柔性配電技術(shù)、設備及其應用

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，簡稱為DFACTS( Distribution FACTS) 。

FACTS 是利用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位等基本參數(shù)進行靈活快速地調(diào)節(jié)，進而對系統(tǒng)的有功和無功潮流進行靈活地控制， 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)中獲得廣泛應用。

智能配電網(wǎng)的一個重要特征是具有很高的電能質(zhì)量， 能夠為用戶提供定制電力( Custom Power) 技術(shù)或定質(zhì)電力。所謂/ 定制0， 是指用戶根據(jù)其負荷運行需要向供電企業(yè)提出的對供電質(zhì)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(tǒng)的供電技術(shù)難以滿足用戶的這些特殊要求，這就需要應用DFACTS技術(shù)對各種電能質(zhì)量問題進行有效地控制。電能質(zhì)量控制是DFACTS技術(shù)的一種主要的應用領域，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)中的另一個應用領域是解決分布式電源( DER) 并網(wǎng)問題。一是提供動態(tài)無功補償， 克服風力發(fā)電、太陽能發(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電、太陽能發(fā)電功率的同時，保證電壓質(zhì)量與穩(wěn)定性; 二是對有源配電網(wǎng)( 指分布式電源高度滲透的配電網(wǎng)， 見本講座第二講) 的潮流進行調(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 設備的推廣應用， 將極大地推動智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。可以預見，將來DFACT S 設備會象如今的變壓器、開關(guān)設備一樣， 遍布智能配電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)。

2. 柔性配電設備及其應用

本節(jié)介紹目前幾種主要的DFACTS設備及其應用。

2.1. 固態(tài)開關(guān)

固態(tài)開關(guān)是應用電力電子器件構(gòu)成的開關(guān)設備， 分為固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(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通與截止速度快的特點，解決傳統(tǒng)機械開關(guān)動作時間長( 達數(shù)個周波) 帶來的問題。

1) SSTS 是由晶閘管( SCR) 構(gòu)成的負荷開關(guān)，可在接到控制命令后數(shù)個微秒內(nèi)接( 導) 通， 在半個周波內(nèi)關(guān)斷( 截止) ; 如果用絕緣柵雙極晶體管( IGBT) 代替SCR， 其關(guān)斷時間也可縮短至幾個微秒以內(nèi)。SSTS 用于雙電源供電回路的切換，可避免采用機械開關(guān)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 所示的雙電源供電回路， 正常運行時，固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)A 接通， 固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)B 關(guān)斷， 敏感負荷由電源A 供電， 電源B 處于備用狀態(tài)。在控制系統(tǒng)檢測到電源A 停電時， 在半個周波內(nèi)將固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)A 關(guān)斷、固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)B接通， 負荷在一個周波內(nèi)轉(zhuǎn)為由電源B 供電， 實現(xiàn)供電回路的/ 無縫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。正常運行時， 電流流經(jīng)GTO 支路。電力系統(tǒng)故障時， 流經(jīng)GTO 支路的電流迅速超過限額， GTO 在半個周波之內(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(tài)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(jié)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(diào)節(jié)從系統(tǒng)中吸取或向系統(tǒng)注入的無功電流，可以平滑、無級地調(diào)節(jié)容性或感性無功功率， 且具有較好的動態(tài)響應特性。而常規(guī)的無功功率補償裝置采用機械開關(guān)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(xù)補償?shù)囊蟆?/p>

SVC 廣泛用于抑制軋鋼機、電弧爐等沖擊性負荷引起的電壓閃變; 用于電氣化鐵路等場合， 補償不對稱負載引起的電壓不平衡;用于自動消弧線圈接地裝置， 動態(tài)補償中性點非有效接地系統(tǒng)的接地電容電流; 用于風力發(fā)電并網(wǎng)控制， 為風電場提供快速、連續(xù)地的無功補償。

2.3. 靜止同步補償器( STATCOM)

STATCOM 又稱靜止無功發(fā)生裝置( Static Var Generator， SVG) 。它是一個基于脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)的無功功率發(fā)生器， 通過自動調(diào)節(jié)注入到系統(tǒng)中去的無功電流， 實現(xiàn)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，特別適用于沖擊性負荷的無功補償; 用于風電場的無功補償時， 能夠很好抑制風力發(fā)電機并網(wǎng)或切機瞬間引起的電壓波動，并且在系統(tǒng)故障時， 能夠提高機端電壓恢復速度，維持風力發(fā)電機在故障期間繼續(xù)平穩(wěn)運行，為系統(tǒng)提供功率支撐。

STATCOM 在國內(nèi)外都有一定的應用。我國已開發(fā)出 50Mvar 的STATCOM 并投入實際系統(tǒng)運行。但是， 其控制復雜，造價較高， 這限制了它的推廣應用。

2.4. 動態(tài)不間斷電源(DUPS)

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

DUPS 作為應急后備電源使用， 可防止敏感負荷因短暫的供電中斷出現(xiàn)不正常。圖3 所示為應用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)機械斷路器。DUPS 通過固態(tài)斷路器SSCB2(正常情況下處于斷開狀態(tài)) 給敏感負荷供電。當負荷上游任一點發(fā)生故障引起供電中斷時， 在半個周波時間內(nèi)SSCB1 斷開、SSCB2 投入，DUPS 給敏感負荷供電，直至常規(guī)的機械斷路器切除故障并恢復正常供電或者將負荷轉(zhuǎn)移到無故障的饋線上去。

2.5. 動態(tài)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后， 立即直流電源通過PWM 輸出交流電壓， 與系統(tǒng)電源電壓相加(串聯(lián)) ， 使負載上的電壓維持在合格的范圍內(nèi)， 直至系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)阻抗、負荷功率因數(shù)無關(guān)等優(yōu)點。

DVR 和STATCOM 都是能夠發(fā)出有功功率的電壓補償裝置。DVR 是一種串聯(lián)補償裝置， 主要用于解決電壓驟降的補償問題， 目前已用于化工廠、半導體制造等企業(yè)解決電壓驟降問題; 而STATCOM 是一種并聯(lián)補償裝置， 用于解決供電中斷問題。

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(tài)變壓器，是含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實現(xiàn)磁耦合的配電裝置， 不僅實現(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 設備， IUT的推廣應用， 對于建設智能配電網(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電力電子變換器轉(zhuǎn)換成高頻信號，然后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。由于采用高頻變換器， 這種IUT 體積遠小于常規(guī)變壓器并且損耗也顯著減小。通過對兩邊電力電子交換器的控制， 可根據(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IUT 研究還處在理論探討、技術(shù)研發(fā)與試驗階段，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 相信不久能有IUT 投入實際運行。

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，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(cè)提供無功功率， 而且還能夠動態(tài)補償交流母線的無功功率; 二是電流能夠自關(guān)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(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡; 三是其交流側(cè)的電流可控，不會增加交流系統(tǒng)的短路容量。

輕型HVDC 系統(tǒng)特別適用于遠離電網(wǎng)的風電、太陽能、小水電等分布式電源(DER) 的并網(wǎng)聯(lián)絡， 如用于海上風電場并網(wǎng)。此外， 還適用于遠離電網(wǎng)的海上鉆井平臺、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(tǒng)容量還相對較小， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 輕型HVDC 系統(tǒng)的設計容量會進一步提高，獲得更為廣泛的應用。