的可再生能源實(shí)現(xiàn)多源多級綜合利用，是智能配電系統(tǒng)發(fā)展的高級階段[19,153]。潮流在傳統(tǒng)的中高壓配電系統(tǒng)中自變電所單向流向用戶，電壓調(diào)整問題主要出現(xiàn)在饋線末端；而在 ADN 中，大規(guī)模分散接入的間歇性 DG，導(dǎo)致 ADN 出現(xiàn)了嚴(yán)重的電壓波動問題，并且這種波動問題可能發(fā)生在饋線的任何位置，給電壓控制帶來了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[154,155]。因此，需要在第三、第四章的微網(wǎng)電壓控制研究的基礎(chǔ)上，研發(fā) ADN 電壓控制技術(shù)，綜合形成智能配電系統(tǒng)自上而下的電壓控制體系，提高智能配電系統(tǒng)整體的電壓質(zhì)量。 本章首先基于對微網(wǎng)和主動配電網(wǎng)電壓控制思路的區(qū)別和聯(lián)系的分析，對主動配電網(wǎng)分區(qū)電壓控制設(shè)備進(jìn)行了比較和選擇。繼而針對 ADN 提出一種基于設(shè)備響應(yīng)速度的分層、分階段電壓協(xié)調(diào)控制框架。重點(diǎn)研究分區(qū)控制層中靜止同步補(bǔ)償器（distribution static synchronous compensator，DSTATCOM）和逆變型 DG協(xié)調(diào)配合的兩階段分區(qū)電壓控制（two-stage zonal-voltage control，TSZVC）策略，包含一種考慮區(qū)內(nèi)相鄰潮流的 DSTATCOM 電壓控制策略，以及 DSTATCOM 和逆變型 DG 平滑轉(zhuǎn)移無功的協(xié)調(diào)控制方法。TSZVC 有效的避免了不同的電壓控制設(shè)備和電壓控制策略之間的相互干擾影響，解決了 ADN 動態(tài)電壓控制的需求，無需復(fù)雜的通信即可實(shí)現(xiàn) ADN 區(qū)域電壓綜合控制。 

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結(jié)論 

智能配電系統(tǒng)正經(jīng)歷由系統(tǒng)外單一電源供電向系統(tǒng)內(nèi)多電源分布式供電的轉(zhuǎn)變。分布式電源的大規(guī)模接入，形成了智能配電系統(tǒng)獨(dú)特的“集中-分散”供電運(yùn)行方式。然而，智能配電系統(tǒng)對分布式電源多采用被動式的管理策略，不僅使配電系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的潮流不確定、電壓快速波動等運(yùn)行難題，還制約著分布式電源滲透率的進(jìn)一步提高。對分布式電源進(jìn)行主動管理提升智能配電系統(tǒng)電壓控制能力是解決這些問題的有效途徑。智能配電系統(tǒng)多采用分層電壓控制的方法，其中的分區(qū)電壓控制層是提高系統(tǒng)電壓水平、提升系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)速度、保障系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的中堅(jiān)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是連接中央電壓控制和本地電壓控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前的智能配電系統(tǒng)分區(qū)電壓控制沒有有效利用分布式電源大量“集中-分散”接入的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，這阻礙了智能配電系統(tǒng)電壓控制速度的提升和分布式電源滲透率的提高。因而，充分利用 DG 大量“集中-分散”接入智能配電系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)對 DG 采取主動控制，研究集成動態(tài)電壓控制功能的智能配電系統(tǒng)分區(qū)電壓控制方案，對提升系統(tǒng)電壓控制速度，進(jìn)一步提高 DG 滲透率有重要的意義。 本文針對智能配電系統(tǒng)分區(qū)電壓控制展開相關(guān)的研究，以提高分區(qū)電壓控制速度和區(qū)域電壓控制效果為目標(biāo)，在微網(wǎng)和主動配電網(wǎng)兩個層面提出完善的動態(tài)調(diào)節(jié)速度快、靜態(tài)調(diào)節(jié)精度高的智能配電系統(tǒng)分區(qū)電壓控制方案，同時(shí)針對電壓控制和保護(hù)的配合的特殊問題提出相應(yīng)的解決方案，主要的成果如下：在對配電系統(tǒng)電壓暫降和電壓不平衡產(chǎn)生的原因，以及 DG 大量滲透配電系統(tǒng)后帶來的復(fù)雜電壓波動問題產(chǎn)生的原因的分析的基礎(chǔ)上。本文提出了一種可以解決正序和負(fù)序電壓控制問題的靈活發(fā)電分布式電源及其結(jié)構(gòu)，靈活發(fā)電分布式電源主要由輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)組成。 
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參考文獻(xiàn)(略)

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本文編號：98573