电力系统柔性一次设备及其关键技术

于璨

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

近些年，随着传统能源的紧缺和温室效应问题的不断深入，能源结构转型受到更高的关注。在这样的背景下，大量全新电力电子设备在电力系统中得到广泛应用，让电力系统的可控性和灵活性得到全面提升。此外，柔性一次设备在现代电网中的应用，有效的提升电能转换和传输的效率，增强电力系统调控的基本能力，更好的满足用户对电力资源质量的要求，这也是目前我国电网发展的主要方向。本文主要围绕柔性一次设备以及关键技术进行分析，提出电力设备电网的关键技术和发展趋势，希望能进一步推动电力系统中柔性一次设备的发展和应用。

一、柔性一次设备在交流输电中的应用

（一）柔性交流电的概述

柔性交流输电（FACTS）最早是由美国提出的概念，其主要指通过电力电子等科学技术，不断提升交流输电系统传输容量，增强电力系统可控性。在的基础上，技术有着快速的发展，现阶段已经有将近不同类型的设备，并且一部分已经在实际的电力系统中进行应用并取得较为良好应用效果，目前全球已经有上千个工程，总容量也超过。技术在现阶段的发展和应用，都是电力工程行业最为突出的发展成果之一，是现代化电网系统的建设与发展中重要的推动力量。尤其是我国能源资源和需求的不断提升，所输送的电能必须能力要更强、效率要更高，同时还需要解决电压不稳定、系统震荡等多种问题。因此技术在我国电网发展和建设中，有着至关重要的作用。随着电力电子技术的不断发展，技术的发展也朝着功能性更强、更灵活、响应速度更快的方向进行创新与完善[1]。

（二）半控型器件的设备

晶闸管的设备在上个世纪在商业中进行应用，应用的时间远超于的发展。简单来说是在晶闸管投切或者控制的基础上，一切并联型设备的统称，包括晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电抗器等。在应用中，电力系统设备或者机械无功补偿设备都能与晶闸管进行组合，形成全新的电力电子设备。简单来讲就是设备中技术最成熟的设备类型，现阶段已经全面在工程容量中进行使用[2]。

1.可控高压并联电阻器。在基础上发展的晶闸管并联型设备，主要的功能就是对交流输电线过程的无功功率进行动态补偿，以此来实现抑制高压输电线的容升效应，限制操作过电压、潜供电流等现象，降低输电线路实际的损耗，提升交流系统电压稳定水平，以及输电线路传输电流的实际功率。这类变压器主要有两种，包括分级式可控高抗变压器和晶闸管可控高抗变压器，在实际应用中两种变压器都取得较为良好的成果，对输电稳定提供保障。

2.可控串联补偿器。可控串联补偿器是现阶段设备中最为重要的串联型设备之一，主要是由一组电容器和晶闸管控制电抗器并联所构成。可控串联补偿器，能够连续提供可控的串联补偿容量并改变阻抗特性，以此来提升电力系统的稳定性和动态性。

（三）全控型器件的设备

1.静止同步补偿器是在全控型器件设备基础上，发展最快并且应用最广泛的设备种类之一。可以使用电压源型换流器和电流源型换流器进行实现，但是由于电压源型换流器的控制更加方便效率也更高，因此在实际应用中，多数都会选择电压源型换流器进行应用。与相比，设备的动态响应效果更快、可控性更好，不需要大容量的电容或者电感等基本优点，但是在使用中需要数量较多的全控型器件，因此成本造价也是的两倍左右[3]。

2.统一潮流控制器由于设备功能强大，经常被认为是高度整合了全部的设备技术，设备主要是由并联部分和串联部分所组成，两个部分都能过通过直流环相连接（如图1 所示）。因此不仅具备并联补偿和串联补偿的优点，还可以对电力系统的功率进行调整，是现阶段综合功能最为齐全的设备。在实际应用的过程中，也能够根据实际需要将并联和串联部分分开运行，其中并联是一套设备，而串联是一台设备。

图1 统一潮流控制器示意图

二、柔性一次设备在直流输电中的应用

（一）在直流电网中的应用

在直流电网中的应用面临着关键性的问题，就是直流侧故障处理的问题。现阶段在实际工程应用的过程中，主要是使用的子模块都是半桥子模块，当直流侧发生短路现象的时候，子模块中的反并联二极管会出现短路电流，导致换流器本身无法对直流故障进行自动清除。因此，为了能够更好的解决这类问题，在实际中会采用具有直流故障清除能力的子模块和改进拓扑两个方面出发[4]。

1.直流故障清除能力的子模块。通过子模块来实现直流故障清除，主要是利用子模块电容来提供反向电压，最具有代表性的就是全桥子模块。但是在中使用器件数量是的左右，成本和损耗都有一定程度上的增加。另外一种典型的结构就是钳位型双子模块。比多增加左右的开关器数量，但是在CDSM 中两个子模块正常运行和故障运行期间连接方式有一定的不同，结构上也具有一定的耦合性，因此也增加控制和匀压的复杂性。降低所需要的开关数量，但是也存在反向故障电流现象下阻断能力减弱的问题。RB-HBSM 具有故障电流的双向阻断能力，但是自身需要采用一种较为特殊的阻断型绝缘双极晶管，并且当电流反向流入到子模块中，桥臂等效成多个绝缘栅双极型晶体管，在串联后直接阻断反向故障电流，其作用类似固态直流断路器，在使用中具有一定的局限性。

2.直流故障清除能力的改进拓扑。为了能够帮助电力企业获得最大化的经济效益，可以直接将与具备直流故障阻断能力的结合进行使用，得到子模块混合型。在其中较为典型的是由和组成的设备，每一个桥臂中的和数量都需要按照设计原则进行安装。导通开关和全桥子模块组成，导通开关能够承担一部分直流电压，因此子模块的数量也有所减少，极限条件下子模块数量是的一半。主要具备三种不同的工作模式，包括正常工作模式、直流闭锁工作模式和工作模式。在正常工作模式下的桥臂交替导通，通过投切子模块让输出的交流电压波形逼近期望的正弦波形。发生直流侧故障的时候，需要关断所有开关器件，产生反向电压，对故障电流进行限制。当在模式中进行运行的时候，所有的导通开关都处于导通状态下，的缺点主要在于多个器件之间的串联问题，以及直流侧存在谐波的情况[5]。

（二）高压直流断路器

为了能够实现直流电网中对故障隔离的选择性，直流电网中直流线路需要与直流断路器进行连接。因为直流电路器中没有自然过零点的存在，所以直流断路器需要吸收故障电流来增加元件储存的能量。除此之外，直流系统中故障电流的快速上升，就要求直流断路器必须在短时间内实现故障电流的切除，这也进一步让直流断路器的设计难度有所增加。根据直流断路器切断原理的不同，可以将直流断路器分为三个不同类型，包括固态直流断路器、机械直流断路器以及混合直流断路器。

1.固态直流断路器主要受到开关器的限制，需要使用大量的电力电子器件进行串联，通态损耗情况较为严重，很难在高压大容量的直流电网中进行使用，因此在我国电网系统中固态直流断路器很难大范围普及和应用。

2.机械直流断路器的原理主要是通过反向电流注入到电网中，以此来实现人工过零。在正常运行的状态下，电流需要经过机械开关，因此机械断路器的通态损耗较低，这也是机械直流断路器应用的优势，不需要使用冷却设备，成本也相对较低。但是机械直流断路器中含有电弧分断，在断开直流电流的时候，电弧容易出现灼烧问题、断路器无法实现开断，因此相关工作人员还需要结合反向电流注入电路的设计方式对电弧复燃问题进行考量[6]。

3.混合直流断路器主要是将固态直流断路器和机械直流断路器具备的优点进行结合，在正常运行的时候，电流经过高速机械开关和开关器件，通态损耗情况较低，在故障发生时，故障电流首先会全部转入到电力电子器件中，然后对机械开关进行关闭，当机械开关达到一定开距之后，在将转移支路断开，实现对故障的可靠隔离。

（三）高压变换器

高压变换器在不同电压等级中有着不可或缺的作用，是最为重要的柔性一次设备。尽管现阶段变换器在低压应用中已经不断完善，但是受到器件应力的约束，这些拓扑不能在直流电网中大范围进行应用。随着近几年来模块技术的不断发展和应用，许多专家陆续的对模块原理下的高压变换器拓扑应用进行研究，提出相关的应用理论，并根据电气隔离的情况将这些拓扑分为隔离型和非隔离型[7]。

结束语：现阶段柔性一次设备的应用扔是电力行业持续关注的重点方向，尤其在高端的直流设备的研发上，任重而道远。但随着科学技术和信息技术的不断发展，相信在今后的发展中将会有更多的柔性一次设备在电力系统中应用，提高电力系统实际生产效果，满足社会对电力资源的基本需求，更好的推动我国电力行业的发展与进步，为社会经济提升、社会发展、生产需求，提供更加良好的服务质量。