前言

傳統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題一般關(guān)注系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況下是否供電可靠，隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)使用日益廣泛，供電系統(tǒng)故障或電能質(zhì)量惡化很可能帶來(lái)極為嚴(yán)重的影響。對(duì)于敏感的電力電子設(shè)備或信息設(shè)備來(lái)說(shuō)，即使幾個(gè)周期的供電中斷，或電壓跌落都將影響這些設(shè)備的正常工作，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

因此現(xiàn)在用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求遠(yuǎn)比以前嚴(yán)格。80年代以來(lái)，電力電子學(xué)逐漸成為一門(mén)新興交叉的邊緣學(xué)科，與此相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)也得到迅速發(fā)展。以計(jì)算機(jī)技術(shù)和功率半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)和先導(dǎo)，開(kāi)關(guān)器件功率處理能力和切換速度有了明顯提高。采用電力電子裝置等高新技術(shù),在高效使用電能上已越來(lái)越多地被人們所認(rèn)識(shí)。電能質(zhì)量、節(jié)約用電、安全用電是當(dāng)前最突出的用戶電力問(wèn)題,近年來(lái)為了解決這些問(wèn)題,用戶配電系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、電能轉(zhuǎn)換和固態(tài)開(kāi)關(guān)等用戶電力技術(shù),得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

1.用戶電力技術(shù)簡(jiǎn)介

用戶電力技術(shù)是美國(guó)N.G.Hingorani博士在1988年提出的概念：將大功率電力電子技術(shù)和配電自動(dòng)化技術(shù)綜合，以用戶對(duì)電力可靠性和電能質(zhì)量要求為依據(jù)，為用戶配置所需要的電力。通過(guò)用戶電力技術(shù)可使用戶供電可靠性達(dá)到不斷電;嚴(yán)格的電壓調(diào)整;低諧波電壓;沖擊和非線性負(fù)荷對(duì)終端電壓無(wú)影響。該技術(shù)的核心是能夠?qū)?yīng)的電力進(jìn)行控制、變換,為用戶或負(fù)荷提供滿足電能質(zhì)量指標(biāo)及安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行等要求的電能。完成這種控制與變換的關(guān)鍵是各具特色的電力電子器件及其控制電路。我國(guó)已研制出用于配電系統(tǒng)的靜止無(wú)功發(fā)生器DSTATCOM樣機(jī)。圖1是用于解決電壓驟降問(wèn)題的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的基本工作原理圖,恢復(fù)器包含了配電系統(tǒng)靜止補(bǔ)償器,有源電力濾波,以及串聯(lián)電能質(zhì)量控制器(DVR)等設(shè)備,它一般串聯(lián)在供電網(wǎng)和負(fù)荷之間,當(dāng)供電網(wǎng)正常供電時(shí),其逆變器側(cè)升壓變處在短路狀況,運(yùn)行在低損耗旁路狀態(tài),當(dāng)供電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓驟降或電壓驟升,動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器可以在一個(gè)周波內(nèi)作出響應(yīng),在串聯(lián)回路中注入一個(gè)交流電壓對(duì)電壓進(jìn)行補(bǔ)償,使補(bǔ)償后的電壓與電壓驟降或電壓驟升前相同。

2.用戶電力主要技術(shù)

2.1用戶配電系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)估技術(shù)

該技術(shù)主要內(nèi)容有:(1)網(wǎng)絡(luò)阻抗，各母線短路電流、短路容量計(jì)算;(2)各供電節(jié)點(diǎn)供電電壓質(zhì)量限值，各用電負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)干擾限值計(jì)算;(3)各供電節(jié)點(diǎn)供電電壓質(zhì)量測(cè)試、各用電負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)干擾的測(cè)試、供用電設(shè)備的電磁兼容、節(jié)電運(yùn)行，安全運(yùn)行的評(píng)估;(4)用戶電力技術(shù)問(wèn)題及解決方案。通過(guò)以上評(píng)估找出用戶電力技術(shù)問(wèn)題及其產(chǎn)生根源,并給出相應(yīng)解決方案

2.2電能質(zhì)量控制技術(shù)

該技術(shù)主要是基于電壓源或電流源逆變器,對(duì)配電系統(tǒng)的傳輸能力和供電質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)、快速、精確的有效控制,使供電質(zhì)量提高到一個(gè)全新水平的有效手段。常見(jiàn)電能質(zhì)量控制技術(shù)如表1所示。

2.3固態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)

隨著配電容量增大,對(duì)開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力提出了更高的要求,電壓驟降敏感用戶對(duì)開(kāi)關(guān)快速切除短路電流的能力也提出了更高要求,現(xiàn)有的機(jī)械開(kāi)關(guān)難以滿足上述要求。在這種背景下,固態(tài)斷路器因其卓越的電流關(guān)斷特性而備受關(guān)注。美國(guó)西屋公司已制造出13kV、600A、由GTO元件組成的固態(tài)開(kāi)關(guān),安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開(kāi)斷時(shí)間可縮短到0.3ms,可以在電壓或電流的指定相位完成開(kāi)斷,基本上可避免操作過(guò)電壓。這樣,由操作過(guò)電壓決定的電力設(shè)備絕緣水平可大幅度降低,由于操作引起的設(shè)備損壞也可以大大減少。現(xiàn)在,由固態(tài)開(kāi)關(guān)構(gòu)成的電容器組的配電系統(tǒng)“軟開(kāi)關(guān)”也已問(wèn)世。固態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步將使配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平大大提高。

3.未來(lái)用戶電力技術(shù)的發(fā)展

3.1動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)

動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)指的是基于電壓源或電流源型逆變器,對(duì)配電系統(tǒng)的傳輸能力和供電質(zhì)量等進(jìn)行連續(xù)、快速、精確的有效控制,是使現(xiàn)有供電質(zhì)量提高到一個(gè)全新水平的有效手段,也是電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化的必備支撐技術(shù)。其主要包括串聯(lián)式的用來(lái)補(bǔ)償電壓跌落、提高下游敏感負(fù)荷供電質(zhì)量的有效串聯(lián)補(bǔ)償裝置DVR、不間斷電源(UPS)、并聯(lián)有源濾波器(APF)、DS—STATCOM和串并聯(lián)混合式的新的補(bǔ)償裝置系統(tǒng)DS—Unicon等。

3.2超導(dǎo)儲(chǔ)能及其能量變換技術(shù)

各種新能源的開(kāi)發(fā)利用,大多需經(jīng)電力電子裝置的變換使其非同步電能轉(zhuǎn)換成同步的三相交流電能以供使用。超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)作為一種特殊新能源因其固有的諸多優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛研究。基于電力電子的能量變換技術(shù)在SMES中的應(yīng)用成果,必將對(duì)其他新能源的利用產(chǎn)生重要的借鑒意義。SMES具有儲(chǔ)能密度大、轉(zhuǎn)換效率高、可四象限運(yùn)行、吐量大、充放電速度快等諸多優(yōu)點(diǎn),非常適合參與電力系統(tǒng)的有功功率調(diào)節(jié)。尤其是在能源分布很不平衡的地區(qū),發(fā)展用于調(diào)峰的中大規(guī)模SMES系統(tǒng)對(duì)提高我國(guó)供電質(zhì)量和運(yùn)行安全水平都將具有重大作用。

3.3固態(tài)斷路器

隨著配電網(wǎng)容量的日漸增大,系統(tǒng)的短路容量也會(huì)不斷增加,這對(duì)電網(wǎng)原有的和將投運(yùn)的開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷能力都提出了更高的要求。同時(shí),隨著用戶對(duì)供電質(zhì)量要求的不斷提高,如何快速切除短路電流以抑制故障期間電網(wǎng)電壓的跌落在信息社會(huì)顯得尤其重要。固態(tài)斷路器是FACTS(柔性交流輸電系統(tǒng))和DFACTS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速、靈活、準(zhǔn)確控制的關(guān)鍵設(shè)備,也是保障現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要設(shè)備。

隨著易于串并聯(lián)、驅(qū)動(dòng)功率小的大功率電力電子器件的出現(xiàn),固態(tài)斷路器的關(guān)斷容量有望得到較大的提高;隨著混合式斷路器和基于新型SiC材料的功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展,大功率固態(tài)斷路器的通態(tài)損耗問(wèn)題也將得到有效解決。結(jié)語(yǔ)用戶電力技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)有的電力技術(shù)專(zhuān)門(mén)解決用戶電力質(zhì)量問(wèn)題的一項(xiàng)綜合技術(shù)，本文總結(jié)提到的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、電能變換以及固態(tài)開(kāi)關(guān)等三類(lèi)用戶電力技術(shù)將從各個(gè)方面促進(jìn)我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展,所以需根據(jù)我國(guó)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀,針對(duì)性地開(kāi)展基礎(chǔ)研究、軟硬件結(jié)合及面向?qū)嵱玫拈_(kāi)拓性工程研究,從而讓這幾項(xiàng)用戶電力技術(shù)既在理論上也在實(shí)踐生產(chǎn)上得到全面發(fā)展。