柔性配電技術、設備及其應用

原標題：柔性配電技術、設備及其應用

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， FACTS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徵是具有很高的電能質量，能夠為用戶提供定製電力( Custom Power) 技術或定質電力。所謂/ 定製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DFACTS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DFACTS技術的一種主要的應用領域，鑒於此， 有人將其稱為定製電力技術。

DFACTS 技術在智能配電網中的另一個應用領域是解決分散式電源( DER) 併網問題。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( 指分散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DFACTS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 Transfer Switch， SSTS) 與固態斷路器( Solid State Cir cuit Breaker， 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，可在接到控制命令後數個微秒內接( 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 用於雙電源供電迴路的切換，可避免採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 所示的雙電源供電迴路， 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 處於備用狀態。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， 實現供電迴路的/ 無縫0轉換。

目前， SSTS 已有商業化的產品。

2) SSCB 由門極可關斷晶閘管(GTO) 迴路和晶閘管( SCR) 加限流電抗器( 或電阻器) 迴路兩部分並聯而成， 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。然後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( Thyrisator Switch Reactor， TSR) 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採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 廣泛用於抑制軋鋼機、電弧爐等衝擊性負荷引起的電壓閃變; 用於電氣化鐵路等場合， 補償不對稱負載引起的電壓不平衡;用於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; 用於風力發電併網控制， 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( Static Var Generator， SVG) 。它是一個基於脈寬調製( 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，特別適用於衝擊性負荷的無功補償; 用於風電場的無功補償時， 能夠很好抑制風力發電機併網或切機瞬間引起的電壓波動，並且在系統故障時， 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 並投入實際系統運行。但是， 其控制複雜，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 Supply) 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 作為應急後備電源使用， 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 上饋線出線採用固態斷路器SSCB1， 其餘饋線仍採用常規機械斷路器。DUPS 通過固態斷路器SSCB2(正常情況下處於斷開狀態) 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並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後， 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範圍內， 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， 主要用於解決電壓驟降的補償問題， 目前已用於化工廠、半導體製造等企業解決電壓驟降問題; 而STATCOM 是一種並聯補償裝置， 用於解決供電中斷問題。

2.6. 智能通用變壓器( IUT)

IUT ( Intelligent Universal T ransformer) 又稱為電力電子變壓器或固態變壓器，是含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實現磁耦合的配電裝置， 不僅實現傳統變壓器的變壓、電隔離和傳遞能量， 還可以控制潮流、電壓質量。作為一種集潮流與電能質量控制為一體的DFACTS 設備， IUT的推廣應用， 對於建設智能配電網具有十分重要的意義。

圖5 為採用高頻變換器的一種IUT 的構成原理圖。IUT 在原邊先將工頻交流電或直流電通過電力電子變換器轉換成高頻信號，然後通過中間高頻變換器耦合至副邊， 再利用電力電子變換器還原成工頻交流電或直流電， 或其他形式的電能。由於採用高頻變換器， 這種IUT 體積遠小於常規變壓器並且損耗也顯著減小。通過對兩邊電力電子交換器的控制， 可根據需要調整IUT 電壓與功率輸出， 使輸出電壓、波形穩定， 提高電能質量。

目前對IUT 研究還處在理論探討、技術研發與試驗階段，隨著電力電子技術的發展， 相信不久能有IUT 投入實際運行。

2.7. 輕型直流輸電( HVDC) 系統

輕型HVDC 系統採用可關斷電力電子器件( 如IGBT ) 構成電壓源型換流站( Voltage Sourced Converters， VSC) 進行直流傳輸( 如圖6所示) 。它具有一系列傳統直流輸電所不具備的優點，一是它可以同時而且獨立地控制有功功率與無功功率輸出， 不僅不需要交流側提供無功功率， 而且還能夠動態補償交流母線的無功功率; 二是電流能夠自關斷， 可以工作在無源逆變方式，不需要外加的換相電壓，其受端系統可以是無源網路; 三是其交流側的電流可控，不會增加交流系統的短路容量。

輕型HVDC 系統特別適用於遠離電網的風電、太陽能、小水電等分散式電源(DER) 的併網聯絡， 如用於海上風電場併網。此外， 還適用於遠離電網的海上鑽井平台、小島等孤立負荷供電。

受電力電子器件功率的限制，輕型HVDC 系統容量還相對較小， 隨著電力電子技術的發展， 輕型HVDC 系統的設計容量會進一步提高，獲得更為廣泛的應用。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！