电力电子技术在智能电网中的应用JING Ping1，GUO Jian-bo2113，ZHAO Bo ， ZHOU Fei ，WANG Zhi-bing（ 1中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192 ； 2国家电网公司，北京市西城区 100031 ； 3 上海交通大学电子信息与电气工程学院， 上海市闵行区 200240 ）摘要：坚强智能电网不仅对电网的安全、稳定和经济运行水平提出很高的要求，而且需要电网具有超越现有水平的灵活性和可控性。以灵活输电技术、用户电力技术和电力储能技术为代表的电力电子技术是实现坚强智能电网的重要技术支撑。在文章中，提出了一种基于电力电子技术的应用方案。在未来智能电网的建设过程中，该方案可以优化输电网络的运行条件， 扩展电网的运行控制技术， 保障电网安全、 稳定、经济运行。目前，该方案中的关键技术已经应用在一些工程项目中，表明该方案是可行且有效的。关键词：电力电子技术；智能电网；灵活输电技术；用户电力技术；电力储能技术介绍未来的几十年是中国进一步发展工业化、都市化、信息化和现代化的重要时期。在这一时期，经济将继续又好又快的发展。它也是资源消耗与经济发展相协调的关键时期。为了成为资源节约型和换进友好型社会， 中国应该采取措施来节约资源、 减少废物排放。考虑到现在能源和负荷的分布与社会主义初级阶段的根本现实， 中国的国家电网公司建议建立一个满足各阶层对安全性、可靠性、高效性、低污染性、自愈性、可调性一般要求的相互可协调的电能网。这个强大的智能电网将能够灵活多样化的输送，根据电力用户的不同的特征使资源分配更优化，进一步提高服务能力。鉴于智能电网在中国的一般要求， 报纸媒体提议建一个基于灵活传送、 常规电源技术、优仪存储技术的电子应用的解决方案，这一解决方案能使传输网络的运营状况更加优化，推广灵活的控制电力网络，保证安全、稳定和经济效益。1中国的智能电网在将来主要面临的问题 1.1 优化资源分配的能力需要改 进中国的能源资源主要分配在相对落后的地区，例如西部、北部和西南部，能源消耗主要集中于发达东部和中部地区。总体上讲，大规模的燃煤电力集中于西部和北部，大型的水力电力则在距离东部的负荷中心平均8003000km的西南部，电力传送的规模很大距离也远。由于技术能力和传输距离的限制，传输通路的低利用率和大型网络的流失，目前的电力网再也不能适应国家的能源政策和工业的发展需求。此外，为了优化能源结构，加强能源利用效益，提高气候适应能力，政府必须加强风能、太阳能和其它可再生能源的发展利用。因为大型的可再生能源集中在三北地区，地方的电力供给不能满足地方电力的需求。 因此通过远距离的网路将电能传送到地方中心就是必要的了。 由于可再生能源得间断性和波动性建立和贯彻准确的能源生产计划是不可能的。于是，可再生能源对电力网的承载能力和资源优化能力有更高的要求。1.2 电力网的安全正面临新的挑战为了满足持续快速的电力增长的需求，中国正在建立一个世界上电压水平最高、规模最大的 AC/DC混合网。简称 FACTS,包括高水平的可控串联补偿和无功补偿，用于提高智1/10能网的安全稳定性。 主要的安全稳定的控制方法实际用于大规模的电网现在任处于预防阶段，它们的触发器的控制信号主要基于当地的使用信息。串联触发器在一些运营模式下会造成一些风险。另一方面，安全稳定的积极的基于全球信息的控制方法任处于探索和发展阶段。距离其实际运用还有间隙。2 中国只能电网的特点和技术要求根据经济和社会在未来对电力网需求的发展， 我们国家的智能电网应该具备以下基本特点：1）低污染，大规模的可再生资源可被用于电网中，以减少对环境的潜在影响。2）坚固性，可以经受各种气候情况和电网中的干扰。3）自愈性，能自动诊断，自动调节的，自动故障隔离，自动恢复。4）优化性，优化资源，提高资源利用率和电网的运营效率。5）交互性，对能源市场和用户实现相互交流和实时响应，通过这些提高服务水平。6）经济性，在最佳的成本前提下，为社会提供最高质量的能源。为了获得跨区域经济的电讯，优化资源配置，有强大的反干扰能力和快速的自愈能力，保证多变的供给和有不同特点的电力用户之间的交流的可靠性，满足发电用户和电力用户持续增长的多样化的服务要求，智能网的核心技术（比如：电力循环控制，系统阻尼，动态无功补偿，短路电流局限性，过电压抑制，整合储能于平稳的情况下）与其对应设备需要进一步的探索与发展。各项技术，例如，网络和网络单元之间的双面交互式自动控制技术，可再生资源的网络连接运营技术，能源供给通路和能源储备设备技术，和充电站技术将成为对智能电网而言很重要的工程项目。3电力电子技术在智能电网中的运用强大的智能电网不仅在安全性、 稳定性和经济性方面有要求， 而且要求灵活性、 可控性，这些都要比现在的水平还要高。电力电子技术，例如，灵活的传输技术，传统的电能技术和能量存储技术，对实现智能电网是很重要的技术支持。图 1 是电力电子技术在坚强智能电网中的应用示意图图 1电力电子技术在坚强智能电网中的应用示意图2/10从图 1 中我们可知智能网主要包括：1）物质网络，物理电网同相互协调的智能电网在各个层次中，不仅是坚强智能电网的物质载体，也是实现智能电网的基础。2）电网的支持点，支持点主要包括：变电站、能量储蓄站、补偿站、分配网络控制站等等。它们是智能电网实现各种应用的基础，也是支持智能电网的关键站点。3）智能电网中的设备，坚强智能网中的各种灵活可靠的设备（例如，灵活的 AC 传输系统、分配灵活交流输电系统、电能存储等等）满足安全经济的运营要求，是智能网获取整体目标的重要途径。4）智能化运作，电力输送与信息交流的整体是实现智能电网运营模式的灵活调整和改建，并且确保多样化的供应和有着不同特点的电力用户之间的访问。智能化运作是智能电网网的具体表现。电力电子技术在智能电网中的特殊运用如下：1）从大型的能源基地进行的电力传输。从大型的能源基地进行的电力传输有容量大和距离远的特点。晶闸管是常规的电力电子器件，例如，晶闸管控制串联电容器补偿技术（ TCSC），晶闸管转换串联电容器补偿技术 （ TSSC），能有效的提高电力流通的能力；无功率静电变压器 (SVC)和可控制分流电阻 (CSR) 能持续、快速、动态的补偿电力系统的无功功率，减少无功电流和线路损耗。新一代的电力电子器件是基于充分控制元件，例如，静止同步补偿器 (STATCOM) 、静止同步串联补偿器 (SSSC)、统一潮流控制器(UPFC)、智能潮流控制器 (GPFC)、电力中转流量控制器 (IPFC)等等，较之前的有很大的提高。它们将会很有希望地在智能电网中得到广泛的应用。2）风能 /光电能 /存储混合的一代。根据智能电网在我国的发展新蓝图，风能和光电能一代的系统应该满足大型的存取在自适应的需求。由于风能和电能的不稳定性，所以生产电力与电力负载之间的协调是很重要的。可再生资源一代的系统是（那些由风能和太阳能再生产的能量）连接电力系统的大功率变换器。虽然，变换器可以实现能量的转化，能源质量改进，无功功率解耦控制，并且可以与电网完美连接，但是，它们不能保持断断续续的电力波动平稳或者提高系统的稳定性。 能量的存储可以扮演减少峰值功率和补偿谷值功率的角色，如此增长对风能和光电能的利用。在高功率电压源和大容量存储设备建立连接，不仅使断断续续的电力保持平稳，而且满足能量存储的要求。同时提高系统稳定性和加强电力资源的质量，而且实现了可再生资源与电力系统的灵活连接。3）电力网运营的安全性和经济性。智能电网的发展趋势是区域性电网和电网在各个水平上的协调控制的连接。这要求一个灵活的操作模式和更多的先进的技术，例如，电流控制，系统阻尼，动态无功补偿，短路电流局限性，过电压抑制，网络重构，自动故障隔离等等。 FACTS 技术是获得经济牢固的智能电网的重要工具。在FACTS 技术的研究和应用方面，中国现在一些方面处在领先地位，例如，固定串联补偿技术（ FSC），晶闸管控制串联补偿 (TCSC), 无功补偿 (SVC), 可控制分流电阻 (CSR), 静止同步补偿器(STATCOM),已经被应用于大规模的电网中；故障电流限制 (FCL) 和统一电能流量控制(UPFC)已经在试验阶段。在未来，关键突破点在于发展多功能复合型 FACTS 设备，例如配置静态转换器（ CSC），以全系统综合信息为依据的协调控制技术。他在坚强智能3/10电网的结构中扮演重要角色。4）电能供应分配的即插即用。电力电子变压器（PET）,这能实现分发电源和电网之间的有效隔离，不仅能代替传统的传输技术，而且能同时实现动态无功补偿， FCL,能量质量控制，软切入，软的分割等等。为电能供应分配的即插即用提供了一个重要的技术途径。现在电能供应分配主要通过转换器与电网连接。但是，在讲来，低电压转换器技术可能与低消耗存储技术相结合。结果，那些曾经用于连接电能供应与电网的整合储能与转换器设备，将会被发展，去实现分发发电机和储能单位之间的能量转换，和储能单元相能量负荷提供能量。 因为智能电网可以减少峰值功率和补偿谷值功率， 加强负载效率，减少总安装系统容量。 用户可以根据附近的电站按照峰值和谷值调整的价格以低价买进高价卖出，从而获得经济利益。5）常规的电力技术。将来，智能电网可使用户自由参与电力市场的电能和电力贸易标准的制订，并且他们将更多的注意力放在电能质量的问题上。因此，灵活控制智能电网电压和电流电波变得更加重要。现在，为用户提供的普通的电力设备，包括分配静止无功发生器 (DSTATCOM), 动态电压恢复器 (DVR), 有源电力滤波器 (APF), 固态转换开关 (SSTS), 统一电能质量调节器 (UPQC)等等。这些设备曾经用于控制电力质量问题， 例如，谐波，无功功率，扰乱负载造成的闪烁和不平衡，系统错误造成电压骤降和膨胀，刚开始的大型发电机或者是电气铁路。为了最大化控制设备的效益，满足智能电网对可靠的经济运营模式的要求和用户对电能质量的定制化的需求，各种各样的定制电力设备的整合协调控制技术，以及对应正规的平台，电能质量专家级系统在未来的研究中得到解释说明。表一是电力电子技术在坚强智能网中的应用摘要。电力系统中的问题解决方案可再生能源的断续性和波动性整合储能的 STATCOM an 和 SMES 技术同负荷变化的电压波动SSSC, SVC, TCSC, STATCOM, UPFC,CSR故障造成的低电压SSSC, SVC, STATCOM, TCPR, CSR传输线或变压器的超负荷SSSC, TCSC, TCPAR, UPFC电力流量调节SSSC, UPFC, TCSC, TCPAR故障以后的的负荷分配TCPAR,UPFC,SSSC,TCSC,STATCOM, CSC限制故