電力系統的柔性化技術

電力系統是人類到目前為止構建的最龐大、最復雜的系統, 隨著社會需求的變化、技術的進步, 它處在不斷發展、變化和更新之中。當今社會正進入信息時代, 資源、環境及協調發展已成為社會生活和經濟發展的重要課題。從發電、輸電、配電到用電的各個環節, 現代電力系統對電能的量和質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中的應用進行分析論述。

一、傳統電力系統的構成與特點

電力系統是為電能的產生、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電機、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實現電能轉換的用電設備及保護與控制設備。這些設備通過適當的方式進行連接, 組成有機整體, 確保電力系統在任何時刻都能夠產生數量充足的電能滿足系統負荷的要求。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, 實現電能的產生、傳輸與應用。

電力系統依據電能的流程可劃分為四個組成部分發電、輸電、配電和用電。發電部分實現各種一次能源到電能的轉換, 傳統發電方式多通過儲備水壩的形成, 煤的儲存實現一次能源轉換過程中的穩定性。傳統電力系統中的發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節實現輸出有功與無功的調整。由于受自然條件和環境因素的限制,這些發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可歸納如下：

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

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

3.電力系統網絡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, 對電能質量的要求不同。傳統配電系統中, 僅提供電網的電力, 缺少針對不同負荷提供不同后備電源的供電方式;

5.電能質量控制主要以靜態調節為主。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節負荷的電壓。這些調節方式無法滿足負荷對精確、動態電能質量調節的需求;

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提供的電能直接轉化為機械能、熱能、光能等。如直接驅動的異步電動機、白熾燈、工頻電爐等。這些轉換設備的電能利用數量和質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

電力系統作為人類到目前為止是構建的最龐大、最復雜的系統, 隨著社會需求的變化、技術的進步, 它處在不斷發展、變化和更新之中。當今社會正進入信息時代, 資源、環境及協調發展已成為社會生活和經濟發展的重要課題。這個時代對電力系統的需求呈現出一系列新的特點：

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

近年來, 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又得到了快速的發展, 這就對整個電力系統出力的調節提出了越來越大的要求。

可再生能源的發展要求對風力、太陽能發電等這些波動性很強的電能的生產及并網進行控制;

2.潮流可控、安全穩定的輸電系統

電力市場的發展將出現對電網潮流可控的要求。

實現資源的最優配置、遠距離、大功率、高電壓電能的傳輸對潮流控制、無功功率的動態調整、線路阻抗的動態補償等提出更高的要求;

3.模式多樣、質最可控的配電系統

配電系統的模式是指電力用戶除可以從主電網獲得電能外, 也可因可靠性、自然資源、能源的充分利用等原因, 從熱電聯產的小型透平發電機、太陽能發電、風力發電等分布式電源,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的諧波、負序、沖擊等電流應進行控制, 滿足標準要求;

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。當用電設備所驅動的負載發生變化或電力系統電壓、頻率等電氣量發生變化時, 用電設備應能對用電過程進行調節, 對電功率的形式和數量進行控制, 使用電設備工作在性能最佳、效率最高的狀態。

以上分析表明, 從發電、輸電、配電到用電的各個環節, 現代電力系統對電能的量和質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

電力系統的發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生、輸送與應用帶來積極的變化。基于整流橋的發電機勵磁裝置代替直流發電機勵磁, 使系統在穩態與暫態控制中的響應速度、精確度大大提高。直流輸電的應用改變了電網互聯僅限于交流的格局, 為大容量功率的遠距離輸送、大區域電網、不同頻率電網間的互聯提供了有效手段。柔性交流輸電FACT的提出和實施為交流系統參數、無功調節、輸送能力、動態穩定給出了新的解決方案。用戶電力技術(Customer Power)則是配網層上基于電能質量控制的技術, 能夠滿足不同用戶對不同電能質量的需求。變頻調速、中頻電爐、電子鎮流器技術的發展則是在用電設備中實現對電能的變換與控制。

上述技術的發展正是柔性電力技術思路的體現。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生、輸送與應用各個環節對電能的數量和形態進行快速、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。相關內容將在后續章節中討論。

基于柔性電力技術構成的電力系統的示意如圖所示。下面依據不同領域對柔性電力技術的具體應用給予簡要說明：

1.發電領域中的柔性化技術

· 可變速抽水蓄能技術(ASPC)。可變速抽水蓄能機組采用交一交變頻器, 將系統工頻50Hz/60Hz變為轉子滑差對應的頻率作用于轉子繞組進行勵磁, 實現機組的非同步運行。這一技術也有用于火電機組的報導。對于電力系統的頻率控制與穩定控制有積極的作用, 體現了發電系統的柔性化思路。

· 風力發電中的雙饋感應發電技術(DFIG)。基本原理與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。為實現控制的靈活性, 功率器件通常采用全控器件。

· 太陽能發電中的功率調節技術(PC)。太陽能電池所產生的電能隨太陽光強、環境溫度及負載情況會發生變化, 太陽能發電系統中必須加入功率調節環節以實現控制、保護、降低損耗及盡可能地使系統工作在太陽能最大發電狀態。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)。同步發電機的勵磁系統經歷了直流勵磁方式, 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揮很大作用。

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

2.輸電環節的柔性化技術

· 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兩個交流電網的互聯。不僅可以實現電能大容量、遠距離的傳送、兩區域電網非同步互聯, 還可通過控制實現功率的緊急援助、抑制低頻振蕩、提高交流系統的動態穩定性等。

· 靜止無功補償器(SVC)。通過控制晶閘管的導通角, 調節整個裝置的等效阻抗, 從而可給系統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。

· 靜止無功發生器(SVG), 又稱STATCOM。基于全控器件的電壓型逆變器構成。具有響應速度快、諧波小, 調節性能好等特點, 是一類非常有前景的靜止無功補償設備。

· 可控串聯補償設備(TCSC)。其工作原理于相仿, 但串接在線路中, 從而動態調節線路的等效阻抗, 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。

· 統一潮流控制器(UPFC)。統一潮流控制器是并聯補償和串聯補償的結合。并聯部分通常由不控或半控器件構成, 串聯部分則由全控器件構建。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。改變電網的潮流分布, 同時, 在電網的穩定控制中發揮積極作用。

· 大容量超導儲能系統(SMES)。在前述的直流環節增加, 就使得串聯部分注入電網的有功、無功均可控, 即可吸收也可發出, 可進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, 將直流電壓逆變為與系統頻率一致的交流電壓, 通過串聯變壓器接入輸電線路。直流側多采用電容器, 因此逆變器除從電網吸收裝置線路、器件的損耗外, 主要與電網進行無功功率的交換。

3.配電網中的柔性化技術

· 配網靜止無功補償器(D-SVC)。其工作原理與輸電網中的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。

· 配網靜止無補償發生器(D-SVG)。其工作原理與輸電系統中的SVG相同。具體實現時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。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, 實現諧波的動態消減。

· 固態斷路器(SCB)。這類斷路器使用電力電子器件, 實現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成變換電路,可用于弱受端電網或受端無電源的系統的供電, 孤島、城區等環境的供電中有發展前景。

· 動態電壓調節器(DVR)。動態電壓調節器的結構與前述的UPFC類似, 依據電壓等級不同, 可有不同的拓撲形式。串聯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, 則串聯部分可注入有功功率, 實現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。

· 統一電能質量調節器(UPQR)的結構與前述配網中的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量問題進行調節。

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。電動機的變頻調速VFD、中頻感應加熱MFIH、電力電子鎮流器EB、開關電源SMPS等都是用電環節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中應用的范疇, 然而,從電力系統的角度看, 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展

柔性電力技術的實現依賴于電力電子技術的發展。而電力電子技術包括器件、電路與系統三個層次。其中器件的發展和應用是整個電力電子技術的基石。本節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, 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。

電力系統柔性化技術的實現還與大規模儲能技術的實用化、高性能控制與信息技術的發展密不可分。這兩方面技術的都處在日新月異的發展當中, 有望與電力電子技術結合, 實現電力系統的柔性化控制。

五、結語

隨著電能利用形態和規模的發展,現代社會對電力系統安全穩定與供電質量的要求日益提高。電力系統越來越需要能夠對其數量和質量可以靈活控制的電力技術。以現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電、輸電、配電與用電的各個環節并得到快速發展, 正在電力的安全、穩定、高效、靈活的控制中發揮著重要作用。

柔性電力技術從本質上講, 是通過電力變換方式對電能的數量和質量進行調節和控制的技術, 本文圍繞這一主題, 在分析傳統控制技術的局限性的基礎上, 從發電、輸電、配電到用電這四個電能流通的環節, 介紹了柔性電力技術的構成和作用。隨著電力電子器件向著處理功率能力更大、功耗更低、頻率更高方向的發展, 以及儲能技術、控制技術的進步, 電力系統的柔性化技術將會得到更快、更廣的應用。在電力系統安全、高效運行中發揮更大的作用。