我國堅強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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)。本文是智能電網(wǎng)綜述系列文章之四，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(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速都離不開電力電子技術(shù)。

1.1 風(fēng)力發(fā)電

現(xiàn)在風(fēng)電市場上的主流機(jī)型是基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組和基于永磁同步發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組。雙饋風(fēng)電機(jī)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(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，在轉(zhuǎn)子中通以變頻交流的勵磁電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的有功和無功的解耦控制，使風(fēng)電機(jī)組具有變速運(yùn)行的特性，提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。基于永磁同步發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(fù)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(bǔ)光伏發(fā)電功率的波動，還需要通過控制器實(shí)現(xiàn)蓄電池組的雙向充放電控制，以保證向負(fù)荷實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)供電。

1.3 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速

發(fā)電廠的廠用電平均為8%，其中風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占輔機(jī)設(shè)備總耗電量的65%，且運(yùn)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(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，可以達(dá)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。

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(diǎn)，對于遠(yuǎn)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(dú)特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流閥試驗(yàn)工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧閥換流器，標(biāo)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(Voltage Sourced 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(jìn)行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負(fù)荷點(diǎn)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(fēng)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(yàn)工程于1997年投入運(yùn)行。

2.3 柔性交流輸電(FACTS)

FACTS技術(shù)的概念問世于20世紀(jì)80年代后期，是一項(xiàng)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(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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