柔性配電與故障電流限制技術

由變壓器、機械開關、導線組成的傳統配電系統存在一些難以克服的技術問題, 如短路引起的過電流與電壓驟降危害、重合閘或倒閘操作引起的供電短時中斷、電壓與功率不能連續調節等, 而柔性配電技術、故障電流限制技術的發展則為解決這些問題提供了技術手段, 將使配電系統的構成與運行方式發生革命性的變化。這兩項技術對提高供電質量與配電網運行效率至關重要, 也是智能配電網的重要技術內容。

1 柔性配電技術概述

柔性配電技術是柔性交流輸電( Flexible ACT ransmission System, FACTS) 技術在配電網的延伸, 簡稱為DFACTS( Distribution FACTS) 。FACTS 是利用電力電子技術和控制技術對交流輸電系統的阻抗、電壓、相位等基本參數進行靈活快速地調節, 進而對系統的有功和無功潮流進行靈活地控制, 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手段, FACT S 技術已在電力系統中獲得廣泛應用。

智能配電網的一個重要特征是具有很高的電能質量, 能夠為用戶提供定制電力( Custom Pow2er) 技術或定質電力。所謂/ 定制0, 是指用戶根據其負荷運行需要向供電企業提出的對供電質量的特殊要求, 如要求供電一刻都不能中斷, 沒有電壓驟降、諧波、電壓波動的影響等。而依賴傳統的供電技術難以滿足用戶的這些特殊要求, 這就需要應用DFACT S 技術對各種電能質量問題進行有效地控制。電能質量控制是DFACT S 技術的一種主要的應用領域, 鑒于此, 有人將其稱為定制電力技術。

DFACTS 技術在智能配電網中的另一個應用領域是解決分布式電源( DER) 并網問題。一是提供動態無功補償, 克服風力發電、太陽能發電功率輸出間歇性的影響, 使配電網在最大程度地接納風電、太陽能發電功率的同時, 保證電壓質量與穩定性; 二是對有源配電網( 指分布式電源高度滲透的配電網, 見本講座第二講) 的潮流進行調節與控制, 優化配電網潮流分布, 提高配電網運行可靠性, 減少損耗。

隨著電力電子技術的迅猛發展, 電力電子器件容量不斷增大, 成本逐步降低, DFACTS 技術更加成熟可靠。而DFACT S 設備的推廣應用, 將極大地推動智能配電網技術的發展。可以預見,將來DFACT S 設備會象如今的變壓器、開關設備一樣, 遍布智能配電網的各個環節。

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 固態開關

固態開關是應用電力電子器件構成的開關設備, 分為固態轉換開關( Solid State T ransferSwitch, SSTS) 與固態斷路器( 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, 解決傳統機械開關動作時間長( 達數個周波) 帶來的問題。

1) SSTS 是由晶閘管( SCR) 構成的負荷開關,可在接到控制命令后數個微秒內接( 導) 通, 在半個周波內關斷( 截止) ; 如果用絕緣柵雙極晶體管( IGBT) 代替SCR, 其關斷時間也可縮短至幾個微秒以內。SSTS 用于雙電源供電回路的切換, 可避免采用機械開關倒閘操作引起的較長時間供電中斷, 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, 固態轉換開關A 接通, 固態轉換開關B 關斷, 敏感負荷由電源A 供電, 電源B 處于備用狀態。在控制系統檢測到電源A 停電時, 在半個周波內將固態轉換開關A 關斷、固態轉換開關B接通, 負荷在一個周波內轉為由電源B 供電, 實現供電回路的/ 無縫0轉換。

目前, SST S 已有商業化的產品。

2) SSCB 由門極可關斷晶閘管( GTO) 回路和晶閘管( SCR) 加限流電抗器( 或電阻器) 回路兩部分并聯而成, 如圖2 所示。正常運行時, 電流流經GTO 支路。電力系統故障時, 流經GTO 支路的電流迅速超過限額, GTO 在半個周波之內關斷, 故障隨之流經SCR 和限流電抗器相串聯的支路, 達到限制故障電流的目的。然后SCR 關斷,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, 將其實用化還需進行大量的研究工作。

2. 2 靜態無功補償裝置( 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。實際應用中, 也可將兩者結合使用, 稱為混合式SVC。SVC 通過控制晶閘管的導通時刻來改變流過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功電流, 可以平滑、無級地調節容性或感性無功功率, 且具有較好的動態響應特性。而常規的無功功率補償裝置采用機械開關投切電容器, 響應速度慢, 且不能滿足對波動較頻繁的無功負荷進行連續補償的要求。

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合, 補償不對稱負載引起的電壓不平衡; 用于自動消弧線圈接地裝置, 動態補償中性點非有效接地系統的接地電容電流; 用于風力發電并網控制, 為風電場提供快速、連續地的無功補償。

2. 3 靜止同步補償器( STATCOM)

STATCOM 又稱靜止無功發生裝置( StaticVar Generator, SVG) 。它是一個基于脈寬調制( PWM) 技術的無功功率發生器, 通過自動調節注入到系統中去的無功電流, 實現對瞬時無功功率控制, 從而達到抑制電壓波動、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、仍然難以適應無功功率的急劇變化這兩個缺點, 特別適用于沖擊性負荷的無功補償; 用于風電場的無功補償時, 能夠很好抑制風力發電機并網或切機瞬間引起的電壓波動,并且在系統故障時, 能夠提高機端電壓恢復速度,維持風力發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。我國已開發出 50Mvar 的STATCOM 并投入實際系統運行。但是, 其控制復雜, 造價較高, 這限制了它的推廣應用。

2. 4 動態不間斷電源(DUPS)

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

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I 上饋線出線采用固態斷路器SSCB1, 其余饋線仍采用常規機械斷路器。DUPS 通過固態斷路器SSCB2( 正常情況下處于斷開狀態) 給敏感負荷供電。當負荷上游任一點發生故障引起供電中斷時, 在半個周波時間內SSCB1 斷開、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故障的饋線上去。

2. 5 動態電壓恢復器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer) 由直流儲能電路、功率逆變器( PWM) 和串接在供電線路中的變壓器組成, 如圖4 所示。DVR 在測出電壓瞬時降低后, 立即直流電源通過PWM 輸出交流電壓, 與系統電源電壓相加( 串聯) , 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間, 可以補償系統電壓的瞬時下降, 防止電壓驟降給一些敏感負荷帶來危害。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、負荷功率因數無關等優點。

DVR 和STATCOM 都是能夠發出有功功率的電壓補償裝置。DVR 是一種串聯補償裝置, 主要用于解決電壓驟降的補償問題, 目前已用于化工廠、半導體制造等企業解決電壓驟降問題; 而STATCOM 是一種并聯補償裝置, 用于解決供電中斷問題。