電力系統柔性一次設備及其關鍵技術

于璨

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

近些年，隨著傳統能源的緊缺和溫室效應問題的不斷深入，能源結構轉型受到更高的關注。在這樣的背景下，大量全新電力電子設備在電力系統中得到廣泛應用，讓電力系統的可控性和靈活性得到全面提升。此外，柔性一次設備在現代電網中的應用，有效的提升電能轉換和傳輸的效率，增強電力系統調控的基本能力，更好的滿足用戶對電力資源質量的要求，這也是目前我國電網發展的主要方向。本文主要圍繞柔性一次設備以及關鍵技術進行分析，提出電力設備電網的關鍵技術和發展趨勢，希望能進一步推動電力系統中柔性一次設備的發展和應用。

一、柔性一次設備在交流輸電中的應用

（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技術，不斷提升交流輸電系統傳輸容量，增強電力系統可控性。在的基礎上，技術有著快速的發展，現階段已經有將近不同類型的設備，并且一部分已經在實際的電力系統中進行應用并取得較為良好應用效果，目前全球已經有上千個工程，總容量也超過。技術在現階段的發展和應用，都是電力工程行業最為突出的發展成果之一，是現代化電網系統的建設與發展中重要的推動力量。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、效率要更高，同時還需要解決電壓不穩定、系統震蕩等多種問題。因此技術在我國電網發展和建設中，有著至關重要的作用。隨著電力電子技術的不斷發展，技術的發展也朝著功能性更強、更靈活、響應速度更快的方向進行創新與完善[1]。

（二）半控型器件的設備

晶閘管的設備在上個世紀在商業中進行應用，應用的時間遠超于的發展。簡單來說是在晶閘管投切或者控制的基礎上，一切并聯型設備的統稱，包括晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電抗器等。在應用中，電力系統設備或者機械無功補償設備都能與晶閘管進行組合，形成全新的電力電子設備。簡單來講就是設備中技術最成熟的設備類型，現階段已經全面在工程容量中進行使用[2]。

1.可控高壓并聯電阻器。在基礎上發展的晶閘管并聯型設備，主要的功能就是對交流輸電線過程的無功功率進行動態補償，以此來實現抑制高壓輸電線的容升效應，限制操作過電壓、潛供電流等現象，降低輸電線路實際的損耗，提升交流系統電壓穩定水平，以及輸電線路傳輸電流的實際功率。這類變壓器主要有兩種，包括分級式可控高抗變壓器和晶閘管可控高抗變壓器，在實際應用中兩種變壓器都取得較為良好的成果，對輸電穩定提供保障。

2.可控串聯補償器。可控串聯補償器是現階段設備中最為重要的串聯型設備之一，主要是由一組電容器和晶閘管控制電抗器并聯所構成。可控串聯補償器，能夠連續提供可控的串聯補償容量并改變阻抗特性，以此來提升電力系統的穩定性和動態性。

（三）全控型器件的設備

1.靜止同步補償器是在全控型器件設備基礎上，發展最快并且應用最廣泛的設備種類之一。可以使用電壓源型換流器和電流源型換流器進行實現，但是由于電壓源型換流器的控制更加方便效率也更高，因此在實際應用中，多數都會選擇電壓源型換流器進行應用。與相比，設備的動態響應效果更快、可控性更好，不需要大容量的電容或者電感等基本優點，但是在使用中需要數量較多的全控型器件，因此成本造價也是的兩倍左右[3]。

2.統一潮流控制器由于設備功能強大，經常被認為是高度整合了全部的設備技術，設備主要是由并聯部分和串聯部分所組成，兩個部分都能過通過直流環相連接（如圖1 所示）。因此不僅具備并聯補償和串聯補償的優點，還可以對電力系統的功率進行調整，是現階段綜合功能最為齊全的設備。在實際應用的過程中，也能夠根據實際需要將并聯和串聯部分分開運行，其中并聯是一套設備，而串聯是一臺設備。

圖1 統一潮流控制器示意圖

二、柔性一次設備在直流輸電中的應用

（一）在直流電網中的應用

在直流電網中的應用面臨著關鍵性的問題，就是直流側故障處理的問題。現階段在實際工程應用的過程中，主要是使用的子模塊都是半橋子模塊，當直流側發生短路現象的時候，子模塊中的反并聯二極管會出現短路電流，導致換流器本身無法對直流故障進行自動清除。因此，為了能夠更好的解決這類問題，在實際中會采用具有直流故障清除能力的子模塊和改進拓撲兩個方面出發[4]。

1.直流故障清除能力的子模塊。通過子模塊來實現直流故障清除，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。另外一種典型的結構就是鉗位型雙子模塊。比多增加左右的開關器數量，但是在CDSM 中兩個子模塊正常運行和故障運行期間連接方式有一定的不同，結構上也具有一定的耦合性，因此也增加控制和勻壓的復雜性。降低所需要的開關數量，但是也存在反向故障電流現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，并且當電流反向流入到子模塊中，橋臂等效成多個絕緣柵雙極型晶體管，在串聯后直接阻斷反向故障電流，其作用類似固態直流斷路器，在使用中具有一定的局限性。

2.直流故障清除能力的改進拓撲。為了能夠幫助電力企業獲得最大化的經濟效益，可以直接將與具備直流故障阻斷能力的結合進行使用，得到子模塊混合型。在其中較為典型的是由和組成的設備，每一個橋臂中的和數量都需要按照設計原則進行安裝。導通開關和全橋子模塊組成，導通開關能夠承擔一部分直流電壓，因此子模塊的數量也有所減少，極限條件下子模塊數量是的一半。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。發生直流側故障的時候，需要關斷所有開關器件，產生反向電壓，對故障電流進行限制。當在模式中進行運行的時候，所有的導通開關都處于導通狀態下，的缺點主要在于多個器件之間的串聯問題，以及直流側存在諧波的情況[5]。

（二）高壓直流斷路器

為了能夠實現直流電網中對故障隔離的選擇性，直流電網中直流線路需要與直流斷路器進行連接。因為直流電路器中沒有自然過零點的存在，所以直流斷路器需要吸收故障電流來增加元件儲存的能量。除此之外，直流系統中故障電流的快速上升，就要求直流斷路器必須在短時間內實現故障電流的切除，這也進一步讓直流斷路器的設計難度有所增加。根據直流斷路器切斷原理的不同，可以將直流斷路器分為三個不同類型，包括固態直流斷路器、機械直流斷路器以及混合直流斷路器。

1.固態直流斷路器主要受到開關器的限制，需要使用大量的電力電子器件進行串聯，通態損耗情況較為嚴重，很難在高壓大容量的直流電網中進行使用，因此在我國電網系統中固態直流斷路器很難大范圍普及和應用。

2.機械直流斷路器的原理主要是通過反向電流注入到電網中，以此來實現人工過零。在正常運行的狀態下，電流需要經過機械開關，因此機械斷路器的通態損耗較低，這也是機械直流斷路器應用的優勢，不需要使用冷卻設備，成本也相對較低。但是機械直流斷路器中含有電弧分斷，在斷開直流電流的時候，電弧容易出現灼燒問題、斷路器無法實現開斷，因此相關工作人員還需要結合反向電流注入電路的設計方式對電弧復燃問題進行考量[6]。

3.混合直流斷路器主要是將固態直流斷路器和機械直流斷路器具備的優點進行結合，在正常運行的時候，電流經過高速機械開關和開關器件，通態損耗情況較低，在故障發生時，故障電流首先會全部轉入到電力電子器件中，然后對機械開關進行關閉，當機械開關達到一定開距之后，在將轉移支路斷開，實現對故障的可靠隔離。

（三）高壓變換器

高壓變換器在不同電壓等級中有著不可或缺的作用，是最為重要的柔性一次設備。盡管現階段變換器在低壓應用中已經不斷完善，但是受到器件應力的約束，這些拓撲不能在直流電網中大范圍進行應用。隨著近幾年來模塊技術的不斷發展和應用，許多專家陸續的對模塊原理下的高壓變換器拓撲應用進行研究，提出相關的應用理論，并根據電氣隔離的情況將這些拓撲分為隔離型和非隔離型[7]。

結束語：現階段柔性一次設備的應用扔是電力行業持續關注的重點方向，尤其在高端的直流設備的研發上，任重而道遠。但隨著科學技術和信息技術的不斷發展，相信在今后的發展中將會有更多的柔性一次設備在電力系統中應用，提高電力系統實際生產效果，滿足社會對電力資源的基本需求，更好的推動我國電力行業的發展與進步，為社會經濟提升、社會發展、生產需求，提供更加良好的服務質量。