[科普中国]-定制电力技术

简介

电能的应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。电能的质量不仅关系到电网企业的安全经济运行，也影响到用户的安全运行和产品质量2。

一方面，随着现代工业的高速发展和新型电力电子技术、微电子器件的广泛应用，以及大容量、非线性、冲击性负荷设备，如电力机车、电弧炉等大量接人电力系统，产生了大量的电能质量问题;另一方面，基于微电子技术的敏感设备，如可编程逻辑控制器PLC、交直流调速装置、计算机和精密仪器等，对电能质量提出了更高的要求。电力系统和用电设备会因为电能质量的下降受到严重损害，短时电能质量扰动对于电源稳定性要求高的高新企业，可造成巨大经济损失。面对当前情况，传统的电能质量控制技术已无法满足敏感用户的电力需求。

定制电力技术的发展正是与目前越来越多的敏感负荷接人电网密切相关的。许多敏感负荷用户对电力供应的质量不仅仅满足于符合相关的电能质量标准的基本要求，而是提出了个性化的需求，即定制电力。为应对日益增长的定制电力需求，国内外各大电力公司、科研院所及设备制造商等在定制电力的理论研究、政策制定、设备制造等方面均已开展了大量工作。目前国内也已开展了不少定制电力技术的应用和试点(如优质电力园区试点项目等)，但由于缺乏相应的国家标准，容易造成无序建设、投资浪费等问题，极大阻碍了定制电力技术的有序发展。因此，制定定制电力技术标准，满足电网和电力用户需求，是新形势发展的需要，具有前瞻性与迫切性。

定制电力技术的由来定制电力(Custom Power，又称为用户电力、定质电力、用户特定电力)是1988年由美国电科院(EPRI)N. G. Hingorani博士提出的，在全世界得到了迅速的发展。此后日本茨城大学和北海道大学在1996年共同提出了类似的新概念及新技术，即灵活可靠性和智能电量供给系统FRIENDS (flexible reliability and intelligent electrical energy delivery system)。

定制电力技术的含义定制电力技术主要针对的是配电网的供电可靠性和供电质量两个方面3，即将电力电子装置(又称静态控制器)用于配电系统，提供用户所需可靠性水平和电能质量水平的电力。它是应用现代电力电子和控制技术为实现电能质量控制及为用户提供特定需要的电力供应技术。和传统电能质量控制技术相比，定制电力技术已不仅仅是对电力系统频率、电压偏差和可靠性进行控制，而是要求控制和降低诸如谐波、电压波动与闪变、三相电压不平衡、电压暂升、暂降和短时中断等电能质量扰动的危害。它能减少用电设备的故障，从而保证生产和生活的正常进行;减小电网内部因电能质量问题造成的损耗，从而提高电能的使用效率;提供供电企业的竞争意识，从而有力地促进电力市场的孕育与形成;开辟和带动电力电子产业的发展，从而推动整个电力产业的革新与进步。

国内外研究现状国外研究现状国外有关电能质量的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立;从全国性的电能质量普查监测，到用户终端电气环境的定义。各种电能质量问题分析方法的提出，以及定制电力技术的研究和装置的开发正深人进行。1996年IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议ICHPS，更名为电力谐波与电能质量学术会议ICHQP，把电能质量提高到一个新的高度来认识4。

针对上述的电能质量问题，国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置，包括有源电力滤波器(APF)和无源滤波器(TF)、电池贮能系统(BESS)、配电用静止同步补偿器(DSTATCOM)、配电用串联电容器(DSC>、动态电压恢复器(DVR)、功率因数校正电容器(PFCC>,避雷器(SA)、超导磁能贮存系统(SMES)、静态电子分接开关(SETC)、固态转移开关(SSTS>、固态断路器(SSCB)、静止无功补偿器(SVC)、晶闸管开关电容器(TSC)、不间断电源( UPS )、电能质量综合补偿装置即统一电能质量调节器UPQC等，这些装置主要是采用电力电子技术，一些装置已相当成熟。其产品开始进人大量实用化阶段，如日本的有源电力滤波器使用很普遍。并联型有源电力滤波器最大容量达50MVA，采用的是GTO-SCR器件用于抑制电弧炉引起的闪变5。

国内研究情况目前，我国也已颁布了数个电能质量方面的国家标准。2008年又对其中数个标准进行了修订(除谐波标准外)，并于2009年新颁布了间谐波标准，这些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。相关学者也对国标的实际应用方法进行了分析和讨论。2011年国家电网组织中国电力科学院编制了《电能质量评估技术导则)，详细规定了供电系统和电力用户的各项电能质量指标的评估流程和方法6。

目前国内在定制电力方面的研究，大多局限在谐波问题的范围内，也提出和开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波器，动态无功补偿装置以及动态电压恢复器等。在逐渐缩小与国外的差距。

定制电力技术设备概述目前典型定制电力设备包括:SSTS(固态切换开关)、DSTATCOM(静止同步补偿器),DVR(动态电压恢复器)、SVC(静止无功补偿器),APF(有源滤波器),UPQC(统一电能质量控制器),ESS(储能系统)等。

各设备的主要功能固态断路器:是基于GTO的一种能快速动作以切除电力系统故障的设备。同时也能配合其他电力电子器件以提高用户的电能质量，如消除故障过电流的发展。

静止同步补偿器:是快速响应的固态电力控制器，能向配电线在连接处提供灵活的电压控制以改进电能质量;是一个交流同步电压源，通过一联络电抗和配电系统交换无功电力，其结果可通过STATCOM和配电线间的联络电抗来控制电流，以在变压器和用户处瞬时控制端电压和校正功率因数6。

动态电压恢复器:是用来补偿电压跌落、提高下游敏感负荷供电质量的有效串联补偿装置。

有源滤波器:与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，性价比较合理;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波。

故障限流器:利用电力电子技术，动作速度快、允许动作次数多、控制简便，能限制控制短路电流值，利用固态开关特性可在约一工频周期时间内快速无弧切断短路电流;同时电流过零时自动关断，可避免或极大地减少断开短路而引起的暂态过电压。

超导储能系统:储能损耗低、储能密度大、适应于电力负荷峰谷调节，能迅速注人/吸收有功/无功或动态控制交流系统的潮流。

统一电能质量控制器是集串、并联型补偿装置的多重功能于一体的调节器，它是当前定制电力技术中新的研究热点，UPQC与统一潮流控制器(UPFC)具有相似的拓扑电路结构，其并联单元具有STATCOM, APF等功能，其串联单元具有DVR、动态不间断电源(UPS)等功能，其直流储能单元具有蓄电池能量存储系统(BESS)等功能，通过多目标协调控制实现电压调节(电压跌落、电压突升、电压畸变补偿等)、有功、无功动态调节、有源滤波、平衡化补偿、动态不间断电源、储能、直流电源等综合功能。

优质电力园区优质电力园区技术作为定制电力技术的一个综合应用范例在国内外都得到了迅速发展，它是综合利用各种电能质量治理设备为用户提供不同电能质量等级的电力服务，包括基本服务、附加服务及优质服务。用户对电能、电力及电能质量的要求各不相同，有的负荷对电压暂降或暂升非常敏感，另一些只受长时间停电的影响，也有的用户负荷对配电系统和相邻的用户产生较大干扰，如注人畸变电流(谐波)或是有引起电压闪变的大容量冲击性负荷。用户可根据自己的需求，选择不同的电能质量服务水平，当地配电系统的控制中心在用户选择的服务等级下提供相应处理对策。通过在用户配电馈线上装设各种集中控制设备，所有这些用户都可得到理想的供电服务。同时，用户还可通过多条外部馈线或选择使用燃料电池、超导储能和现场发电设备供电来得到优质电能。未来电能质量治理的发展方向为优质电力园区技术，其核心装置是统一电能质量控制器与其他辅助设备的联合，其核心理念是针对不同电力用户群提供定制的优质电能服务。优质电力园区是电力企业竞争力的体现，同时也能极大地促进高新企业的快速发展。国外已在日本仙台、美国特拉华州等进行了试点7。

定制电力相关标准研究目前定制电力技术缺乏相应标准。具体应用一般都需要从头设计，而无法直接利用已有的变流器、控制系统等模块，从而导致已有模块的重复利用率低，研制周期长、成本高。各厂家之间存在技术上的垄断和壁垒，造成定制电力技术应用的开发和维护成本高昂。同时，定制电力技术作为一种针对用户具体需求提供相应电能质量水平的技术，如何确定用户的电能质量需求等级、如何监测和评估定制电力技术应用前后的电能质量问题改善程度、如何评估定制电力技术应用的经济性都是需要考虑的问题。

因此，有必要对定制电力的相关技术内容进行规范:对敏感负荷进行明确分类、对定制电力技术所能提供的电能品质水平进行划分、对不同定制电力技术间配合使用和定制电力设备间的协调控制、定制电力技术的经济性评估方法等进行规定。具体应展开以下几个方面内容的研究8:

(1)定制电力设备应用中的具体事项

在配电系统使用上述的任何设备均需考虑整个系统的问题。定制电力设备的应用是个很复杂的问题，制定这些设备的规范，既要仔细地了解负荷(用户的要求)，又要了解系统。应用的不当，会使设备达不到所要求的功能，所耗费的资金也会比预期的多很多。造成这些问题的原因可能就是对要解决的问题未充分理解。

(2)敏感负荷分类及电能质量分级研究

针对不同电气设备对电能质量指标(电能质量现象)的敏感程度(容限曲线)给各类敏感负荷进行分类;根据用户对电能质量的需求不同，对电能质量水平进行分级。

(3)定制电力设备的共性及特性

为了定制电力技术科学有序的发展，必须在各种电力电子装置不同特性的基础上制定出一些要共同遵循的标准(如统一通讯规约等)，使得不同定制电力技术间配合使用和定制电力设备间的协调控制。

(4)定制电力设备的经济分析

改善电能质量措施，包括定制电力技术，会发生相关的各种不同种类的成本(如资金成本、维护成本、运行成本等)。这些成本可以转换成等值的年度成本以便与其他的措施相比较。要确定与低下的电能质量相关的年度成本以及通过采用定制电力技术的设备改善电能质量相关的年度成本。这样就可以对每一技术措施进行经济评估，决定所采用技术措施的合理性。