基于模块化多电平变流器的统一电能质量 调节器工程实验装置研究
分布式储能与微网河北省重点实验室（华北电力大学）、新能源电力系统国家重点实验室的研究人员杨用春、肖湘宁等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文，将模块化多电平变流器（MMC）技术和统一电能质量调节器（UPQC）相结合，为将UPQC应用于高电压、大容量的场合提供了可能，为电能质量问题的集中解决提供了新的思路。
研究MMC型UPQC具有重要的技术意义和市场价值。首先分析基于MMC的UPQC工作原理，对其关键参数进行分析设计，针对UPQC并联侧和串联侧MMC变流器的电能质量补偿功能提出相应的控制策略。
PSCAD/EMTDC下的仿真结果证明了参数设计的正确性和控制策略的有效性。进而研制一套4MV·A/10kV的MMC型UPQC工程实验装置，开展现场实验并进行分析，实验结果表明MMC型的UPQC能够实现多种电能质量的综合补偿。
经济技术开发区是我国转变经济增长方式、促进经济结构调整、提高自主创新能力的载体，是我国经济发展的引擎。同时目前电网正在发生着深刻的变革，微电网作为充分利用分布式能源的一种有效形式，能够提高分布式可再生能源的利用率，将会作为大电网的重要补充而越来越多的存在[1,2]。
再有电网经营方面也出现了新的形势，随着售电侧电力市场改革的推进，出现大量售电公司，有些售电公司还能以增量配电网的形式投资和运营实体配电网络，使得竞争明显加剧，售电利润空间逐步被压缩[3,4]。因此供电将会越来越多的呈现出园区化、区块化、竞争化的格局。
另外一个方面，随着产业的调整升级，电力设备呈现出多样化、复杂化、敏感化的趋势。光伏、风力等间歇式分布式电源、波动性负荷以及大量电力电子变流设备的应用，造成诸多种类电能质量问题并存且日益突出[5,6]，同时还出现了很多对电能质量越来越敏感的用电设备，高新技术产业、现代制造业和现代金融服务业的企业拥有大量复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备，对电能质量、供电可靠性提出了非常高的要求，几十毫秒的电压暂降都可能造成设备损坏、企业停产，给企业带来巨大经济损失[7,8]。
采用用户定制电力技术是解决电能质量问题的重要手段。目前已开发出一系列基于现代电力电子技术的旨在改善配电网电能质量和增强配电网供电可靠性的定制电力装置，如动态无功功率补偿技术（静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）和静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）等）、有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）技术、动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer, DVR）技术等[9-11]。
但这些都是单一的电能质量控制装置，单一的电能质量调节器只能解决部分电能质量问题。若针对每一种电能质量问题都单独采取一种类型的治理装置，这种方式将会大大提高投资成本、增加装置运行维护工作量以及各装置之间协调配合的复杂程度，而统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner, UPQC）恰好可以应用在这种场合，同时集中解决多种电能质量问题[12,13]。
UPQC对电能质量治理具有重要作用，尤其在园区化、竞争化的供电环境下，供电公司或者售电公司在提供优质供电服务的时候，在解决问题的同时投入的设备和资源尽可能少，以减少运行维护工作量，因此UPQC具有非常重要的技术意义和市场价值。结合目前的经济技术开发区、工业园区以及增量配电网的情况来看，主要电压等级是10kV的配电电压等级、重要用户是MVA级的，因此研究开发10kV、MVA级的中高压大容量的UPQC工程实验装置具有非常紧迫的现实意义。
但是由于电力电子器件的限制，定制电力设备目前只在较低的电压等级应用成熟，形成高电压大容量比较困难。很多场合下主要是通过变压器接入高电压系统[14]，再通过大电流的方式形成大容量，但是变压器环节对电能质量的补偿具有不利的影响，特别是较高次的谐波补偿比较困难，因此其应用场合受到了限制。
模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是近年提出的新的电力电子拓扑结构，通过模块化的叠加技术能在现有的电力电子器件制造水平的基础上应用在很高的电压等级上，目前MMC技术在以柔性直流输电为代表的中高压、大容量领域具有明显的应用优势，已经在输电领域中获得了突破，得到了较为广泛的应用[15-17]，因此MMC技术的出现与不断发展为UPQC技术应用于高电压、大容量的场合提供了可能。
本文将MMC变流器作为基本环节，构建中高压大容量的UPQC，并联侧通过MMC技术直接接入10kV配电网，不再经过变压器，串联侧变流器通过隔离变压器串联接入10kV电路，串并联变流器统一协同工作治理多种电能质量问题。
在介绍基于MMC的UPQC基本工作原理的基础上，对其关键参数进行了分析设计，基于不同补偿的功能提出了UPQC并联侧和串联侧MMC变流器的控制策略，并进行了PSCAD/EMTDC下的电能质量补偿仿真验证。进而开发了一套4MV·A/10kV的基于MMC的UPQC工程实验装置，开展了现场实验并进行了分析，为进一步深入开展统一电能质量调节器的研究以及工业应用奠定了基础。
图10 UPQC接入系统结构
图12 基于MMC结构的UPQC装置
图14 UPQC工业样机控制系统
本文针对中高压、大容量的多种电能质量治理的需求，提出了基于MMC结构的UPQC，并进行了理论分析、仿真和工业样机实验验证，得到如下的结论：
1）针对MMC型的UPQC的关键参数依据其功能和性能指标进行了理论分析和优化，推导了MMC换流器电压暂降补偿能力与MMC子模块电容的关系，提出了MMC换流器暂降补偿的子模块电容设计方法。
2）针对UPQC并联侧MMC换流器主要补偿连续型电流畸变，对于稳态误差有较高要求，提出了电压外环、电流内环的双闭环控制策略；研究了针对UPQC串联侧MMC换流器主要抑制事件型电压跌落，对于响应速度要求高，提出了单电压环的控制策略；根据UPQC串并联换流器协同工作的特点，提出了直流公共母线电压暂降不控/暂升可控的协调控制策略；分别通过PSCAD/EMTDC对所提控制策略进行了仿真验证。
3）研制了一套4MVA/10kV的33电平MMC型UPQC的工业样机，建立了子模块功率单元层、换流器层和系统层三级的MMC型UPQC的控制保护系统；利用MMC型UPQC工业样机开展了功能和性能的开环实验，结果证明能够实现基本的补偿控制功能，为今后的深入研究以及应用奠定了基础。
4）用于中高压、大容量的MMC型的UPQC控制环节众多，工程实验复杂，风险较大。目前仅仅是初步的功能和性能实验，后续将继续开展一些关键的闭环实验，以充分验证MMC型UPQC的综合电能质量补偿性能。