電力電子裝置在電廠電力系統(tǒng)應(yīng)用及效能分析

電力電子裝置在電廠電力系統(tǒng)應(yīng)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(huì)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作

用?；茉春蜌夂颦h(huán)境的危機(jī)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(zhuǎn)型。分布式電源和儲(chǔ)能裝置的大規(guī)模接入，地方電網(wǎng)、微型電網(wǎng)與主干

電網(wǎng)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(dòng)，供電質(zhì)量

和可靠性的提高，是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的特征。

在電力系統(tǒng)中，可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電、儲(chǔ)能裝置的功率轉(zhuǎn)換、交直流電網(wǎng)

的柔性互聯(lián)、配用電能的雙向流動(dòng)、無(wú)功和諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償都需要依靠電力電子

裝置來(lái)實(shí)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(diào)制策略性能的提高，電力電子裝置在電力系

統(tǒng)中將會(huì)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(yīng)用

1.1發(fā)電環(huán)節(jié)

（1）發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁。大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用靜比勵(lì)磁技術(shù)，與勵(lì)磁機(jī)相比，具

有調(diào)節(jié)速度快、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，顯著提高了發(fā)電廠的運(yùn)行性能和效率。

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

過(guò)整流器和逆變器將不穩(wěn)定的風(fēng)能變換為電壓、頻率和相位符合并網(wǎng)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(gòu)成，是大規(guī)模集中利用太陽(yáng)能的有效方式。

1.2電能存儲(chǔ)

（1）可調(diào)速抽水蓄能。抽水蓄能電站通常由上水庫(kù)、下水庫(kù)和輸水及發(fā)電

系統(tǒng)組成。在運(yùn)行過(guò)程中，上下水庫(kù)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(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能的工作原理為:當(dāng)電力系統(tǒng)的用電處于低

谷時(shí)，利用富余電量驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，把能量以高壓空氣的形式存儲(chǔ)起來(lái);當(dāng)用

電負(fù)荷處于高峰時(shí)，將儲(chǔ)氣空間內(nèi)的高壓空氣釋放出來(lái)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（3）電池儲(chǔ)能。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)和功率調(diào)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(wǎng)

微型電網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、功率變換器、相關(guān)負(fù)荷以及監(jiān)控保護(hù)

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

網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)局告的功率平衡與能量?jī)?yōu)化;在外部電網(wǎng)故障時(shí)，通過(guò)變換器

的解列，使微型電網(wǎng)運(yùn)行在獨(dú)立模式，可以繼續(xù)向關(guān)鍵負(fù)荷供電，提高用電的安

全性和可靠性。

在微型電網(wǎng)中，分布式電源和儲(chǔ)能裝置的互聯(lián)可采用多變換器方案實(shí)現(xiàn)，也

可由一個(gè)多接口變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用多個(gè)變換器時(shí)，各個(gè)控制器相互獨(dú)立，必須

依靠通信方式進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，存在成本高、可靠性差、通信延遲長(zhǎng)等問(wèn)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(chǔ)能裝置和負(fù)荷相連接。變換器可以把一個(gè)接口的直流或交流功

率處理和調(diào)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(qiáng)

與電網(wǎng)互聯(lián)的經(jīng)濟(jì)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(wú)功功率獨(dú)立可控、無(wú)需濾波及無(wú)

功補(bǔ)償裝置、可向無(wú)源負(fù)荷供電、潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)電壓極性不變等優(yōu)勢(shì)，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(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(dòng)。在水電、風(fēng)

電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，十分適合利用低頻進(jìn)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(shù)和基于電磁藕合

電能變換技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)電壓或電流的幅值、相位、頻率、相數(shù)和形狀等特征

進(jìn)行變換的新型變壓器。固態(tài)變壓器具有潮流控制、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等功能，可以

給電力系統(tǒng)帶來(lái)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(zhì)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(zhì)量

1)無(wú)功補(bǔ)償口。采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)抑制系統(tǒng)功率振蕩、保持母線電壓穩(wěn)

定、解決負(fù)荷電壓閃變和不平衡等問(wèn)題有重要作用。鏈?zhǔn)届o比同步補(bǔ)償器

(STATCOM)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立分相補(bǔ)償和模塊化冗余設(shè)計(jì)，與靜止無(wú)功補(bǔ)償器］svc)

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

易于擴(kuò)展和占地而積小等優(yōu)點(diǎn)。

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(dòng)諧波治理和增

加額外諧波治理裝置的被動(dòng)諧波治理。主動(dòng)諧波治理采用多重化技術(shù)和脈寬調(diào)制

技術(shù)，降低變流裝置注入電網(wǎng)的諧波。被動(dòng)諧波治理采用混合型、級(jí)聯(lián)型有源電

力濾波器(APF)和統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)等在諧波源外部進(jìn)行動(dòng)態(tài)諧波治

理，可以減少網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，提高電力設(shè)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(chǎn)中斷、

設(shè)備損壞和產(chǎn)品報(bào)廢。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)是一種基于電壓源逆變技術(shù)的串聯(lián)

型電能質(zhì)量控制器，可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償正序、負(fù)序和零序電壓，抑制不平衡的電壓暫

降。目前，采用從電網(wǎng)提取能量、無(wú)串聯(lián)變壓器的多電平逆變器方案是動(dòng)態(tài)電壓

恢復(fù)器的發(fā)展方向。

2電廠電力系統(tǒng)中電力電子裝置的應(yīng)用效能分析

電力電子裝置的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和標(biāo)準(zhǔn)化是促進(jìn)其在電力系統(tǒng)中大

規(guī)模應(yīng)用的重要因素。為了進(jìn)一步提升電力電子裝置的性能，現(xiàn)對(duì)可靠性評(píng)估、

故障運(yùn)行管理、硬件在回路仿真和電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊的研究進(jìn)行闡述。

2.1可靠性評(píng)估

電力電子裝置的?？啃浴⒐收下?、平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間、平均維護(hù)時(shí)間和使

用率等指標(biāo)直接決定了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用效能。因此，對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)估是

采取有效措施提升裝置安全性的基礎(chǔ)。

可靠性評(píng)估有利于電力電子裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。定量評(píng)估的結(jié)果可用于

確定設(shè)計(jì)是否符合技術(shù)規(guī)范，也可以作為比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略和元件可

靠性的準(zhǔn)則。此外，精確的可靠性預(yù)測(cè)也可為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)和管理提供重要指

導(dǎo)。

評(píng)估可靠性可以從元件或系統(tǒng)層而進(jìn)行建模。元件級(jí)可靠性模型主要對(duì)功率

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

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

統(tǒng)級(jí)可靠性模型評(píng)估系統(tǒng)可靠性。

當(dāng)評(píng)估結(jié)果不滿足可靠性要求時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于關(guān)鍵裝置，可

通過(guò)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)增加冗余度的方法，使裝置具有容錯(cuò)運(yùn)行的能力。

2.2故障運(yùn)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(yīng)用場(chǎng)合，電力電子裝置因故障而導(dǎo)致停機(jī)會(huì)造成嚴(yán)重危害。對(duì)于己運(yùn)行和允

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

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

方式，調(diào)節(jié)器件損耗，避免穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力引起器件失效。

故障管理包括故障診斷和預(yù)測(cè)。準(zhǔn)確及時(shí)的故障診斷是電力電子裝置進(jìn)行容

錯(cuò)運(yùn)行或采取保護(hù)措施的依據(jù)。故障診斷通過(guò)將功率器件或變換器端口的電壓電

流特性與設(shè)定的正常性能指標(biāo)進(jìn)行比較來(lái)發(fā)現(xiàn)和只別故障。故障預(yù)測(cè)根據(jù)元件和

子系統(tǒng)的故障機(jī)理來(lái)推測(cè)它們的剩余使用年限，為提前采取預(yù)防或補(bǔ)救措施提供

參考。

當(dāng)元件或子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，具有容錯(cuò)運(yùn)行能力的電力電子裝置可以通過(guò)改

變調(diào)制策略或控制方法來(lái)隔離故障部分，避免整套裝置失效。容錯(cuò)運(yùn)行包括降級(jí)

運(yùn)行和準(zhǔn)正常運(yùn)行。降級(jí)運(yùn)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(shí)現(xiàn)主要功能，但會(huì)降低輸出電壓、輸出功率和電能質(zhì)量等。降

級(jí)運(yùn)行具有簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，但其應(yīng)用范圍受限。準(zhǔn)正常運(yùn)行是利用冗余設(shè)

計(jì)中增加的功率器件或子系統(tǒng)，使裝置在故障時(shí)依然能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)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(cè)試多個(gè)環(huán)節(jié)。裝置樣機(jī)的直接開發(fā)和

驗(yàn)證具有周期長(zhǎng)、調(diào)試?yán)щy和設(shè)計(jì)方案變更成本高的特點(diǎn)。采用實(shí)際裝置的小功

率硬件模型對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，裝置中的部分參數(shù)和特性在模型中無(wú)法得到

合理模擬，且系統(tǒng)保護(hù)方案的真實(shí)度有限。

電力電子系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，即硬件在回路仿真技術(shù)，可以加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)與

測(cè)試有效性的驗(yàn)證，便于控制器的開發(fā)，能夠模擬所有運(yùn)行工況，易于實(shí)現(xiàn)故障

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

實(shí)物仿真中需要超低廷遲計(jì)算(亞微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間)才可以準(zhǔn)確模擬硬件的動(dòng)態(tài)

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

和大規(guī)模并行處理的優(yōu)勢(shì)，可提高模擬計(jì)算的處理速度、結(jié)構(gòu)充足度和建模復(fù)雜

度，現(xiàn)己成為電力電子系統(tǒng)半實(shí)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(guān)特性，又要不依賴于變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還要滿足開關(guān)頻率的

要求。目前在仿真中，功率器件主要使用理想開關(guān)模型和開關(guān)函數(shù)模型。以功率

器件模型為基礎(chǔ)，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(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行離散時(shí)間處理，使用固定步

長(zhǎng)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(guān)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(shù)量的要求。

2.4電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊

電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊(PEBB)將逐步把功率器件、門極驅(qū)動(dòng)電路、可編程處理

港和其他相關(guān)元件集成到一個(gè)模塊中，該模塊具有預(yù)定的功能和標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)安裝和

維護(hù)的工程投入。通過(guò)PEBB的組合可構(gòu)成適用于各種場(chǎng)合的電力電子裝置，此

時(shí)需要PEBB擁有即插即用、自動(dòng)運(yùn)行設(shè)置和保持自身安全運(yùn)行極限的能力。運(yùn)

行中的裝置，可以通過(guò)對(duì)其控制和保護(hù)方案進(jìn)行升級(jí)，來(lái)改善運(yùn)行和維護(hù)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(shè)計(jì)原則。

模塊的集成化需要攻克器件應(yīng)力，雜散電感，開關(guān)損耗，熱管理，保護(hù)、信

號(hào)測(cè)量、控制接口和集成中的其他難題。目前:集成方法有硅片級(jí)集成、封裝級(jí)

集成和三維集成。硅片級(jí)集成將元件建在硅片的中間或表而。封裝級(jí)集成將元件

集成在基于有機(jī)或陶瓷的基板里。這兩種集成方法不適用于大電流場(chǎng)合的高功率

密度變換器。三維集成用垂直方式集成整個(gè)變換器，以無(wú)源層作為整個(gè)變換器的

基板，將有源層建立在無(wú)源層之上，大多數(shù)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(jù)響應(yīng)時(shí)間的不同，控制器劃分為系統(tǒng)控制、應(yīng)用控制、變換器控制、開

關(guān)控制和硬件控制5層。系統(tǒng)控制層確定系統(tǒng)的任務(wù)和職責(zé);應(yīng)用控制層執(zhí)行系

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

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

子器件的實(shí)際運(yùn)行。微處理器可在各層中應(yīng)用，進(jìn)行信號(hào)處理;標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議可

支持信息在不同層之間進(jìn)行交換。分層控制結(jié)構(gòu)還支持多PEBB任意組合。依據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)的控制結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)商設(shè)計(jì)出的控制器可以互換使用。

3電力電子裝置應(yīng)用中函待解決的難題

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

題函待解決:①多能源儲(chǔ)能電力系統(tǒng)中變換器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與控制方法研究;②風(fēng)

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

能質(zhì)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(wǎng)逆變器集群的運(yùn)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(shè)計(jì)理論、拓?fù)鋬?yōu)化與模塊集成技術(shù)研究;⑨電力

電子裝置數(shù)字控制器的標(biāo)準(zhǔn)化研究。上述問(wèn)題