电力电子技术在智能电网中的应用分析

引 言

我国坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以信息通信平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化为特征，包含电力系统各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。从可再生能源发电的大规模接入到高压直流输电和柔性交流输电，从改善电能质量的用户电力技术到储能和V2G应用，到处都离不开大功率电力电子技术。本文从发电环节的可再生能源接入、输电环节的高压直流输电和柔性交流输电、配电环节的用户电力技术和储能技术等四个层面，综述了大功率电力电子技术在智能电网中的应用，使我们对智能电网有一个更全面、更深入的了解。

1 发电环节

智能电网中的大规模风力发电、太阳能发电以及发电厂风机水泵的变频调速都离不开电力电子技术。

1.1 风力发电

现在风电市场上的主流机型是基于双馈感应发电机的变速风电机组和基于永磁同步发电机的变速风电机组。双馈风电机组的定子直接接入电网，转子通过部分功率变频器接入电网，根据风力机转速的变化，在转子中通以变频交流的励磁电流，实现发电机组的有功和无功的解耦控制，使风电机组具有变速运行的特性，提高风电机组的风能转换效率。基于永磁同步发电机的变速风电机组通过全功率变频器接入电网，由于变频器的解耦控制，使变速同步风电机组与电网完全解耦，其特性完全取决于变频器的控制系统和控制策略。

1.2 太阳能发电

太阳能发电又称光伏发电，一般由光伏阵列、控制器、逆变器、蓄电池组等部分组成。光伏阵列所发的电力为直流电，除特殊用电负荷外，均需通过逆变器将直流电变换为交流电。并网光伏发电系统主要以电流源形式并网，其输出电流的相位跟踪电网电压相位变化，同时调整输出电流幅值大小，使光伏发电系统注入电网的功率最大。为了弥补光伏发电功率的波动，还需要通过控制器实现蓄电池组的双向充放电控制，以保证向负荷实现平稳供电。

1.3 发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电平均为8%，其中风机水泵耗电量约占辅机设备总耗电量的65%，且运行效率低。在发电厂的节能降耗中，主要是采用低压或高压变频器，实现风机水泵的变频调速，可以达到节能30%的效果。目前低压变频器技术已非常成熟，且有完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产的企业还不多。

2 输电环节

2.1 高压直流输电(HVDC)

直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

2.2 基于电压源换流器（VSC）的柔性直流输电

近年来，直流输电技术又有新的发展，基于电压源换流器（VoltageSourced Converter，VSC）的柔性直流输电VSC-HVDC是一种以VSC和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术为基础的新型直流输电技术，采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题，同时大幅度简化设备，降低造价，可用于孤岛供电、城市配电网增容改造、交流系统间互联和大规模风力发电厂并网等。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的柔性直流输电工业性试验工程于1997年投入运行。

2.3 柔性交流输电(FACTS)

FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。现有的FACTS设备及其在电网中的功能如表1所示。20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其中SVC是通过晶闸管控制电容器组的投切来调节输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。其他的如STATCOM（美国/日本/中国）、TCSC（德国/美国）、UPFC（美国）和CSC（美国）也都有实际的工程应用。

3 配电环节

“用户电力技术” (Custom Power Technology)的概念是美国的N．G．Hingorani博士于1988年提出的，该技术是将大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户提供其特定要求的电力供应技术。用户电力技术又称DFACTS，是FACTS技术在配电网中的延伸。目前主要的DFACTS设备及其功能见表2所示。他们可以根据用户的需求，实现平抑系统谐波、消除电压闪变和不对称、补偿功率因数和负荷波动等功能。

在智能配电网的电力电子装置中，值得一提的是智能万用变压器(IUT)。不同于传统的线圈式变压器，它是基于电力电子技术(由多级逆变器组成)的变压器。作为美国EPRI ADA项目中的一个基础性的装置，IUT已接近市场化。见于报道的IUT的额定功率为20 kVA，输入相电压为2.4 kV，输出的额定电压为120V/240V。除了传统变压器的功能外，IUT可向用户提供可选择的服务项目，如直流或400 Hz的电力，由单相到三相的转换、调压、谐波过滤、下陷校正；它还可以改善系统运行效益，如设计标准化(减少了备件的库存量)，消除了危险的液体介质(油)，减小了重量和尺寸，内置传感器具有远方通讯能力，可辅助配网远程监控，也可作为可控开关遮断潮流。

4 储能技术和V2G

随着各种可再生能源发电的大规模接入电网，风电和光伏发电功率的随机性和波动性对电网调度和安全稳定运行提出了严峻的挑战。为了吸纳更多风电和光伏发电波动的功率，迫切需要电网具有较强的调节能力，大容量集中式储能技术和V2G等分布式储能技术就应运而生。

除抽水储能和压缩空气储能（CSES）外，电池储能（铅酸电池、锂电池、NaS电池和钒液流电池等）、飞轮储能、超导储能（SMES）和超级电容器储能等都要用到电力电子技术。各种电池储能和大容量的液流电池储能都是产生直流电，当电网功率过剩时通过控制器和整流器，将交流电变成直流电给电池组充电。而当电网功率不足时，由控制器和逆变器将电池组的直流电变换成交流电，反送给电网。如何实现电池组的快速充放电、如何实现多个电池的均衡充电延长电池寿命，成为电池智能充放电管理系统的关键问题。目前，NaS液流电池组和钒液流电池组最大的可以达到上兆瓦，多组并联容量更大，可以实现电网的集中功率调节，被称为“储能电站”。

飞轮储能是将电能通过电动机转化成飞轮的机械能，需要时电动机变成发电机，将飞轮的机械能再转化成电能送入电网。飞轮是由玻璃纤维等高强度材料制成，转速在40000rpm以上，通过一对磁悬浮轴承悬浮在真空中，几乎没有能量损耗，整个装置的运行效率可以达到98%。通过双向功率变流器将飞轮储能装置和电网解耦开来，以保证装置产生的电能满足电网电能质量的要求。通过模块化设计可以将多个飞轮装置并联运行，利用集装箱移动应用，可作为调节电站和后备电源使用。目前美国已建成20MW的移动式飞轮储能系统，开展工业化应用试验。

随着电动汽车的发展，大量的车载电池成了天然的分布式储能系统，为增强电网的调节能力提供了新的途径。统计表明，一台电动汽车95%的时间处于停驶状态，车主可以在电价低廉时充电，当电网需要时将电池中存储的电能反馈给电网，以获得差价。在车主和系统调度员之间，是通过实时电价和智能电表来实现智能充放电管理。这就是V2G（Vehicle to Grid）技术。以美国为例，美国汽车保有量为1.76亿辆，以汽车输出的总机械功率换算，是美国电力系统总装机容量的24倍。假设其中的1/4即0.44亿辆为电动汽车，它们的车载电池足以存储美国所有风电厂的输出功率。巨大的电动汽车储能有效地调节了可再生能源发电输出功率的波动，增加了系统的有效备用容量，成百上千的电动汽车还可以组成微电网运行，在紧急状况下还可以对电网提供有效的支撑，提高了电网的安全运行水平。目前美国已有20多个城市在开展V2G试点，一台运行于V2G模式的电动汽车，车主一年可获利4000-5000美元，相当于全年1/3-1/6的总行驶里程的费用。我国也出台了新能源汽车发展规划，每购置一台电动汽车可以获得国家财政3000元的补贴。我国正在研究出台充电站系列标准，由北京交通大学电气学院研发的奥运会充电站、世博会充电站和世博园V2G示范项目也相继投入运行。

5 结论

电力电子技术在智能电网中的应用，归纳起来主要体现在以下几个方面：

（1）提升电网资源优化配置能力。FACTS技术能在现有设备不做重大改动的条件下充分发挥电网的输电能力，实现大水电、大煤电、大核电、大可再生能源的远距离、大容量、低损耗输送，有效缓解我国能源和负荷分布不均的矛盾；

（2）提高电网安全稳定运行水平。如FACTS和VSC-HVDC相对于传统输电方案具有更快的响应速度、更好的可控性和更强的控制功能，为智能输电网的快速、连续、灵活控制提供了最有效的手段；

（3）提高清洁能源并网运行控制能力。风力发电和光伏发电并网变流器具有软并网、软解列、有功与无功解耦控制和电能质量控制等多重功能，大容量集中式储能和V2G式分布式储能为消纳更多的可再生能源提供了可靠的保障；

（4）提高电网服务能力。电力电子技术保障不同特征电力用户可以可靠接入和方便使用电能，通过低压变流器和低成本储能相结合，实现电能在分布式发电单元和电网之间的双向流动，用户可以低储高买，获得一定经济效益，同时DVR和APF为代表的定制电力设备可以满足用户对电能质量的要求；

（5）城市配电网增容改造。一方面，大中型城市用电负荷迅猛增长，原有架空配电网络的输电容量已不能满足用电负荷需求。另一方面，交流长距离架空输电线路和电缆线路会产生较大的充电电流，需要添加相应的无功功率补偿装置。而VSC-HVDC可采用地埋式电缆，既不影响市容，也不会产生电磁干扰，适合长距离电力传输。采用VSC-HVDC向城市中心供电可能成为未来城市增容的最佳方案。

智能电网是信息化技术、电力电子技术和控制技术在电力系统中的应用，其中大功率电力电子技术可以实现电能的变换和控制，是实现电网更加灵活和可控的关键技术之一。本文从发电环节的大规模可再生能源接入、输电环节的高压直流输电和柔性交流输电、配电环节的用户电力技术和储能V2G技术等四个层面，综述了电力电子技术在智能电网中的应用，使我们对智能电网有一个更全面、更深入的了解。