電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

引 言

我國堅強智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以信息通信平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化為特征，包含電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合的現(xiàn)代電網(wǎng)。從可再生能源發(fā)電的大規(guī)模接入到高壓直流輸電和柔性交流輸電，從改善電能質(zhì)量的用戶電力技術(shù)到儲能和V2G應(yīng)用，到處都離不開大功率電力電子技術(shù)。本文從發(fā)電環(huán)節(jié)的可再生能源接入、輸電環(huán)節(jié)的高壓直流輸電和柔性交流輸電、配電環(huán)節(jié)的用戶電力技術(shù)和儲能技術(shù)等四個層面，綜述了大功率電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，使我們對智能電網(wǎng)有一個更全面、更深入的了解。

1 發(fā)電環(huán)節(jié)

智能電網(wǎng)中的大規(guī)模風力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及發(fā)電廠風機水泵的變頻調(diào)速都離不開電力電子技術(shù)。

1.1 風力發(fā)電

現(xiàn)在風電市場上的主流機型是基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的變速風電機組和基于永磁同步發(fā)電機的變速風電機組。雙饋風電機組的定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過部分功率變頻器接入電網(wǎng)，根據(jù)風力機轉(zhuǎn)速的變化，在轉(zhuǎn)子中通以變頻交流的勵磁電流，實現(xiàn)發(fā)電機組的有功和無功的解耦控制，使風電機組具有變速運行的特性，提高風電機組的風能轉(zhuǎn)換效率?；谟来磐桨l(fā)電機的變速風電機組通過全功率變頻器接入電網(wǎng)，由于變頻器的解耦控制，使變速同步風電機組與電網(wǎng)完全解耦，其特性完全取決于變頻器的控制系統(tǒng)和控制策略。

1.2 太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電又稱光伏發(fā)電，一般由光伏陣列、控制器、逆變器、蓄電池組等部分組成。光伏陣列所發(fā)的電力為直流電，除特殊用電負荷外，均需通過逆變器將直流電變換為交流電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要以電流源形式并網(wǎng)，其輸出電流的相位跟蹤電網(wǎng)電壓相位變化，同時調(diào)整輸出電流幅值大小，使光伏發(fā)電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的功率最大。為了彌補光伏發(fā)電功率的波動，還需要通過控制器實現(xiàn)蓄電池組的雙向充放電控制，以保證向負荷實現(xiàn)平穩(wěn)供電。

1.3 發(fā)電廠風機水泵的變頻調(diào)速

發(fā)電廠的廠用電平均為8%，其中風機水泵耗電量約占輔機設(shè)備總耗電量的65%，且運行效率低。在發(fā)電廠的節(jié)能降耗中，主要是采用低壓或高壓變頻器，實現(xiàn)風機水泵的變頻調(diào)速，可以達到節(jié)能30%的效果。目前低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，且有完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計和生產(chǎn)的企業(yè)還不多。

2 輸電環(huán)節(jié)

2.1 高壓直流輸電(HVDC)

直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項晶閘管換流閥試驗工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧閥換流器，標志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。

2.2 基于電壓源換流器（VSC）的柔性直流輸電

近年來，直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，基于電壓源換流器（VoltageSourced Converter，VSC）的柔性直流輸電VSC-HVDC是一種以VSC和脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)，采用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題，同時大幅度簡化設(shè)備，降低造價，可用于孤島供電、城市配電網(wǎng)增容改造、交流系統(tǒng)間互聯(lián)和大規(guī)模風力發(fā)電廠并網(wǎng)等。世界上第一個采用IGBT構(gòu)成電壓源換流器的柔性直流輸電工業(yè)性試驗工程于1997年投入運行。

2.3 柔性交流輸電(FACTS)

FACTS技術(shù)的概念問世于20世紀80年代后期，是一項基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。現(xiàn)有的FACTS設(shè)備及其在電網(wǎng)中的功能如表1所示。20世紀90年代以來，國外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實際電力系統(tǒng)工程。其中SVC是通過晶閘管控制電容器組的投切來調(diào)節(jié)輸出無功的大小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應(yīng)用。其他的如STATCOM（美國/日本/中國）、TCSC（德國/美國）、UPFC（美國）和CSC（美國）也都有實際的工程應(yīng)用。

3 配電環(huán)節(jié)

“用戶電力技術(shù)” (Custom Power Technology)的概念是美國的N．G．Hingorani博士于1988年提出的，該技術(shù)是將大功率電力電子技術(shù)和配電自動化技術(shù)綜合起來，以用戶對電力可靠性和電能質(zhì)量要求為依據(jù)，為用戶提供其特定要求的電力供應(yīng)技術(shù)。用戶電力技術(shù)又稱DFACTS，是FACTS技術(shù)在配電網(wǎng)中的延伸。目前主要的DFACTS設(shè)備及其功能見表2所示。他們可以根據(jù)用戶的需求，實現(xiàn)平抑系統(tǒng)諧波、消除電壓閃變和不對稱、補償功率因數(shù)和負荷波動等功能。

在智能配電網(wǎng)的電力電子裝置中，值得一提的是智能萬用變壓器(IUT)。不同于傳統(tǒng)的線圈式變壓器，它是基于電力電子技術(shù)(由多級逆變器組成)的變壓器。作為美國EPRI ADA項目中的一個基礎(chǔ)性的裝置，IUT已接近市場化。見于報道的IUT的額定功率為20 kVA，輸入相電壓為2.4 kV，輸出的額定電壓為120V/240V。除了傳統(tǒng)變壓器的功能外，IUT可向用戶提供可選擇的服務(wù)項目，如直流或400 Hz的電力，由單相到三相的轉(zhuǎn)換、調(diào)壓、諧波過濾、下陷校正；它還可以改善系統(tǒng)運行效益，如設(shè)計標準化(減少了備件的庫存量)，消除了危險的液體介質(zhì)(油)，減小了重量和尺寸，內(nèi)置傳感器具有遠方通訊能力，可輔助配網(wǎng)遠程監(jiān)控，也可作為可控開關(guān)遮斷潮流。

4 儲能技術(shù)和V2G

隨著各種可再生能源發(fā)電的大規(guī)模接入電網(wǎng)，風電和光伏發(fā)電功率的隨機性和波動性對電網(wǎng)調(diào)度和安全穩(wěn)定運行提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。為了吸納更多風電和光伏發(fā)電波動的功率，迫切需要電網(wǎng)具有較強的調(diào)節(jié)能力，大容量集中式儲能技術(shù)和V2G等分布式儲能技術(shù)就應(yīng)運而生。

除抽水儲能和壓縮空氣儲能（CSES）外，電池儲能（鉛酸電池、鋰電池、NaS電池和釩液流電池等）、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能（SMES）和超級電容器儲能等都要用到電力電子技術(shù)。各種電池儲能和大容量的液流電池儲能都是產(chǎn)生直流電，當電網(wǎng)功率過剩時通過控制器和整流器，將交流電變成直流電給電池組充電。而當電網(wǎng)功率不足時，由控制器和逆變器將電池組的直流電變換成交流電，反送給電網(wǎng)。如何實現(xiàn)電池組的快速充放電、如何實現(xiàn)多個電池的均衡充電延長電池壽命，成為電池智能充放電管理系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。目前，NaS液流電池組和釩液流電池組最大的可以達到上兆瓦，多組并聯(lián)容量更大，可以實現(xiàn)電網(wǎng)的集中功率調(diào)節(jié)，被稱為“儲能電站”。

飛輪儲能是將電能通過電動機轉(zhuǎn)化成飛輪的機械能，需要時電動機變成發(fā)電機，將飛輪的機械能再轉(zhuǎn)化成電能送入電網(wǎng)。飛輪是由玻璃纖維等高強度材料制成，轉(zhuǎn)速在40000rpm以上，通過一對磁懸浮軸承懸浮在真空中，幾乎沒有能量損耗，整個裝置的運行效率可以達到98%。通過雙向功率變流器將飛輪儲能裝置和電網(wǎng)解耦開來，以保證裝置產(chǎn)生的電能滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。通過模塊化設(shè)計可以將多個飛輪裝置并聯(lián)運行，利用集裝箱移動應(yīng)用，可作為調(diào)節(jié)電站和后備電源使用。目前美國已建成20MW的移動式飛輪儲能系統(tǒng)，開展工業(yè)化應(yīng)用試驗。

隨著電動汽車的發(fā)展，大量的車載電池成了天然的分布式儲能系統(tǒng)，為增強電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力提供了新的途徑。統(tǒng)計表明，一臺電動汽車95%的時間處于停駛狀態(tài)，車主可以在電價低廉時充電，當電網(wǎng)需要時將電池中存儲的電能反饋給電網(wǎng)，以獲得差價。在車主和系統(tǒng)調(diào)度員之間，是通過實時電價和智能電表來實現(xiàn)智能充放電管理。這就是V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)。以美國為例，美國汽車保有量為1.76億輛，以汽車輸出的總機械功率換算，是美國電力系統(tǒng)總裝機容量的24倍。假設(shè)其中的1/4即0.44億輛為電動汽車，它們的車載電池足以存儲美國所有風電廠的輸出功率。巨大的電動汽車儲能有效地調(diào)節(jié)了可再生能源發(fā)電輸出功率的波動，增加了系統(tǒng)的有效備用容量，成百上千的電動汽車還可以組成微電網(wǎng)運行，在緊急狀況下還可以對電網(wǎng)提供有效的支撐，提高了電網(wǎng)的安全運行水平。目前美國已有20多個城市在開展V2G試點，一臺運行于V2G模式的電動汽車，車主一年可獲利4000-5000美元，相當于全年1/3-1/6的總行駛里程的費用。我國也出臺了新能源汽車發(fā)展規(guī)劃，每購置一臺電動汽車可以獲得國家財政3000元的補貼。我國正在研究出臺充電站系列標準，由北京交通大學(xué)電氣學(xué)院研發(fā)的奧運會充電站、世博會充電站和世博園V2G示范項目也相繼投入運行。

5 結(jié)論

電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，歸納起來主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提升電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力。FACTS技術(shù)能在現(xiàn)有設(shè)備不做重大改動的條件下充分發(fā)揮電網(wǎng)的輸電能力，實現(xiàn)大水電、大煤電、大核電、大可再生能源的遠距離、大容量、低損耗輸送，有效緩解我國能源和負荷分布不均的矛盾；

（2）提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平。如FACTS和VSC-HVDC相對于傳統(tǒng)輸電方案具有更快的響應(yīng)速度、更好的可控性和更強的控制功能，為智能輸電網(wǎng)的快速、連續(xù)、靈活控制提供了最有效的手段；

（3）提高清潔能源并網(wǎng)運行控制能力。風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)變流器具有軟并網(wǎng)、軟解列、有功與無功解耦控制和電能質(zhì)量控制等多重功能，大容量集中式儲能和V2G式分布式儲能為消納更多的可再生能源提供了可靠的保障；

（4）提高電網(wǎng)服務(wù)能力。電力電子技術(shù)保障不同特征電力用戶可以可靠接入和方便使用電能，通過低壓變流器和低成本儲能相結(jié)合，實現(xiàn)電能在分布式發(fā)電單元和電網(wǎng)之間的雙向流動，用戶可以低儲高買，獲得一定經(jīng)濟效益，同時DVR和APF為代表的定制電力設(shè)備可以滿足用戶對電能質(zhì)量的要求；

（5）城市配電網(wǎng)增容改造。一方面，大中型城市用電負荷迅猛增長，原有架空配電網(wǎng)絡(luò)的輸電容量已不能滿足用電負荷需求。另一方面，交流長距離架空輸電線路和電纜線路會產(chǎn)生較大的充電電流，需要添加相應(yīng)的無功功率補償裝置。而VSC-HVDC可采用地埋式電纜，既不影響市容，也不會產(chǎn)生電磁干擾，適合長距離電力傳輸。采用VSC-HVDC向城市中心供電可能成為未來城市增容的最佳方案。

智能電網(wǎng)是信息化技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中大功率電力電子技術(shù)可以實現(xiàn)電能的變換和控制，是實現(xiàn)電網(wǎng)更加靈活和可控的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從發(fā)電環(huán)節(jié)的大規(guī)模可再生能源接入、輸電環(huán)節(jié)的高壓直流輸電和柔性交流輸電、配電環(huán)節(jié)的用戶電力技術(shù)和儲能V2G技術(shù)等四個層面，綜述了電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，使我們對智能電網(wǎng)有一個更全面、更深入的了解。