電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)

電力系統(tǒng)是人類到目前為止構(gòu)建的最龐大、最復雜的系統(tǒng), 隨著社會需求的變化、技術(shù)的進步, 它處在不斷發(fā)展、變化和更新之中。當今社會正進入信息時代, 資源、環(huán)境及協(xié)調(diào)發(fā)展已成為社會生活和經(jīng)濟發(fā)展的重要課題。從發(fā)電、輸電、配電到用電的各個環(huán)節(jié), 現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能的量和質(zhì)兩方面的控制都提出了新的要求。本文就電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進行分析論述。

一、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成與特點

電力系統(tǒng)是為電能的產(chǎn)生、輸送、分配與應(yīng)用而構(gòu)建成的人工系統(tǒng)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括發(fā)電機、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的用電設(shè)備及保護與控制設(shè)備。這些設(shè)備通過適當?shù)姆绞竭M行連接, 組成有機整體, 確保電力系統(tǒng)在任何時刻都能夠產(chǎn)生數(shù)量充足的電能滿足系統(tǒng)負荷的要求。系統(tǒng)運行的目標在于以最小的運行成本、最大的運行可靠性、最高的電能變換效率, 實現(xiàn)電能的產(chǎn)生、傳輸與應(yīng)用。

電力系統(tǒng)依據(jù)電能的流程可劃分為四個組成部分發(fā)電、輸電、配電和用電。發(fā)電部分實現(xiàn)各種一次能源到電能的轉(zhuǎn)換, 傳統(tǒng)發(fā)電方式多通過儲備水壩的形成, 煤的儲存實現(xiàn)一次能源轉(zhuǎn)換過程中的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的發(fā)電機組以嚴格同步方式連接到一起, 通過功角與出口電壓的調(diào)節(jié)實現(xiàn)輸出有功與無功的調(diào)整。由于受自然條件和環(huán)境因素的限制,這些發(fā)電廠通常位于遠離負荷中心,因而采用高電壓等級輸電成為電力系統(tǒng)輸電的主要形式。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在可控特性方面的主要特點可歸納如下：

1.由于目前的技術(shù)還不能實現(xiàn)大規(guī)模電磁形式的電能存儲, 因而電力系統(tǒng)電能的發(fā)生、傳輸和應(yīng)用必須同時完成, 不平衡的出現(xiàn)意味著系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性受到干擾;

2.各發(fā)電機組間必須嚴格保持同步。由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的發(fā)電機組以同步方式連接到電網(wǎng), 機組間的失步就意味著功率的振蕩甚至穩(wěn)定的破壞;

3.電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的潮流只能由系統(tǒng)阻抗決定, 改變變壓器分接頭,可以在一定范圍內(nèi)改變潮流, 但很難滿足系統(tǒng)對潮流控制準確性、快速性及頻繁調(diào)節(jié)的要求;

4.供電模式單一。不同負荷對供電的可靠性要求不同, 對電能質(zhì)量的要求不同。傳統(tǒng)配電系統(tǒng)中, 僅提供電網(wǎng)的電力, 缺少針對不同負荷提供不同后備電源的供電方式;

5.電能質(zhì)量控制主要以靜態(tài)調(diào)節(jié)為主。如通過機械開關(guān)分組投切電容器通過有載分接頭的配電變壓器調(diào)節(jié)負荷的電壓。這些調(diào)節(jié)方式無法滿足負荷對精確、動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的需求;

6.用電負荷電能利用調(diào)節(jié)性能較差, 電能利用率較低, 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的負荷多將電網(wǎng)提供的電能直接轉(zhuǎn)化為機械能、熱能、光能等。如直接驅(qū)動的異步電動機、白熾燈、工頻電爐等。這些轉(zhuǎn)換設(shè)備的電能利用數(shù)量和質(zhì)量通常由系統(tǒng)電壓和頻率決定,缺少有效調(diào)節(jié)手段。

二、電力系統(tǒng)柔性化的必要性

電力系統(tǒng)作為人類到目前為止是構(gòu)建的最龐大、最復雜的系統(tǒng), 隨著社會需求的變化、技術(shù)的進步, 它處在不斷發(fā)展、變化和更新之中。當今社會正進入信息時代, 資源、環(huán)境及協(xié)調(diào)發(fā)展已成為社會生活和經(jīng)濟發(fā)展的重要課題。這個時代對電力系統(tǒng)的需求呈現(xiàn)出一系列新的特點：

1.可控性好、形式多樣的發(fā)電系統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制要求發(fā)電機組裝設(shè)響應(yīng)快、精度高、調(diào)節(jié)更靈活的勵磁系統(tǒng)。

近年來, 電力系統(tǒng)負荷率平均負荷率最大負荷功率呈現(xiàn)逐年下降的趨勢, 而大型火電機組、大容量核能機組等出力調(diào)節(jié)困難的電廠又得到了快速的發(fā)展, 這就對整個電力系統(tǒng)出力的調(diào)節(jié)提出了越來越大的要求。

可再生能源的發(fā)展要求對風力、太陽能發(fā)電等這些波動性很強的電能的生產(chǎn)及并網(wǎng)進行控制;

2.潮流可控、安全穩(wěn)定的輸電系統(tǒng)

電力市場的發(fā)展將出現(xiàn)對電網(wǎng)潮流可控的要求。

實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置、遠距離、大功率、高電壓電能的傳輸對潮流控制、無功功率的動態(tài)調(diào)整、線路阻抗的動態(tài)補償?shù)忍岢龈叩囊?

3.模式多樣、質(zhì)最可控的配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)的模式是指電力用戶除可以從主電網(wǎng)獲得電能外, 也可因可靠性、自然資源、能源的充分利用等原因, 從熱電聯(lián)產(chǎn)的小型透平發(fā)電機、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等分布式電源,電池、電容、超導等儲能設(shè)備獲得電能。電能質(zhì)量的控制則有兩個方面的需求一是確保供給用戶的電能的電壓, 頻率, 平衡度及波形滿足要求;二是用電設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波、負序、沖擊等電流應(yīng)進行控制, 滿足標準要求;

4.調(diào)節(jié)性好、高效節(jié)能的用電系統(tǒng)

用電設(shè)備并非工作在電網(wǎng)的固定頻率, 固定電壓下特性最好、效率最高。當用電設(shè)備所驅(qū)動的負載發(fā)生變化或電力系統(tǒng)電壓、頻率等電氣量發(fā)生變化時, 用電設(shè)備應(yīng)能對用電過程進行調(diào)節(jié), 對電功率的形式和數(shù)量進行控制, 使用電設(shè)備工作在性能最佳、效率最高的狀態(tài)。

以上分析表明, 從發(fā)電、輸電、配電到用電的各個環(huán)節(jié), 現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能的量和質(zhì)兩方面的控制都提出了新的要求。

三、柔性電力技術(shù)的概念、分類和應(yīng)用示例

電力系統(tǒng)的發(fā)展對電能的靈活調(diào)節(jié)不斷提出新的要求, 而更高性能的調(diào)節(jié)手段又對電力系統(tǒng)中電能的產(chǎn)生、輸送與應(yīng)用帶來積極的變化?；谡鳂虻陌l(fā)電機勵磁裝置代替直流發(fā)電機勵磁, 使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)控制中的響應(yīng)速度、精確度大大提高。直流輸電的應(yīng)用改變了電網(wǎng)互聯(lián)僅限于交流的格局, 為大容量功率的遠距離輸送、大區(qū)域電網(wǎng)、不同頻率電網(wǎng)間的互聯(lián)提供了有效手段。柔性交流輸電FACT的提出和實施為交流系統(tǒng)參數(shù)、無功調(diào)節(jié)、輸送能力、動態(tài)穩(wěn)定給出了新的解決方案。用戶電力技術(shù)(Customer Power)則是配網(wǎng)層上基于電能質(zhì)量控制的技術(shù), 能夠滿足不同用戶對不同電能質(zhì)量的需求。變頻調(diào)速、中頻電爐、電子鎮(zhèn)流器技術(shù)的發(fā)展則是在用電設(shè)備中實現(xiàn)對電能的變換與控制。

上述技術(shù)的發(fā)展正是柔性電力技術(shù)思路的體現(xiàn)。這些技術(shù)的核心是電力電子技術(shù)的應(yīng)用。本書中,柔性電力技術(shù)定義為基于電力電子技術(shù)在電能的產(chǎn)生、輸送與應(yīng)用各個環(huán)節(jié)對電能的數(shù)量和形態(tài)進行快速、精確控制的技術(shù)。柔性電力技術(shù)實施的核心是電力電子技術(shù),但并不限于電力電子技術(shù), 儲能技術(shù)、分布式電源技術(shù)、信息處理與控制技術(shù)等與柔性電力技術(shù)都是密不可分的。相關(guān)內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)中討論。

基于柔性電力技術(shù)構(gòu)成的電力系統(tǒng)的示意如圖所示。下面依據(jù)不同領(lǐng)域?qū)θ嵝噪娏夹g(shù)的具體應(yīng)用給予簡要說明：

1.發(fā)電領(lǐng)域中的柔性化技術(shù)

· 可變速抽水蓄能技術(shù)(ASPC)?？勺兯俪樗钅軝C組采用交一交變頻器, 將系統(tǒng)工頻50Hz/60Hz變?yōu)檗D(zhuǎn)子滑差對應(yīng)的頻率作用于轉(zhuǎn)子繞組進行勵磁, 實現(xiàn)機組的非同步運行。這一技術(shù)也有用于火電機組的報導。對于電力系統(tǒng)的頻率控制與穩(wěn)定控制有積極的作用, 體現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)的柔性化思路。

· 風力發(fā)電中的雙饋感應(yīng)發(fā)電技術(shù)(DFIG)。基本原理與結(jié)構(gòu)與可變速抽水蓄能相似, 通常功率較小, 滑差調(diào)節(jié)范圍更大。為實現(xiàn)控制的靈活性, 功率器件通常采用全控器件。

· 太陽能發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)技術(shù)(PC)。太陽能電池所產(chǎn)生的電能隨太陽光強、環(huán)境溫度及負載情況會發(fā)生變化, 太陽能發(fā)電系統(tǒng)中必須加入功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)以實現(xiàn)控制、保護、降低損耗及盡可能地使系統(tǒng)工作在太陽能最大發(fā)電狀態(tài)。功率調(diào)節(jié)通常包括阻斷二極管、直流一直流斬波器及直流一交流逆變器。

· 靜止勵磁系統(tǒng)(SE)。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)經(jīng)歷了直流勵磁方式, 交流勵磁方式。目前越來越多的采用靜止勵磁方式。靜止勵磁方式中整個勵磁回路無旋轉(zhuǎn)部件。核心電路是由可控交流一直流變換電路。由于能夠幾乎瞬間地響應(yīng)各控制量, 對提高電力系統(tǒng)的控制性能發(fā)揮很大作用。

· 隨著能源利用形態(tài)的變化和供電模式的多樣化, 新的發(fā)電方式不斷出現(xiàn)。這些發(fā)電方式往往都存在功率控制、效率改善及平穩(wěn)并網(wǎng)等問題,因此都能找到柔性電力技術(shù)發(fā)揮作用的場所。

2.輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)

· 高壓直流輸電(HVDC)。高壓直流輸電通常采用可控整流和有源逆變的方式實現(xiàn)兩個交流電網(wǎng)的互聯(lián)。不僅可以實現(xiàn)電能大容量、遠距離的傳送、兩區(qū)域電網(wǎng)非同步互聯(lián), 還可通過控制實現(xiàn)功率的緊急援助、抑制低頻振蕩、提高交流系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性等。

· 靜止無功補償器(SVC)。通過控制晶閘管的導通角, 調(diào)節(jié)整個裝置的等效阻抗, 從而可給系統(tǒng)注入無功或吸收無功, 是目前基于電力電子技術(shù)制作的容量較大的靜止無功補償設(shè)備。

· 靜止無功發(fā)生器(SVG), 又稱STATCOM?；谌仄骷碾妷盒湍孀兤鳂?gòu)成。具有響應(yīng)速度快、諧波小, 調(diào)節(jié)性能好等特點, 是一類非常有前景的靜止無功補償設(shè)備。

· 可控串聯(lián)補償設(shè)備(TCSC)。其工作原理于相仿, 但串接在線路中, 從而動態(tài)調(diào)節(jié)線路的等效阻抗, 對提高交流輸電線的傳輸能力、抑制低頻振蕩和次同步振蕩都由積極作用。

· 統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)。統(tǒng)一潮流控制器是并聯(lián)補償和串聯(lián)補償?shù)慕Y(jié)合。并聯(lián)部分通常由不控或半控器件構(gòu)成, 串聯(lián)部分則由全控器件構(gòu)建。通過在交流輸電線路中注入大小與相位都可控的等效電源。改變電網(wǎng)的潮流分布, 同時, 在電網(wǎng)的穩(wěn)定控制中發(fā)揮積極作用。

· 大容量超導儲能系統(tǒng)(SMES)。在前述的直流環(huán)節(jié)增加, 就使得串聯(lián)部分注入電網(wǎng)的有功、無功均可控, 即可吸收也可發(fā)出, 可進一步提高電力系統(tǒng)控制的靈活性。當然也可為其他可能的大容量快速響應(yīng)的儲能設(shè)備所替代。

· 靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)。通常采用多電平電壓源型逆變器, 將直流電壓逆變?yōu)榕c系統(tǒng)頻率一致的交流電壓, 通過串聯(lián)變壓器接入輸電線路。直流側(cè)多采用電容器, 因此逆變器除從電網(wǎng)吸收裝置線路、器件的損耗外, 主要與電網(wǎng)進行無功功率的交換。

3.配電網(wǎng)中的柔性化技術(shù)

· 配網(wǎng)靜止無功補償器(D-SVC)。其工作原理與輸電網(wǎng)中的SVC相同, 一通常直接用于波動負載的補償, 要求響應(yīng)速度快且多為小商家購進, 造價不能太高。

· 配網(wǎng)靜止無補償發(fā)生器(D-SVG)。其工作原理與輸電系統(tǒng)中的SVG相同。具體實現(xiàn)時的拓撲結(jié)構(gòu)依據(jù)電壓等級和響應(yīng)要求有些變化。

· 有源電力濾波器(APF)。有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)與D-SVG相似。控制方法上采用補償負載電流與正弦基波電流的差值為目標, 實現(xiàn)諧波的動態(tài)消減。

· 固態(tài)斷路器(SCB)。這類斷路器使用電力電子器件, 實現(xiàn)不同電源間的快速切換。為降低功耗, 這類開關(guān)同時并接有機械開關(guān), 電力電子開關(guān)用作電路的快速切換, 機械電力電子開關(guān)用作正常工作時電流的流通。

· 輕型直流輸電(HVDC)。輕型直流輸電采用全控器件, 按基于電壓源方式的逆變器構(gòu)成變換電路,可用于弱受端電網(wǎng)或受端無電源的系統(tǒng)的供電, 孤島、城區(qū)等環(huán)境的供電中有發(fā)展前景。

· 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與前述的UPFC類似, 依據(jù)電壓等級不同, 可有不同的拓撲形式。串聯(lián)電壓的注入方式也可以是變壓器的方式、電容器的方式或直接方式。DVR在配電系統(tǒng)中主要用于電壓暫降的抑制和電壓諧波的補償。

·配電系統(tǒng)用超導儲能(D-SMES)。將超導儲能設(shè)備連接于DVR的直流側(cè), 則串聯(lián)部分可注入有功功率, 實現(xiàn)較嚴重的暫降甚至短時中斷的補償。

· 不間斷電源(UPS)。交流不間斷電源的楊合是通過整流電路對儲能元件充電, 通過逆變電路從儲能元件中提取能量, 以負載所要求的交流電源方式供電。隨著信息時代重要電力用戶的增加,UPS的應(yīng)用呈快速上升的趨勢。

· 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQR)的結(jié)構(gòu)與前述配網(wǎng)中的DSMES相似, 儲能部分目前采用電池或超級電容較為普遍。UPQR通常直接與敏感負荷連接, 可對電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的幾乎所有電能質(zhì)量問題進行調(diào)節(jié)。

4.用電設(shè)備的柔性化技術(shù)

用電設(shè)備通過各種各樣的電力負荷將電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量而消耗掉。因此, 電力負荷是電力系統(tǒng)的重要組成部分。電動機的變頻調(diào)速VFD、中頻感應(yīng)加熱MFIH、電力電子鎮(zhèn)流器EB、開關(guān)電源SMPS等都是用電環(huán)節(jié)電力電子技術(shù)應(yīng)用的示例。嚴格意義上講, 這一領(lǐng)域不屬于電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的范疇, 然而,從電力系統(tǒng)的角度看, 電力電子技術(shù)的應(yīng)用, 在很大程度上改變了用電方式, 改變了負荷特性, 對電力系統(tǒng)的設(shè)計、分析與運行帶來新的變化。

四、電力電子器件的基本特性與發(fā)展

柔性電力技術(shù)的實現(xiàn)依賴于電力電子技術(shù)的發(fā)展。而電力電子技術(shù)包括器件、電路與系統(tǒng)三個層次。其中器件的發(fā)展和應(yīng)用是整個電力電子技術(shù)的基石。本節(jié)主要針對電力電子器件進行一些說明和討論。

所謂“ 完美” 的大功率器件到目前為止還未出現(xiàn), 但新的器件不斷獲得應(yīng)用, 給電能的靈活控制帶來新的更好的手段。這些器件雖然五花八門,特性各異, 但依據(jù)控制方式可分為下述三類:

1.不可控器件二極管就屬于此類器件, 其導通與截止由外電路決定。

2.半控器件晶閘管, 在以前又稱為可控硅SCR, 就是半控器件, 它可在正向偏置時通過門極加信號導通。而其關(guān)斷是不可控的, 只能通過外電路的作用關(guān)斷。長期以來,不具備自關(guān)斷功能的晶閘管, 由于其容量大, 過載能力強, 所以被廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)直流輸電、BTB、SVC等電力領(lǐng)域。

3.全控器件。在過去的20多年里, 有多種全控器件獲得實用。這類器件通過門極控制既可以導通也可以關(guān)斷。典型的器件如雙極結(jié)型晶體管BJT、金屬氧化物半導體場效應(yīng)管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT、門極可關(guān)斷晶閘管GTO等。近年來, 由于GTO、IGBT等全控器件容量不斷增大(圖2), 這類器件開始應(yīng)用于靜止無功發(fā)生器STATCOM、統(tǒng)一潮流控制器UPFC、可變速抽水蓄能、器件換相型直流輸電等電力系統(tǒng)領(lǐng)域中來。而且隨著像IGCT、IEGT、SI晶閘管、SiC材料器件等低功耗、高頻化全控電力電子器件趨于實用化, 我們有理由期待全控電力電子器件將更廣泛地應(yīng)用到柔性電力技術(shù)應(yīng)用的各個領(lǐng)域中。

電力系統(tǒng)柔性化技術(shù)的實現(xiàn)還與大規(guī)模儲能技術(shù)的實用化、高性能控制與信息技術(shù)的發(fā)展密不可分。這兩方面技術(shù)的都處在日新月異的發(fā)展當中, 有望與電力電子技術(shù)結(jié)合, 實現(xiàn)電力系統(tǒng)的柔性化控制。

五、結(jié)語

隨著電能利用形態(tài)和規(guī)模的發(fā)展,現(xiàn)代社會對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定與供電質(zhì)量的要求日益提高。電力系統(tǒng)越來越需要能夠?qū)ζ鋽?shù)量和質(zhì)量可以靈活控制的電力技術(shù)。以現(xiàn)代電力電子技術(shù)為核心的電能變換與控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用, 即本文所稱的柔性電力技術(shù)使這一目標成為可能。柔性電力技術(shù)已開始應(yīng)用于發(fā)電、輸電、配電與用電的各個環(huán)節(jié)并得到快速發(fā)展, 正在電力的安全、穩(wěn)定、高效、靈活的控制中發(fā)揮著重要作用。

柔性電力技術(shù)從本質(zhì)上講, 是通過電力變換方式對電能的數(shù)量和質(zhì)量進行調(diào)節(jié)和控制的技術(shù), 本文圍繞這一主題, 在分析傳統(tǒng)控制技術(shù)的局限性的基礎(chǔ)上, 從發(fā)電、輸電、配電到用電這四個電能流通的環(huán)節(jié), 介紹了柔性電力技術(shù)的構(gòu)成和作用。隨著電力電子器件向著處理功率能力更大、功耗更低、頻率更高方向的發(fā)展, 以及儲能技術(shù)、控制技術(shù)的進步, 電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)將會得到更快、更廣的應(yīng)用。在電力系統(tǒng)安全、高效運行中發(fā)揮更大的作用。