先进电力电子技术在智能电网中的应用

苏进胜

摘要：随着我国现代化建设的快速发展，现代化智能电网的方向是、自动化以及数字化，但是先进的电力电子技术作为一个重要的智能电网操作技术手段，在智能电网之中的实际应用不但是出自电网安全方面的要求，同时也是电力市场发展的有关要求。文中简单介绍了电力电子技术的应用，以及电力电子技术使用在智能电网的发展方向。

关键词：电力电子技术；智能电网；发展方向

一、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。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系统的關键问题之一，国内也已开始了相关的研究工作。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。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。

二、电力电子技术在电网中的应用优势

2.1使整个的电网资源能够得到最大的优化

我们所熟知的柔性输电技术已经不再需要对现在有的设备进行大范围的改动，就可以把电网的配电功能做表达，使得水电以及核电等各种可再生的洁净能源能够完成长距离的配送，正确有效的将我国的能源分布不均衡的问题平衡好。另外，我国各个有关部门也可以以智能电网为载体，进行电力资源的优化配置。

2.2提升电网运行的安全性

将当前的柔性交流技术和直流技术与传统的输电技术做比对，有更快的响应能力，并且把控能力也更好。可以使得智能电网的输电建设更加的有效率。并且，一些先进性交强的电力电子技术能够为不一样的电力用户提供个性化的能耗降低操作，更加有效的降低损失，提升整个电网的服务性水平。

2.3提升城市的规划建设

现如今的城市在电量的使用上有了更高的数量要求，之前的高空电网现在已经不能和用户的需要相适应了，耗损不断的变多，并且直接暴露在空气中，发生事故的概率也会加大。可是柔性直流输电和柔性交流输电，使用的电缆是深埋地下的，这样的话不仅不会影响市容市貌，同时电磁也不会受到其的显著影响，适时的加大远距离的电力输送，可以为将来的城市建设提供更多的并且更加科学有效的设计建设规划。

2.4高压变频技术使用在智能电网中

高压变频技术的本质性优点就是能够有效的节约电量消耗，达到了三成以上的水平，但是其中的缺陷也是存在的，主要的缺点就是成本太高，而且很容易造成高次谐波污染的情况。将这个使用到电力运行操作体系之中，节能效果更加突出，是用户实现节能减排的首要方式。在国内的高压变频器的生产商中，使用的最多的是功率单元串联的多电协调操作方式，但是其他的各种组织形式也包含在了高压变频器的发展范围之中，比如使用最多的混合结构技术和中亚三电平技术等，这些的共同特点就是有较高的工艺密度，而且组织结构也相对紧密，有灵活的控制能力，并且四象限优势突出，是将来的高压变频技术主要的发展方向。未来我国的直流电操作体系会形成特高压等级次序，从而形成额定的电流。

三、电力电子技术在智能电网中的具体应用

3.1柔性交流输电技术（FACTS）

柔性交流输电技术是新能源、清洁能源的大规模接入电网系统的关键技术之一，综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。

FACTS概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。静止无功补偿器，静止同步补偿器，晶闸管投切串联电容器，静止同步串联补偿器统一潮流控制器就是基于FACTS装置家族的成员。

3.2高压直流输电技术

在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器，将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流变压器将电能输送到交流系统。在直流输电系统中，通过控制换流器，可以使其工作于整流或逆变状态。

轻型直流输电系统采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统，接入燃料电池、光伏發电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。

3.3电能质量技术

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。

3.4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，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。

三、电力电子技术在智能电网中的发展方向

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电网的潮流控制成为可能。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、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。

结束语：

在全球能源问题日益紧张的今天，智能电网的出现无疑将是一场引人瞩目和影响巨大的变革。智能电网是以先进的计算机、电子设备和电力开关器件为基础，通过引入通信、自动控制和其他信息技术，从实现对现有电力网络的改造，达到使电力系统更加经济、安全、高效和环保这一根本目标。在智能电网的几大关键性支撑技术中，蓬勃发展的现代电力电子技术的重要性逐渐凸显。本文着重分析了现代电力电子技术在与智能电网之间密不可分的关系，说明现代电力电子技术对智能电网可以起到多方面的支撑和提升作用。随着新型电力电子器件、电路拓扑及控制技术的不断涌现，有理由相信，现代电力电子技术将更好地为智能电网的建设服务。

参考文献：

[1]寿颐如.智能电网关键技术研究展望[J].科技促进发展，2009，6：43-44.

[2]韩晓平.智能电网-信息革命和新能源革命的整合[J].电力需求侧管理，2009，

[3]肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化，2009.9

[4]张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009，33（13）