先进电力电子技术在智能电网中的应用

　　摘要：信息化、数字化、自动化、互动化是智能电网的发展目标，先进电力电子技术是建设智能电网的重要技术手段。从不同角度分析了中国智能电网对先进电力电子技术的需求，展望了中国先进电力电子技术的研究方向和发展预期，介绍了先进电力电子技术的基本内涵及其在智能电网中的应用，着重介绍了灵活交流输电(flexibleACtransmissionsystem，FACTS)技术和直流输电(highvoltageDC，HVDC)技术在智能电网中的应用，并指出其未来的发展重点。
　　随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临着新课题和新挑战。依靠现代信息、通信和控制技术，积极发展智能电网，适应未来可持续发展的要求，已成为国际电力发展的现实选择。国家电网公司已提出立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一智能电网的发展目标。建设智能电网，充分发挥电网在资源优化配置、服务国民经济发展中的作用，对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的战略意义[1-3]。
　　以灵活交流输电(flexibleACtransmissionsystem，FACTS)技术、高压直流输电(highvoltageDC，HVDC)技术、定制电力(custompower)技术和能量转换技术为代表的先进电力电子技术越来越广泛地应用到我国电网中，它是建设统一智能电网的重要基础和手段。加强先进电力电子技术的科技进步，是保证我国电网长远发展的重要战略任务。
　　1智能电网对先进电力电子技术的需求
　　1.1在强化优化电网及保障大电网安全方面的需求
　　智能电网是一个互动系统，对于系统变化、用户需求和环境变更的要求，电网要有最佳的反应和适应能力，而电力电子技术是使电网迅速反应并采取相应措施的有力手段。当前，我国电网中的先进电力电子技术通过多种形式的自主创新，已在HVDC、FACTS等相关产业中形成培育点，在提高电网输配电能力、改善电网电能质量、降低故障损失及缩短故障后恢复时间方面取得了一些成果[4-5]。未来智能电网的建设发展，势必对先进电力电子技术的进一步发展提出新的需求。
　　我国电网网架结构相对比较薄弱，在输电、配电等领域还存在很多需要调节和提升的地方，必须加大灵活交流输电装置的研发力度，强化电网网架结构。从世界电网发展历程来看，大电网互联是未来电网发展的必然趋势。我国交直流互联的大电网结构日趋复杂，运行控制难度也逐渐加大，此外，我国极端自然灾害频发，极端外部灾害事件会对大电网安全可靠运行造成灾难性损害。在此情况下，先进电力电子装置作为重要的系统调控手段，可以用来调节输配电网的潮流分配，增强网架结构，抑制电网故障的传播，并提升电网在各种故障下的“自愈”能力，从而提高我国大电网安全稳定运行水平，更好地支撑经济社会发展。
　　1.2在促进可再生能源有效利用方面的需求
　　我国陆上风能和光伏发电资源主要分布在东北、华北、西北地区，到2020年风电将达到100~
　　150GW、光伏发电达到20GW规模，其中风力发电将集中开发若干千万千瓦级基地，太阳能光伏发电则呈现分散接入和规模开发并举的特点。大规模、分散性的可再生能源所固有的间歇性、不确定性等问题，对电网的安全稳定运行提出了更高的要求。通过智能电网的建设，来实现可预测、可控制的可再生能源发电调度与控制，是促进可再生能源发展的前提。这主要是通过使用先进的电力电子技术，来保证可再生能源发电的大规模、分布式接入和远距离送出，使电网对可再生能源具有容纳性和适应性，从而为提高清洁能源比重、有效应对全球气候变化带来的挑战打下坚强基础。
　　1.3在改善电网电能质量与电力市场方面的需求
　　随着经济社会的不断发展和科学技术的全面进步，社会工业水平日益提高，电能质量问题越来越受到重视。大规模风电场、光伏发电站和微型电网等并网与电铁的挂网运行都对电能质量造成了较大影响。相关统计数据表明，美国每年由电能质量造成的损失高达上千亿美元[6]。同时，随着用户参与电力市场的程度越来越深入，供电方与用户之间的联系越来越密切，如何提高能源利用效率，是双方都非常关注的问题。使用电力电子技术和装置来治理电网电能质量，并同时提升电网的配电效率和用户与供电方之间的交互，实现优质、高效的电力供应，是智能化电网发展的一个重要方面。
　　1.4在保障电网电力电子装置可靠性方面的需求电力电子技术在电力系统中的应用已经取得了较大进展，但是现阶段还没有健全的大规模应用电力电子装置的可靠性、经济性评估体系。如何评价大规模应用电力电子装置时的电网适应性与电力电子装置带来的经济效益成为一个亟待解决的问题。安全使用电力电子技术是智能电网的重要课题，由于大量采用电力电子换流技术，所以在系统中发生了谐波不稳定和同步电机自激扭振或次同步谐振问题，这是电力电子和HVDC系统的关键问题之一，国内也已开始了相关的研究工作[7]。此外，现有仿真技术的不足也限制了电力电子技术的发展，必须建立电力电子统一仿真平台，深层次挖掘电力电子装置在电网中的特性，保障电力电子装置的可靠性，提高电力系统可靠性。
　　1.5在节能减排技术研究方面的需求
　　国家电监会、国家发展和改革委员会、国家能源局对2008年全国电力企业节能减排工作的监督检查结果表明，电力企业节能减排是一项长期的、艰巨的工作[8]。随着国家对清洁能源的需求不断增大、对环境的要求越来越高，必须通过电力电子技术的跨越式发展来解决变流器技术这一瓶颈，通过应用可靠性高的电力电子装置来提高现有输电线路的输送能力，通过研制超级电容而推广混合动力汽车、电动汽车的应用。
　　2先进电力电子技术的研究方向和发展预期
　　先进电力电子技术智能化是建设智能电网的关键，也是今后世界各国电力系统电力电子技术发展的方向。从我国电网的基本情况考虑，各种基于电力电子器件的系统控制器将得到更广泛的应用，HVDC技术和FACTS技术的日趋成熟，能在不增加输电走廊的前提下充分利用现有输电线路，提高传输容量和稳定性。监测、通信、控制、保护技术的发展使得广域内潮流控制成为可能。电能质量调节技术的发展将建立起具有自适应、自恢复能力的智能化输电配电网络。能量转换技术的成熟使得新能源发电、尤其是风电并网得到广泛应用；同时微网与能量存储技术使电力用户拥有更多选择，从而构成一个具有高效性、清洁性、自愈性的完全智能化的电网。
　　3FACTS技术在智能电网的应用
　　3.1FACTS技术概述
　　FACTS技术是指以电力电子设备为基础，结合现代控制技术来实现对原有交流输电系统参数及网络结构的快速灵活控制，从而达到大幅提高线路的输送能力和增强系统稳定性、可靠性的目的[9]。随着电力电子器件的发展，FACTS技术已从原有的基于半控器件的静止无功补偿器(staticvarcompen-sator，SVC)、可控串补(thyristorcontrolledseriescompensator，TCSC)技术发展到现在的基于可关断器件的静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator，STATCOM)、统一潮流控制器(unified
　　powerflowcontroller，UPFC)等技术。
　　我国能源的资源与需求呈逆向分布，客观上需要实现能源的大范围转移，这就需要大幅提高线路的输送能力；同时需要解决由此而带来的潮流调控、系统振荡、电压不稳定等问题。而FACTS技术以其快速的控制调节能力及其与现有系统良好的兼容能力，为其在我国的研究和应用提供了广阔的空间。
　　3.2SVC技术在智能电网的应用
　　SVC是一种典型的灵活交流输电装置，其主要作用如下：调节系统电压，保持电压稳定；控制无功潮流，增加输送能力；为直流换流器提供无功功率；提高系统的静态和暂态稳定性；加强对系统低频振荡的阻尼。它是解决我国电网输电瓶颈的一个重要技术手段。我国20世纪80年代从国外引进了6套SVC装备电网，2004年在国家电网公司主持下，由中国电力科学研究院自主研发的辽宁鞍山红一变100MvarSVC示范工程顺利投运，标志着我国完全掌握了SVC的系统设计制造技术。随后，川渝电网3套SVC装置的顺利投运标志着SVC在我国电力系统中的推广应用。SVC具有无功补偿和潮流优化功能，能够提高电网的输电能力和电能输送效率、改善电网的安全稳定性和电能质量，并且适用于各等级电网。SVC为我国电网向着坚强、安全、智能化发展发挥了重要作用。截至2009年，我国电网总计投运近20套SVC，单套最大容量达
　　180Mvar，发挥了巨大的社会经济效益，仅红一变SVC一项就年节约电能25.976GW⋅h，年增收节支总和达1149千万元[11]。
　　3.3TCSC技术在智能电网的应用
　　可控串补技术是在常规串补技术发展起来的一种灵活交流输电技术，主要由晶闸管阀、金属氧化物限压器(me taloxidevaristor，MOV)、电容器组和阻尼器构成。它不仅可以提高现有线路的输送能力，提高系统稳定性，还可以有效阻尼系统低频振荡、抑制次同步谐振、优化系统运行方式和降低输电损耗。我国自20世纪90年代开始系统地研究可控串补技术，并于2004年底建成投运我国第一个国产化TCSC工程——甘肃碧成220kV可控串补工程，使我国成为世界上第4个完全掌握可控串补设计制造技术的国家，2007年10月伊冯500kV可控串补投运，这是目前世界上容量最大、额定电压最高的可控串补装置。以可控串补技术为代表的灵活交流输电技术，代表世界先进输电技术的发展方向，它利用先进电力电子技术提高电网输电能力、提升电网安全稳定水平，适用于超/特高压各等级电网，有力推动了我国交流输电技术的创新进程和产业升级。截至2008年底，我国自主研发的串补装置已在国内外25条输电线路上应用33套，总容量
　　已超过10.870Gvar，因采用该技术节省投资约
　　40亿元、节省线路走廊3200km。
　　3.4其他FACTS技术在智能电网的应用
　　随着我国电网规模的不断扩大，出现了一些新问题，如系统短路电流超标、超/特高压线路容性充电功率较高等，同时基于全控型器件FACTS装置的进步，客观促进了FACTS技术在我国的进一步应用。2006年，我国第一套50Mvar链式STATCOM在上海投运。我国自主研发的首套500kV分级可控并联电抗器(steppedcontrolshuntreactor，SCSR)和首套500kV磁控并联电抗器(magneticallycontrolshuntreactor，MCSR)分别于2006年9月在山西忻都开关站、2007年9月在湖北江陵换流站投运成功[13]。故障电流限制器现在也已完成样机研制工作。
　　3.5FACTS技术的发展方向
　　随着特高压战略和智能电网的实施和推进，必然会有更多的FACTS设备投入运行，未来5年我国FACTS发展主要集中在以下几个方向：1）750kV/1000kV可控串补技术的研究和应用；2）750kV/1000kV可控高抗技术的研究和应用；3）静止同步串联补偿器(staticsynchronousseriescompensator，SSSC)关键技术研究；4）UPFC关键技术研究；5）基于广域测量系统(wideareameasurementsystem，WAMS)的多FACTS协调控制技术研究。
　　4直流输电技术在智能电网的应用
　　4.1常规HVDC技术在智能电网的应用
　　超高压直流输电技术在远距离大容量输电、异步联网、海底电缆送电等方面具有优势，因而得到了广泛应用。而特高压直流输电更可以有效节省输电走廊，降低系统损耗，提高送电经济性，它为我国解决能源分布不均、优化资源配置提供了有效途径。截至2009年，我国已建成7个超高压直流输电工程和2个直流背靠背工程，直流输电线路总长度达7085km，输送容量近20GW，线路总长度和输送容量均居世界第一。预计到2020年，我国将建成“强交强直”的特高压混合电网和坚强的送、受端电网，预计直流工程达50项，其中规划建设30多个特高压工程，包括5个±1000kV的直流工程。
　　2007年底，向家坝至上海±800kV/6400MW特高压直流示范工程开工建设，这是世界上第一条基于6英寸晶闸管阀的特高压直流工程。目前正在调试的灵宝II扩建工程是世界上首次开展基于6英寸晶闸管提升至4.5kA换流阀的工程实践，为超/特高压直流输送进一步提升容量作好了技术储备。
　　2009年初，±660kV宁东—山东直流工程启动，其单阀的耐压水平创直流输电工程之最，单阀串连晶闸管级的数量创工程之最，而1000kV/5kA的特高压直流工程的可行性也在研究之中。±800kV及以上特高压直流换流阀接线方式均采用双12脉动换流阀构成。500及660kV工程采用单12脉动换流阀构成。未来我国直流系统将形成125，500，660，800，1000kV的电压等级序列，形成额Fig.1UHVDCprojectbasictopologyofcoverterstation定电流3，3.5，4，4.5，5kA的电流等级序列。
　　超大容量直流输电的成功条件之一是受端有强大的交流系统，提供足够的短路电流(换相电流)，而受端负荷过大将直接影响直流系统的稳定，受端系统接受能力的研究是今后的重要课题。
　　4.2柔性直流技术在智能电网的应用
　　20世纪90年代发展起来的柔性直流输电技术以电压源换流器(voltagesourceconverter，VSC)和可关断电力电子器件绝缘栅双极晶体管(insulate-gatebipolartransistor，IGBT)为核心，是新一代更为灵活、环保的直流输电技术，其固有的技术优势将在降低城市配电网短路电流、解决可再生能源并网难题、海岛供电及向能源紧缺和特殊地区的供电等领域发挥积极作用。
　　柔性直流输电系统的换流器采用自换相方式，可四象限运行且有功、无功功率独立控制；有利于构成既能方便控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流输电系统；用于联网时不增加系统的短路容量；各换流站可相互独立地控制，换流站之间无需通信。这些独特的技术优势使其在分布式发电接入、孤立负荷和偏远地区供电、城市电网联接等领域都可发挥积极作用。
　　为了贯彻可持续发展的战略，我国正在大力推广风力发电，目前全国已累计建成100多个风电场，装机容量已超过10GW，10GW级风电基地建设也已全面启动。大规模风力发电并网目前存在许多难以解决的问题，对电网的安全稳定造成了一定影响。柔性直流输电是解决大规模风电并网问题的一个重要手段。
　　近年来，我国电力需求和装机增长十分迅速，因而各区域电网间互联的需求日益增强。电网间互联的优点在于电能的互济和动态有功功率的支援，但同时又会造成电网动态稳定下降及短路电流超标等问题，动态稳定问题是我国近年来各大电网普遍出现的新问题，是电力系统安全稳定的瓶颈，而短路电流超标随着城市负荷的增长已成为特大型城市电网的特殊问题。柔性直流输电系统在解决大区域电网与周边弱电网互联、非同步电网互联等问题方面有着其特殊的优势，可以在很大程度上解决目前区域互联面临的种种问题，符合智能化电网的发展要求。
　　国际上关于柔性直流输电的研究，无论在工程实用化方面还是在基础理论方面都已比较深入。
　　ABB公司已投运的9个柔性直流输电工程均运行正常并取得了良好的效益。国内关于柔性直流输电技术的研究起步较晚，国家电网公司于2006年5月制定了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，全面启动了该技术的系统研究。2008年8月，国家电网公司开始开展柔性直流关键技术研究及示范工程实施，工程容量为20MVA，电压等级为±30kV，计划于2010年在上海南汇风电场挂网运行，完成我国首个柔性直流输电系统的工程示范。图2为该示范工程的电气主接线图，表2为VSC-HVDC换流器主要技术参数。目前我国规划中的柔性直流输电项目还包括：舟山传统高压直流输电改造工程，预计容量为100MW，额定直流电压为±100kV，采用海底电缆作为传输线路；台湾金门岛供电，预计容量200MW，额定电压±150kV，建成后将每年减少台湾电网10亿台币左右的亏损；大连电网预计将在2011年开始兴建柔性直流输电用于城市联网示范工程，额定功率为500MW，直流电压±250kV，建成投运后将成为世界范围内电压和功率等级最高的柔性直流输电工程。
　　4.3直流输电技术在智能电网的发展方向
　　基于我国直流输电的发展水平和规划，充分考虑我国智能电网建设的要求，我国未来直流输电技术的研究重点包括：1）±1000kV直流工程关键技术研究；2）智能化直流输电系统研究；3）三级直流输电技术研究；4）多端直流输电系统研究；5）高压大容量柔性直流输电技术研究；6）大规模分布式电源系统采用柔性直流接入系统技术研究；7）电容换相换流器关键技术研究。
　　5电能质量技术在智能电网的应用
　　国际上电能质量技术的工业需求广泛，促进了相关领域技术的不断进步，产品工业化应用非常普遍。美国、日本、印度等国家在电能质量技术方面的研究处于世界领先水平，目前国际上广泛采用的提高电能质量的定制电力技术装置主要有有源电力滤波器(activepowerfilter，APF)，动态电压调节器(dynamicvoltagerestorer，DVR)以及配电网静止同步补偿器[21]等。国内，电能质量基础研究已经开始，目前尚缺乏由电能质量问题造成损失的统计，在此方面的研究主要集中在部分高等院校，工程化的应用并不多见。性能更佳的新型补偿技术(如统一电能质量控制器)，还处于系统结构、模型和仿真研究阶段，相关电力电子装置的技术标准和规范还有待制定。
　　电能质量技术在智能电网中的应用，首先要建立完善的电能质量评估方法与等级划分体系，并基于供用电接口的经济性分析，分别建立内部技术等级评估体系与用户经济性评估体系，建立与健全相关政策、法规，实现智能电网的“优质经济”运行。电能质量技术在智能电网中应用的主要技术包括电气化铁道平衡供电技术、自适应静止无功补偿技术、连续调谐滤波器关键技术、直流有源滤波器相关技术、统一电能质量控制器(unifiedpowerqualitycontroller，UPQC)、优质电力园区等。其中统一电能质量控制器能确保重要用户的电能质量，并能通过蓄电池的充放电调节用户在系统用电高峰期和低谷期的用电量，从而带来经济效益，在配电网中拥有广阔的应用前景。
　　6能量转换技术在智能电网的应用
　　以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济是未来社会发展的方向，其核心之一就是能量转换技术的创新及应用。风能、太阳能等可再生能源的利用已成为当今国际上能量转换技术的研究热点，国外对该技术的研究开展较早，能源转换领域的新型技术的研究进展较快。间歇式能源的控制运行技术的研究开展深入，成果显著。我国目前对轨道交通能馈系统，抽水蓄能启动变频技术和风力发电机组变流器控制技术已有研究，其中风力发电机组变流器控制技术的核心已被掌握。我国现阶段主要集中在开发大规模风电场的并网技术[22]，长期来看大范围光伏发电的可靠并网运行也将成为电网发展的方向。与国外相比，我国对能量转换技术的研究才刚刚起步，相关技术还有待进一步研究。
　　能量转换技术在智能电网中应用的技术发展趋势是风能、太阳能等可再生能源的利用以及大规模间歇性电源与微网等并网运行。应用的关键技术包括大规模间歇式电源的能量转换技术、聚群功率调节器关键技术研究、规模化大电流充电技术、中压大功率风机变流器技术、抽水蓄能启动变频技术、轨道交通的能馈系统、电动汽车与电网能量双向转换技术等。
　　因此，为了与智能电网的发展相适应，需建立合理的电源结构和布局，这就依赖于先进的能源转换技术，以提高风能、太阳能等新能源发电的运行特性和控制技术，构建坚强的实体电网，提高电网的资源优化配置能力，基本实现新能源发电标准化接入及与电网运行的互动化。
　　7结论
　　先进电力电子技术可以强化、优化电网，保障大电网安全稳定，促进可再生能源的有效利用，改善电网电能质量，保障电力系统电力电子装置的可靠性和深化节能减排技术的研究，是建设我国智能电网的重要基础和手段。促进先进电力电子技术的进步，是保障我国电网长远发展的重要战略任务。