电力系统输电环节发展浅析
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电力系统输电环节发展浅析
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摘 要：&十三五&期间，输电电网面临着着力解决能源供应、生态环境和电网安全问题，通过比对电网输电环节发展的现状、分析电网输电环节的不足与问题、介绍电网输电环节发展新技术分析电网输电环节的发展情况。
关键词：柔性输电;在线监测装置;特高压
&十三五&期间，输电电网面临着着力解决能源供应、生态环境和电网安全问题，建设特高压骨干网架，尽快建成大气污染防治行动计划确定的特高压工程，加快推动后续特高压工程建设，建成以&三华&特高压电网为核心的骨干网架结构，构建西南特高压交流主网架，适时启动东北特高压电网建设，形成东北、西北、西南三送端和&三华&一受端的4个同步电网格局，大幅提高电网优化配置资源能力，满足国家规划的大煤电、大水电、大核电和大可再生能源基地电力输送和消纳。
一、输电环节发展现状
(1)输电项目建设情况
2014年，国网特高压工程建成投运&一交两直&，开工建设&两交一直&。&川藏电力联网&工程提前半年建成投运。西北750千伏主网架、电气化铁路供电配套等重点工程，浙江仙居等抽水蓄能电站建设有序推进。公司新开工110(66)千伏及以上工程线路长度5万千米、变电容量3.2亿千伏安;投产110(66)千伏及以上线路长度5.2万千米、变电容量2.8亿千伏安。
(2)输电环节存在的不足
1、电力需求将平稳较快增长，东中部仍是负荷中心
中国电力需求增长与经济发展基本同步，呈正相关关系。过去10年用电量年均增速10.9%，超过经济增速0.7个百分点，电力弹性系数1.1为满足经济社会发展对电力的需求，预计2020年全社会用电量达8.4万亿kW・h，&十三五&期间年均增速7.2%，电力弹性系数0.96中国东中部地区人口众多、经济发达，GDP总量大，用电水平高，一次能源资源厦乏，即使实施结构调整和部分产业向西部转移，过剩产能被淘汰，东中部仍将是中国的负荷中心。
2、发用电就地平衡方式难以为继，需要在全国范围优化能源配置
中国能源结构以煤为主。全国煤炭保有储量80%以上分布在西部、北部，东部煤炭资源仅占3.3%受资源桌赋和发展条件限制，长期以来，中国电力发展以分省(区)自我平衡为主，中国东中部地区电源密集，煤电装机占全国煤电装机的66%，导致煤电油运紧张局面反复出现，环境污染日益严重，频繁出现雾霆天气，已不具备发展煤电的空间。如果再继续东中部大量建设煤电、就地平衡的电力发展方一式，将带来更加严重的煤电运紧张和环境污染问题在西部、北部煤炭富集地区建设电厂，变输煤为输电，可以统筹利用东西部环境容量，优化配置全国环境资源，实现电力工业科学发展。
3、新能源大规模发展面临电网规模小、消纳能力不足的瓶颈制约
目前，中国非化石能源占一次能源消费总量比重仅为9.8%，实现2020年非化石能源占比15%，2030年非化石能源占比20%的日标，还需要大力发展清洁能源。按照国家规划，2020年全国常规水电装机达到3.5亿kW、风电2亿kW，太阳能发电1亿kW新能源布局集中、增长速度快，当地电网规模小、难以就地消纳，电网跨区通道建设滞后，需要进一步加快大容量跨区输电通道建设
4、电网发展亚需技术升级
1981年，中国建成第1回500kV输电线路，当时全国装机6913万kW。2013年，全国装机达到12.5亿kW，是1981年的18倍。国家规划建设的13个大型水电基地、9个大型煤电基地、9个大型风电基地与东中部负荷中心距离一般在800--4000km日前，500kV电网已经面临短路电流超标、发展适应性不强、输送能力不够、走廊资源稀缺等一系列突出问题，靠技改和扩建500kV电网，无法适应大规模西电东送、北电南供的要求。同时，西部能源基地大都采用直流送出，送电规模大、增速快，东中部500kV电网的安全承载能力严重不足，&强直弱交&的结构严重威胁电网安全，需要实施电网技术升级，从根本上解决发展中遇到的问题。
二、输电环节新技术发展分析
(1)特高压电网建设
为进一步细化落实《能源行业加强大气污染防治工作方案》，国家能源局于2014年6月初分别与国家电网公司、南方电网公司签署《大气污染防治外输电通道建设任务书》，同时正式下发文件批复12条电力外送通道，开展前期工作，其中已明确提出4交5直合计9条特高压工程建设方案，并且首次明确线路建设时间表。此外，国家能源局将加快办理项目核准手续，满足工期要求，对口联系地方政府部门，协调解决项目实施过程中的重大问题，落实各项配套条件。
另一方面，国家电网公司年中会议已提出2014年下半年到2015年上半年&四交五直&全部开工，并计划明后年开工&五交五直&，同时国家电网已明确了各条交流特高压线路负责人，我们预计随着国国家电网内部各条特高压线路分管工作的明确，各个项目小组将各自启动开始前期工作。
国家电网还计划年开工&五交五直&特高压工程，2018年全部建成投运。
同时，到2020年建成共计33条特高压直流和交流工程，累计建设特高压输电线路6.4 万公里。过去8年半的时间，我国特高压工程累计建成仅1.2万公里，年均增加1400公里左右，而投资额更是年均仅170亿元。如果仅考虑纳入大气污染治理行动计划的&四交五直&，那么年的投入将达到：
261+240+185+174+180+ 275+ 264+150+220=1949亿元
这一数字比过去8年半的特高压投资之和1456亿元还要高出近500亿元，而这仅仅是未来两年的保守估计。因此，我们判断，从2015年上半年这个时点起，特高压建设将进入全面提速期，未来市场规模将随着特高压项目的不断开工而呈现出爆发式的增长。
(2)柔性输电
1、柔性输电市场容量
年，柔性输电投资带来的SVC市场容量将超过230亿，未来3-5年市场将呈现加速上涨局面。柔性输电在电网的渗透率目前很低，约不到5%，未来10年将是柔性输电高速发展的黄金时期。仅SVC/SVG在输电网中的市场容量，保守估计将达到150亿元左右，加上其他柔性输电设备需求，预计柔性输电投资带来的设备需求将超过230亿元。未来3-5年，电网SVC市场将呈现加速上涨局面。
2、柔性输电项目最新发展动态
柔性直流输电技术是未来电力电子技术的重要发展方向，受到世界各国的高度关注，欧美国家正在积极推进柔性直流输电关键技术研究和工程建设。日，浙江院设计的世界上电压等级最高、端数最多、单端容量最大的多端柔性直流输电工程DD浙江舟山&200千伏五端柔性直流输电科技示范工程正式投运，标志着我国在世界柔性直流输电技术领域走在了前列，也为我国首个以海洋经济为主题的国家级新区DD舟山群岛新区快速发展提供了坚强电能保障。
(3)线路监测发展
1、线路监测市场容量
在线监测是智能电网实现&自动化&、&智能化&的基础，国家政策、电网公司战略均积极推动在线监测。发改委、科技部、商务部、知识产权局联合发布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2007年度)》中第80类&电网输送及安全保障技术&中明确指出包括&在线监测及诊断装置&。另一方面，国网、南网均明确提出，要从2010年起开始全面推广实施设备状态检修，全面提升设备智能化水平。
年，仅变压器色谱在线监测设备的市场容量，预计将超过50亿元，加上断路器在线监测、电缆在线监测等设备需求，预计电网在线监测设备市场总需求将超过100亿元。在关键设备的检修制度由定期检修向状态检修发展的过程中，各种关键设备都有实施在线监测的需求。以其中主要产品变压器在线监测为例，我国变压器在线监测产品主要应用于110kV及以上电压等级的变压器。近年来，在线监测技术已日趋成熟，变压器在线监测产品已逐渐被电力系统认可和使用，750kV及以上电压等级的变压器已全部安装了在线监测设备。
未来5-10年，电网在线监测市场将保持加速增长局面，年均增长率有望达到50%以上。随着状态检修即将在我国电力系统全面推广实施，预计未来我国电力系统110kV及以上电压等级的存量、新增变压器将逐步全面安装在线监测设备，电网在线监测市场将迎来黄金发展时期。
2、线路监测最新发展动态
位于仙桃与武汉汉南区交界处的110千伏袁滩彭线外破在线监测点上线运行，该公司输电运检室在全省率先创新开展的输电线路在线监测(控)业务正式开始全面试运行。
该项工作的实施，在湖北省尚属首创。随着输电线路业务的逐步深入推进，除了解决&外破隐患点无法及时发现和制止&、&巡视到位监察工效不高&、&线路运行信息无法及时监测&、&大型施工现场安全作业信息无法实时掌握&等一些长期困扰基层运维班组的问题外，还将降低线路运维成本，盘活现有的人力资源，有力提升工作效率。
[1]孙兴安.我国特高压交流输电发展前景[J].中国高新技术企业，2013.
[2]杨岳峰、贺之渊、庞辉、林畅.柔性直流输电发展及其在中国的示范工程应用[J].电能质量及柔性输电技术研讨会，2012.
[3]汪洋.中国输配电发展面临的挑战与规划探讨[J].科技资讯，2015.
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摘要：柔性直流输电技术对于提高交流系统的动态稳定性、增加系统的动态无功储备、改善交流系统电能质量，解决非线性负荷、冲击性负荷所带来的问题，具有较强的技术优势，也是智能电网建设中解决大容量、间歇式新能源发电并网的重要技术手段。本文简要介绍了柔性直流输电原理，总结了柔性直流输电技术的特点、应用范围、现在的发展状况以及其未来的发展前景。
关键词：柔性直流；输电技术；发展
柔性直流输电技术对于提高交流系统的动态稳定性、增加系统的动态无功储备、改善交流系统电能质量，解决非线性负荷、冲击性负荷所带来的问题，具有较强的技术优势，也是智能电网建设中解决大容量、间歇式新能源发电并网的重要技术手段。
目前世界上仅ABB公司拥有商业运行的工程。虽然西门子、AREVA等跨国公司一直没有间断在该领域的技术研究，但迄今为止在世界范围内运行的工程仍被ABB一家公司所垄断。
一、柔性直流输电技术的原理
柔性直流输电采用电压源型换流器和PWM技术。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC上下桥臂的开关管高频开通和关断，则桥臂中点电压uc在两个固定电压+Ud和&Ud之间快速切换，uc再经过电抗器滤波后则为网侧的交流电压us。
进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率为P，无功功率为Q。有功功率的传输主要取决于&，无功功率的传输主要取决于UC。因此通过对&的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制UC就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。
二、柔性直流输电技术的特点
柔性直流输电技术是当今世界电力电子技术应用领域的制高点，是基于可关断电力电子器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）组成的电压源换流器所构成的新一代直流输电术。
该技术可以在进行精确有功功率控制的同时对无功功率进行控制，可为交流系统提供电压支撑，控制更加灵活。柔性直流换流站可工作在无源换流的方式下，不需要外加的换相电压，可用于弱系统或无源系统供电。此外，柔性直流输电技术基本不需要滤波和无功补偿装置，其换流站占地面积较同等容量的常规直流换流站要小。
柔性直流输电是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件，是常规直流输电技术的换代升级。与传统的直流输电不同，是一种采用基于电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制（PWM技术）的新一代直流输电技术。
它可以瞬间实现有功和无功的独立解耦控制，能向无源网络供电，具有良好的电网故障后的快速恢复控制能力，可以作为系统恢复电源。
在传输能量的同时，还能灵活地调节与之相连的交流系统电压。具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点。从用途上看，它可以很好地适应于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等领域。
三、柔性直流输电技术可应用范围
①连接分散的小型发电厂。如中小型的水电厂、风电场（含海上风电场）、潮汐电站、太阳能电站等，利用柔性直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境。②不同额定频率或者相同频率的交流系统间的非同步运行。模块化结构以及电缆线路使柔性直流输电对场地和环境的要求大为降低，换流站的投资大大下降。③构建城市直流输配电网。④向偏远地区供电。偏远地区一般远离电网，负荷轻而且日负荷波动大，经济因素以及线路输送能力低是限制架设交流输电线路发展的主要因素。采用柔性直流输电进行供电，可解决这些问题。⑤海上供电。⑥提高配电网电能质量。柔性直流输电系统可以独立快速地控制有功和无功，且能够使交流系统的电压保持不变、它使系统的电压和电流较容易地满足电能质量的相关标准。
四、柔性直流输电技术的发展
随着风电等间歇式可再生能源在电网中比重的加大，其随机性、间歇性和不可控性等特点对电网的安全可靠运行带来巨大挑战。柔性直流输电可以极大地提升风电场并网的安全性和可靠性，是国际上公认的最具有技术优势的风电场并网手段，特别是对于远距离的海上风电场来说，使用柔性直流输电并网是目前唯一可选的有效方案。另外，柔性直流输电技术在孤岛及海上平台供电、大型城市供电、多端直流组网、电力市场交易等领域也都有显著的技术优势。随着电网未来继续朝着智能化、节约化、环保化发展，柔性直流输电技术必将成为未来电力领域的一个重要发展方向，具有极其广阔的市场应用前景。&据悉，1997年世界上第一条柔性直流输电工程投入工业试验运营，目前投入运营的已经有11条。大部分应用于风力发电、电力交易、电网互联、海上钻井平台等领域。随着世界范围内对于可再生能源的应用越来越广泛，规模越来越大，目前已有1000兆瓦的柔性直流风电场并网工程开始设计，而2000兆瓦级柔性直流输电的概念设计也已经提出。目前，欧洲多个国家都已经规划和建设了大量的海上风电场，其容量都在数百兆瓦等级，并且其中已经有部分使用了柔性直流输电进行系统接入。
我国开展柔性直流输电技术研究的时间相对较晚，在初期阶段主要集中在大专院校所开展的部分理论性研究。2006年5月，国家电网组织编制了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，由此启动了我国在柔性直流输电关键技术领域的全面研究。目前，我国已规划在甘肃酒泉、新疆哈密、河北、吉林、内蒙古东部、内蒙古西部、江苏、山东等地建设8个千万千瓦级风电场。柔性直流输电是国际公认的最具有技术优势的风电场并网方案，也是海上风电并网的唯一方式，可以大幅改善大规模风电场并网的性能，保障新能源发电的迅速发展。
随着新能源的快速发展，我国对柔性直流输电技术也呈现出强劲的市场需求。我国未来五年的市场规模将在400亿元左右。
在2020年前，仅风电发电方面我国就计划兴建6个百万千瓦级的超大型风电场。柔性直流输电是国际公认的最具有技术优势的风电场并网方案，也是海上风电并网的唯一方式，可以大幅改善大规模风电场并网的性能，对于大容量风电场的可靠并网、保障新能源发电的迅速发展，都具有重要的意义。
此外，对于大型城市供电、城市配电、岛屿和钻井平台供电等应用领域，柔性直流输电技术也有很好的应用前景。
综上所述，随着电力电子技术的发展，柔性直流输电技术将会更广泛的应用于新能源并网、城市电网等方面。柔性直流输电技术具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点。柔性直流输电技术可应用于连接分散的小型发电厂、不同额定频率或者相同频率的交流系统间的非同步运行、构建城市直流输配电网、向偏远地区供、海上供电、提高配电网电能质量和电力市场模式下的应用等方面。
参考文献：
[1]毛颖科，桂顺生，贺之渊，等.基于MMC技术的柔性直流输电系统性能分析[J].华东电力，2011.
[2]马为民,吴方,杨一鸣,张涛.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J].高电压技术.2014(08).
作者简介：
陈娟（1982.02-），女，湖北宜昌人，三峡大学电力系统及其自动化专业，研究生，硕士学位，工程师，单位：国网湖北检修公司特高压交直流运检中心。
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& & 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、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, 将系统工频50/60Hz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、直流一直流斩波器及直流一交流。
& & & 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(APF)。有源电力的拓扑结构与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(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, 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、中频感应加热MFIH、电力电子镇流器EB、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BJT、金属氧化物半导体场效应管、绝缘栅双极晶体管、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、S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。
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