電力電子裝置在電廠電力系統(tǒng)應用及效能分析

電力電子裝置在電廠電力系統(tǒng)應用及效能分析

0前言

電力系統(tǒng)是能源利用、輸送和配給的主要載體，在社會經濟中發(fā)揮著重要作

用。化石能源和氣候環(huán)境的危機使得電力系統(tǒng)正在從規(guī)?；l(fā)展向可持續(xù)發(fā)展和

智能化轉型。分布式電源和儲能裝置的大規(guī)模接入，地方電網、微型電網與主干

電網的配合，高效、靈活的輸電方式，配電和用電的智能化雙向互動，供電質量

和可靠性的提高，是電力系統(tǒng)轉型的特征。

在電力系統(tǒng)中，可再生能源的并網發(fā)電、儲能裝置的功率轉換、交直流電網

的柔性互聯(lián)、配用電能的雙向流動、無功和諧波的動態(tài)補償都需要依靠電力電子

裝置來實現(xiàn)。隨著高電壓、大功率電力電子器件的發(fā)展，變換器模塊化、單元化

和智能化水平的提升，控制策略和調制策略性能的提高，電力電子裝置在電力系

統(tǒng)中將會發(fā)揮更大的作用。

1電力電子裝置在電廠電力系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的應用

1.1發(fā)電環(huán)節(jié)

（1）發(fā)電機組勵磁。大型發(fā)電機組應用靜比勵磁技術，與勵磁機相比，具

有調節(jié)速度快、控制簡單的特點，顯著提高了發(fā)電廠的運行性能和效率。

（2）風力發(fā)電。變流器是風力發(fā)電中不可或缺的核心環(huán)節(jié)。風電變流器通

過整流器和逆變器將不穩(wěn)定的風能變換為電壓、頻率和相位符合并網要求的電

能。

（3）光伏電站。大型光伏電站由光伏陣列組件、匯流器、逆變器組、濾波

器和升壓變壓器構成，是大規(guī)模集中利用太陽能的有效方式。

1.2電能存儲

（1）可調速抽水蓄能。抽水蓄能電站通常由上水庫、下水庫和輸水及發(fā)電

系統(tǒng)組成。在運行過程中，上下水庫落差不斷變化，因此抽水蓄能電站只有工作

在變速狀況下才能取得最佳發(fā)電效率。

（2）壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能的工作原理為:當電力系統(tǒng)的用電處于低

谷時，利用富余電量驅動空氣壓縮機，把能量以高壓空氣的形式存儲起來;當用

電負荷處于高峰時，將儲氣空間內的高壓空氣釋放出來，驅動發(fā)電機發(fā)電。

（3）電池儲能。電池儲能系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)和功率調節(jié)系統(tǒng)。電池一

般采用鋰離子電池、鈉硫電池和全帆液流電池。

1.3微型電網

微型電網是由分布式電源、儲能裝置、功率變換器、相關負荷以及監(jiān)控保護

裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。通過功率變換器的調節(jié)，微型電網可與外部電

網并網運行，實現(xiàn)局告的功率平衡與能量優(yōu)化;在外部電網故障時，通過變換器

的解列，使微型電網運行在獨立模式，可以繼續(xù)向關鍵負荷供電，提高用電的安

全性和可靠性。

在微型電網中，分布式電源和儲能裝置的互聯(lián)可采用多變換器方案實現(xiàn)，也

可由一個多接口變換器來實現(xiàn)。采用多個變換器時，各個控制器相互獨立，必須

依靠通信方式進行協(xié)調工作，存在成本高、可靠性差、通信延遲長等問題，降低

了系統(tǒng)性能。多接口變換器是一種可自我持續(xù)的多輸入多輸出變換器，它能與各

種分布式電源、儲能裝置和負荷相連接。變換器可以把一個接口的直流或交流功

率處理和調度到任意接口，它能夠提高可再生能源利用率，優(yōu)化能源管理，增強

與電網互聯(lián)的經濟性。

1.4輸電環(huán)節(jié)

(1)直流輸電。直流輸電包括常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電。常規(guī)直流輸

電采用基于晶閘管的換流器;柔性直流輸電采用基于全控器件的換流器。與常規(guī)

直流輸電相比，柔性直流輸電具有有功功率和無功功率獨立可控、無需濾波及無

功補償裝置、可向無源負荷供電、潮流翻轉時電壓極性不變等優(yōu)勢，因而更適合

于在可再生能源接入、孤島供電、城市供電和電網互聯(lián)等領域廣泛應用。

(2)分頻愉電。分頻愉電系統(tǒng)利用較低的頻率(如(50/3)Hz)傳愉電能，可減

少交流輸電線路電氣距離，提高系統(tǒng)傳輸能力，抑制線路電壓波動。在水電、風

電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機轉速較低，十分適合利用低頻進行發(fā)電

和輸電。

(3)固態(tài)變壓器。固態(tài)變壓器是一種將電力電子變換技術和基于電磁藕合

電能變換技術相結合，可對電壓或電流的幅值、相位、頻率、相數和形狀等特征

進行變換的新型變壓器。固態(tài)變壓器具有潮流控制、電能質量調節(jié)等功能，可以

給電力系統(tǒng)帶來更高的穩(wěn)定性、更加靈活的輸電方式、多種形式的交直流電源和

高品質的電能，為電力系統(tǒng)智能化提供更有效的控制手段。

1.5電能質量

1)無功補償口。采用動態(tài)無功補償器對抑制系統(tǒng)功率振蕩、保持母線電壓穩(wěn)

定、解決負荷電壓閃變和不平衡等問題有重要作用。鏈式靜比同步補償器

(STATCOM)可以實現(xiàn)獨立分相補償和模塊化冗余設計，與靜止無功補償器］svc)

相比，具有無功功率連續(xù)可調、總諧波畸變率小、響應速度快、效率與可靠性高、

易于擴展和占地而積小等優(yōu)點。

2)諧波治理。諧波治理分為從諧波源本身出發(fā)抑制諧波的主動諧波治理和增

加額外諧波治理裝置的被動諧波治理。主動諧波治理采用多重化技術和脈寬調制

技術，降低變流裝置注入電網的諧波。被動諧波治理采用混合型、級聯(lián)型有源電

力濾波器(APF)和統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(UPQC)等在諧波源外部進行動態(tài)諧波治

理，可以減少網側電流諧波含量，提高電力設備效率和利用率。

3)電壓暫降抑制。在中低壓電力系統(tǒng)中，電壓暫降可引起企業(yè)的生產中斷、

設備損壞和產品報廢。動態(tài)電壓恢復器(DVR)是一種基于電壓源逆變技術的串聯(lián)

型電能質量控制器，可以動態(tài)補償正序、負序和零序電壓，抑制不平衡的電壓暫

降。目前，采用從電網提取能量、無串聯(lián)變壓器的多電平逆變器方案是動態(tài)電壓

恢復器的發(fā)展方向。

2電廠電力系統(tǒng)中電力電子裝置的應用效能分析

電力電子裝置的可靠性、安全性、經濟性和標準化是促進其在電力系統(tǒng)中大

規(guī)模應用的重要因素。為了進一步提升電力電子裝置的性能，現(xiàn)對可靠性評估、

故障運行管理、硬件在回路仿真和電力電子標準模塊的研究進行闡述。

2.1可靠性評估

電力電子裝置的?？啃?、故障率、平均無故障運行時間、平均維護時間和使

用率等指標直接決定了其在電力系統(tǒng)中的應用效能。因此，對可靠性進行評估是

采取有效措施提升裝置安全性的基礎。

可靠性評估有利于電力電子裝置的設計和運行管理。定量評估的結果可用于

確定設計是否符合技術規(guī)范，也可以作為比較不同拓撲結構、控制策略和元件可

靠性的準則。此外，精確的可靠性預測也可為系統(tǒng)運行、維護和管理提供重要指

導。

評估可靠性可以從元件或系統(tǒng)層而進行建模。元件級可靠性模型主要對功率

器件、電解電容等核心元件的故障率進行建模。系統(tǒng)級可靠性模型可分為累加模

型、組合模型和狀態(tài)模型。對于復雜系統(tǒng)，可以將其分解為若干子系統(tǒng)，由子系

統(tǒng)級可靠性模型評估系統(tǒng)可靠性。

當評估結果不滿足可靠性要求時，就需要對其進行改進。對于關鍵裝置，可

通過在設計環(huán)節(jié)增加冗余度的方法，使裝置具有容錯運行的能力。

2.2故障運行管理

盡管有各種手段可以提高系統(tǒng)的可靠性，但是故障是不可避免的。在一些重

要應用場合，電力電子裝置因故障而導致停機會造成嚴重危害。對于己運行和允

許離線維護的裝置，可通過熱管理和故障管理的方法來降低故障率。功率器件發(fā)

生故障的主耍原因是過溫或溫度循環(huán)波動。主動熱管理技術通過控制器件的工作

方式，調節(jié)器件損耗，避免穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應力引起器件失效。

故障管理包括故障診斷和預測。準確及時的故障診斷是電力電子裝置進行容

錯運行或采取保護措施的依據。故障診斷通過將功率器件或變換器端口的電壓電

流特性與設定的正常性能指標進行比較來發(fā)現(xiàn)和只別故障。故障預測根據元件和

子系統(tǒng)的故障機理來推測它們的剩余使用年限，為提前采取預防或補救措施提供

參考。

當元件或子系統(tǒng)發(fā)生故障時，具有容錯運行能力的電力電子裝置可以通過改

變調制策略或控制方法來隔離故障部分，避免整套裝置失效。容錯運行包括降級

運行和準正常運行。降級運行是利用變換器固有的冗余能力，使裝置在可容忍的

故障發(fā)生后還能實現(xiàn)主要功能，但會降低輸出電壓、輸出功率和電能質量等。降

級運行具有簡單、成本低的特點，但其應用范圍受限。準正常運行是利用冗余設

計中增加的功率器件或子系統(tǒng)，使裝置在故障時依然能夠實現(xiàn)應有的功能。

2.3硬件在回路仿真

電力電子裝置開發(fā)涉及硬件、軟件和測試多個環(huán)節(jié)。裝置樣機的直接開發(fā)和

驗證具有周期長、調試困難和設計方案變更成本高的特點。采用實際裝置的小功

率硬件模型對系統(tǒng)方案進行驗證時，裝置中的部分參數和特性在模型中無法得到

合理模擬，且系統(tǒng)保護方案的真實度有限。

電力電子系統(tǒng)的半實物仿真，即硬件在回路仿真技術，可以加快系統(tǒng)設計與

測試有效性的驗證，便于控制器的開發(fā)，能夠模擬所有運行工況，易于實現(xiàn)故障

模擬和實時獲取任意信號。與電力系統(tǒng)的半實物仿真不同，在電力電子系統(tǒng)的半

實物仿真中需要超低廷遲計算(亞微秒級響應時間)才可以準確模擬硬件的動態(tài)

特性和靈活模擬系統(tǒng)的極端工況?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術擁有超低延遲

和大規(guī)模并行處理的優(yōu)勢，可提高模擬計算的處理速度、結構充足度和建模復雜

度，現(xiàn)己成為電力電子系統(tǒng)半實物仿真中的首選方案。

FPGA模擬器性能的優(yōu)劣還取決于電力電子系統(tǒng)的模型。功率器件的模型既

要體現(xiàn)器件的開關特性，又要不依賴于變換器的拓撲結構，還要滿足開關頻率的

要求。目前在仿真中，功率器件主要使用理想開關模型和開關函數模型。以功率

器件模型為基礎，可以建立變換器系統(tǒng)的離散模型。通常變換器模型采用連續(xù)狀

態(tài)空間方程表示，在時域仿真實現(xiàn)時需要對模型進行離散時間處理，使用固定步

長求解算法得到系統(tǒng)的離散化線性方程。由于變換器系統(tǒng)中存在非線性因素和開

關特性，離散化方程的求解方法要滿足變換器的非線性和功率器件數量的要求。

2.4電力電子標準模塊

電力電子標準模塊(PEBB)將逐步把功率器件、門極驅動電路、可編程處理

港和其他相關元件集成到一個模塊中，該模塊具有預定的功能和標準軟硬件接

口。PEBB能夠減小電力電子裝置的成本、損耗、重量和體積，減少現(xiàn)場安裝和

維護的工程投入。通過PEBB的組合可構成適用于各種場合的電力電子裝置，此

時需要PEBB擁有即插即用、自動運行設置和保持自身安全運行極限的能力。運

行中的裝置，可以通過對其控制和保護方案進行升級，來改善運行和維護性能。

模塊的集成化和控制的層次化是基于PEBB電力電子裝置的設計原則。

模塊的集成化需要攻克器件應力，雜散電感，開關損耗，熱管理，保護、信

號測量、控制接口和集成中的其他難題。目前:集成方法有硅片級集成、封裝級

集成和三維集成。硅片級集成將元件建在硅片的中間或表而。封裝級集成將元件

集成在基于有機或陶瓷的基板里。這兩種集成方法不適用于大電流場合的高功率

密度變換器。三維集成用垂直方式集成整個變換器，以無源層作為整個變換器的

基板，將有源層建立在無源層之上，大多數有源器件可嵌入到有源層中，因而提

高了模塊的空間利用率和變換器的功率密度。

根據響應時間的不同，控制器劃分為系統(tǒng)控制、應用控制、變換器控制、開

關控制和硬件控制5層。系統(tǒng)控制層確定系統(tǒng)的任務和職責;應用控制層執(zhí)行系

統(tǒng)控制層所確定的仃.務;變換器控制層執(zhí)行鎖相同步、電壓電流濾波、測量和反

饋控制計算等任務;開關控制層執(zhí)行調制策略和生成脈沖;硬件控制層管理電力電

子器件的實際運行。微處理器可在各層中應用，進行信號處理;標準通信協(xié)議可

支持信息在不同層之間進行交換。分層控制結構還支持多PEBB任意組合。依據

標準的控制結構，不同的生產商設計出的控制器可以互換使用。

3電力電子裝置應用中函待解決的難題

而對電力系統(tǒng)的重大需求和未來發(fā)展的需要，電力電子裝置應用中有以下難

題函待解決:①多能源儲能電力系統(tǒng)中變換器的設計、運行與控制方法研究;②風

電場多端直流輸電系統(tǒng)中電壓源型換流器的研究;③微電網中多逆變器并聯(lián)及電

能質量控制方法研究;④可再生能源發(fā)電中功率變流器的可靠性研究;⑤人型光伏

電站中并網逆變器集群的運行與控制方法研究;⑥柔性交流輸電系統(tǒng)中潮流控制

器和固態(tài)限流器的研究;⑦大容量電力電子裝置的非線性分析與控制方法研究;⑧

高電壓大容量電力電子裝置的設計理論、拓撲優(yōu)化與模塊集成技術研究;⑨電力

電子裝置數字控制器的標準化研究。上述問題