(東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150000)

基于電力電子裝置的農(nóng)村電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦爭營

(東北林業(yè)大學(xué)黑龍江哈爾濱150000)

目前，我國農(nóng)村電力系統(tǒng)依然面臨著重大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，電力電子裝置能夠促進(jìn)電力系統(tǒng)向可持續(xù)發(fā)展和智能化轉(zhuǎn)型。本文主要對我國農(nóng)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題，并且從發(fā)電、儲能、微型電網(wǎng)、輸電和電能質(zhì)量5個(gè)方面介紹了電力電子裝置在農(nóng)村電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用，對農(nóng)電系統(tǒng)今后各方面技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了一些探討。

農(nóng)村電力系統(tǒng)；電力電子裝置；電網(wǎng)建設(shè)

引言：

電力系統(tǒng)是能源利用、輸送和配給的主要載體,在社會經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。本文就農(nóng)電系統(tǒng)的技術(shù)與發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，論述了農(nóng)電系統(tǒng)應(yīng)著力解決的主要技術(shù)問題及其思路。在電力系統(tǒng)中,可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電、儲能裝置的功率轉(zhuǎn)換、交直流電網(wǎng)的柔性互聯(lián)、配用電能的雙向流動、無功和諧波的動態(tài)補(bǔ)償都需要依靠電力電子裝置來實(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)中將會發(fā)揮更大的作用。分析了電力電子裝置對于電力系統(tǒng)性能改善的作用,對電力電子裝置的可靠性評估、故障運(yùn)行管理、硬件在回路仿真和電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊技術(shù)進(jìn)行了論述。為農(nóng)村電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了良好的技術(shù)儲備。

一、農(nóng)電系統(tǒng)發(fā)展存在問題分析

我國農(nóng)村電力系統(tǒng)依然面臨著重大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在電力電子裝置的問題上集中表現(xiàn)為針對農(nóng)網(wǎng)系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行和建設(shè)運(yùn)營中存在的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行的研究開發(fā)項(xiàng)目較少，一些難點(diǎn)問題不能得到及時(shí)解決。農(nóng)村電網(wǎng)信息化建設(shè)沒有統(tǒng)一的規(guī)劃和規(guī)約，重復(fù)開發(fā)、孤島運(yùn)行，造成資源浪費(fèi)。為了解決農(nóng)村電力系統(tǒng)所存在的問題，需要依靠安全性、可靠性更強(qiáng)的智能電力電子裝置。農(nóng)村電力用電高峰可以用儲能技術(shù)解決。儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用可以緩解高峰負(fù)荷供電需求,提高現(xiàn)有電力設(shè)備的利用率和電網(wǎng)的運(yùn)行效率;可以有效應(yīng)對電網(wǎng)故障的發(fā)生,提高電能質(zhì)量和用電效率,滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對優(yōu)質(zhì)、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(dá)到兆瓦級的儲能技術(shù)，比較試用與農(nóng)村電網(wǎng)的是可調(diào)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(fā)電系統(tǒng)組成。在運(yùn)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(fā)電效率。目前,可調(diào)速抽水蓄能機(jī)組主要采用轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁方式,勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(jī)組通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率和幅值,可實(shí)現(xiàn)有功出力與無功出力的大幅度獨(dú)立調(diào)整,且便于機(jī)組啟動和運(yùn)行模式的切換,使得抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中更好地發(fā)揮調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動和為系統(tǒng)提供備用容量等多重作用。

二、農(nóng)村電力系統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)

電網(wǎng)建設(shè)方面重點(diǎn)研究與推廣的內(nèi)容主要包括：(1)研究適合于不同地域、不同發(fā)展水平，符合經(jīng)濟(jì)和用電負(fù)荷發(fā)展特點(diǎn)，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(wǎng)絡(luò)接線等方面進(jìn)行充分優(yōu)化論證的農(nóng)網(wǎng)建設(shè)方案。研究適合農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷變化特點(diǎn)的主、配變?nèi)萘窟x擇和變壓器負(fù)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(nóng)網(wǎng)中低壓配電網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)評價(jià)體系。(4) 完善基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)的農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)劃軟件和系統(tǒng)。(5) 推廣應(yīng)用農(nóng)網(wǎng)10kV及以下工程和 35～110kV(66 kV)變電所典型設(shè)計(jì)；推廣應(yīng)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(shè)備；研究開發(fā) 35kV 以上電壓等級和 10kV 大容量調(diào)容變壓器；推廣使用 S11 型及以上的節(jié)能型變壓器，積極推廣應(yīng)用非晶合金鐵心配電變壓器；推廣應(yīng)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(yīng)用復(fù)合絕緣材料制造的電氣設(shè)備和線路絕緣子。(7) 制定集保護(hù)、控制、計(jì)量、無功補(bǔ)償、防雷等功能于一體的多功能配電柜選用標(biāo)準(zhǔn)。

三、針對電能質(zhì)量的電力電子裝置設(shè)計(jì)

(一)無功補(bǔ)償。采用動態(tài)無功補(bǔ)償器對抑制系統(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題有重要作用。鏈?zhǔn)届o止同步補(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),與靜止無功補(bǔ)償器(SVC)相比,具有無功功率連續(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)展和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

(二)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(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù),降低變流裝置注入電網(wǎng)的諧波。被動諧波治理采用混合型、級聯(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。

(三)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、無串聯(lián)變壓器的多電平逆變器方案是動態(tài)電壓恢復(fù)器的發(fā)展方向。

四、針對電力電子裝置的可靠性評估設(shè)計(jì)

電力電子裝置的可靠性、故障率、平均無故障運(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,對可靠性進(jìn)行評估是采取有效措施提升裝置安全性的基礎(chǔ)。可靠性評估有利于電力電子裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。定量評估的結(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)測也可為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)和管理提供重要指導(dǎo)。評估可靠性可以從元件或系統(tǒng)層面進(jìn)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(jìn)行建模。系統(tǒng)級可靠性模型可分為累加模型、組合模型和狀態(tài)模型。對于復(fù)雜系統(tǒng),可以將其分解為若干子系統(tǒng),由子系統(tǒng)級可靠性模型評估系統(tǒng)可靠性。當(dāng)評估結(jié)果不滿足可靠性要求時(shí),就需要對其進(jìn)行改進(jìn)。對于關(guān)鍵裝置,可通過在設(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。

五、電力電子裝置設(shè)計(jì)中的故障管理

故障管理包括故障診斷和預(yù)測。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)行比較來發(fā)現(xiàn)和識別故障。容錯(cuò)運(yùn)行包括降級運(yùn)行和準(zhǔn)正常運(yùn)行。降級運(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,但會降低輸出電壓、輸出功率和電能質(zhì)量等。降級運(yùn)行具有簡單、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。

六、結(jié)語

電力電子裝置在農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)中的使用改善了電力系統(tǒng)的性能,促進(jìn)了電力系統(tǒng)的漸變轉(zhuǎn)型?？煽啃栽u估、故障運(yùn)行管理、硬件在回路仿真和電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊分別是裝置設(shè)計(jì)、運(yùn)行、研發(fā)和制造方面的關(guān)鍵技術(shù),在這些方面開展系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)。針對電力系統(tǒng)的需求,有針對性地攻克電力電子裝置應(yīng)用中的若干技術(shù)難題,可以為電力系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。