柔性配電與故障電流限制技術(shù)

由變壓器、機(jī)械開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線組成的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在一些難以克服的技術(shù)問(wèn)題, 如短路引起的過(guò)電流與電壓驟降危害、重合閘或倒閘操作引起的供電短時(shí)中斷、電壓與功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)等, 而柔性配電技術(shù)、故障電流限制技術(shù)的發(fā)展則為解決這些問(wèn)題提供了技術(shù)手段, 將使配電系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行方式發(fā)生革命性的變化。這兩項(xiàng)技術(shù)對(duì)提高供電質(zhì)量與配電網(wǎng)運(yùn)行效率至關(guān)重要, 也是智能配電網(wǎng)的重要技術(shù)內(nèi)容。

1 柔性配電技術(shù)概述

柔性配電技術(shù)是柔性交流輸電( Flexible ACT ransmission System, FACTS) 技術(shù)在配電網(wǎng)的延伸, 簡(jiǎn)稱為DFACTS( Distribution FACTS) 。FACTS 是利用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位等基本參數(shù)進(jìn)行靈活快速地調(diào)節(jié), 進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的有功和無(wú)功潮流進(jìn)行靈活地控制, 以提高輸電系統(tǒng)的輸送能力與穩(wěn)定水平。作為提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平與運(yùn)行效率的重要技術(shù)手段, FACT S 技術(shù)已在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

智能配電網(wǎng)的一個(gè)重要特征是具有很高的電能質(zhì)量, 能夠?yàn)橛脩籼峁┒ㄖ齐娏? Custom Pow2er) 技術(shù)或定質(zhì)電力。所謂/ 定制0, 是指用戶根據(jù)其負(fù)荷運(yùn)行需要向供電企業(yè)提出的對(duì)供電質(zhì)量的特殊要求, 如要求供電一刻都不能中斷, 沒(méi)有電壓驟降、諧波、電壓波動(dòng)的影響等。而依賴傳統(tǒng)的供電技術(shù)難以滿足用戶的這些特殊要求, 這就需要應(yīng)用DFACT S 技術(shù)對(duì)各種電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行有效地控制。電能質(zhì)量控制是DFACT S 技術(shù)的一種主要的應(yīng)用領(lǐng)域, 鑒于此, 有人將其稱為定制電力技術(shù)。

DFACTS 技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是解決分布式電源( DER) 并網(wǎng)問(wèn)題。一是提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償, 克服風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電功率輸出間歇性的影響, 使配電網(wǎng)在最大程度地接納風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電功率的同時(shí), 保證電壓質(zhì)量與穩(wěn)定性; 二是對(duì)有源配電網(wǎng)( 指分布式電源高度滲透的配電網(wǎng), 見(jiàn)本講座第二講) 的潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制, 優(yōu)化配電網(wǎng)潮流分布, 提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性, 減少損耗。

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展, 電力電子器件容量不斷增大, 成本逐步降低, DFACTS 技術(shù)更加成熟可靠。而DFACT S 設(shè)備的推廣應(yīng)用, 將極大地推動(dòng)智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。可以預(yù)見(jiàn),將來(lái)DFACT S 設(shè)備會(huì)象如今的變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備一樣, 遍布智能配電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

2 柔性配電設(shè)備及其應(yīng)用

本節(jié)介紹目前幾種主要的DFACT S 設(shè)備及其應(yīng)用。

2. 1 固態(tài)開(kāi)關(guān)

固態(tài)開(kāi)關(guān)是應(yīng)用電力電子器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)設(shè)備, 分為固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)( Solid State T ransferSwitch, SSTS) 與固態(tài)斷路器( Solid State Cir cuitBreaker, SSCB) 兩種。它們利用電力電子器件導(dǎo)通與截止速度快的特點(diǎn), 解決傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)( 達(dá)數(shù)個(gè)周波) 帶來(lái)的問(wèn)題。

1) SSTS 是由晶閘管( SCR) 構(gòu)成的負(fù)荷開(kāi)關(guān),可在接到控制命令后數(shù)個(gè)微秒內(nèi)接( 導(dǎo)) 通, 在半個(gè)周波內(nèi)關(guān)斷( 截止) ; 如果用絕緣柵雙極晶體管( IGBT) 代替SCR, 其關(guān)斷時(shí)間也可縮短至幾個(gè)微秒以內(nèi)。SSTS 用于雙電源供電回路的切換, 可避免采用機(jī)械開(kāi)關(guān)倒閘操作引起的較長(zhǎng)時(shí)間供電中斷, 使敏感負(fù)荷的供電不受影響。如圖1 所示的雙電源供電回路, 正常運(yùn)行時(shí), 固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)A 接通, 固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)B 關(guān)斷, 敏感負(fù)荷由電源A 供電, 電源B 處于備用狀態(tài)。在控制系統(tǒng)檢測(cè)到電源A 停電時(shí), 在半個(gè)周波內(nèi)將固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)A 關(guān)斷、固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)B接通, 負(fù)荷在一個(gè)周波內(nèi)轉(zhuǎn)為由電源B 供電, 實(shí)現(xiàn)供電回路的/ 無(wú)縫0轉(zhuǎn)換。

目前, SST S 已有商業(yè)化的產(chǎn)品。

2) SSCB 由門(mén)極可關(guān)斷晶閘管( GTO) 回路和晶閘管( SCR) 加限流電抗器( 或電阻器) 回路兩部分并聯(lián)而成, 如圖2 所示。正常運(yùn)行時(shí), 電流流經(jīng)GTO 支路。電力系統(tǒng)故障時(shí), 流經(jīng)GTO 支路的電流迅速超過(guò)限額, GTO 在半個(gè)周波之內(nèi)關(guān)斷, 故障隨之流經(jīng)SCR 和限流電抗器相串聯(lián)的支路, 達(dá)到限制故障電流的目的。然后SCR 關(guān)斷,完全切斷故障電流。

目前, 對(duì)SSCB 的研究還處在低電壓、小電流斷路器的試驗(yàn)探討階段, 將其實(shí)用化還需進(jìn)行大量的研究工作。

2. 2 靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置( SVC)

SVC 包括晶閘管控制的電抗器( T hyrisatorSwitch Reactor, T SR) 與晶閘管控制的電容器(T hyrisator Switch Capacitor, TSC) 兩種裝置。實(shí)際應(yīng)用中, 也可將兩者結(jié)合使用, 稱為混合式SVC。SVC 通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻來(lái)改變流過(guò)電抗器或電容器的電流, 從而調(diào)節(jié)從系統(tǒng)中吸取或向系統(tǒng)注入的無(wú)功電流, 可以平滑、無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)容性或感性無(wú)功功率, 且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。而常規(guī)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置采用機(jī)械開(kāi)關(guān)投切電容器, 響應(yīng)速度慢, 且不能滿足對(duì)波動(dòng)較頻繁的無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

SVC 廣泛用于抑制軋鋼機(jī)、電弧爐等沖擊性負(fù)荷引起的電壓閃變; 用于電氣化鐵路等場(chǎng)合, 補(bǔ)償不對(duì)稱負(fù)載引起的電壓不平衡; 用于自動(dòng)消弧線圈接地裝置, 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的接地電容電流; 用于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制, 為風(fēng)電場(chǎng)提供快速、連續(xù)地的無(wú)功補(bǔ)償。

2. 3 靜止同步補(bǔ)償器( STATCOM)

STATCOM 又稱靜止無(wú)功發(fā)生裝置( StaticVar Generator, SVG) 。它是一個(gè)基于脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)的無(wú)功功率發(fā)生器, 通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)注入到系統(tǒng)中去的無(wú)功電流, 實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率控制, 從而達(dá)到抑制電壓波動(dòng)、閃變與諧波的目的。STATCOM 克服了SVC 仍然需要配置大容量的電容或電感元件、仍然難以適應(yīng)無(wú)功功率的急劇變化這兩個(gè)缺點(diǎn), 特別適用于沖擊性負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償; 用于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償時(shí), 能夠很好抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)或切機(jī)瞬間引起的電壓波動(dòng),并且在系統(tǒng)故障時(shí), 能夠提高機(jī)端電壓恢復(fù)速度,維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障期間繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行, 為系統(tǒng)提供功率支撐。

STATCOM 在國(guó)內(nèi)外都有一定的應(yīng)用。我國(guó)已開(kāi)發(fā)出 50Mvar 的STATCOM 并投入實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行。但是, 其控制復(fù)雜, 造價(jià)較高, 這限制了它的推廣應(yīng)用。

2. 4 動(dòng)態(tài)不間斷電源(DUPS)

DUPS( Dynamic Uninterrupted Power Sup2ply) 由STATCOM 和一個(gè)直流儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成, 其中STATCOM 作為一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置使用, 在供電中斷時(shí)將儲(chǔ)存的直流能量轉(zhuǎn)換成有功電流,維持一段時(shí)間的供電。

DUPS 作為應(yīng)急后備電源使用, 可防止敏感負(fù)荷因短暫的供電中斷出現(xiàn)不正常。圖3 所示為應(yīng)用DUPS 的配電系統(tǒng)。母線I 上饋線出線采用固態(tài)斷路器SSCB1, 其余饋線仍采用常規(guī)機(jī)械斷路器。DUPS 通過(guò)固態(tài)斷路器SSCB2( 正常情況下處于斷開(kāi)狀態(tài)) 給敏感負(fù)荷供電。當(dāng)負(fù)荷上游任一點(diǎn)發(fā)生故障引起供電中斷時(shí), 在半個(gè)周波時(shí)間內(nèi)SSCB1 斷開(kāi)、SSCB2 投入,DUPS 給敏感負(fù)荷供電, 直至常規(guī)的機(jī)械斷路器切除故障并恢復(fù)正常供電或者將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到無(wú)故障的饋線上去。

2. 5 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer) 由直流儲(chǔ)能電路、功率逆變器( PWM) 和串接在供電線路中的變壓器組成, 如圖4 所示。DVR 在測(cè)出電壓瞬時(shí)降低后, 立即直流電源通過(guò)PWM 輸出交流電壓, 與系統(tǒng)電源電壓相加( 串聯(lián)) , 使負(fù)載上的電壓維持在合格的范圍內(nèi), 直至系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常值。DVR 輸出波形能夠維持一段時(shí)間, 可以補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)下降, 防止電壓驟降給一些敏感負(fù)荷帶來(lái)危害。這種補(bǔ)償方式僅補(bǔ)償電壓的差值, 需要的補(bǔ)償容量小, 且具有補(bǔ)償效果與系統(tǒng)阻抗、負(fù)荷功率因數(shù)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。

DVR 和STATCOM 都是能夠發(fā)出有功功率的電壓補(bǔ)償裝置。DVR 是一種串聯(lián)補(bǔ)償裝置, 主要用于解決電壓驟降的補(bǔ)償問(wèn)題, 目前已用于化工廠、半導(dǎo)體制造等企業(yè)解決電壓驟降問(wèn)題; 而STATCOM 是一種并聯(lián)補(bǔ)償裝置, 用于解決供電中斷問(wèn)題。