電力系統的柔性化技術(shù)

電力系統是人類(lèi)到目前為止構建的最龐大、最復雜的系統, 隨著(zhù)社會(huì )需求的變化、技術(shù)的進(jìn)步, 它處在不斷發(fā)展、變化和更新之中。當今社會(huì )正進(jìn)入信息時(shí)代, 資源、環(huán)境及協(xié)調發(fā)展已成為社會(huì )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(gè)環(huán)節, 現代電力系統對電能的量和質(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)在電力系統中的應用進(jìn)行分析論述。

一、傳統電力系統的構成與特點(diǎn)

電力系統是為電能的產(chǎn)生、輸送、分配與應用而構建成的人工系統。傳統電力系統的構成主要包括發(fā)電機、變壓器、傳輸線(xiàn)、電纜、電容器組、直接實(shí)現電能轉換的用電設備及保護與控制設備。這些設備通過(guò)適當的方式進(jìn)行連接, 組成有機整體, 確保電力系統在任何時(shí)刻都能夠產(chǎn)生數量充足的電能滿(mǎn)足系統負荷的要求。系統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(shí)現電能的產(chǎn)生、傳輸與應用。

電力系統依據電能的流程可劃分為四個(gè)組成部分發(fā)電、輸電、配電和用電。發(fā)電部分實(shí)現各種一次能源到電能的轉換, 傳統發(fā)電方式多通過(guò)儲備水壩的形成, 煤的儲存實(shí)現一次能源轉換過(guò)程中的穩定性。傳統電力系統中的發(fā)電機組以嚴格同步方式連接到一起, 通過(guò)功角與出口電壓的調節實(shí)現輸出有功與無(wú)功的調整。由于受自然條件和環(huán)境因素的限制,這些發(fā)電廠(chǎng)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輸電的主要形式。

傳統電力系統在可控特性方面的主要特點(diǎn)可歸納如下：

1.由于目前的技術(shù)還不能實(shí)現大規模電磁形式的電能存儲, 因而電力系統電能的發(fā)生、傳輸和應用必須同時(shí)完成, 不平衡的出現意味著(zhù)系統運行的穩定性受到干擾;

2.各發(fā)電機組間必須嚴格保持同步。由于傳統電力系統中的發(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(zhù)功率的振蕩甚至穩定的破壞;

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

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。傳統配電系統中, 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)調節為主。如通過(guò)機械開(kāi)關(guān)分組投切電容器通過(guò)有載分接頭的配電變壓器調節負荷的電壓。這些調節方式無(wú)法滿(mǎn)足負荷對精確、動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節的需求;

6.用電負荷電能利用調節性能較差, 電能利用率較低, 傳統電力系統中的負荷多將電網(wǎng)提供的電能直接轉化為機械能、熱能、光能等。如直接驅動(dòng)的異步電動(dòng)機、白熾燈、工頻電爐等。這些轉換設備的電能利用數量和質(zhì)量通常由系統電壓和頻率決定,缺少有效調節手段。

二、電力系統柔性化的必要性

電力系統作為人類(lèi)到目前為止是構建的最龐大、最復雜的系統, 隨著(zhù)社會(huì )需求的變化、技術(shù)的進(jìn)步, 它處在不斷發(fā)展、變化和更新之中。當今社會(huì )正進(jìn)入信息時(shí)代, 資源、環(huán)境及協(xié)調發(fā)展已成為社會(huì )生活和經(jīng)濟發(fā)展的重要課題。這個(gè)時(shí)代對電力系統的需求呈現出一系列新的特點(diǎn)：

1.可控性好、形式多樣的發(fā)電系統電力系統的穩定控制要求發(fā)電機組裝設響應快、精度高、調節更靈活的勵磁系統。

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

可再生能源的發(fā)展要求對風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電等這些波動(dòng)性很強的電能的生產(chǎn)及并網(wǎng)進(jìn)行控制;

2.潮流可控、安全穩定的輸電系統

電力市場(chǎng)的發(fā)展將出現對電網(wǎng)潮流可控的要求。

實(shí)現資源的最優(yōu)配置、遠距離、大功率、高電壓電能的傳輸對潮流控制、無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)調整、線(xiàn)路阻抗的動(dòng)態(tài)補償等提出更高的要求;

3.模式多樣、質(zhì)最可控的配電系統

配電系統的模式是指電力用戶(hù)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(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式電源,電池、電容、超導等儲能設備獲得電能。電能質(zhì)量的控制則有兩個(gè)方面的需求一是確保供給用戶(hù)的電能的電壓, 頻率, 平衡度及波形滿(mǎn)足要求;二是用電設備注入電網(wǎng)的諧波、負序、沖擊等電流應進(jìn)行控制, 滿(mǎn)足標準要求;

4.調節性好、高效節能的用電系統

用電設備并非工作在電網(wǎng)的固定頻率, 固定電壓下特性最好、效率最高。當用電設備所驅動(dòng)的負載發(fā)生變化或電力系統電壓、頻率等電氣量發(fā)生變化時(shí), 用電設備應能對用電過(guò)程進(jìn)行調節, 對電功率的形式和數量進(jìn)行控制, 使用電設備工作在性能最佳、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(gè)環(huán)節, 現代電力系統對電能的量和質(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(lèi)和應用示例

電力系統的發(fā)展對電能的靈活調節不斷提出新的要求, 而更高性能的調節手段又對電力系統中電能的產(chǎn)生、輸送與應用帶來(lái)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, 使系統在穩態(tài)與暫態(tài)控制中的響應速度、精確度大大提高。直流輸電的應用改變了電網(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(shí)施為交流系統參數、無(wú)功調節、輸送能力、動(dòng)態(tài)穩定給出了新的解決方案。用戶(hù)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(mǎn)足不同用戶(hù)對不同電能質(zhì)量的需求。變頻調速、中頻電爐、電子鎮流器技術(shù)的發(fā)展則是在用電設備中實(shí)現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。這些技術(shù)的核心是電力電子技術(shù)的應用。本書(shū)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、輸送與應用各個(gè)環(huán)節對電能的數量和形態(tài)進(jìn)行快速、精確控制的技術(shù)。柔性電力技術(shù)實(shí)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)內容將在后續章節中討論。

基于柔性電力技術(shù)構成的電力系統的示意如圖所示。下面依據不同領(lǐng)域對柔性電力技術(shù)的具體應用給予簡(jiǎn)要說(shuō)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, 將系統工頻50Hz/60Hz變?yōu)檗D子滑差對應的頻率作用于轉子繞組進(jìn)行勵磁, 實(shí)現機組的非同步運行。這一技術(shù)也有用于火電機組的報導。對于電力系統的頻率控制與穩定控制有積極的作用, 體現了發(fā)電系統的柔性化思路。

· 風(fēng)力發(fā)電中的雙饋感應發(fā)電技術(shù)(DFIG)?；驹砼c結構與可變速抽水蓄能相似, 通常功率較小, 滑差調節范圍更大。為實(shí)現控制的靈活性, 功率器件通常采用全控器件。

· 太陽(yáng)能發(fā)電中的功率調節技術(shù)(PC)。太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電能隨太陽(yáng)光強、環(huán)境溫度及負載情況會(huì )發(fā)生變化, 太陽(yáng)能發(fā)電系統中必須加入功率調節環(huán)節以實(shí)現控制、保護、降低損耗及盡可能地使系統工作在太陽(yáng)能最大發(fā)電狀態(tài)。功率調節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(SE)。同步發(fā)電機的勵磁系統經(jīng)歷了直流勵磁方式, 交流勵磁方式。目前越來(lái)越多的采用靜止勵磁方式。靜止勵磁方式中整個(gè)勵磁回路無(wú)旋轉部件。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各控制量, 對提高電力系統的控制性能發(fā)揮很大作用。

· 隨著(zhù)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。這些發(fā)電方式往往都存在功率控制、效率改善及平穩并網(wǎng)等問(wèn)題,因此都能找到柔性電力技術(shù)發(fā)揮作用的場(chǎng)所。

2.輸電環(huán)節的柔性化技術(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(shí)現兩個(gè)交流電網(wǎng)的互聯(lián)。不僅可以實(shí)現電能大容量、遠距離的傳送、兩區域電網(wǎng)非同步互聯(lián), 還可通過(guò)控制實(shí)現功率的緊急援助、抑制低頻振蕩、提高交流系統的動(dòng)態(tài)穩定性等。

· 靜止無(wú)功補償器(SVC)。通過(guò)控制晶閘管的導通角, 調節整個(gè)裝置的等效阻抗, 從而可給系統注入無(wú)功或吸收無(wú)功, 是目前基于電力電子技術(shù)制作的容量較大的靜止無(wú)功補償設備。

· 靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG), 又稱(chēng)STATCOM?；谌仄骷碾妷盒湍孀兤鳂嫵?。具有響應速度快、諧波小, 調節性能好等特點(diǎn), 是一類(lèi)非常有前景的靜止無(wú)功補償設備。

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

· 統一潮流控制器(UPFC)。統一潮流控制器是并聯(lián)補償和串聯(lián)補償的結合。并聯(lián)部分通常由不控或半控器件構成, 串聯(lián)部分則由全控器件構建。通過(guò)在交流輸電線(xiàn)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(shí), 在電網(wǎng)的穩定控制中發(fā)揮積極作用。

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

· 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系統頻率一致的交流電壓, 通過(guò)串聯(lián)變壓器接入輸電線(xiàn)路。直流側多采用電容器, 因此逆變器除從電網(wǎng)吸收裝置線(xiàn)路、器件的損耗外, 主要與電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)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(wú)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(dòng)負載的補償, 要求響應速度快且多為小商家購進(jìn), 造價(jià)不能太高。

· 配網(wǎng)靜止無(wú)補償發(fā)生器(D-SVG)。其工作原理與輸電系統中的SVG相同。具體實(shí)現時(shí)的拓撲結構依據電壓等級和響應要求有些變化。

· 有源電力濾波器(APF)。有源電力濾波器的拓撲結構與D-SVG相似?？刂品椒ㄉ喜捎醚a償負載電流與正弦基波電流的差值為目標, 實(shí)現諧波的動(dòng)態(tài)消減。

· 固態(tài)斷路器(SCB)。這類(lèi)斷路器使用電力電子器件, 實(shí)現不同電源間的快速切換。為降低功耗, 這類(lèi)開(kāi)關(guān)同時(shí)并接有機械開(kāi)關(guān), 電力電子開(kāi)關(guān)用作電路的快速切換, 機械電力電子開(kāi)關(guān)用作正常工作時(shí)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成變換電路,可用于弱受端電網(wǎng)或受端無(wú)電源的系統的供電, 孤島、城區等環(huán)境的供電中有發(fā)展前景。

· 動(dòng)態(tài)電壓調節器(DVR)。動(dòng)態(tài)電壓調節器的結構與前述的UPFC類(lèi)似, 依據電壓等級不同, 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在配電系統中主要用于電壓暫降的抑制和電壓諧波的補償。

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

· 不間斷電源(UPS)。交流不間斷電源的楊合是通過(guò)整流電路對儲能元件充電, 通過(guò)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(zhù)信息時(shí)代重要電力用戶(hù)的增加,UPS的應用呈快速上升的趨勢。

· 統一電能質(zhì)量調節器(UPQR)的結構與前述配網(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, 可對電力系統中出現的幾乎所有電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行調節。

4.用電設備的柔性化技術(shù)

用電設備通過(guò)各種各樣的電力負荷將電能轉化成其他形式的能量而消耗掉。因此, 電力負荷是電力系統的重要組成部分。電動(dòng)機的變頻調速VFD、中頻感應加熱MFIH、電力電子鎮流器EB、開(kāi)關(guān)電源SMPS等都是用電環(huán)節電力電子技術(shù)應用的示例。嚴格意義上講, 這一領(lǐng)域不屬于電力電子技術(shù)在電力系統中應用的范疇, 然而,從電力系統的角度看, 電力電子技術(shù)的應用, 在很大程度上改變了用電方式, 改變了負荷特性, 對電力系統的設計、分析與運行帶來(lái)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(shí)現依賴(lài)于電力電子技術(shù)的發(fā)展。而電力電子技術(shù)包括器件、電路與系統三個(gè)層次。其中器件的發(fā)展和應用是整個(gè)電力電子技術(shù)的基石。本節主要針對電力電子器件進(jìn)行一些說(shuō)明和討論。

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

1.不可控器件二極管就屬于此類(lèi)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(chēng)為可控硅SCR, 就是半控器件, 它可在正向偏置時(shí)通過(guò)門(mén)極加信號導通。而其關(guān)斷是不可控的, 只能通過(guò)外電路的作用關(guān)斷。長(cháng)期以來(lái),不具備自關(guān)斷功能的晶閘管, 由于其容量大, 過(guò)載能力強, 所以被廣泛應用在傳統直流輸電、BTB、SVC等電力領(lǐng)域。

3.全控器件。在過(guò)去的20多年里, 有多種全控器件獲得實(shí)用。這類(lèi)器件通過(guò)門(mén)極控制既可以導通也可以關(guān)斷。典型的器件如雙極結型晶體管BJT、金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO等。近年來(lái), 由于GTO、IGBT等全控器件容量不斷增大(圖2), 這類(lèi)器件開(kāi)始應用于靜止無(wú)功發(fā)生器STATCOM、統一潮流控制器UPFC、可變速抽水蓄能、器件換相型直流輸電等電力系統領(lǐng)域中來(lái)。而且隨著(zhù)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(shí)用化, 我們有理由期待全控電力電子器件將更廣泛地應用到柔性電力技術(shù)應用的各個(gè)領(lǐng)域中。

電力系統柔性化技術(shù)的實(shí)現還與大規模儲能技術(shù)的實(shí)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)結合, 實(shí)現電力系統的柔性化控制。

五、結語(yǔ)

隨著(zhù)電能利用形態(tài)和規模的發(fā)展,現代社會(huì )對電力系統安全穩定與供電質(zhì)量的要求日益提高。電力系統越來(lái)越需要能夠對其數量和質(zhì)量可以靈活控制的電力技術(shù)。以現代電力電子技術(shù)為核心的電能變換與控制技術(shù)在電力系統中的應用, 即本文所稱(chēng)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(kāi)始應用于發(fā)電、輸電、配電與用電的各個(gè)環(huán)節并得到快速發(fā)展, 正在電力的安全、穩定、高效、靈活的控制中發(fā)揮著(zhù)重要作用。

柔性電力技術(shù)從本質(zhì)上講, 是通過(guò)電力變換方式對電能的數量和質(zhì)量進(jìn)行調節和控制的技術(shù), 本文圍繞這一主題, 在分析傳統控制技術(shù)的局限性的基礎上, 從發(fā)電、輸電、配電到用電這四個(gè)電能流通的環(huán)節, 介紹了柔性電力技術(shù)的構成和作用。隨著(zhù)電力電子器件向著(zhù)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(jìn)步, 電力系統的柔性化技術(shù)將會(huì )得到更快、更廣的應用。在電力系統安全、高效運行中發(fā)揮更大的作用。