1 电力电子技术概述
电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50 年的发展历程, 它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC) 。自20 世纪80 年代,柔性交流输电( FACTS) 概念被提出后, 电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注, 多种设备相继出现。本文主要介绍电力电子技术在输电、配电领域中的应用。
2 在输电领域中的应用
电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”,大幅度改善了电力网的稳定运行特性。
2.1 直流输电( HVDC) 和轻型直流输电(HVDC Light) 技术
直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点, 对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网, 高压直流输电拥有独特的优势。1970 年世界上第一项晶闸管换流器, 标志着电力电子技术正式应用于直流输电。此后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。到1997年,在轻型直流输电工程中开始采用新型半导体换流设备。
2.2 柔性交流输电( FACTS) 技术
FACTS 技术的概念问世于20 世纪80 年代后期, 是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术,可实现对交流输电功率潮流的灵活控制,大幅度提高电力系统的稳定水平。
20世纪90年代以来,国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小,设备结构简单,控制方便,成本较低,所以较早得到应用。
FACTS技术是现代电力电子技术与传统的潮流控制(如阻抗控制,功角控制等)相结合的产物。它可以用可靠性很高的大功率可控硅元件代替传统元件中的机械式高压开关,从而使电力系统中影响潮流分布的三个主要电气参数(电压、线路阻抗及功率角)可按照系统的需要迅速调整,以期实现输送功率的合理分配,电压的合理控制,降低功率损耗和发电成本,大幅度提高系统稳定性、可靠性。此项技术是实现电力系统安全经济、综合控制的重要手段。
1)静止无功补偿器SVC(Static Var Compensator)
静止无功补偿器的典型代表是晶闸管投切的电容器(TSC- Thyristor Switched Capacitor)和晶闸管控制的电抗器(TCR- Thyristor Control Reactor) 。如果只是将这两种无功补偿器单独使用, 它们都有各自的缺点: 单独的TCR 只能吸收无功功率,而不能发出无功功率;单独的TSC对于抑制冲击负荷引起的电压闪变是不够的。为了解决这些问题,可以将TCR与并联电容器配合使用,根据投切电容器的元件不同,又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC),和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补补偿器(TCR+MSC),以及TCR 与TSC 配合使用的无功补偿器。这些组合而成的SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率,可以对无功功率进行动态补偿,使补偿点的电压接近维持不变,但SVC只能补偿系统的电压,并且其无功输出与补偿点节点电压的平方成正比,因而当电压降低时其补偿作用会减弱。SVC的主要作用是电压控制,但采用适当的控制方式后, SVC也可以有阻尼系统功率振荡和增加稳定性等作用。
2) 静止同步补偿器STATCOM(Static Synchronous Compensator )
静止同步补偿器也可以称为ASVG( Active static Var generator) —— 有源静止无功发生器。它的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上, 适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流,就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿。ASVG 根据直流侧采用的电容和电感两种不同的储能元件, 可以分为电压型和电流型。无论是电压型, 还是电流型的ASVG其动态补偿的机理是相同的。它可以通过控制其容性或感性电流, 与系统交换无功, 它的重要特性是输出的无功功率不受系统电压的影响, 在任何系统电压的情况下, 都能输出额定的无功功率, 与SVC 相比, 在系统故障的情况下静止同步补偿器维持系统电压、提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显。
3) 并联蓄能系统
并联蓄能装置包括蓄电池蓄能系统BESS( Battery Energy Storage System) 和超导磁能存储器SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage) 等, 是采用并联式电压源换流器的能量存储系统, 其换流器可通过快速调节向交流系统供给或吸收电能。将SMES 用于两机系统的频率控制, 可以有效地抑制两系统之间的频率偏移。也可将SMES 与静止移相器相结合用于互联系统负荷频率控制。
4) 晶闸管控制的串联电容器TCSC(Thyristor Control Series Compensation)
晶闸管控制的串联电容器的模块主要由串联电容和含有电抗、晶闸管开关的并联回路组成, 通过可控硅控制可以灵活、连续地改变补偿容量, 达到快速响应的效果。TCSC 在改善电力系统性能方面有很多优点, 将TCSC 用于高压输电系统, 可发挥现有系统的潜力, 提高功率传输极限, 灵活地调节系统潮流, 增加系统阻尼作用, 是保证超高压电网安全稳定运行的重要措施。TCSC 技术已经引起各国研究学者的重视, 对TCSC 的研究主要集中在提高暂态稳定性、抑制次同步谐振、阻尼系统间功率振荡、避免电压崩溃等。
5)静止同步串联补偿器SSSC(Solid- state Series Compensator )
静止同步串联补偿器与静止同步补偿器( STATCOM)在结构上有类似之处, 都是以DC/AC 逆变器为基本结构, 它的基本原理是向线路注入一个与电压相差90°的可控电压, 以快速控制线路的有效阻抗、从而进行有效地系统控制。它在系统中的作用有些类似于TCSC, 但是, 它控制潮流的能力远大于单方向减少线路阻抗功能的TCSC 控制器, 并且谐波含量小。
6)晶闸管控制的移相变压器TCPST(Thyristor Controlled Phase Shifting Transformers)
晶闸管控制的移相变压器是利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧的移相角来控制潮流的大小或方向。经过多年的理论研究表明TCPST具有提高联络线传输潮流, 抑制小干扰, 提高系统稳定性, 阻尼功率振荡, 母线电压控制, 规约联络定性, 阻尼功率振荡, 母线电压控制, 规约联络线潮流等功能, 晶闸管控制的移相器的控制速度快, 相角阶梯可以很小, 甚至达到无级调节, 但晶闸管控制的移相器有一个缺点, 它本身需要消耗无功功率, 运行中一般需要与无功补偿装置联合使用, 并且谐波的含量较高, 因此对电能质量有一定的影响。
7)统一潮流控制器UPFC(Unified Power Flow Controller )
统一潮流控制器是一种从原有潮流控制装置的基础上发展而来的新型潮流控制装置, 它由一个并联的换流器和一个串联的换流器通过公共侧的电容耦合而成, 仅仅通过控制量的变化就可以分别实现并联补偿、串联补偿或移相器的功能, 也可以将三者的功能结合起来以实现一定的控制目的。通过不同控制策略的设计, UPFC 不但可以用于控制母线电压, 线路潮流、提高系统动态和暂态稳定性, 抑制系统振荡, 而且可以快速地转换工作状态以适应系统的紧急状态的需要。
8)相间功率控制器IPC( Interphase Power Controller)
相间功率控制器IPC( Interphase Power Controller)作为灵活交流输电系统的一种装置, 具有潮流控制的鲁棒性和限制事故电流、消除事故波及的优良性能。
相间功率控制器的基本定义是: 相间功率控制器通过将两个不同的分支( 一条是电感支路, 一条是电容支路) 分别受控于不同的移相电压, 并联后串入同一相的联络线中将两电网连起来。
近几年, 国外不少电力专家相继开展了IPC 的研究工作, 如讨论了相间功率控制器的理论和实际问题, 说明IPC 是一个具有鲁棒性的串联控制器, 两条并联支路的移相电压可以由具有机械或电子转换开关的移相装置提供, 研究工作从相量图的角度对相间功率控制器的功率特性进行了分析, 指出可以根据系统需要, 调节相间功率控制器的控制参数, 改变通过IPC 的潮流方向和幅值。通过将IPC应用于网络中, 对IPC 的潮流控制特性, 隔离短路故障特性进行了介绍。还有研究提出了一种利用移相器进行改造的IPC, 这种IPC 可以控制联络线潮流, 具有提高联络线传输能力, 降低损耗, 以及进行电压支持的特性。
不仅国外学者对相间功率控制器进行了系统的研究,国内也有部分学者对此进行了相关的研究,国内的研究主要还处于理论阶段。
3 在配电领域的应用
配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求, 还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用,即用户电力( Custom Power) 技术或称DFACTS 技术, 是在FACTS 各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS 设备理解为FACTS 设备的缩小版,其原理、结构均相同, 功能也相似。由于潜在需求巨大, 市场介入相对容易, 开发投入和生产成本相对较低, 随着电力电子器件价格的不断降低, 可以预期DFACTS 设备产品将进入快速发展期。
1)配电静止无功补偿器(DSTATCOM)
DSTATCOM能替代常规的电压和无功控制元件、有载分接开关、电压调整器和自动投切电容器。它由IGBT(或GTO)构成的变流器、直流储能装里及一台交流变压器组成, 变流器通过变压器和母线并联。它是一个交流同期电压源。在系统正常供电时, 可作为无功电源或处于低耗备用状态。在发生电压波动和闪变时,立即响应, 向电力系统注入具有适当幅值和相角的电流使系统电压立即恢复正常。
2)动态电压恢复器(DVR)
它是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置, 是DFACTS家族中的重要成员之一。该装置能在毫秒级时间内将电压跌落补偿至正常值,是抑制动态电压干扰的有效补偿装置。它主要由储能单元、逆变器模块、连接变压器等部分组成。决定成本的是补偿电压的最大值和负荷电流, 而该值可根据用户电压跌落统计数据确定;逆变器模块一般采用由构成三相全桥结构, 采用PWM调制方式, 这种结构控制灵活, 便于分相补偿。目前的最大容量已达8MWA, 在消除电压跌落、提高大型综合性敏感工业负荷的供电质量方面有显著的效果。
3)有源电力滤波器(APF)
以大功率电力电子元件为基础的有源电力滤波器,是用来解决谐波问题的(消除谐波影响的常规装置是L-C滤波器)。有源电力滤波器的基本原理是利用电力电子技术动态地产生一个与谐波源相反的谐波, 从而有效地消除其影响。其结构与DSTATCOM类似, 但主要是作为一个电流谐波源,用来解决电流谐波的问题。
4)综合电能质量补偿器(Uni-Com)
APF可以解决负荷的动态电流质量问题, 而DVR可以解决系统的动态电压质量问题, 如果把APF和DVR组合起来, 则可构成能同时补偿电压跌落、瞬时电压中断、谐波电流和谐波电压、电压闪变、系统不对称等电能质量综合补偿装置。
4 小结
电力电子技术正在不断发展, 新材料、新结构器件的陆续诞生, 计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持,在电力系统中的应用研究与实际工程也取得了成果。
随着电力电子技术的发展, 各种开关器件应用到FACTS 控制器作为开关可以延长器件的使用寿命, 提高经济效益。FACTS 技术的应用可以使互联电网之间互为备用, 减少冷热备用容量, 对影响潮流分布的系统参数进行灵活控制, 控制联络线上的传输功率, 使潮流流向指定的线路, 改善系统中的潮流分布, 减少大电网中的环流, 改善系统的动态稳定性, 保证输电线上传输的功率可以接近热稳定极限, 又能满足安全经济运行的要求。
当代FACTS 技术的发展趋势是朝着加快响应速度、提高电压质量、性能优化、抑制谐波和动态平滑调节的方向发展。作为FACTS技术在配电系统应用的延伸——DFACTS技术是解决电能质量问题的有效工具。FACTS和DFACTS技术的发展,将进一步提高我国电力系统地经济运行效益, 将会为我国未来电网的发展和运行管理提供强有力的工具, 具有非常广阔的应用前景。
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