大规模可再生能源并网稳定性控制专利技术分析

大规模可再生能源并网稳定性控制专利技术分析

王会丽

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心天津300000

摘要：可再生能源作为一种新能源，具有绿色、清洁、可循环使用的特点，是世界各国在能源领域的研发重点。大规模可再生能源并网稳定性控制包括四个关键技术：抑制波动与闪变、发电功率预测、有功功率控制和低电压穿越的发展脉络进梳理，本文主要针对抑制波动与闪变的专利的技术发展状况，并为国内创新主体提出相关建议。

关键词：可再生能源；并网；稳定；波动；闪变

概述

抑制波动与闪变：并网机组输出功率的波动导致有功电流和无功电流随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。机组启动并网、退出运行、风速变化、塔影效应、云层遮挡等均可能引起并网机组输出功率的变化，导致电压波动与闪变。目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电压波动与闪变的功能，如静止无功补偿器（SVC）、有源电力滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）和电能质量统一控制器（UPFC）等。

技术发展路线

并网机输出功率的波动会导致有功电流和无功电流随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。机组启动并网、退出运行、风速变化、塔影效应、云层遮挡等均可能引起并网机组输出功率的变化，导致电压波动和闪变。在大规模可再生能源并网稳定性控制技术中，抑制波动与闪变的主要装置分为以下几种：静止无功补偿器（SVC/SVG）、有源电力滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）和电能质量统一控制器（UPFC/UPQC）。抑制波动与闪变技术演进路线如图所示。

从图可以看出，抑制波动与闪变技术先后经历了，由利用有源电力滤波器，逐渐过渡到利用统一功率流控制器（UPFC）、利用静止无功补偿器（SVC/SVG），进一步发展为利用静止无功补偿器（SVC/SVG）和动态电压恢复器（DVR）相结合或者与有源电力滤波器（APF）相结合的方式，并最终发展成利用多种方式相结合，采用自适应在线遗传算法等先进算法加入到控制器中来实现波动的抑制。

有源电力滤波器（APF）

其原理上是通过控制电力半导体器件的通断实现对待补偿电流的跟踪，其作为抑制波动与闪变的主要手段，广泛应用在配供电系统及用电系统中。

三菱重工业株式会社在2001年提出了利用有源的低通滤波器实现去除电压波动的方法（JP2001028882A）。该方法能够有效抑制并网时产生的电压波动。中山大学在2008年提出了一种光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置（CN101237150A）。紧接着，SLADICSASA公司于2009年提出了一种利用有源电力滤波器实现无功补偿和谐波抑制的装置（WO2009138808A1）。湖南大学和长沙博立电气有限公司于2014年共同提出了一种利用传统无功补偿装置并结合SVC/SVG的混合有源电力滤波器（CN104078974A），从而实现对于输电线路的谐振抑制。江苏双登富朗特新能源有限公司和双登集团股份有限公司于2018年提出了一种利用APF、SVC组合的电能质量治理方法来抑制谐波（CN108075491A），进而改善微电网的电能质量。

1.静止无功补偿器（SVC/SVG）

其静止是相对于发电机、调相机等旋转设备而言的，其可以快速改变其发出的无功功率，具有较强的无功调节能力。当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功；当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功功率，从而将供电电压补偿到一个合理水平。

北京金风科创风电设备有限公司于2013年提出了一种提高并网暂态稳定性的方法（CN102868178A）。该方法利用静止无功补偿器SVC设计的风电场电压自动控制系统来实现无功功率补偿，从而抑制故障时电压的波动，改善了风机运行环境。国电联合动力技术有限公司于2013年设计了一种基于风电场AQC的风电机组的无功调节系统（CN103001236A）。该系统利用SVC/SVG设备实现了无功补偿，抑制电压波动。国家电网公司于2014年提出了一种SVG静止无功发生器与TSC型静止无功补偿器并联接入电网系统的无功补偿装置（CN104135016A）。随后，通研电气工业株式会社、国立大学和东北大学于2015年共同设计了一种利用静止无功补偿器SVC的直流电源控制系统（JP2015089307A），能够实现电压波动的补偿。

2.电能质量统一控制器（UPFC/UPQC）

电能质量统一控制器（UPFC）综合了串、并联补偿装置的优点，对电压、电流质量问题进行统一补偿。该控制器内置的储能单元可以解决瞬时供电中断和电压波动等动态电压质量问题。

美国的电力研究所有限公司于2008年提出了一种用于采用DC传输系统改善AC传输系统的方法（US20080103630A1）。

湖南大学在2012年提出了一种微源并网电能质量控制系统控制方法（CN102832642A）。该方法利用串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器串联组成的统一电能质量控制器实现微网并网运行时故障限流、谐波处理、电压支撑、光伏发电等功能。随后，山东大学和中国电力科学研究院于2014年共同设计了一种由APF和DVR组成的统一电能质量控制器（CN103560520A）。国家电网公司于2017年提出了一种光伏并网的配电网谐波检测控制方法（CN106786590A）。该方法采用自适应在线遗传算法整定统一电能质量调节器的PI控制参数。

动态电压恢复器（DVR）

动态电压恢复器（DVR）采用同步电压源逆变器产生交流电压抵消有功功率快速波动导致的电压波动和浪涌。通过自身储能单元，在补偿无功功率的同时提供瞬时有功功率补偿。

华北电力大学(保定)和山西省电力公司运城供电分公司于2013年提出了一种新能源发电的电网电压无功复合协调控制系统及方法（CN103166226A）。中国科学院电工研究所于2016年中提出了一种包含电压动态补偿器的光伏高压直流串联并网系统（CN105490298A）。

总结与展望

本问题通过对抑制波动与闪变技术的专利分析可知，由于SVC本身容易产生低次谐波，所以该项技术在近年来的应用比较少，近年来越来越多地是利用APF和SVC相结合使用，以及DVR、UPFC与SVC、APF等技术的结合，在补偿电压波动的同时能够有效地抑制谐波，实现有功功率和无功功率的补偿。

参考文献

[1]杨铁军.产业专利分析报告（第5册）[M].北京：知识产权出版社，2012.

[2]杨铁军.专利分析实务手册[M].北京：知识产权出版社，2015.