于璨

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

近些年，隨著傳統(tǒng)能源的緊缺和溫室效應(yīng)問題的不斷深入，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型受到更高的關(guān)注。在這樣的背景下，大量全新電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，讓電力系統(tǒng)的可控性和靈活性得到全面提升。此外，柔性一次設(shè)備在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應(yīng)用，有效的提升電能轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)男?，增?qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)控的基本能力，更好的滿足用戶對(duì)電力資源質(zhì)量的要求，這也是目前我國電網(wǎng)發(fā)展的主要方向。本文主要圍繞柔性一次設(shè)備以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，提出電力設(shè)備電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，希望能進(jìn)一步推動(dòng)電力系統(tǒng)中柔性一次設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用。

一、柔性一次設(shè)備在交流輸電中的應(yīng)用

（一）柔性交流電的概述

柔性交流輸電（FACTS）最早是由美國提出的概念，其主要指通過電力電子等科學(xué)技術(shù)，不斷提升交流輸電系統(tǒng)傳輸容量，增強(qiáng)電力系統(tǒng)可控性。在的基礎(chǔ)上，技術(shù)有著快速的發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)有將近不同類型的設(shè)備，并且一部分已經(jīng)在實(shí)際的電力系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用并取得較為良好應(yīng)用效果，目前全球已經(jīng)有上千個(gè)工程，總?cè)萘恳渤^。技術(shù)在現(xiàn)階段的發(fā)展和應(yīng)用，都是電力工程行業(yè)最為突出的發(fā)展成果之一，是現(xiàn)代化電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展中重要的推動(dòng)力量。尤其是我國能源資源和需求的不斷提升，所輸送的電能必須能力要更強(qiáng)、效率要更高，同時(shí)還需要解決電壓不穩(wěn)定、系統(tǒng)震蕩等多種問題。因此技術(shù)在我國電網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)中，有著至關(guān)重要的作用。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展也朝著功能性更強(qiáng)、更靈活、響應(yīng)速度更快的方向進(jìn)行創(chuàng)新與完善[1]。

（二）半控型器件的設(shè)備

晶閘管的設(shè)備在上個(gè)世紀(jì)在商業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用的時(shí)間遠(yuǎn)超于的發(fā)展。簡(jiǎn)單來說是在晶閘管投切或者控制的基礎(chǔ)上，一切并聯(lián)型設(shè)備的統(tǒng)稱，包括晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電抗器等。在應(yīng)用中，電力系統(tǒng)設(shè)備或者機(jī)械無功補(bǔ)償設(shè)備都能與晶閘管進(jìn)行組合，形成全新的電力電子設(shè)備。簡(jiǎn)單來講就是設(shè)備中技術(shù)最成熟的設(shè)備類型，現(xiàn)階段已經(jīng)全面在工程容量中進(jìn)行使用[2]。

1.可控高壓并聯(lián)電阻器。在基礎(chǔ)上發(fā)展的晶閘管并聯(lián)型設(shè)備，主要的功能就是對(duì)交流輸電線過程的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以此來實(shí)現(xiàn)抑制高壓輸電線的容升效應(yīng)，限制操作過電壓、潛供電流等現(xiàn)象，降低輸電線路實(shí)際的損耗，提升交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平，以及輸電線路傳輸電流的實(shí)際功率。這類變壓器主要有兩種，包括分級(jí)式可控高抗變壓器和晶閘管可控高抗變壓器，在實(shí)際應(yīng)用中兩種變壓器都取得較為良好的成果，對(duì)輸電穩(wěn)定提供保障。

2.可控串聯(lián)補(bǔ)償器。可控串聯(lián)補(bǔ)償器是現(xiàn)階段設(shè)備中最為重要的串聯(lián)型設(shè)備之一，主要是由一組電容器和晶閘管控制電抗器并聯(lián)所構(gòu)成?？煽卮?lián)補(bǔ)償器，能夠連續(xù)提供可控的串聯(lián)補(bǔ)償容量并改變阻抗特性，以此來提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性。

（三）全控型器件的設(shè)備

1.靜止同步補(bǔ)償器是在全控型器件設(shè)備基礎(chǔ)上，發(fā)展最快并且應(yīng)用最廣泛的設(shè)備種類之一。可以使用電壓源型換流器和電流源型換流器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但是由于電壓源型換流器的控制更加方便效率也更高，因此在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)都會(huì)選擇電壓源型換流器進(jìn)行應(yīng)用。與相比，設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果更快、可控性更好，不需要大容量的電容或者電感等基本優(yōu)點(diǎn)，但是在使用中需要數(shù)量較多的全控型器件，因此成本造價(jià)也是的兩倍左右[3]。

2.統(tǒng)一潮流控制器由于設(shè)備功能強(qiáng)大，經(jīng)常被認(rèn)為是高度整合了全部的設(shè)備技術(shù)，設(shè)備主要是由并聯(lián)部分和串聯(lián)部分所組成，兩個(gè)部分都能過通過直流環(huán)相連接（如圖1 所示）。因此不僅具備并聯(lián)補(bǔ)償和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，還可以對(duì)電力系統(tǒng)的功率進(jìn)行調(diào)整，是現(xiàn)階段綜合功能最為齊全的設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，也能夠根據(jù)實(shí)際需要將并聯(lián)和串聯(lián)部分分開運(yùn)行，其中并聯(lián)是一套設(shè)備，而串聯(lián)是一臺(tái)設(shè)備。

圖1 統(tǒng)一潮流控制器示意圖

二、柔性一次設(shè)備在直流輸電中的應(yīng)用

（一）在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用

在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用面臨著關(guān)鍵性的問題，就是直流側(cè)故障處理的問題?，F(xiàn)階段在實(shí)際工程應(yīng)用的過程中，主要是使用的子模塊都是半橋子模塊，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路現(xiàn)象的時(shí)候，子模塊中的反并聯(lián)二極管會(huì)出現(xiàn)短路電流，導(dǎo)致?lián)Q流器本身無法對(duì)直流故障進(jìn)行自動(dòng)清除。因此，為了能夠更好的解決這類問題，在實(shí)際中會(huì)采用具有直流故障清除能力的子模塊和改進(jìn)拓?fù)鋬蓚€(gè)方面出發(fā)[4]。

1.直流故障清除能力的子模塊。通過子模塊來實(shí)現(xiàn)直流故障清除，主要是利用子模塊電容來提供反向電壓，最具有代表性的就是全橋子模塊。但是在中使用器件數(shù)量是的左右，成本和損耗都有一定程度上的增加。另外一種典型的結(jié)構(gòu)就是鉗位型雙子模塊。比多增加左右的開關(guān)器數(shù)量，但是在CDSM 中兩個(gè)子模塊正常運(yùn)行和故障運(yùn)行期間連接方式有一定的不同，結(jié)構(gòu)上也具有一定的耦合性，因此也增加控制和勻壓的復(fù)雜性。降低所需要的開關(guān)數(shù)量，但是也存在反向故障電流現(xiàn)象下阻斷能力減弱的問題。RB-HBSM 具有故障電流的雙向阻斷能力，但是自身需要采用一種較為特殊的阻斷型絕緣雙極晶管，并且當(dāng)電流反向流入到子模塊中，橋臂等效成多個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，在串聯(lián)后直接阻斷反向故障電流，其作用類似固態(tài)直流斷路器，在使用中具有一定的局限性。

2.直流故障清除能力的改進(jìn)拓?fù)洹榱四軌驇椭娏ζ髽I(yè)獲得最大化的經(jīng)濟(jì)效益，可以直接將與具備直流故障阻斷能力的結(jié)合進(jìn)行使用，得到子模塊混合型。在其中較為典型的是由和組成的設(shè)備，每一個(gè)橋臂中的和數(shù)量都需要按照設(shè)計(jì)原則進(jìn)行安裝。導(dǎo)通開關(guān)和全橋子模塊組成，導(dǎo)通開關(guān)能夠承擔(dān)一部分直流電壓，因此子模塊的數(shù)量也有所減少，極限條件下子模塊數(shù)量是的一半。主要具備三種不同的工作模式，包括正常工作模式、直流閉鎖工作模式和工作模式。在正常工作模式下的橋臂交替導(dǎo)通，通過投切子模塊讓輸出的交流電壓波形逼近期望的正弦波形。發(fā)生直流側(cè)故障的時(shí)候，需要關(guān)斷所有開關(guān)器件，產(chǎn)生反向電壓，對(duì)故障電流進(jìn)行限制。當(dāng)在模式中進(jìn)行運(yùn)行的時(shí)候，所有的導(dǎo)通開關(guān)都處于導(dǎo)通狀態(tài)下，的缺點(diǎn)主要在于多個(gè)器件之間的串聯(lián)問題，以及直流側(cè)存在諧波的情況[5]。

（二）高壓直流斷路器

為了能夠?qū)崿F(xiàn)直流電網(wǎng)中對(duì)故障隔離的選擇性，直流電網(wǎng)中直流線路需要與直流斷路器進(jìn)行連接。因?yàn)橹绷麟娐菲髦袥]有自然過零點(diǎn)的存在，所以直流斷路器需要吸收故障電流來增加元件儲(chǔ)存的能量。除此之外，直流系統(tǒng)中故障電流的快速上升，就要求直流斷路器必須在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障電流的切除，這也進(jìn)一步讓直流斷路器的設(shè)計(jì)難度有所增加。根據(jù)直流斷路器切斷原理的不同，可以將直流斷路器分為三個(gè)不同類型，包括固態(tài)直流斷路器、機(jī)械直流斷路器以及混合直流斷路器。

1.固態(tài)直流斷路器主要受到開關(guān)器的限制，需要使用大量的電力電子器件進(jìn)行串聯(lián)，通態(tài)損耗情況較為嚴(yán)重，很難在高壓大容量的直流電網(wǎng)中進(jìn)行使用，因此在我國電網(wǎng)系統(tǒng)中固態(tài)直流斷路器很難大范圍普及和應(yīng)用。

2.機(jī)械直流斷路器的原理主要是通過反向電流注入到電網(wǎng)中，以此來實(shí)現(xiàn)人工過零。在正常運(yùn)行的狀態(tài)下，電流需要經(jīng)過機(jī)械開關(guān)，因此機(jī)械斷路器的通態(tài)損耗較低，這也是機(jī)械直流斷路器應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，不需要使用冷卻設(shè)備，成本也相對(duì)較低。但是機(jī)械直流斷路器中含有電弧分?jǐn)?，在斷開直流電流的時(shí)候，電弧容易出現(xiàn)灼燒問題、斷路器無法實(shí)現(xiàn)開斷，因此相關(guān)工作人員還需要結(jié)合反向電流注入電路的設(shè)計(jì)方式對(duì)電弧復(fù)燃問題進(jìn)行考量[6]。

3.混合直流斷路器主要是將固態(tài)直流斷路器和機(jī)械直流斷路器具備的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，在正常運(yùn)行的時(shí)候，電流經(jīng)過高速機(jī)械開關(guān)和開關(guān)器件，通態(tài)損耗情況較低，在故障發(fā)生時(shí)，故障電流首先會(huì)全部轉(zhuǎn)入到電力電子器件中，然后對(duì)機(jī)械開關(guān)進(jìn)行關(guān)閉，當(dāng)機(jī)械開關(guān)達(dá)到一定開距之后，在將轉(zhuǎn)移支路斷開，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的可靠隔離。

（三）高壓變換器

高壓變換器在不同電壓等級(jí)中有著不可或缺的作用，是最為重要的柔性一次設(shè)備。盡管現(xiàn)階段變換器在低壓應(yīng)用中已經(jīng)不斷完善，但是受到器件應(yīng)力的約束，這些拓?fù)洳荒茉谥绷麟娋W(wǎng)中大范圍進(jìn)行應(yīng)用。隨著近幾年來模塊技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，許多專家陸續(xù)的對(duì)模塊原理下的高壓變換器拓?fù)鋺?yīng)用進(jìn)行研究，提出相關(guān)的應(yīng)用理論，并根據(jù)電氣隔離的情況將這些拓?fù)浞譃楦綦x型和非隔離型[7]。

結(jié)束語：現(xiàn)階段柔性一次設(shè)備的應(yīng)用扔是電力行業(yè)持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)方向，尤其在高端的直流設(shè)備的研發(fā)上，任重而道遠(yuǎn)。但隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在今后的發(fā)展中將會(huì)有更多的柔性一次設(shè)備在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，提高電力系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)效果，滿足社會(huì)對(duì)電力資源的基本需求，更好的推動(dòng)我國電力行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)提升、社會(huì)發(fā)展、生產(chǎn)需求，提供更加良好的服務(wù)質(zhì)量。