电力系统的柔性化技术

电力系统是人类到目前为止构建的最庞大、最复杂的系统, 随着社会需求的变化、技术的进步, 它处在不断发展、变化和更新之中。当今社会正进入信息时代, 资源、环境及协调发展已成为社会生活和经济发展的重要课题。从发电、输电、配电到用电的各个环节, 现代电力系统对电能的量和质两方面的控制都提出了新的要求。本文就电力电子技术在电力系统中的应用进行分析论述。

一、传统电力系统的构成与特点

电力系统是为电能的产生、输送、分配与应用而构建成的人工系统。传统电力系统的构成主要包括发电机、变压器、传输线、电缆、电容器组、直接实现电能转换的用电设备及保护与控制设备。这些设备通过适当的方式进行连接, 组成有机整体, 确保电力系统在任何时刻都能够产生数量充足的电能满足系统负荷的要求。系统运行的目标在于以最小的运行成本、最大的运行可靠性、最高的电能变换效率, 实现电能的产生、传输与应用。

电力系统依据电能的流程可划分为四个组成部分发电、输电、配电和用电。发电部分实现各种一次能源到电能的转换, 传统发电方式多通过储备水坝的形成, 煤的储存实现一次能源转换过程中的稳定性。传统电力系统中的发电机组以严格同步方式连接到一起, 通过功角与出口电压的调节实现输出有功与无功的调整。由于受自然条件和环境因素的限制,这些发电厂通常位于远离负荷中心,因而采用高电压等级输电成为电力系统输电的主要形式。

传统电力系统在可控特性方面的主要特点可归纳如下：

1.由于目前的技术还不能实现大规模电磁形式的电能存储, 因而电力系统电能的发生、传输和应用必须同时完成, 不平衡的出现意味着系统运行的稳定性受到干扰;

2.各发电机组间必须严格保持同步。由于传统电力系统中的发电机组以同步方式连接到电网, 机组间的失步就意味着功率的振荡甚至稳定的破坏;

3.电力系统网络中的潮流只能由系统阻抗决定, 改变变压器分接头,可以在一定范围内改变潮流, 但很难满足系统对潮流控制准确性、快速性及频繁调节的要求;

4.供电模式单一。不同负荷对供电的可靠性要求不同, 对电能质量的要求不同。传统配电系统中, 仅提供电网的电力, 缺少针对不同负荷提供不同后备电源的供电方式;

5.电能质量控制主要以静态调节为主。如通过机械开关分组投切电容器通过有载分接头的配电变压器调节负荷的电压。这些调节方式无法满足负荷对精确、动态电能质量调节的需求;

6.用电负荷电能利用调节性能较差, 电能利用率较低, 传统电力系统中的负荷多将电网提供的电能直接转化为机械能、热能、光能等。如直接驱动的异步电动机、白炽灯、工频电炉等。这些转换设备的电能利用数量和质量通常由系统电压和频率决定,缺少有效调节手段。

二、电力系统柔性化的必要性

电力系统作为人类到目前为止是构建的最庞大、最复杂的系统, 随着社会需求的变化、技术的进步, 它处在不断发展、变化和更新之中。当今社会正进入信息时代, 资源、环境及协调发展已成为社会生活和经济发展的重要课题。这个时代对电力系统的需求呈现出一系列新的特点：

1.可控性好、形式多样的发电系统电力系统的稳定控制要求发电机组装设响应快、精度高、调节更灵活的励磁系统。

近年来, 电力系统负荷率平均负荷率最大负荷功率呈现逐年下降的趋势, 而大型火电机组、大容量核能机组等出力调节困难的电厂又得到了快速的发展, 这就对整个电力系统出力的调节提出了越来越大的要求。

可再生能源的发展要求对风力、太阳能发电等这些波动性很强的电能的生产及并网进行控制;

2.潮流可控、安全稳定的输电系统

电力市场的发展将出现对电网潮流可控的要求。

实现资源的最优配置、远距离、大功率、高电压电能的传输对潮流控制、无功功率的动态调整、线路阻抗的动态补偿等提出更高的要求;

3.模式多样、质最可控的配电系统

配电系统的模式是指电力用户除可以从主电网获得电能外, 也可因可靠性、自然资源、能源的充分利用等原因, 从热电联产的小型透平发电机、太阳能发电、风力发电等分布式电源,电池、电容、超导等储能设备获得电能。电能质量的控制则有两个方面的需求一是确保供给用户的电能的电压, 频率, 平衡度及波形满足要求;二是用电设备注入电网的谐波、负序、冲击等电流应进行控制, 满足标准要求;

4.调节性好、高效节能的用电系统

用电设备并非工作在电网的固定频率, 固定电压下特性最好、效率最高。当用电设备所驱动的负载发生变化或电力系统电压、频率等电气量发生变化时, 用电设备应能对用电过程进行调节, 对电功率的形式和数量进行控制, 使用电设备工作在性能最佳、效率最高的状态。

以上分析表明, 从发电、输电、配电到用电的各个环节, 现代电力系统对电能的量和质两方面的控制都提出了新的要求。

三、柔性电力技术的概念、分类和应用示例

电力系统的发展对电能的灵活调节不断提出新的要求, 而更高性能的调节手段又对电力系统中电能的产生、输送与应用带来积极的变化。基于整流桥的发电机励磁装置代替直流发电机励磁, 使系统在稳态与暂态控制中的响应速度、精确度大大提高。直流输电的应用改变了电网互联仅限于交流的格局, 为大容量功率的远距离输送、大区域电网、不同频率电网间的互联提供了有效手段。柔性交流输电FACT的提出和实施为交流系统参数、无功调节、输送能力、动态稳定给出了新的解决方案。用户电力技术(Customer Power)则是配网层上基于电能质量控制的技术, 能够满足不同用户对不同电能质量的需求。变频调速、中频电炉、电子镇流器技术的发展则是在用电设备中实现对电能的变换与控制。

上述技术的发展正是柔性电力技术思路的体现。这些技术的核心是电力电子技术的应用。本书中,柔性电力技术定义为基于电力电子技术在电能的产生、输送与应用各个环节对电能的数量和形态进行快速、精确控制的技术。柔性电力技术实施的核心是电力电子技术,但并不限于电力电子技术, 储能技术、分布式电源技术、信息处理与控制技术等与柔性电力技术都是密不可分的。相关内容将在后续章节中讨论。

基于柔性电力技术构成的电力系统的示意如图所示。下面依据不同领域对柔性电力技术的具体应用给予简要说明：

1.发电领域中的柔性化技术

· 可变速抽水蓄能技术(ASPC)。可变速抽水蓄能机组采用交一交变频器, 将系统工频50Hz/60Hz变为转子滑差对应的频率作用于转子绕组进行励磁, 实现机组的非同步运行。这一技术也有用于火电机组的报导。对于电力系统的频率控制与稳定控制有积极的作用, 体现了发电系统的柔性化思路。

· 风力发电中的双馈感应发电技术(DFIG)。基本原理与结构与可变速抽水蓄能相似, 通常功率较小, 滑差调节范围更大。为实现控制的灵活性, 功率器件通常采用全控器件。

· 太阳能发电中的功率调节技术(PC)。太阳能电池所产生的电能随太阳光强、环境温度及负载情况会发生变化, 太阳能发电系统中必须加入功率调节环节以实现控制、保护、降低损耗及尽可能地使系统工作在太阳能最大发电状态。功率调节通常包括阻断二极管、直流一直流斩波器及直流一交流逆变器。

· 静止励磁系统(SE)。同步发电机的励磁系统经历了直流励磁方式, 交流励磁方式。目前越来越多的采用静止励磁方式。静止励磁方式中整个励磁回路无旋转部件。核心电路是由可控交流一直流变换电路。由于能够几乎瞬间地响应各控制量, 对提高电力系统的控制性能发挥很大作用。

· 随着能源利用形态的变化和供电模式的多样化, 新的发电方式不断出现。这些发电方式往往都存在功率控制、效率改善及平稳并网等问题,因此都能找到柔性电力技术发挥作用的场所。

2.输电环节的柔性化技术

· 高压直流输电(HVDC)。高压直流输电通常采用可控整流和有源逆变的方式实现两个交流电网的互联。不仅可以实现电能大容量、远距离的传送、两区域电网非同步互联, 还可通过控制实现功率的紧急援助、抑制低频振荡、提高交流系统的动态稳定性等。

· 静止无功补偿器(SVC)。通过控制晶闸管的导通角, 调节整个装置的等效阻抗, 从而可给系统注入无功或吸收无功, 是目前基于电力电子技术制作的容量较大的静止无功补偿设备。

· 静止无功发生器(SVG), 又称STATCOM。基于全控器件的电压型逆变器构成。具有响应速度快、谐波小, 调节性能好等特点, 是一类非常有前景的静止无功补偿设备。

· 可控串联补偿设备(TCSC)。其工作原理于相仿, 但串接在线路中, 从而动态调节线路的等效阻抗, 对提高交流输电线的传输能力、抑制低频振荡和次同步振荡都由积极作用。

· 统一潮流控制器(UPFC)。统一潮流控制器是并联补偿和串联补偿的结合。并联部分通常由不控或半控器件构成, 串联部分则由全控器件构建。通过在交流输电线路中注入大小与相位都可控的等效电源。改变电网的潮流分布, 同时, 在电网的稳定控制中发挥积极作用。

· 大容量超导储能系统(SMES)。在前述的直流环节增加, 就使得串联部分注入电网的有功、无功均可控, 即可吸收也可发出, 可进一步提高电力系统控制的灵活性。当然也可为其他可能的大容量快速响应的储能设备所替代。

· 静止同步串联补偿器(SSSC)。通常采用多电平电压源型逆变器, 将直流电压逆变为与系统频率一致的交流电压, 通过串联变压器接入输电线路。直流侧多采用电容器, 因此逆变器除从电网吸收装置线路、器件的损耗外, 主要与电网进行无功功率的交换。

3.配电网中的柔性化技术

· 配网静止无功补偿器(D-SVC)。其工作原理与输电网中的SVC相同, 一通常直接用于波动负载的补偿, 要求响应速度快且多为小商家购进, 造价不能太高。

· 配网静止无补偿发生器(D-SVG)。其工作原理与输电系统中的SVG相同。具体实现时的拓扑结构依据电压等级和响应要求有些变化。

· 有源电力滤波器(APF)。有源电力滤波器的拓扑结构与D-SVG相似。控制方法上采用补偿负载电流与正弦基波电流的差值为目标, 实现谐波的动态消减。

· 固态断路器(SCB)。这类断路器使用电力电子器件, 实现不同电源间的快速切换。为降低功耗, 这类开关同时并接有机械开关, 电力电子开关用作电路的快速切换, 机械电力电子开关用作正常工作时电流的流通。

· 轻型直流输电(HVDC)。轻型直流输电采用全控器件, 按基于电压源方式的逆变器构成变换电路,可用于弱受端电网或受端无电源的系统的供电, 孤岛、城区等环境的供电中有发展前景。

· 动态电压调节器(DVR)。动态电压调节器的结构与前述的UPFC类似, 依据电压等级不同, 可有不同的拓扑形式。串联电压的注入方式也可以是变压器的方式、电容器的方式或直接方式。DVR在配电系统中主要用于电压暂降的抑制和电压谐波的补偿。

·配电系统用超导储能(D-SMES)。将超导储能设备连接于DVR的直流侧, 则串联部分可注入有功功率, 实现较严重的暂降甚至短时中断的补偿。

· 不间断电源(UPS)。交流不间断电源的杨合是通过整流电路对储能元件充电, 通过逆变电路从储能元件中提取能量, 以负载所要求的交流电源方式供电。随着信息时代重要电力用户的增加,UPS的应用呈快速上升的趋势。

· 统一电能质量调节器(UPQR)的结构与前述配网中的DSMES相似, 储能部分目前采用电池或超级电容较为普遍。UPQR通常直接与敏感负荷连接, 可对电力系统中出现的几乎所有电能质量问题进行调节。

4.用电设备的柔性化技术

用电设备通过各种各样的电力负荷将电能转化成其他形式的能量而消耗掉。因此, 电力负荷是电力系统的重要组成部分。电动机的变频调速VFD、中频感应加热MFIH、电力电子镇流器EB、开关电源SMPS等都是用电环节电力电子技术应用的示例。严格意义上讲, 这一领域不属于电力电子技术在电力系统中应用的范畴, 然而,从电力系统的角度看, 电力电子技术的应用, 在很大程度上改变了用电方式, 改变了负荷特性, 对电力系统的设计、分析与运行带来新的变化。

四、电力电子器件的基本特性与发展

柔性电力技术的实现依赖于电力电子技术的发展。而电力电子技术包括器件、电路与系统三个层次。其中器件的发展和应用是整个电力电子技术的基石。本节主要针对电力电子器件进行一些说明和讨论。

所谓“ 完美” 的大功率器件到目前为止还未出现, 但新的器件不断获得应用, 给电能的灵活控制带来新的更好的手段。这些器件虽然五花八门,特性各异, 但依据控制方式可分为下述三类:

1.不可控器件二极管就属于此类器件, 其导通与截止由外电路决定。

2.半控器件晶闸管, 在以前又称为可控硅SCR, 就是半控器件, 它可在正向偏置时通过门极加信号导通。而其关断是不可控的, 只能通过外电路的作用关断。长期以来,不具备自关断功能的晶闸管, 由于其容量大, 过载能力强, 所以被广泛应用在传统直流输电、BTB、SVC等电力领域。

3.全控器件。在过去的20多年里, 有多种全控器件获得实用。这类器件通过门极控制既可以导通也可以关断。典型的器件如双极结型晶体管BJT、金属氧化物半导体场效应管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO等。近年来, 由于GTO、IGBT等全控器件容量不断增大(图2), 这类器件开始应用于静止无功发生器STATCOM、统一潮流控制器UPFC、可变速抽水蓄能、器件换相型直流输电等电力系统领域中来。而且随着像IGCT、IEGT、SI晶闸管、SiC材料器件等低功耗、高频化全控电力电子器件趋于实用化, 我们有理由期待全控电力电子器件将更广泛地应用到柔性电力技术应用的各个领域中。

电力系统柔性化技术的实现还与大规模储能技术的实用化、高性能控制与信息技术的发展密不可分。这两方面技术的都处在日新月异的发展当中, 有望与电力电子技术结合, 实现电力系统的柔性化控制。

五、结语

随着电能利用形态和规模的发展,现代社会对电力系统安全稳定与供电质量的要求日益提高。电力系统越来越需要能够对其数量和质量可以灵活控制的电力技术。以现代电力电子技术为核心的电能变换与控制技术在电力系统中的应用, 即本文所称的柔性电力技术使这一目标成为可能。柔性电力技术已开始应用于发电、输电、配电与用电的各个环节并得到快速发展, 正在电力的安全、稳定、高效、灵活的控制中发挥着重要作用。

柔性电力技术从本质上讲, 是通过电力变换方式对电能的数量和质量进行调节和控制的技术, 本文围绕这一主题, 在分析传统控制技术的局限性的基础上, 从发电、输电、配电到用电这四个电能流通的环节, 介绍了柔性电力技术的构成和作用。随着电力电子器件向着处理功率能力更大、功耗更低、频率更高方向的发展, 以及储能技术、控制技术的进步, 电力系统的柔性化技术将会得到更快、更广的应用。在电力系统安全、高效运行中发挥更大的作用。