基于電力電子裝置的農村電力系統設計

(東北林業大學 黑龍江 哈爾濱 150000)

基于電力電子裝置的農村電力系統設計

秦爭營

(東北林業大學黑龍江哈爾濱150000)

目前，我國農村電力系統依然面臨著重大的發展機遇和挑戰，電力電子裝置能夠促進電力系統向可持續發展和智能化轉型。本文主要對我國農電系統的技術發展現狀、存在問題，并且從發電、儲能、微型電網、輸電和電能質量5個方面介紹了電力電子裝置在農村電力系統設計中的主要應用，對農電系統今后各方面技術的發展方向進行了一些探討。

農村電力系統；電力電子裝置；電網建設

引言：

電力系統是能源利用、輸送和配給的主要載體,在社會經濟中發揮著重要作用。本文就農電系統的技術與發展趨勢進行了分析，論述了農電系統應著力解決的主要技術問題及其思路。在電力系統中,可再生能源的并網發電、儲能裝置的功率轉換、交直流電網的柔性互聯、配用電能的雙向流動、無功和諧波的動態補償都需要依靠電力電子裝置來實現。隨著高電壓、大功率電力電子器件的發展,變換器模塊化、單元化和智能化水平的提升,控制策略和調制策略性能的提高,電力電子裝置在電力系統中將會發揮更大的作用。分析了電力電子裝置對于電力系統性能改善的作用,對電力電子裝置的可靠性評估、故障運行管理、硬件在回路仿真和電力電子標準模塊技術進行了論述。為農村電力系統設計做了良好的技術儲備。

一、農電系統發展存在問題分析

我國農村電力系統依然面臨著重大的發展機遇和挑戰，在電力電子裝置的問題上集中表現為針對農網系統生產運行和建設運營中存在的熱點、難點問題進行的研究開發項目較少，一些難點問題不能得到及時解決。農村電網信息化建設沒有統一的規劃和規約，重復開發、孤島運行，造成資源浪費。為了解決農村電力系統所存在的問題，需要依靠安全性、可靠性更強的智能電力電子裝置。農村電力用電高峰可以用儲能技術解決。儲能技術在電力系統中應用可以緩解高峰負荷供電需求,提高現有電力設備的利用率和電網的運行效率;可以有效應對電網故障的發生,提高電能質量和用電效率,滿足經濟社會發展對優質、安全、可靠、高效用電的要求。在各種儲能方式中,抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電池儲能是可以達到兆瓦級的儲能技術，比較試用與農村電網的是可調速抽水蓄能。抽水蓄能電站通常由上水庫、下水庫和輸水及發電系統組成。在運行過程中,上下水庫落差不斷變化,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電效率。目前,可調速抽水蓄能機組主要采用轉子繞組勵磁方式,勵磁調節系統通常采用基于晶閘管的周波變換器或基于全控器件的電壓型或電流型變換器。抽水蓄能機組通過調節轉子勵磁電流的頻率和幅值,可實現有功出力與無功出力的大幅度獨立調整,且便于機組啟動和運行模式的切換,使得抽水蓄能電站在電力系統中更好地發揮調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用、黑啟動和為系統提供備用容量等多重作用。

二、農村電力系統電網建設

電網建設方面重點研究與推廣的內容主要包括：(1)研究適合于不同地域、不同發展水平，符合經濟和用電負荷發展特點，在電壓等級組合、變電所布局、供電范圍、變壓器容量配置和網絡接線等方面進行充分優化論證的農網建設方案。研究適合農網負荷變化特點的主、配變容量選擇和變壓器負載率、主干線電流密度、供電半徑的合理配置方案。(3) 研究建立農網中低壓配電網絡指標評價體系。(4) 完善基于地理信息系統開發的農村電網規劃軟件和系統。(5) 推廣應用農網10kV及以下工程和 35～110kV(66 kV)變電所典型設計；推廣應用 10～110kV(66kV)組合式箱式變電所。(6) 推廣使用變電所戶外組合電器、小型化的一次電氣設備；研究開發 35kV 以上電壓等級和 10kV 大容量調容變壓器；推廣使用 S11 型及以上的節能型變壓器，積極推廣應用非晶合金鐵心配電變壓器；推廣應用外露帶電體絕緣化的配電變壓器；積極推廣使用配電變壓器用新型熔斷器和金屬氧化物避雷器；推廣應用復合絕緣材料制造的電氣設備和線路絕緣子。(7) 制定集保護、控制、計量、無功補償、防雷等功能于一體的多功能配電柜選用標準。

三、針對電能質量的電力電子裝置設計

(一)無功補償。采用動態無功補償器對抑制系統功率振蕩、保持母線電壓穩定、解決負荷電壓閃變和不平衡等問題有重要作用。鏈式靜止同步補償器(STATCOM)可以實現獨立分相補償和模塊化冗余設計,與靜止無功補償器(SVC)相比,具有無功功率連續可調、總諧波畸變率小、響應速度快、效率與可靠性高、易于擴展和占地面積小等優點。

(二)諧波治理。諧波治理分為從諧波源本身出發抑制諧波的主動諧波治理和增加額外諧波治理裝置的被動諧波治理。主動諧波治理采用多重化技術和脈寬調制技術,降低變流裝置注入電網的諧波。被動諧波治理采用混合型、級聯型有源電力濾波器(APF)和統一電能質量調節器(UPQC)等在諧波源外部進行動態諧波治理,可以減少網側電流諧波含量,提高電力設備效率和利用率。

(三)電壓暫降抑制。在中低壓電力系統中,電壓暫降可引起企業的生產中斷、設備損壞和產品報廢。動態電壓恢復器(DVR)是一種基于電壓源逆變技術的串聯型電能質量控制器,可以動態補償正序、負序和零序電壓,抑制不平衡的電壓暫降。目前,采用從電網提取能量、無串聯變壓器的多電平逆變器方案是動態電壓恢復器的發展方向。

四、針對電力電子裝置的可靠性評估設計

電力電子裝置的可靠性、故障率、平均無故障運行時間、平均維護時間和使用率等指標直接決定了其在電力系統中的應用效能。因此,對可靠性進行評估是采取有效措施提升裝置安全性的基礎。可靠性評估有利于電力電子裝置的設計和運行管理。定量評估的結果可用于確定設計是否符合技術規范,也可以作為比較不同拓撲結構、控制策略和元件可靠性的準則。此外,精確的可靠性預測也可為系統運行、維護和管理提供重要指導。評估可靠性可以從元件或系統層面進行建模。

元件級可靠性模型主要對功率器件、電解電容等核心元件的故障率進行建模。系統級可靠性模型可分為累加模型、組合模型和狀態模型。對于復雜系統,可以將其分解為若干子系統,由子系統級可靠性模型評估系統可靠性。當評估結果不滿足可靠性要求時,就需要對其進行改進。對于關鍵裝置,可通過在設計環節增加冗余度的方法,使裝置具有容錯運行的能力。

五、電力電子裝置設計中的故障管理

故障管理包括故障診斷和預測。準確及時的故障診斷是電力電子裝置進行容錯運行或采取保護措施的依據。故障診斷通過將功率器件或變換器端口的電壓電流特性與設定的正常性能指標進行比較來發現和識別故障。容錯運行包括降級運行和準正常運行。降級運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生后還能實現主要功能,但會降低輸出電壓、輸出功率和電能質量等。降級運行具有簡單、成本低的特點,但其應用范圍受限。準正常運行是利用冗余設計中增加的功率器件或子系統,使裝置在故障時依然能夠實現應有的功能。

六、結語

電力電子裝置在農村電網建設中的使用改善了電力系統的性能,促進了電力系統的漸變轉型。可靠性評估、故障運行管理、硬件在回路仿真和電力電子標準模塊分別是裝置設計、運行、研發和制造方面的關鍵技術,在這些方面開展系統化的深入研究,有利于電力電子裝置長壽命、低成本和高安全性的實現。針對電力系統的需求,有針對性地攻克電力電子裝置應用中的若干技術難題,可以為電力系統的長遠發展奠定技術基礎。