电力电子装置在电力系统中的应用

　　摘要：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。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电力系统中的主要应用。从提高电力电子装置可靠性、安全性、经济性和标准化的视角，综述了可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块的研究工作。最后阐述了电力电子装置在电力系统应用中亟待解决的难题。

　　关键词：电力电子装置；电力系统；可靠性；故障管理；硬件在回路仿真；电力电子标准模块

　　０、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。化石能源和气候环境的危机使得电力系统正在从规模化发展向可持续发展和智能化转型。分布式电源和储能装置的大规模接入，地方电网、微型电网与主干电网的配合，高效、灵活的输电方式，配电和用电的智能化双向互动，供电质量和可靠性的提高，是电力系统转型的特征。

　　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。

　　电力电子装置在发电、储能、微型电网、输电和电能质量方面的主要应用，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。

　　１、电力系统中电力电子装置的主要应用

　　１．１发电环节

　　１）发电机组励磁。大型发电机组应用静止励磁技术，与励磁机相比，具有调节速度快、控制简单的特点，显著提高了发电厂的运行性能和效率。水力发电机组应用交流励磁技术，通过对励磁电流频率的动态调整，实现了发电系统对水头压力和水流量动态变化的快速调节，改善了发电品质，提升了发电效率。

　　２）风力发电。变流器是风力发电中不可或缺的核心环节。风电变流器通过整流器和逆变器将不稳定的风能变换为电压、频率和相位符合并网要求的电能。随着变流器拓扑结构由两电平、三电平向Ｈ桥级联型、有源中点钳位、模块化多电平换流器（ＭＭＣ）等多电平拓扑方向发展，使得风力发电系统的容量和电压等级逐步提高，有效降低了线路损耗和传输导线成本，促进了风电特别是海上风电的大规模开发。目前国际上新的并网运行规则要求，在风力发电系统接入电网时，发电系统需具备有功功率控制、无功功率调节、并网频率变化、故障穿越和低电压穿越能力。

　　３）光伏电站。大型光伏电站由光伏阵列组件、汇流器、逆变器组、滤波器和升压变压器构成，是大规模集中利用太阳能的有效方式。通过给并联逆变器施加“电网友好”的控制方案，光伏电站可以实现无功补偿、有源滤波和动态电压补偿等功能。目前，大型光伏发电系统正处于从示范到大范围推广应用的关键阶段，还存在光伏阵列组合的多峰值特性和热斑效应、逆变器组合的非理想特性等技术问题，因此，光伏电站的科学设计需要综合考虑光伏阵列的组合方式、逆变器的组合方式及其并网拓扑等因素。

　　１．２电能存储

　　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。

　　１）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。

　　２）压缩空气储能。压缩空气储能的工作原理为：当电力系统的用电处于低谷时，利用富余电量驱动空气压缩机，把能量以高压空气的形式存储起来；当用电负荷处于高峰时，将储气空间内的高压空气释放出来，驱动发电机发电。近年来，关于压缩空气储能系统的研究和开发一直非常活跃。在空气压缩过程中，通过采用变频驱动技术可以大幅度调整电网负荷并提高空气压缩效率；在发电过程中，通过采用控制发电机的励磁可以拓宽储气系统的发电运行范围和发电效率。

　　３）电池储能。电池储能系统主要包括电池系统和功率调节系统。电池一般采用锂离子电池、钠硫电池和全钒液流电池。在电池系统中，采用小功率ＤＣ／ＤＣ变换器可实现电池模块的电流均衡。大功率和高增益ＤＣ／ＤＣ变换器可集成到电池模块内，并作为电池模块输出接口实现串并联成组，从而提高直流母线电压等级、简化均衡控制要求和优化功率调节系统的拓扑。在功率调节系统中，电压型四象限变换器作为电池系统与电网的电力电子接口，变换器可采用三相桥式模块并联型和Ｈ桥模块级联型拓扑，除了进行电池充放电管理外还能实现储能系统的各项并网功能。

　　１．３微型电网

　　微型电网是由分布式电源、储能装置、功率变换器、相关负荷以及监控保护装置汇集而成的小型发配电系统。通过功率变换器的调节，微型电网可与外部电网并网运行，实现局部的功率平衡与能量优化；在外部电网故障时，通过变换器的解列，使微型电网运行在独立模式，可以继续向关键负荷供电，提高用电的安全性和可靠性。实践表明，将分布式电源以微型电网的形式接入到电网中并网运行，与电网互为支撑，是发挥分布式电源效能的最有效方式。

　　在微型电网中，分布式电源和储能装置的互联可采用多变换器方案实现，也可由一个多接口变换器来实现。采用多个变换器时，各个控制器相互独立，必须依靠通信方式进行协调工作，存在成本高、可靠性差、通信延迟长等问题，降低了系统性能。多接口变换器是一种可自我持续的多输入多输出变换器，它能与各种分布式电源、储能装置和负荷相连接。变换器可以把一个接口的直流或交流功率处理和调度到任意接口，它能够提高可再生能源利用率，优化能源管理，增强与电网互联的经济性。

　　多接口变换器的运行分为生产模式、紧急模式和恢复模式。在生产模式时，变换器获取可再生能源，进行储能管理，同时满足负载供电需求；在紧急模式时，变换器可作为不间断电源使用；在恢复模式时，分布式电源对储能装置进行充电以使其充电状态始终处于安全水平之上。多接口变换器采用集成控制系统，与多个变换器的分散控制系统相比，具有以下优点：参考值和控制量在控制器内部进行传递，不存在传输延迟和传输错误；可以更有效地实现模式过渡。

　　１．４输电环节

　　１）直流输电。直流输电包括常规直流输电和柔性直流输电。常规直流输电采用基于晶闸管的换流器；柔性直流输电采用基于全控器件的换流器。与常规直流输电相比，柔性直流输电具有有功功率和无功功率独立可控、无需滤波及无功补偿装置、可向无源负荷供电、潮流翻转时电压极性不变等优势，因而更适合于在可再生能源接入、孤岛供电、城市供电和电网互联等领域广泛应用。在柔性直流输电中，换流器拓扑由两电平、三电平逐步发展到模块化多电平，使得器件的开关频率和开关应力低、输出电压的谐波和畸变率小。

　　２）分频输电。分频输电系统利用较低的频率（如（５０／３）Ｈｚ）传输电能，可减少交流输电线路电气距离，提高系统传输能力，抑制线路电压波动。在水电、风电等可再生能源发电系统中，由于发电机转速较低，十分适合利用低频进行发电和输电。目前，分频输电主要通过交交变频器实现输电线路与工频电网的连接。

　　３）固态变压器。固态变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁耦合电能变换技术相结合，可对电压或电流的幅值、相位、频率、相数和形状等特征进行变换的新型变压器。固态变压器具有潮流控制、电能质量调节等功能，可以给电力系统带来，电力电子装置在电力系统中的应用更高的稳定性、更加灵活的输电方式、多种形式的交直流电源和高品质的电能，为电力系统智能化提供更有效的控制手段。

　　１．５电能质量

　　１）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。

　　２）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。

　　３）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。

　　２、电力电子装置的研究视角

　　电力电子装置的可靠性、安全性、经济性和标准化是促进其在电力系统中大规模应用的重要因素。为了进一步提升电力电子装置的性能，现对可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块的研究进行阐述。

　　２．１可靠性评估

　　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。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。