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柔性化电力系统的现状与发展

作者:韩民晓 范溢文 来源:能源研究俱乐部 发布时间:2021-01-29 浏览:
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柔性化电力系统的现状与发展

韩民晓  范溢文

(华北电力大学电气与电子工程学院)

本世纪初以来,电力系统经历了一系列重要变化。可再生能源大量接入电网,远距离电力传输发挥重要作用,电能替代不断推进。电力系统对安全稳定与供电质量要求日益提高,越来越需要能够对其数量及质量进行灵活有效的控制。作者针对这一变化,曾在十余年前提出了“柔性化电力技术”的概念[1]。目前,得到广泛认可的“双高”电力系统(高比例可再生能源发电、高比例电力电子设备)、电力电子化电力系统的提法都印证了这一观点。

传统电力系统本质上呈现出刚性的特质:发、供、用必须同时完成,时刻严格保持总功率的平衡。各机组之间必须严格同步,偏离额定频率数值较大意味着机组失步,甚至电网解列。电网的潮流只能由电网参数被动决定,难以依据电网运行需要对潮流进行有效控制。电网的供电模式单一,电能质量只能实现离散方式的静态调节。电力负荷调节特性差,难以实现高效与优化的调节。随着我国能源领域绿色替代、电能替代及能源互联网的进一步发展,远距离大容量电力传输与控制需求的不断增长、不同用户供电质量需求的不断提升,电力系统柔性化发展成为更为迫切的需求。电力系统的柔性化技术是指以电力电子技术为核心,结合储能技术及信息技术,实现电力系统中电能的变换与控制,形成更为安全稳定、质量可控、绿色高效的电力系统。

一、电力系统柔性化的支撑技术

柔性化电力技术是基于电力电子技术,在电能的产生、输送与应用各个环节能够对电能的数量和形态进行快速精确控制的技术。它在直流输电、柔性交流输电、配网层面电能质量控制等技术发展中提供了思路和方案。该技术的实现是以电力电子技术为核心的多种技术的结合,如储能技术、信息处理与控制技术等。

01、电力电子器件技术的发展与应用

柔性电力技术的核心依赖于电力电子技术的发展,而电力电子技术包括器件、电路与系统三个层次,其中器件的发展和应用是整个电力电子技术的基石。

表1  电力电子器件技术发展脉络

未来,电力电子器件的发展趋势是高电压、大电流、低功耗、高开关速度,而这些特性在一个器件上往往难于全面体现。目前,不断有新材料和新器件在已存在器件上进行复合,使各种器件的某些优点得到发挥,这就造就了各式各样的电力电子器件。它们在不同的领域发挥着不同的电能变换与控制作用,参见图1。

图1  电力电子器件的应用领域

电力电子器件性能的提升离不开材料、工艺的不断发展。宽禁带半导体被看作未来可带来电能控制重大变革的技术,得到各国电力电子研究者的重视。宽禁带半导体器件材料的综合性能及工艺的成品率成为该领域的重要研发内容。

02、换流电路及其发展

柔性电力技术的应用是通过各种电力变换及其控制实现的。在电力的产生、输送和相关用电设备的控制电路中,涉及到交流电力或直流电力的不同形式间的相互转换。交流电力可能为幅值、频率或相数不同的交流电,直流电力可能为幅值不同的直流电。换流电路的发展可分为以下三个时代:

1.整流器时代

整流器是将交流电通过相位控制转换为直流电的装置,较为典型的领域有电解、牵引以及直流传动。大功率整流器可将工频交流电向直流电实施有效的转化,该应用在上世纪六、七十年代得到了很大发展,这是电力电子换流器发展的第一个时代。这个时期也开启了基于晶闸管的直流输电的发展。

2.逆变器时代

逆变器是将直流电转变交流电的设备。20世纪80年代以来,随着变频调速装置的普及与应用,门极可关断晶闸管(GTO)、大功率逆变用的晶闸管和巨型功率晶体管(GTR)逐渐成为主要的电力电子器件。上述器件的发展与应用推进了电压源型直流输出、静止式无功功率动态补偿等电力电子设备的发展。

3.变频器时代

随着微控制器技术与组合变换技术的发展,电机驱动迎来了变频器应用的黄金时期。变频器的发展标志着电力电子技术可实现多种形式的电能之间便利且精确地相互转换。高压大容量变频器开发的成功,为电力电子器件通过模块化组合实现大功率变换提供了技术支撑。基于模块化多电平(MMC)技术的换流器在电力系统中获得广泛应用。

03、储能技术

传统电能的使用必须时刻遵循“供需平衡”的原则,而柔性电力技术思想下的电网对高比例可再生能源的吸纳、电能质量灵活控制与变换的特点,对储能技术的应用提出重要的需求。下面针对柔性化技术中的几类储能技术给予说明。

抽水蓄能技术是利用电能与水力势能相互转换的蓄能技术,是目前国内外各电力公司采用的一项大规模实用技术,常用于调峰、调频、调相、事故备用、黑启动等。一般的抽水蓄能功率等级可达几十万千瓦,使用寿命可达30年。基于电力电子技术实现的可变速抽水蓄能技术效率可达75%。可变速抽水蓄能机组具有调节范围宽、调节精度高及快速功率响应能力,可充分满足电网自动频率控制及含大规模可再生能源电网运行调节的暂态响应要求。

飞轮蓄能是利用旋转物体所具有的动能存贮能量的技术,其变换装置是通过发电电动机及电力电子装置实现的。飞轮储能功率密度高,使用寿命可达25年,转换效率高,可达90%以上,优于抽水蓄能技术。但持续放电时间仅为分钟级,能量密度低,是典型的功率型储能技术。

电池蓄能技术是将电能转化为化学能存储、使用时再将化学能转化为电能的蓄能技术。由于直接转化为化学能的电能只能是直流形式,因而交直流变换器是这种蓄能系统的重要组成部分。电池蓄能技术效率高噪音低污染小、不受规模效应的制约、暂态特性好、负荷追随性能强、造价低。但电池蓄能系统需要相应的交直流变换与控制设备,增加了系统的复杂性。在高密度人口和建筑中心设置高密度、大容量且化学过程复杂的电池蓄能系统必然给都市设施安全管理带来新的课题。

超导蓄能(SMES)是利用电流在处于超导状态的线圈中流通,以磁场形式存储电能的方式,这种蓄能方式源于超导现象的发现及应用。目前,超导在电力系统中的应用包括超导发电机、超导变压器、超导电缆、超导限流器及SMES等。相比其他蓄能方式,只有一些中小型SMES投入商业运行。

04、信息处理与控制技术

信息技术的发展为电力变换与传输中的控制提供了有效的手段。柔性电力技术中电力电子器件的状态是通过一系列的信息处理与控制环节后触发的,其功能的实现离不开功能强大、稳定可靠的控制系统。电力电子装置的控制技术随着电力电子技术的发展也愈加复杂。过去多使用模拟控制技术实现系统的控制功能,后来数字控制技术依托微处理器及其外围电路的升级得到不断发展,并逐渐取代模拟控制。随着电力半导体器件不断地向高频、高效和智能化方向发展,电力电子控制系统的实时性要求越来越高。广泛采用的硬件平台,包括可编程逻辑器件(PLD-Programmable Logic Device)、数字系统处理芯片(DSP-Digital Signal Processing)及工业控制器(IPC-Industrial Personal Computer)通常用以完成相关控制工作。

在电力领域,基于物联网(IoT)技术围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各环节万物互联、人机交互,构成具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统,形成泛在电力物联网(UPIoT)体系,对电力系统发挥作用更加方便社会各行业领域信息与技术的共享、交流与发展。泛在电力物联网的作用符合在配电领域的发展,它已广泛应用于智能传感器、设备状态检修、智能终端保护、安全防护加密等场景,有效提高了配电环节可靠性、安全性。

二、发电环节的柔性化技术

01、光伏发电

光伏发电中电力电子变换电路的形式通常有工频变压器方式、高频连接方式及无变压器方式,如图2所示。工频变压器方式采用工频隔离,具有造价低、不宜小型轻量化等特点。高频连接方式采用高频逆变后,通过变压器隔离,再经过整流逆变与系统相连,体积相对较小,但存在造价高、效率较低等问题。无变压器方式通过升压斩波器、逆变器和滤波器,直接与电力系统相连,造价适中,宜于小型轻量化。

图2  光伏发电变压器连接方式

为了充分利用太阳能和发挥光伏发电装置的作用,在技术上要使太阳电池的输出始终处于最大功率点及其附近,即控制变换器的输入电压工作在最大功率点电压上。实现最大功率追踪的电路通常采用DC/DC变换器,通过开关器件导通率的调整,使太阳能电池最大功率点电压与负载电压相匹配。

02、风力发电

风能具有波动性和随机性,无法存储,因而无法像传统能源利用中那样,在保持一次能源相对稳定的情况下产生电能,这就要求风力发电系统具有很强的调节能力和适应性,这正是柔性化技术的核心。风力发电机按异步型和同步型分类,可以分为鼠笼式异步发电机、双馈风力发电机、直驱风力发电机三种,其机组控制特性构成对比如表2所示。

表2  风力发电机的种类与特性

可以看出,对于当下常见的双馈风力发电机和高性能的永磁直驱风力发电机,电力电子技术的应用已是重要环节。尤其在直驱风力发电机中使用到了全功率逆变器,并且通过解耦控制可以完成对有功无功的独立控制,同时改善电网性能。随着电力电子技术应用的提升,风力发电机的控制性能也越来越好。

03、燃料电池

燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程,因此不受卡诺循环的限制,能量转化效率高,几乎不产生NOx和SOx的排放,且CO2的排放量也比常规发电厂少。正是由于这些突出的优越性,燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视,被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。目前能源发展趋势需要对大功率可再生能源存储,也就要使用大量的高容量电池。由于电化学电池对环境有不好的影响,且造价昂贵,利用电解制氢,即通过分解水产生氢气并进行储存,再通过燃料电池转换为电能,是更为简单可行的解决办法。

氢研究所(HRI)开发了一套系统,将可再生能源系统产生的能量以氢气形式进行储存,如图3所示。该系统包括直流负载母线、风力发电机、太阳能电池板、燃料电池系统和氢转换系统。连接到直流母线的降压DC-DC变换器用于将母线电压降低到适合电解的电压水平。电解水获得的氢气被储存在一个特殊的储存管中。储存的氢气通过燃料电池(PEMFC)转换为电能。燃料电池产生的能量通过升压DC-DC变换器传输到系统直流母线。

图3  氢循环与可再生能源系统[2]

04、微型燃气轮机(MGT)

燃气轮机利用气体作为工质在燃烧室里燃烧,将燃料的化学能转变为气体的内能。在汽缸里,气体的内能转变为气体的动能,燃气高速喷出,冲击叶轮转动,叶轮驱动主轴,再带动发电机旋转产生电能。为了获得较高的发电效率,燃气轮机的主轴转速通常达数万转/分,其产生的电能频率达数百赫兹,无法与电网直接相连,必须通过交直、直交变换才能联网或供给用电设备。再加上这类装置需要电动启动,变换装置还需具备双向流通的能力。这就使得其中变流器具有较复杂的功能,典型电路示例如图4所示。图中,电池B用作能量缓冲及无电网送电时始动之用。

图4  燃气轮机电力变换电路

三、输电环节的柔性化技术

01、直流输电技术

直流输电技术是柔性化技术在电力系统输电领域中应用最早同时也是最成熟的技术。从高压直流输电的发展来看,1954年世界上第一个直流输电工程投入商业运行,采用汞弧阀换流技术的第一代直流输电由此诞生。20世纪70年代,基于晶闸管的换流阀在直流输电领域得到应用标志着第二代输电技术产生。我国的柔性直流输电工程技术研究与应用相比世界起步较晚,但发展迅速。到2005年,国内的研究基本还都集中在两电平换流器柔性直流输电的系统建模与仿真分析等方面,对于工程技术的研究少有涉及。2006年开始,国内相关研究单位与西门子公司几乎同步开展了基于MMC的柔性直流输电工程技术研究,并在理论、技术、设备、试验、系统集成等方面取得了一系列的自主创新成果[3]。我国第一个真正意义上的柔性直流输电工程——上海南汇柔性直流输电工程于2011年投运,实现了我国柔性直流输电技术从无到有的突破。经过多年的发展,到现在张北柔直示范工程的建立,再次证明了我国在柔性直流输电整体技术研究、工程应用等方面均已达到世界先进水平。

02、FACTS技术

FACTS是现代电力电子技术与传统电网技术相结合的技术。它采用大功率电力电子元件替代机械式的高压开关,可以按系统需要迅速调整电力系统中影响潮流分布的三个主要电气参数:电压、功率角和电路阻抗,以达到合理分配输送功率、合理控制电压,降低功率损耗和发电成本的目的,提高系统可靠性和稳定性。静止无功补偿器SVG、静止同步补偿器STATCOM和晶闸管控制的串联电容器TCSC等都是FACTS中主要的控制器。FACTS技术的应用实现了互联电网之间互为备用,对减少冷热备用容量、优化潮流分布的系统参数、减少大电网中的环流、提高系统的动态稳定性等方面有所裨益,输电线上传输的功率可以在接近热稳定极限的情况下满足安全经济运行的要求。

四、配电环节的柔性化技术

随着能源问题的日益重要及对供电可靠性要求的提高,为满足用户的电能质量需要和支持现存配电网的经济运行,常会在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组,即设立分布式电源。然而,分布式电源的并网运行会给主电网带来一系列问题,包括电压波动、直流偏磁、高次谐波等问题,这对配电环节中的电能质量和直流配电等问题提出更高的技术要求。

01、电能质量控制

电能质量控制的核心是能够对供用电系统的电力进行控制、变换,为用户或供电方提供满足要求、质量合格、效能最佳的电力。完成这种控制与变换的关键就是各具特色的电力电子器件及其控制电路。与电能质量控制技术应用相关的电力电子器件正在向高耐压、大电流、低损耗及高频化方向发展。特高压直流输电系统在我国大规模新能源发电远距离外送和区域电网互联中起到越来越重要的作用,但其采用的相控逆变装置给落点电网带来的谐波污染不可忽视。此外,三相不平衡和低电压等稳态电能质量问题已十分明显与突出。

目前,谐波控制技术主要包括无源和有源两种类型。无源谐波控制技术关键是添加了无源滤波器。基于电力电子技术的有源电力滤波器(APF),其控制思想是减少由谐波源产生的谐波或不产生谐波,主要包括使用脉冲宽度调制技术(PWM)和增加变流装置相数或脉冲数。基于类似思想的其他转换器包括级联H桥,高功率因数转换器和矩阵转换器。目前,这类设备主要使用并联接入待处理网络,如并联无源三相不平衡补偿器,并使用TCR+TSC进行不平衡负载的三相补偿等。现状分析表明,“低电压”问题在我国的中低压配电网中最为严重。基于分布式电源或储能设备的治理技术可有效地减少线路上的有功损耗,这应成为将来解决低电压问题的重要方向。

02、直流配用电

与交流配电网相比,直流配电网的要素组成差异不大,但在很多方面优势显著。例如,交流系统配电方式通常为三相,而直流系统只有正极和负极。地或海水通常用作负极,并且以单极形式运行,从而节省了线路投资;直流系统中没有相位、频率、无功功率和其他因素,因此各个子系统之间没有异步问题和无功补偿要求。随着分布式电源、小型微电网和电动汽车的出现,直流配电网络也可以实现其平稳有效接入,并且在潮流控制方面比交流系统更加灵活方便。

但是,由于使用了大量的电力电子设备,太阳能、风能、海洋能等分布式新能源的出力随机性和间歇性都会成为干扰。直流配电网通过优化电力电子变流设备接口的控制策略来提高系统的电源质量是一种相对经济的方法。控制模式的选择将极大地影响操作和运行带来的问题。基于改进型控制器的VSC,在一定程度保证正常的线路电流,有效解决了直流配电网运行方式切换引起的一系列问题。

五、用电环节的柔性化技术

从电力系统的角度看,电力电子技术的应用在很大程度上改变了用电方式,改变了负荷特性,对电力系统的设计、分析与运行带来新的变化。

01、电能替代与电力负荷的电力电子化

在负荷侧,最主要的变化是分布式电源和储能装置的接入。大量新型负荷如数据中心、计算机设备、LED照明等需要直流电源;以变频调速为主要内容的电力驱动、城市轨道交通与电气化轨道快速发展下电力牵引领域需要应用电力电子换流技术;用户侧小型分布式发电设备的并网与存储、微电网、电动汽车充电系统的快速发展,让未来用户用电在可靠性、便利性、效能等方面与电网进行更为频繁的交互。这些场景为电力电子化变革提供了极大的发展空间,对电力电子技术在用电侧的适应性提出了新要求。

02、负荷电力电子化对电力系统的影响

随着电力系统中的电力电子化设备占比升高,设备与系统、设备与设备之间的交互作用趋于复杂,对电力系统运行特性的改变也愈加明显。电力负载的电力电子化从两个方面对电力系统的运行带来影响,一是电力电子用电设备会向电网注入谐波,这些谐波在电网中的传播与放大可能造成电力系统设备的发热、振动甚至损坏。电力电子设备接入电网必须满足一定的电能质量标准,必要时采用适宜的滤波措施等是减少谐波影响的有效方法。电力负荷的电力电子化的另一个影响是与其表现出的恒功率负特性密切相关的。电力电子负载具有很强的调节特性,通过调制比的控制可实现恒功率运行,这种恒功率表现为负电阻特性,因此会降低系统阻尼进而影响系统稳定性[4]。面对电力系统源-网-荷快速更新变化及出现的新问题,又需采用以电力电子为基础的综合技术加以解决,以实现电力系统安全、稳定、高效地运行。

六、柔性化电力技术的挑战与发展

01、柔性化电力系统呈现出的典型问题

电力系统的柔性化必然伴随着可再生能源的大量接入,电能的远距离、大范围配置及电能替代的快速推进,由此形成目前给予广泛关注的“双高”电力系统。这种系统相对于传统电力系统在具有可控性好,运行灵活、高效、高质量的同时,也存在下述问题[5]:

1.低惯量:柔性化电力系统通过电力电子变流器接入大量可再生能源电力。这些可再生能源机组不再具备传统同步机组基于旋转动能的惯量响应特性。尽管许多研究已提出了诸多基于控制的频率支撑/虚拟惯量技术,但由于缺少持续能量支撑,它们的作用是有限的,并且可能会影响设备的效率和灵活性。

2.过载能力低:受电力电子器件本身过流能力的限制,柔性电力系统对频率和电压偏差的耐受能力不足。可再生能源机组的频率和电压耐受上限与常规火电机组有较大差距,使得这类机组在系统频率或电压大幅波动情况下容易脱网,给系统稳定带来不利影响。

3.多时间尺度:柔性电力系统中可再生能源功率的波动是数分钟到几十分钟,机械动态过程时间尺度在几百毫秒到几秒,而电力电子的动态响应时间为数毫秒,因此,整个系统为多时间尺度系统。对于这类多时间尺度系统的建模、仿真与控制是一个新的挑战。

4.非线性:电力电子设备中的开关器件是通过高频离散脉冲触发控制的,考虑到限幅及饱和特性,电力电子设备具有很强的非线性特质。虽然传统的控制理论较为完善地解决了线性系统的控制,但对含有大量电力电子设备的柔性化电力系统的控制目前还没有系统的理论。

5.宽频振荡:柔性电力系统中包含大量特性各异的电力电子设备。这些设备的开关频率、控制方式、并网参数有较大差别,又相互作用。在一定条件下可能发生耦合振荡。振荡的频率分布可能从数十赫兹到数千赫兹,形成宽频振荡。

02、柔性化电力系统的发展

对于上述问题的解决成为未来电力系统柔性化发展的重要内容。针对低惯量系统,可采用新的网络结构设计、合理的储能配置及新的可再生能源并网控制策略;对于过载能力低的问题,可以考虑优化功率器件配置、采取更为有效的保护与控制策略及单元冗余等技术进行防范。多时间尺度问题,涉及建模、仿真与控制等各个方面,可采用频率变换、时间尺度解耦进行分析。也可针对所要解决的核心问题,选择合理的研究方法与研究工具,提示有效的方案。非线性问题与宽频振荡问题是密切相关的。可依据振荡的频段、扰动的大小,采用时域或频域的方法进行分析。可从设备参数优化、控制策略优化等方面提出振荡抑制的方案。

在低碳环保压力和经济性约束下,电力负荷的内生增长动力促使能源规划继续向高比例可再生能源方向发展,电力规划也将围绕可再生能源的时空分布和分布式与储能双向互动进行,这将有效促进分布式能源、储能、电能替代等技术的大力发展。这些发展一方面对电力系统的柔性化提出更为迫切的需求,另一方面也将进一步促进电力系统柔性化技术的进步。新型大容量半导体功率器件的出现和运用、经济高效储能方式的广泛应用及基于IoT 的信息技术的发展,必然为柔性电力技术的进步注入新的活力。柔性电力系统的未来将更为绿色环保、安全稳定、经济高效。

参考文献:

[1]韩民晓,尹忠东,徐永梅,文俊,“柔性电力技术——电力电子在电力系统中的应用”,中国水利水电出版社,2007.

[2]M. E. Şahin, H. I. Okumuş, and M. T. Aydemir, “Implementation of an electrolysis system with DC/DC synchronous buck converter,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 39, no. 13, pp. 6802–6812, 2014.

[3]汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化,2013,37(15):3-14.

[4]谢文强,韩民晓,严稳利,王超,袁栋.考虑恒功率负荷特性的直流微电网分级稳定控制策略[J].电工技术学报,2019,34(16):3430-3443.

[5]谢小荣,贺静波,毛航银,李浩志.“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨[J/OL].中国电机工程学报:1-15[2020-12-07].

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原文首发于《电力决策与舆情参考》2020年12月25日第49、50期

关键字:电力系统,储能

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