电力电子技术在智能电网中的应用

我国坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以信息通信平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化为特征，包含电力系统各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。从可再生能源发电的大规模接入到高压直流输电和柔性交流输电，从改善电能质量的用户电力技术到储能和V2G应用，到处都离不开大功率电力电子技术。本文是智能电网综述系列文章之四，从发电环节的可再生能源接入、输电环节的高压直流输电和柔性交流输电、配电环节的用户电力技术和储能技术等四个层面，综述了大功率电力电子技术在智能电网中的应用，使我们对智能电网有一个更全面、更深入的了解。

1 发电环节

智能电网中的大规模风力发电、太阳能发电以及发电厂风机水泵的变频调速都离不开电力电子技术。

1.1 风力发电

现在风电市场上的主流机型是基于双馈感应发电机的变速风电机组和基于永磁同步发电机的变速风电机组。双馈风电机组的定子直接接入电网，转子通过部分功率变频器接入电网，根据风力机转速的变化，在转子中通以变频交流的励磁电流，实现发电机组的有功和无功的解耦控制，使风电机组具有变速运行的特性，提高风电机组的风能转换效率。基于永磁同步发电机的变速风电机组通过全功率变频器接入电网，由于变频器的解耦控制，使变速同步风电机组与电网完全解耦，其特性完全取决于变频器的控制系统和控制策略。

1.2 太阳能发电

太阳能发电又称光伏发电，一般由光伏阵列、控制器、逆变器、蓄电池组等部分组成。光伏阵列所发的电力为直流电，除特殊用电负荷外，均需通过逆变器将直流电变换为交流电。并网光伏发电系统主要以电流源形式并网，其输出电流的相位跟踪电网电压相位变化，同时调整输出电流幅值大小，使光伏发电系统注入电网的功率最大。为了弥补光伏发电功率的波动，还需要通过控制器实现蓄电池组的双向充放电控制，以保证向负荷实现平稳供电。

1.3 发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电平均为8%，其中风机水泵耗电量约占辅机设备总耗电量的65%，且运行效率低。在发电厂的节能降耗中，主要是采用低压或高压变频器，实现风机水泵的变频调速，可以达到节能30%的效果。目前低压变频器技术已非常成熟，且有完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产的企业还不多。

输电环节

2.1 高压直流输电(HVDC)

直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

2.2 基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电

近年来，直流输电技术又有新的发展，基于电压源换流器(Voltage Sourced Converter，VSC)的柔性直流输电VSC-HVDC是一种以VSC和脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术为基础的新型直流输电技术，采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题，同时大幅度简化设备，降低造价，可用于孤岛供电、城市配电网增容改造、交流系统间互联和大规模风力发电厂并网等。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的柔性直流输电工业性试验工程于1997年投入运行。

2.3 柔性交流输电(FACTS)

FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。现有的FACTS设备及其在电网中的功能如表1所示。20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其中SVC是通过晶闸管控制电容器组的投切来调节输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。其他的如STATCOM(美国/日本/中国)、TCSC(德国/美国)、UPFC(美国)和CSC(美国)也都有实际的工程应用。

3 配电环节

“用户电力技术” (Custom Power Technology)的概念是美国的N.G