柔性配電技術(shù)、設(shè)備及其應(yīng)用

1. 柔性配電技術(shù)概述

柔性配電技術(shù)是柔性交流輸電( Flexible ACT ransmission System， FACTS) 技術(shù)在配電網(wǎng)的延伸，簡(jiǎn)稱為DFACTS( Distribution FACTS) 。

FACTS 是利用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位等基本參數(shù)進(jìn)行靈活快速地調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的有功和無(wú)功潮流進(jìn)行靈活地控制， 以提高輸電系統(tǒng)的輸送能力與穩(wěn)定水平。作為提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平與運(yùn)行效率的重要技術(shù)手段， FACTS技術(shù)已在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

智能配電網(wǎng)的一個(gè)重要特征是具有很高的電能質(zhì)量， 能夠?yàn)橛脩籼峁┒ㄖ齐娏? Custom Power) 技術(shù)或定質(zhì)電力。所謂/ 定制0， 是指用戶根據(jù)其負(fù)荷運(yùn)行需要向供電企業(yè)提出的對(duì)供電質(zhì)量的特殊要求， 如要求供電一刻都不能中斷， 沒(méi)有電壓驟降、諧波、電壓波動(dòng)的影響等。而依賴傳統(tǒng)的供電技術(shù)難以滿足用戶的這些特殊要求，這就需要應(yīng)用DFACTS技術(shù)對(duì)各種電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行有效地控制。電能質(zhì)量控制是DFACTS技術(shù)的一種主要的應(yīng)用領(lǐng)域，鑒于此， 有人將其稱為定制電力技術(shù)。

DFACTS 技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是解決分布式電源( DER) 并網(wǎng)問(wèn)題。一是提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償， 克服風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電功率輸出間歇性的影響， 使配電網(wǎng)在最大程度地接納風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電功率的同時(shí)，保證電壓質(zhì)量與穩(wěn)定性; 二是對(duì)有源配電網(wǎng)( 指分布式電源高度滲透的配電網(wǎng)， 見(jiàn)本講座第二講) 的潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制， 優(yōu)化配電網(wǎng)潮流分布， 提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性， 減少損耗。

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展， 電力電子器件容量不斷增大， 成本逐步降低， DFACTS 技術(shù)更加成熟可靠。而DFACT S 設(shè)備的推廣應(yīng)用， 將極大地推動(dòng)智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，將來(lái)DFACT S 設(shè)備會(huì)象如今的變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備一樣， 遍布智能配電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

2. 柔性配電設(shè)備及其應(yīng)用

本節(jié)介紹目前幾種主要的DFACTS設(shè)備及其應(yīng)用。

2.1. 固態(tài)開(kāi)關(guān)

固態(tài)開(kāi)關(guān)是應(yīng)用電力電子器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)設(shè)備， 分為固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)( Solid State Transfer Switch， SSTS) 與固態(tài)斷路器( Solid State Cir cuit Breaker， SSCB) 兩種。它們利用電力電子器件導(dǎo)通與截止速度快的特點(diǎn)，解決傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)( 達(dá)數(shù)個(gè)周波) 帶來(lái)的問(wèn)題。

1) SSTS 是由晶閘管( SCR) 構(gòu)成的負(fù)荷開(kāi)關(guān)，可在接到控制命令后數(shù)個(gè)微秒內(nèi)接( 導(dǎo)) 通， 在半個(gè)周波內(nèi)關(guān)斷( 截止) ; 如果用絕緣柵雙極晶體管( IGBT) 代替SCR， 其關(guān)斷時(shí)間也可縮短至幾個(gè)微秒以內(nèi)。SSTS 用于雙電源供電回路的切換，可避免采用機(jī)械開(kāi)關(guān)倒閘操作引起的較長(zhǎng)時(shí)間供電中斷， 使敏感負(fù)荷的供電不受影響。如圖1 所示的雙電源供電回路， 正常運(yùn)行時(shí)，固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)A 接通， 固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)B 關(guān)斷， 敏感負(fù)荷由電源A 供電， 電源B 處于備用狀態(tài)。在控制系統(tǒng)檢測(cè)到電源A 停電時(shí)， 在半個(gè)周波內(nèi)將固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)A 關(guān)斷、固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)B接通， 負(fù)荷在一個(gè)周波內(nèi)轉(zhuǎn)為由電源B 供電， 實(shí)現(xiàn)供電回路的/ 無(wú)縫0轉(zhuǎn)換。

目前， SSTS 已有商業(yè)化的產(chǎn)品。

2) SSCB 由門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) 回路和晶閘管( SCR) 加限流電抗器( 或電阻器) 回路兩部分并聯(lián)而成， 如圖2 所示。正常運(yùn)行時(shí)， 電流流經(jīng)GTO 支路。電力系統(tǒng)故障時(shí)， 流經(jīng)GTO 支路的電流迅速超過(guò)限額， GTO 在半個(gè)周波之內(nèi)關(guān)斷， 故障隨之流經(jīng)SCR 和限流電抗器相串聯(lián)的支路，達(dá)到限制故障電流的目的。然后SCR 關(guān)斷，完全切斷故障電流。

目前， 對(duì)SSCB 的研究還處在低電壓、小電流斷路器的試驗(yàn)探討階段，將其實(shí)用化還需進(jìn)行大量的研究工作。

2.2. 靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(shí)際應(yīng)用中， 也可將兩者結(jié)合使用， 稱為混合式SVC。SVC 通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻來(lái)改變流過(guò)電抗器或電容器的電流， 從而調(diào)節(jié)從系統(tǒng)中吸取或向系統(tǒng)注入的無(wú)功電流，可以平滑、無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)容性或感性無(wú)功功率， 且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。而常規(guī)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置采用機(jī)械開(kāi)關(guān)投切電容器， 響應(yīng)速度慢， 且不能滿足對(duì)波動(dòng)較頻繁的無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

SVC 廣泛用于抑制軋鋼機(jī)、電弧爐等沖擊性負(fù)荷引起的電壓閃變; 用于電氣化鐵路等場(chǎng)合， 補(bǔ)償不對(duì)稱負(fù)載引起的電壓不平衡;用于自動(dòng)消弧線圈接地裝置， 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的接地電容電流; 用于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制， 為風(fēng)電場(chǎng)提供快速、連續(xù)地的無(wú)功補(bǔ)償。

2.3. 靜止同步補(bǔ)償器( STATCOM)

STATCOM 又稱靜止無(wú)功發(fā)生裝置( Static Var Generator， SVG) 。它是一個(gè)基于脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)的無(wú)功功率發(fā)生器， 通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)注入到系統(tǒng)中去的無(wú)功電流， 實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率控制， 從而達(dá)到抑制電壓波動(dòng)、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(yīng)無(wú)功功率的急劇變化這兩個(gè)缺點(diǎn)，特別適用于沖擊性負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償; 用于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償時(shí)， 能夠很好抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)或切機(jī)瞬間引起的電壓波動(dòng)，并且在系統(tǒng)故障時(shí)， 能夠提高機(jī)端電壓恢復(fù)速度，維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障期間繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，為系統(tǒng)提供功率支撐。

STATCOM 在國(guó)內(nèi)外都有一定的應(yīng)用。我國(guó)已開(kāi)發(fā)出 50Mvar 的STATCOM 并投入實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行。但是， 其控制復(fù)雜，造價(jià)較高， 這限制了它的推廣應(yīng)用。

2.4. 動(dòng)態(tài)不間斷電源(DUPS)

DUPS( Dynamic Uninterrupted Power Supply) 由STATCOM 和一個(gè)直流儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成， 其中STATCOM 作為一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置使用，在供電中斷時(shí)將儲(chǔ)存的直流能量轉(zhuǎn)換成有功電流，維持一段時(shí)間的供電。

DUPS 作為應(yīng)急后備電源使用， 可防止敏感負(fù)荷因短暫的供電中斷出現(xiàn)不正常。圖3 所示為應(yīng)用DUPS 的配電系統(tǒng)。母線I 上饋線出線采用固態(tài)斷路器SSCB1， 其余饋線仍采用常規(guī)機(jī)械斷路器。DUPS 通過(guò)固態(tài)斷路器SSCB2(正常情況下處于斷開(kāi)狀態(tài)) 給敏感負(fù)荷供電。當(dāng)負(fù)荷上游任一點(diǎn)發(fā)生故障引起供電中斷時(shí)， 在半個(gè)周波時(shí)間內(nèi)SSCB1 斷開(kāi)、SSCB2 投入，DUPS 給敏感負(fù)荷供電，直至常規(guī)的機(jī)械斷路器切除故障并恢復(fù)正常供電或者將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到無(wú)故障的饋線上去。

2.5. 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer) 由直流儲(chǔ)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(cè)出電壓瞬時(shí)降低后， 立即直流電源通過(guò)PWM 輸出交流電壓， 與系統(tǒng)電源電壓相加(串聯(lián)) ， 使負(fù)載上的電壓維持在合格的范圍內(nèi)， 直至系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常值。DVR 輸出波形能夠維持一段時(shí)間， 可以補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)下降， 防止電壓驟降給一些敏感負(fù)荷帶來(lái)危害。這種補(bǔ)償方式僅補(bǔ)償電壓的差值，需要的補(bǔ)償容量小， 且具有補(bǔ)償效果與系統(tǒng)阻抗、負(fù)荷功率因數(shù)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。

DVR 和STATCOM 都是能夠發(fā)出有功功率的電壓補(bǔ)償裝置。DVR 是一種串聯(lián)補(bǔ)償裝置， 主要用于解決電壓驟降的補(bǔ)償問(wèn)題， 目前已用于化工廠、半導(dǎo)體制造等企業(yè)解決電壓驟降問(wèn)題; 而STATCOM 是一種并聯(lián)補(bǔ)償裝置， 用于解決供電中斷問(wèn)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(tài)變壓器，是含有電力電子變換器且通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合的配電裝置， 不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器的變壓、電隔離和傳遞能量， 還可以控制潮流、電壓質(zhì)量。作為一種集潮流與電能質(zhì)量控制為一體的DFACTS 設(shè)備， IUT的推廣應(yīng)用， 對(duì)于建設(shè)智能配電網(wǎng)具有十分重要的意義。

圖5 為采用高頻變換器的一種IUT 的構(gòu)成原理圖。IUT 在原邊先將工頻交流電或直流電通過(guò)電力電子變換器轉(zhuǎn)換成高頻信號(hào)，然后通過(guò)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。由于采用高頻變換器， 這種IUT 體積遠(yuǎn)小于常規(guī)變壓器并且損耗也顯著減小。通過(guò)對(duì)兩邊電力電子交換器的控制， 可根據(jù)需要調(diào)整IUT 電壓與功率輸出， 使輸出電壓、波形穩(wěn)定， 提高電能質(zhì)量。

目前對(duì)IUT 研究還處在理論探討、技術(shù)研發(fā)與試驗(yàn)階段，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 相信不久能有IUT 投入實(shí)際運(yùn)行。

2.7. 輕型直流輸電( HVDC) 系統(tǒng)

輕型HVDC 系統(tǒng)采用可關(guān)斷電力電子器件( 如IGBT ) 構(gòu)成電壓源型換流站( Voltage Sourced Converters， VSC) 進(jìn)行直流傳輸( 如圖6所示) 。它具有一系列傳統(tǒng)直流輸電所不具備的優(yōu)點(diǎn)，一是它可以同時(shí)而且獨(dú)立地控制有功功率與無(wú)功功率輸出， 不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率， 而且還能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率; 二是電流能夠自關(guān)斷， 可以工作在無(wú)源逆變方式，不需要外加的換相電壓，其受端系統(tǒng)可以是無(wú)源網(wǎng)絡(luò); 三是其交流側(cè)的電流可控，不會(huì)增加交流系統(tǒng)的短路容量。

輕型HVDC 系統(tǒng)特別適用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的風(fēng)電、太陽(yáng)能、小水電等分布式電源(DER) 的并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)， 如用于海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。此外， 還適用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的海上鉆井平臺(tái)、小島等孤立負(fù)荷供電。

受電力電子器件功率的限制， 輕型HVDC 系統(tǒng)容量還相對(duì)較小， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 輕型HVDC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量會(huì)進(jìn)一步提高，獲得更為廣泛的應(yīng)用。