電力電子技術在智能電網中的應用

2013-11-27 15:01:03 智能電網知識庫網　點擊量：評論 (0)

摘要：智能電網是信息化技術、電力電子技術和控制技術在電力系統中的應用，其中大功率電力電子技術可以實現電能的變換和控制，是實現電網更加靈活和可控的關鍵技術之一。本文從發電環節的大規模可再生能源發電接

摘要：智能電網是信息化技術、電力電子技術和控制技術在電力系統中的應用，其中大功率電力電子技術可以實現電能的變換和控制，是實現電網更加靈活和可控的關鍵技術之一。本文從發電環節的大規模可再生能源發電接入、輸電環節的高壓直流輸電和柔性交流輸電、配電環節的用戶電力技術和儲能V2G技術等四個層面，綜述了電力電子技術在智能電網中的應用，使我們對智能電網的實現有一個更加深入的理解。

0 引言

我國堅強智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強網架為基礎，以信息通信平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化為特征，包含電力系統各個環節，覆蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合的現代電網。從可再生能源發電的大規模接入到高壓直流輸電和柔性交流輸電，從改善電能質量的用戶電力技術到儲能和V2G應用，到處都離不開大功率電力電子技術。本文是智能電網綜述系列文章之四，從發電環節的可再生能源接入、輸電環節的高壓直流輸電和柔性交流輸電、配電環節的用戶電力技術和儲能技術等四個層面，綜述了大功率電力電子技術在智能電網中的應用，使我們對智能電網有一個更全面、更深入的了解。

1 發電環節

智能電網中的大規模風力發電、太陽能發電以及發電廠風機水泵的變頻調速都離不開電力電子技術。

1.1 風力發電

現在風電市場上的主流機型是基于雙饋感應發電機的變速風電機組和基于永磁同步發電機的變速風電機組。雙饋風電機組的定子直接接入電網，轉子通過部分功率變頻器接入電網，根據風力機轉速的變化，在轉子中通以變頻交流的勵磁電流，實現發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換效率。基于永磁同步發電機的變速風電機組通過全功率變頻器接入電網，由于變頻器的解耦控制，使變速同步風電機組與電網完全解耦，其特性完全取決于變頻器的控制系統和控制策略。

1.2 太陽能發電

太陽能發電又稱光伏發電，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。并網光伏發電系統主要以電流源形式并網，其輸出電流的相位跟蹤電網電壓相位變化，同時調整輸出電流幅值大小，使光伏發電系統注入電網的功率最大。為了彌補光伏發電功率的波動，還需要通過控制器實現蓄電池組的雙向充放電控制，以保證向負荷實現平穩供電。

1.3 發電廠風機水泵的變頻調速

發電廠的廠用電平均為8%，其中風機水泵耗電量約占輔機設備總耗電量的65%，且運行效率低。在發電廠的節能降耗中，主要是采用低壓或高壓變頻器，實現風機水泵的變頻調速，可以達到節能30%的效果。目前低壓變頻器技術已非常成熟，且有完整的系列產品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產的企業還不多。

2 輸電環節

2.1 高壓直流輸電(HVDC)

直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯網，高壓直流輸電擁有獨特的優勢。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正式應用于直流輸電。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，直流輸電技術又有新的發展，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和脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)技術為基礎的新型直流輸電技術，采用IGBT等可關斷電力電子器件組成換流器，應用脈寬調制技術進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題，同時大幅度簡化設備，降低造價，可用于孤島供電、城市配電網增容改造、交流系統間互聯和大規模風力發電廠并網等。世界上第一個采用IGBT構成電壓源換流器的柔性直流輸電工業性試驗工程于1997年投入運行。

2.3 柔性交流輸電(FACTS)

FACTS技術的概念問世于20世紀80年代后期，是一項基于電力電子技術與現代控制技術對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調節的輸電技術，可實現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統的穩定水平。現有的FACTS設備及其在電網中的功能如表1所示。20世紀90年代以來，國外在研究開發的基礎上開始將FACTS技術用于實際電力系統工程。其中SVC是通過晶閘管控制電容器組的投切來調節輸出無功的大小，設備結構簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應用。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用。

3 配電環節

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

在智能配電網的電力電子裝置中，值得一提的是智能萬用變壓器(IUT)。不同于傳統的線圈式變壓器，它是基于電力電子技術(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。除了傳統變壓器的功能外，IUT可向用戶提供可選擇的服務項目，如直流或400 Hz的電力，由單相到三相的轉換、調壓、諧波過濾、下陷校正;它還可以改善系統運行效益，如設計標準化(減少了備件的庫存量)，消除了危險的液體介質(油)，減小了重量和尺寸，內置傳感器具有遠方通訊能力，可輔助配網遠程監控，也可作為可控開關遮斷潮流。

4 儲能技術和V2G

隨著各種可再生能源發電的大規模接入電網，風電和光伏發電功率的隨機性和波動性對電網調度和安全穩定運行提出了嚴峻的挑戰。為了吸納更多風電和光伏發電波動的功率，迫切需要電網具有較強的調節能力，大容量集中式儲能技術和V2G等分布式儲能技術就應運而生。

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、超導儲能(SMES)和超級電容器儲能等都要用到電力電子技術。各種電池儲能和大容量的液流電池儲能都是產生直流電，當電網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。如何實現電池組的快速充放電、如何實現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的關鍵問題。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，多組并聯容量更大，可以實現電網的集中功率調節，被稱為“儲能電站”。

飛輪儲能是將電能通過電動機轉化成飛輪的機械能，需要時電動機變成發電機，將飛輪的機械能再轉化成電能送入電網。飛輪是由玻璃纖維等高強度材料制成，轉速在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解耦開來，以保證裝置產生的電能滿足電網電能質量的要求。通過模塊化設計可以將多個飛輪裝置并聯運行，利用集裝箱移動應用，可作為調節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，開展工業化應用試驗。

隨著電動汽車的發展，大量的車載電池成了天然的分布式儲能系統，為增強電網的調節能力提供了新的途徑。統計表明，一臺電動汽車95%的時間處于停駛狀態，車主可以在電價低廉時充電，當電網需要時將電池中存儲的電能反饋給電網，以獲得差價。在車主和系統調度員之間，是通過實時電價和智能電表來實現智能充放電管理。這就是V2G(Vehicle to Grid)技術。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，是美國電力系統總裝機容量的24倍。假設其中的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節了可再生能源發電輸出功率的波動，增加了系統的有效備用容量，成百上千的電動汽車還可以組成微電網運行，在緊急狀況下還可以對電網提供有效的支撐，提高了電網的安全運行水平。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展規劃，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，由北京交通大學電氣學院研發的奧運會充電站、世博會充電站和世博園V2G示范項目也相繼投入運行。

5 結論

電力電子技術在智能電網中的應用，歸納起來主要體現在以下幾個方面：

(1)提升電網資源優化配置能力。FACTS技術能在現有設備不做重大改動的條件下充分發揮電網的輸電能力，實現大水電、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)提高電網安全穩定運行水平。如FACTS和VSC-HVDC相對于傳統輸電方案具有更快的響應速度、更好的可控性和更強的控制功能，為智能輸電網的快速、連續、靈活控制提供了最有效的手段;

(3)提高清潔能源并網運行控制能力。風力發電和光伏發電并網變流器具有軟并網、軟解列、有功與無功解耦控制和電能質量控制等多重功能，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)提高電網服務能力。電力電子技術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合，實現電能在分布式發電單元和電網之間的雙向流動，用戶可以低儲高買，獲得一定經濟效益，同時DVR和APF為代表的定制電力設備可以滿足用戶對電能質量的要求;

(5)城市配電網增容改造。一方面，大中型城市用電負荷迅猛增長，原有架空配電網絡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生較大的充電電流，需要添加相應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。

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