柔性配电技术、设备及其应用

1. 柔性配电技术概述

柔性配电技术是柔性交流输电( Flexible ACT ransmission System， FACTS) 技术在配电网的延伸，简称为DFACTS( Distribution FACTS) 。

FACTS 是利用电力电子技术和控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位等基本参数进行灵活快速地调节，进而对系统的有功和无功潮流进行灵活地控制， 以提高输电系统的输送能力与稳定水平。作为提高电力系统安全稳定水平与运行效率的重要技术手段， FACTS技术已在电力系统中获得广泛应用。

智能配电网的一个重要特征是具有很高的电能质量， 能够为用户提供定制电力( Custom Power) 技术或定质电力。所谓/ 定制0， 是指用户根据其负荷运行需要向供电企业提出的对供电质量的特殊要求， 如要求供电一刻都不能中断， 没有电压骤降、谐波、电压波动的影响等。而依赖传统的供电技术难以满足用户的这些特殊要求，这就需要应用DFACTS技术对各种电能质量问题进行有效地控制。电能质量控制是DFACTS技术的一种主要的应用领域，鉴于此， 有人将其称为定制电力技术。

DFACTS 技术在智能配电网中的另一个应用领域是解决分布式电源( DER) 并网问题。一是提供动态无功补偿， 克服风力发电、太阳能发电功率输出间歇性的影响， 使配电网在最大程度地接纳风电、太阳能发电功率的同时，保证电压质量与稳定性; 二是对有源配电网( 指分布式电源高度渗透的配电网， 见本讲座第二讲) 的潮流进行调节与控制， 优化配电网潮流分布， 提高配电网运行可靠性， 减少损耗。

随着电力电子技术的迅猛发展， 电力电子器件容量不断增大， 成本逐步降低， DFACTS 技术更加成熟可靠。而DFACT S 设备的推广应用， 将极大地推动智能配电网技术的发展。可以预见，将来DFACT S 设备会象如今的变压器、开关设备一样， 遍布智能配电网的各个环节。

2. 柔性配电设备及其应用

本节介绍目前几种主要的DFACTS设备及其应用。

2.1. 固态开关

固态开关是应用电力电子器件构成的开关设备， 分为固态转换开关( Solid State Transfer Switch， SSTS) 与固态断路器( Solid State Cir cuit Breaker， SSCB) 两种。它们利用电力电子器件导通与截止速度快的特点，解决传统机械开关动作时间长( 达数个周波) 带来的问题。

1) SSTS 是由晶闸管( SCR) 构成的负荷开关，可在接到控制命令后数个微秒内接( 导) 通， 在半个周波内关断( 截止) ; 如果用绝缘栅双极晶体管( IGBT) 代替SCR， 其关断时间也可缩短至几个微秒以内。SSTS 用于双电源供电回路的切换，可避免采用机械开关倒闸操作引起的较长时间供电中断， 使敏感负荷的供电不受影响。如图1 所示的双电源供电回路， 正常运行时，固态转换开关A 接通， 固态转换开关B 关断， 敏感负荷由电源A 供电， 电源B 处于备用状态。在控制系统检测到电源A 停电时， 在半个周波内将固态转换开关A 关断、固态转换开关B接通， 负荷在一个周波内转为由电源B 供电， 实现供电回路的/ 无缝0转换。

目前， SSTS 已有商业化的产品。

2) SSCB 由门极可关断晶闸管(GTO) 回路和晶闸管( SCR) 加限流电抗器( 或电阻器) 回路两部分并联而成， 如图2 所示。正常运行时， 电流流经GTO 支路。电力系统故障时， 流经GTO 支路的电流迅速超过限额， GTO 在半个周波之内关断， 故障随之流经SCR 和限流电抗器相串联的支路，达到限制故障电流的目的。然后SCR 关断，完全切断故障电流。

目前， 对SSCB 的研究还处在低电压、小电流断路器的试验探讨阶段，将其实用化还需进行大量的研究工作。

2.2. 静态无功补偿装置( SVC)

SVC 包括晶闸管控制的电抗器( Thyrisator Switch Reactor， TSR) 与晶闸管控制的电容器(T hyrisator Switch Capacitor， TSC) 两种装置。

实际应用中， 也可将两者结合使用， 称为混合式SVC。SVC 通过控制晶闸管的导通时刻来改变流过电抗器或电容器的电流， 从而调节从系统中吸取或向系统注入的无功电流，可以平滑、无级地调节容性或感性无功功率， 且具有较好的动态响应特性。而常规的无功功率补偿装置采用机械开关投切电容器， 响应速度慢， 且不能满足对波动较频繁的无功负荷进行连续补偿的要求。

SVC 广泛用于抑制轧钢机、电弧炉等冲击性负荷引起的电压闪变; 用于电气化铁路等场合， 补偿不对称负载引起的电压不平衡;用于自动消弧线圈接地装置， 动态补偿中性点非有效接地系统的接地电容电流; 用于风力发电并网控制， 为风电场提供快速、连续地的无功补偿。

2.3. 静止同步补偿器( STATCOM)

STATCOM 又称静止无功发生装置( Static Var Generator， SVG) 。它是一个基于脉宽调制( PWM) 技术的无功功率发生器， 通过自动调节注入到系统中去的无功电流， 实现对瞬时无功功率控制， 从而达到抑制电压波动、闪变与谐波的目的。STATCOM 克服了SVC 仍然需要配置大容量的电容或电感元件、仍然难以适应无功功率的急剧变化这两个缺点，特别适用于冲击性负荷的无功补偿; 用于风电场的无功补偿时， 能够很好抑制风力发电机并网或切机瞬间引起的电压波动，并且在系统故障时， 能够提高机端电压恢复速度，维持风力发电机在故障期间继续平稳运行，为系统提供功率支撑。

STATCOM 在国内外都有一定的应用。我国已开发出 50Mvar 的STATCOM 并投入实际系统运行。但是， 其控制复杂，造价较高， 这限制了它的推广应用。

2.4. 动态不间断电源(DUPS)

DUPS( Dynamic Uninterrupted Power Supply) 由STATCOM 和一个直流储能系统构成， 其中STATCOM 作为一个信号发生装置使用，在供电中断时将储存的直流能量转换成有功电流，维持一段时间的供电。

DUPS 作为应急后备电源使用， 可防止敏感负荷因短暂的供电中断出现不正常。图3 所示为应用DUPS 的配电系统。母线I 上馈线出线采用固态断路器SSCB1， 其余馈线仍采用常规机械断路器。DUPS 通过固态断路器SSCB2(正常情况下处于断开状态) 给敏感负荷供电。当负荷上游任一点发生故障引起供电中断时， 在半个周波时间内SSCB1 断开、SSCB2 投入，DUPS 给敏感负荷供电，直至常规的机械断路器切除故障并恢复正常供电或者将负荷转移到无故障的馈线上去。

2.5. 动态电压恢复器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer) 由直流储能电路、功率逆变器( PWM) 和串接在供电线路中的变压器组成， 如图4 所示。DVR 在测出电压瞬时降低后， 立即直流电源通过PWM 输出交流电压， 与系统电源电压相加(串联) ， 使负载上的电压维持在合格的范围内， 直至系统电压恢复到正常值。DVR 输出波形能够维持一段时间， 可以补偿系统电压的瞬时下降， 防止电压骤降给一些敏感负荷带来危害。这种补偿方式仅补偿电压的差值，需要的补偿容量小， 且具有补偿效果与系统阻抗、负荷功率因数无关等优点。

DVR 和STATCOM 都是能够发出有功功率的电压补偿装置。DVR 是一种串联补偿装置， 主要用于解决电压骤降的补偿问题， 目前已用于化工厂、半导体制造等企业解决电压骤降问题; 而STATCOM 是一种并联补偿装置， 用于解决供电中断问题。

2.6. 智能通用变压器( IUT)

IUT ( Intelligent Universal T ransformer) 又称为电力电子变压器或固态变压器，是含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的配电装置， 不仅实现传统变压器的变压、电隔离和传递能量， 还可以控制潮流、电压质量。作为一种集潮流与电能质量控制为一体的DFACTS 设备， IUT的推广应用， 对于建设智能配电网具有十分重要的意义。

图5 为采用高频变换器的一种IUT 的构成原理图。IUT 在原边先将工频交流电或直流电通过电力电子变换器转换成高频信号，然后通过中间高频变换器耦合至副边， 再利用电力电子变换器还原成工频交流电或直流电， 或其他形式的电能。由于采用高频变换器， 这种IUT 体积远小于常规变压器并且损耗也显著减小。通过对两边电力电子交换器的控制， 可根据需要调整IUT 电压与功率输出， 使输出电压、波形稳定， 提高电能质量。

目前对IUT 研究还处在理论探讨、技术研发与试验阶段，随着电力电子技术的发展， 相信不久能有IUT 投入实际运行。

2.7. 轻型直流输电( HVDC) 系统

轻型HVDC 系统采用可关断电力电子器件( 如IGBT ) 构成电压源型换流站( Voltage Sourced Converters， VSC) 进行直流传输( 如图6所示) 。它具有一系列传统直流输电所不具备的优点，一是它可以同时而且独立地控制有功功率与无功功率输出， 不仅不需要交流侧提供无功功率， 而且还能够动态补偿交流母线的无功功率; 二是电流能够自关断， 可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换相电压，其受端系统可以是无源网络; 三是其交流侧的电流可控，不会增加交流系统的短路容量。

轻型HVDC 系统特别适用于远离电网的风电、太阳能、小水电等分布式电源(DER) 的并网联络， 如用于海上风电场并网。此外， 还适用于远离电网的海上钻井平台、小岛等孤立负荷供电。

受电力电子器件功率的限制， 轻型HVDC 系统容量还相对较小， 随着电力电子技术的发展， 轻型HVDC 系统的设计容量会进一步提高，获得更为广泛的应用。