柔性配電與故障電流限制技術(shù)

由變壓器、機械開(kāi)關(guān)、導線(xiàn)組成的傳統配電系統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調節等, 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, 將使配電系統的構成與運行方式發(fā)生革命性的變化。這兩項技術(shù)對提高供電質(zhì)量與配電網(wǎng)運行效率至關(guān)重要, 也是智能配電網(wǎng)的重要技術(shù)內容。

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(chēng)為DFACTS( Distribution FACTS) 。FACTS 是利用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)對交流輸電系統的阻抗、電壓、相位等基本參數進(jìn)行靈活快速地調節, 進(jìn)而對系統的有功和無(wú)功潮流進(jìn)行靈活地控制, 以提高輸電系統的輸送能力與穩定水平。作為提高電力系統安全穩定水平與運行效率的重要技術(shù)手段, FACT S 技術(shù)已在電力系統中獲得廣泛應用。

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, 能夠為用戶(hù)提供定制電力( Custom Pow2er) 技術(shù)或定質(zhì)電力。所謂/ 定制0, 是指用戶(hù)根據其負荷運行需要向供電企業(yè)提出的對供電質(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(lài)傳統的供電技術(shù)難以滿(mǎn)足用戶(hù)的這些特殊要求, 這就需要應用DFACT S 技術(shù)對各種電能質(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)的一種主要的應用領(lǐng)域, 鑒于此, 有人將其稱(chēng)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)量與穩定性; 二是對有源配電網(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)行調節與控制, 優(yōu)化配電網(wǎng)潮流分布, 提高配電網(wǎng)運行可靠性, 減少損耗。

隨著(zhù)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 設備的推廣應用, 將極大地推動(dòng)智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展?？梢灶A見(jiàn),將來(lái)DFACT S 設備會(huì )象如今的變壓器、開(kāi)關(guān)設備一樣, 遍布智能配電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節。

2 柔性配電設備及其應用

本節介紹目前幾種主要的DFACT S 設備及其應用。

2. 1 固態(tài)開(kāi)關(guān)

固態(tài)開(kāi)關(guān)是應用電力電子器件構成的開(kāi)關(guān)設備, 分為固態(tài)轉換開(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通與截止速度快的特點(diǎn), 解決傳統機械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(cháng)( 達數個(gè)周波) 帶來(lái)的問(wèn)題。

1) SSTS 是由晶閘管( SCR) 構成的負荷開(kāi)關(guān),可在接到控制命令后數個(gè)微秒內接( 導) 通, 在半個(gè)周波內關(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?xún)?。SSTS 用于雙電源供電回路的切換, 可避免采用機械開(kāi)關(guān)倒閘操作引起的較長(cháng)時(shí)間供電中斷, 使敏感負荷的供電不受影響。如圖1 所示的雙電源供電回路, 正常運行時(shí), 固態(tài)轉換開(kāi)關(guān)A 接通, 固態(tài)轉換開(kāi)關(guān)B 關(guān)斷, 敏感負荷由電源A 供電, 電源B 處于備用狀態(tài)。在控制系統檢測到電源A 停電時(shí), 在半個(gè)周波內將固態(tài)轉換開(kāi)關(guān)A 關(guān)斷、固態(tài)轉換開(kāi)關(guān)B接通, 負荷在一個(gè)周波內轉為由電源B 供電, 實(shí)現供電回路的/ 無(wú)縫0轉換。

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。正常運行時(shí), 電流流經(jīng)GTO 支路。電力系統故障時(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SSCB 的研究還處在低電壓、小電流斷路器的試驗探討階段, 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)際應用中, 也可將兩者結合使用, 稱(chēng)為混合式SVC。SVC 通過(guò)控制晶閘管的導通時(shí)刻來(lái)改變流過(guò)電抗器或電容器的電流, 從而調節從系統中吸取或向系統注入的無(wú)功電流, 可以平滑、無(wú)級地調節容性或感性無(wú)功功率, 且具有較好的動(dòng)態(tài)響應特性。而常規的無(wú)功功率補償裝置采用機械開(kāi)關(guān)投切電容器, 響應速度慢, 且不能滿(mǎn)足對波動(dòng)較頻繁的無(wú)功負荷進(jìn)行連續補償的要求。

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

2. 3 靜止同步補償器( STATCOM)

STATCOM 又稱(chēng)靜止無(wú)功發(fā)生裝置( StaticVar Generator, SVG) 。它是一個(gè)基于脈寬調制( PWM) 技術(shù)的無(wú)功功率發(fā)生器, 通過(guò)自動(dòng)調節注入到系統中去的無(wú)功電流, 實(shí)現對瞬時(shí)無(wú)功功率控制, 從而達到抑制電壓波動(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荷的無(wú)功補償; 用于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償時(shí), 能夠很好抑制風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)或切機瞬間引起的電壓波動(dòng),并且在系統故障時(shí), 能夠提高機端電壓恢復速度,維持風(fēng)力發(fā)電機在故障期間繼續平穩運行, 為系統提供功率支撐。

STATCOM 在國內外都有一定的應用。我國已開(kāi)發(fā)出 50Mvar 的STATCOM 并投入實(shí)際系統運行。但是, 其控制復雜, 造價(jià)較高, 這限制了它的推廣應用。

2. 4 動(dòng)態(tài)不間斷電源(DUPS)

DUPS( Dynamic Uninterrupted Power Sup2ply) 由STATCOM 和一個(gè)直流儲能系統構成, 其中STATCOM 作為一個(gè)信號發(fā)生裝置使用, 在供電中斷時(shí)將儲存的直流能量轉換成有功電流,維持一段時(shí)間的供電。

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

2. 5 動(dòng)態(tài)電壓恢復器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer) 由直流儲能電路、功率逆變器( PWM) 和串接在供電線(xiàn)路中的變壓器組成, 如圖4 所示。DVR 在測出電壓瞬時(shí)降低后, 立即直流電源通過(guò)PWM 輸出交流電壓, 與系統電源電壓相加( 串聯(lián)) , 使負載上的電壓維持在合格的范圍內, 直至系統電壓恢復到正常值。DVR 輸出波形能夠維持一段時(shí)間, 可以補償系統電壓的瞬時(shí)下降, 防止電壓驟降給一些敏感負荷帶來(lái)危害。這種補償方式僅補償電壓的差值, 需要的補償容量小, 且具有補償效果與系統阻抗、負荷功率因數無(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償裝置。DVR 是一種串聯(lián)補償裝置, 主要用于解決電壓驟降的補償問(wèn)題, 目前已用于化工廠(chǎng)、半導體制造等企業(yè)解決電壓驟降問(wèn)題; 而STATCOM 是一種并聯(lián)補償裝置, 用于解決供電中斷問(wèn)題。