電力系統(tǒng)的柔性化技術

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在電力系統(tǒng)中的應用進行分析論述。

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)換的用電設備及保護與控制設備。這些設備通過適當?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)電機組裝設響應快、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;二是用電設備注入電網(wǎng)的諧波、負序、沖擊等電流應進行控制, 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(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, 用電設備應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、柔性電力技術的概念、分類和應用示例

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、輸送與應用帶來積極的變化。基于整流橋的發(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(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(Customer Power)則是配網(wǎng)層上基于電能質(zhì)量控制的技術, 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)流器技術的發(fā)展則是在用電設備中實現(xiàn)對電能的變換與控制。

上述技術的發(fā)展正是柔性電力技術思路的體現(xiàn)。這些技術的核心是電力電子技術的應用。本書中,柔性電力技術定義為基于電力電子技術在電能的產(chǎn)生、輸送與應用各個環(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。柔性電力技術實施的核心是電力電子技術,但并不限于電力電子技術, 儲能技術、分布式電源技術、信息處理與控制技術等與柔性電力技術都是密不可分的。相關內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)中討論。

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

1.發(fā)電領域中的柔性化技術

· 可變速抽水蓄能技術(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)電中的雙饋感應發(fā)電技術(DFIG)?；驹砼c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(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發(fā)揮作用的場所。

2.輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術

· 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制作的容量較大的靜止無功補償設備。

· 靜止無功發(fā)生器(SVG), 又稱STATCOM。基于全控器件的電壓型逆變器構(gòu)成。具有響應速度快、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備。

· 可控串聯(lián)補償設備(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(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

· 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?？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, 這類開關同時并接有機械開關, 電力電子開關用作電路的快速切換, 機械電力電子開關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.用電設備的柔性化技術

用電設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、中頻感應加熱MFIH、電力電子鎮(zhèn)流器EB、開關電源SMPS等都是用電環(huán)節(jié)電力電子技術應用的示例。嚴格意義上講, 這一領域不屬于電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用的范疇, 然而,從電力系統(tǒng)的角度看, 電力電子技術的應用, 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(tǒng)的設計、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

柔性電力技術的實現(xiàn)依賴于電力電子技術的發(fā)展。而電力電子技術包括器件、電路與系統(tǒng)三個層次。其中器件的發(fā)展和應用是整個電力電子技術的基石。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。而其關斷是不可控的, 只能通過外電路的作用關斷。長期以來,不具備自關斷功能的晶閘管, 由于其容量大, 過載能力強, 所以被廣泛應用在傳統(tǒng)直流輸電、BTB、SVC等電力領域。

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管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT、門極可關斷晶閘管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用到柔性電力技術應用的各個領域中。

電力系統(tǒng)柔性化技術的實現(xiàn)還與大規(guī)模儲能技術的實用化、高性能控制與信息技術的發(fā)展密不可分。這兩方面技術的都處在日新月異的發(fā)展當中, 有望與電力電子技術結(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。以現(xiàn)代電力電子技術為核心的電能變換與控制技術在電力系統(tǒng)中的應用, 即本文所稱的柔性電力技術使這一目標成為可能。柔性電力技術已開始應用于發(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, 本文圍繞這一主題, 在分析傳統(tǒng)控制技術的局限性的基礎上, 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、控制技術的進步, 電力系統(tǒng)的柔性化技術將會得到更快、更廣的應用。在電力系統(tǒng)安全、高效運行中發(fā)揮更大的作用。