基于电力电子装置的农村电力系统设计

(东北林业大学 黑龙江 哈尔滨 150000)

基于电力电子装置的农村电力系统设计

秦争营

(东北林业大学黑龙江哈尔滨150000)

目前，我国农村电力系统依然面临着重大的发展机遇和挑战，电力电子装置能够促进电力系统向可持续发展和智能化转型。本文主要对我国农电系统的技术发展现状、存在问题，并且从发电、储能、微型电网、输电和电能质量5个方面介绍了电力电子装置在农村电力系统设计中的主要应用，对农电系统今后各方面技术的发展方向进行了一些探讨。

农村电力系统；电力电子装置；电网建设

引言：

电力系统是能源利用、输送和配给的主要载体,在社会经济中发挥着重要作用。本文就农电系统的技术与发展趋势进行了分析，论述了农电系统应着力解决的主要技术问题及其思路。在电力系统中,可再生能源的并网发电、储能装置的功率转换、交直流电网的柔性互联、配用电能的双向流动、无功和谐波的动态补偿都需要依靠电力电子装置来实现。随着高电压、大功率电力电子器件的发展,变换器模块化、单元化和智能化水平的提升,控制策略和调制策略性能的提高,电力电子装置在电力系统中将会发挥更大的作用。分析了电力电子装置对于电力系统性能改善的作用,对电力电子装置的可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块技术进行了论述。为农村电力系统设计做了良好的技术储备。

一、农电系统发展存在问题分析

我国农村电力系统依然面临着重大的发展机遇和挑战，在电力电子装置的问题上集中表现为针对农网系统生产运行和建设运营中存在的热点、难点问题进行的研究开发项目较少，一些难点问题不能得到及时解决。农村电网信息化建设没有统一的规划和规约，重复开发、孤岛运行，造成资源浪费。为了解决农村电力系统所存在的问题，需要依靠安全性、可靠性更强的智能电力电子装置。农村电力用电高峰可以用储能技术解决。储能技术在电力系统中应用可以缓解高峰负荷供电需求,提高现有电力设备的利用率和电网的运行效率;可以有效应对电网故障的发生,提高电能质量和用电效率,满足经济社会发展对优质、安全、可靠、高效用电的要求。在各种储能方式中,抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能是可以达到兆瓦级的储能技术，比较试用与农村电网的是可调速抽水蓄能。抽水蓄能电站通常由上水库、下水库和输水及发电系统组成。在运行过程中,上下水库落差不断变化,因此抽水蓄能电站只有工作在变速状况下才能取得最佳发电效率。目前,可调速抽水蓄能机组主要采用转子绕组励磁方式,励磁调节系统通常采用基于晶闸管的周波变换器或基于全控器件的电压型或电流型变换器。抽水蓄能机组通过调节转子励磁电流的频率和幅值,可实现有功出力与无功出力的大幅度独立调整,且便于机组启动和运行模式的切换,使得抽水蓄能电站在电力系统中更好地发挥调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和为系统提供备用容量等多重作用。

二、农村电力系统电网建设

电网建设方面重点研究与推广的内容主要包括：(1)研究适合于不同地域、不同发展水平，符合经济和用电负荷发展特点，在电压等级组合、变电所布局、供电范围、变压器容量配置和网络接线等方面进行充分优化论证的农网建设方案。研究适合农网负荷变化特点的主、配变容量选择和变压器负载率、主干线电流密度、供电半径的合理配置方案。(3) 研究建立农网中低压配电网络指标评价体系。(4) 完善基于地理信息系统开发的农村电网规划软件和系统。(5) 推广应用农网10kV及以下工程和 35～110kV(66 kV)变电所典型设计；推广应用 10～110kV(66kV)组合式箱式变电所。(6) 推广使用变电所户外组合电器、小型化的一次电气设备；研究开发 35kV 以上电压等级和 10kV 大容量调容变压器；推广使用 S11 型及以上的节能型变压器，积极推广应用非晶合金铁心配电变压器；推广应用外露带电体绝缘化的配电变压器；积极推广使用配电变压器用新型熔断器和金属氧化物避雷器；推广应用复合绝缘材料制造的电气设备和线路绝缘子。(7) 制定集保护、控制、计量、无功补偿、防雷等功能于一体的多功能配电柜选用标准。

三、针对电能质量的电力电子装置设计

(一)无功补偿。采用动态无功补偿器对抑制系统功率振荡、保持母线电压稳定、解决负荷电压闪变和不平衡等问题有重要作用。链式静止同步补偿器(STATCOM)可以实现独立分相补偿和模块化冗余设计,与静止无功补偿器(SVC)相比,具有无功功率连续可调、总谐波畸变率小、响应速度快、效率与可靠性高、易于扩展和占地面积小等优点。

(二)谐波治理。谐波治理分为从谐波源本身出发抑制谐波的主动谐波治理和增加额外谐波治理装置的被动谐波治理。主动谐波治理采用多重化技术和脉宽调制技术,降低变流装置注入电网的谐波。被动谐波治理采用混合型、级联型有源电力滤波器(APF)和统一电能质量调节器(UPQC)等在谐波源外部进行动态谐波治理,可以减少网侧电流谐波含量,提高电力设备效率和利用率。

(三)电压暂降抑制。在中低压电力系统中,电压暂降可引起企业的生产中断、设备损坏和产品报废。动态电压恢复器(DVR)是一种基于电压源逆变技术的串联型电能质量控制器,可以动态补偿正序、负序和零序电压,抑制不平衡的电压暂降。目前,采用从电网提取能量、无串联变压器的多电平逆变器方案是动态电压恢复器的发展方向。

四、针对电力电子装置的可靠性评估设计

电力电子装置的可靠性、故障率、平均无故障运行时间、平均维护时间和使用率等指标直接决定了其在电力系统中的应用效能。因此,对可靠性进行评估是采取有效措施提升装置安全性的基础。可靠性评估有利于电力电子装置的设计和运行管理。定量评估的结果可用于确定设计是否符合技术规范,也可以作为比较不同拓扑结构、控制策略和元件可靠性的准则。此外,精确的可靠性预测也可为系统运行、维护和管理提供重要指导。评估可靠性可以从元件或系统层面进行建模。

元件级可靠性模型主要对功率器件、电解电容等核心元件的故障率进行建模。系统级可靠性模型可分为累加模型、组合模型和状态模型。对于复杂系统,可以将其分解为若干子系统,由子系统级可靠性模型评估系统可靠性。当评估结果不满足可靠性要求时,就需要对其进行改进。对于关键装置,可通过在设计环节增加冗余度的方法,使装置具有容错运行的能力。

五、电力电子装置设计中的故障管理

故障管理包括故障诊断和预测。准确及时的故障诊断是电力电子装置进行容错运行或采取保护措施的依据。故障诊断通过将功率器件或变换器端口的电压电流特性与设定的正常性能指标进行比较来发现和识别故障。容错运行包括降级运行和准正常运行。降级运行是利用变换器固有的冗余能力,使装置在可容忍的故障发生后还能实现主要功能,但会降低输出电压、输出功率和电能质量等。降级运行具有简单、成本低的特点,但其应用范围受限。准正常运行是利用冗余设计中增加的功率器件或子系统,使装置在故障时依然能够实现应有的功能。

六、结语

电力电子装置在农村电网建设中的使用改善了电力系统的性能,促进了电力系统的渐变转型。可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块分别是装置设计、运行、研发和制造方面的关键技术,在这些方面开展系统化的深入研究,有利于电力电子装置长寿命、低成本和高安全性的实现。针对电力系统的需求,有针对性地攻克电力电子装置应用中的若干技术难题,可以为电力系统的长远发展奠定技术基础。