用户电力技术的运用与前景

前言

传统电能质量问题一般关注系统的稳态情况下是否供电可靠，随着电子信息技术的飞速发展，先进技术使用日益广泛，供电系统故障或电能质量恶化很可能带来极为严重的影响。对于敏感的电力电子设备或信息设备来说，即使几个周期的供电中断，或电压跌落都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。

因此现在用户对电能质量的要求远比以前严格。80年代以来，电力电子学逐渐成为一门新兴交叉的边缘学科，与此相对应的现代电力电子技术也得到迅速发展。以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导，开关器件功率处理能力和切换速度有了明显提高。采用电力电子装置等高新技术,在高效使用电能上已越来越多地被人们所认识。电能质量、节约用电、安全用电是当前最突出的用户电力问题,近年来为了解决这些问题,用户配电系统测试评估、电能质量调节、电能转换和固态开关等用户电力技术,得到了广泛应用和快速发展。

1.用户电力技术简介

用户电力技术是美国N.G.Hingorani博士在1988年提出的概念：将大功率电力电子技术和配电自动化技术综合，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。通过用户电力技术可使用户供电可靠性达到不断电;严格的电压调整;低谐波电压;冲击和非线性负荷对终端电压无影响。该技术的核心是能够对供应的电力进行控制、变换,为用户或负荷提供满足电能质量指标及安全、经济、可靠运行等要求的电能。完成这种控制与变换的关键是各具特色的电力电子器件及其控制电路。我国已研制出用于配电系统的静止无功发生器DSTATCOM样机。图1是用于解决电压骤降问题的动态电压恢复器的基本工作原理图,恢复器包含了配电系统静止补偿器,有源电力滤波,以及串联电能质量控制器(DVR)等设备,它一般串联在供电网和负荷之间,当供电网正常供电时,其逆变器侧升压变处在短路状况,运行在低损耗旁路状态,当供电网侧发生电压骤降或电压骤升,动态电压恢复器可以在一个周波内作出响应,在串联回路中注入一个交流电压对电压进行补偿,使补偿后的电压与电压骤降或电压骤升前相同。

2.用户电力主要技术

2.1用户配电系统的测试评估技术

该技术主要内容有:(1)网络阻抗，各母线短路电流、短路容量计算;(2)各供电节点供电电压质量限值，各用电负荷对供电系统干扰限值计算;(3)各供电节点供电电压质量测试、各用电负荷对供电系统干扰的测试、供用电设备的电磁兼容、节电运行，安全运行的评估;(4)用户电力技术问题及解决方案。通过以上评估找出用户电力技术问题及其产生根源,并给出相应解决方案

2.2电能质量控制技术

该技术主要是基于电压源或电流源逆变器,对配电系统的传输能力和供电质量进行连续、快速、精确的有效控制,使供电质量提高到一个全新水平的有效手段。常见电能质量控制技术如表1所示。

2.3固态开关技术

随着配电容量增大,对开关的开断能力提出了更高的要求,电压骤降敏感用户对开关快速切除短路电流的能力也提出了更高要求,现有的机械开关难以满足上述要求。在这种背景下,固态断路器因其卓越的电流关断特性而备受关注。美国西屋公司已制造出13kV、600A、由GTO元件组成的固态开关,安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到0.3ms,可以在电压或电流的指定相位完成开断,基本上可避免操作过电压。这样,由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低,由于操作引起的设备损坏也可以大大减少。现在,由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”也已问世。固态开关技术的进步将使配电系统的安全运行水平大大提高。

3.未来用户电力技术的发展

3.1动态电能质量调节技术

动态电能质量调节技术指的是基于电压源或电流源型逆变器,对配电系统的传输能力和供电质量等进行连续、快速、精确的有效控制,是使现有供电质量提高到一个全新水平的有效手段,也是电力工业实现市场化的必备支撑技术。其主要包括串联式的用来补偿电压跌落、提高下游敏感负荷供电质量的有效串联补偿装置DVR、不间断电源(UPS)、并联有源滤波器(APF)、DS—STATCOM和串并联混合式的新的补偿装置系统DS—Unicon等。

3.2超导储能及其能量变换技术

各种新能源的开发利用,大多需经电力电子装置的变换使其非同步电能转换成同步的三相交流电能以供使用。超导储能(SMES)作为一种特殊新能源因其固有的诸多优点而引起广泛研究。基于电力电子的能量变换技术在SMES中的应用成果,必将对其他新能源的利用产生重要的借鉴意义。SMES具有储能密度大、转换效率高、可四象限运行、吐量大、充放电速度快等诸多优点,非常适合参与电力系统的有功功率调节。尤其是在能源分布很不平衡的地区,发展用于调峰的中大规模SMES系统对提高我国供电质量和运行安全水平都将具有重大作用。

3.3固态断路器

随着配电网容量的日渐增大,系统的短路容量也会不断增加,这对电网原有的和将投运的开关设备的开断能力都提出了更高的要求。同时,随着用户对供电质量要求的不断提高,如何快速切除短路电流以抑制故障期间电网电压的跌落在信息社会显得尤其重要。固态断路器是FACTS(柔性交流输电系统)和DFACTS技术实现对电力系统参数和网络结构快速、灵活、准确控制的关键设备,也是保障现代电力系统安全、可靠运行的重要设备。

随着易于串并联、驱动功率小的大功率电力电子器件的出现,固态断路器的关断容量有望得到较大的提高;随着混合式断路器和基于新型SiC材料的功率半导体器件制造技术的不断发展,大功率固态断路器的通态损耗问题也将得到有效解决。结语用户电力技术是应用现有的电力技术专门解决用户电力质量问题的一项综合技术，本文总结提到的动态电能质量调节、电能变换以及固态开关等三类用户电力技术将从各个方面促进我国电力工业的发展,所以需根据我国电力系统的现状,针对性地开展基础研究、软硬件结合及面向实用的开拓性工程研究,从而让这几项用户电力技术既在理论上也在实践生产上得到全面发展。