电力系统柔性一次设备及其关键技术：应用与展望

发布时间：2021-12-13

　　摘要：随着电力系统对一次设备可控性和灵活性要求的提高以及电力电子技术的快速发展，电力电子设备在电力系统中的诸多领域应用不断加强。文中将电力系统中基于电力电子技术的一次设备归纳统称为“柔性一次设备”，并以此角度评述了柔性交流输电、柔性直流输电、可再生能源发电、电力储能以及主动配电系统与微电网等领域中的柔性一次设备的国内外最新研究进展和工程应用情况，分析了其共性关键技术，并对其未来技术发展进行展望。

　　关键词：柔性一次设备;柔性交流输电;柔性直流输电;可再生能源发电;电力储能;主动配电系统;微电网(微网)

　　0 引言

　　随着传统化石能源短缺以及全球气候变化问题的不断加深，能源结构转型越来越受到人们的重视。清洁的可再生能源主要是通过转化为电能才能被利用，而可再生能源发电与传统化石能源发电存在着明显不同的技术特点，这对现代电网提出了更高的要求。另一方面，分布式电源与储能装置的大量接入以及主动配电系统、微电网技术的不断进步，也使得现代电力系统朝着更智能、更灵活的方向不断发展[1]。

　　在此背景下，大量新型电力电子设备被应用在电力系统中，使电力系统的可控性和灵活性更强。本文将这类基于电力电子技术的电力系统新型一次设备归纳统称为“柔性一次设备”。柔性一次设备的主要应用领域包括柔性交流输电、柔性直流输电、可再生能源发电与电力储能以及主动配电系统与微电网 四个方面。柔性一次设备在现代电网中的应用有效提升了电能的转换和传输效率，增强了电力系统的调控能力与灵活性，大大提高了电网对可再生能源的消纳能力，同时能更好地满足用户对于电能质量的要求。其作为现代电网的关键支撑技术，近年来迅速成为研究热点并得到国内外研究人员广泛关注。不同电路拓扑纷纷涌现，新的控制策略与变流技术层出 不 穷，大 量 装 置 投 入 工 程 建 设 与 运 行。但与现代电力系统的发展要求相比，现有的柔性一次设备在建模与控制、仿真、可靠性等诸方面仍然存在着一系列的挑战，设备的稳定性、经济性以及灵活性等方面仍有较大的优化空间。

　　本文介绍了柔性一次设备及其关键技术在柔性交流输电、柔性直流输电、可再生能源发电、电力储能和主动配电系统与微电网等领域的研究进展和工程应用情况，并分析了其共性关键技术与发展趋势。希望能够为促进柔性一次设备的发展与应用起到抛砖引玉的作用。

　　1 柔性一次设备在柔性交流输电中的应用

　　柔 性 交 流 输 电 (flexible AC transmissionsystem，FACTS)这一概念最早由美国电力科学院的 NarainG.Hingorani博 士 于1986年 提 出[2]，柔性一词的含义是指通过电力电子等技术，实现提高交流输电 系 统 传 输 容 量 和 增 强 可 控 性 的 目 的。在FACTS概念形成 的 初 期，能 够 广 泛 应 用 于 交 流 系统的 FACTS 设备基本上只有静止无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)。在 SVC 基 础 上，FACTS技术得到 了 迅 猛 发 展，目 前 已 经 形 成 了 近20种 FACTS设备，其中部分已经投入到实际工程应用中并取得了良好效果。目前，全世界已投运上千个 FACTS 工 程，总 容 量 已 超 过 100 GVA[3]。FACTS技术的快速发展和应用是电力工业近几十年来最为突出的成果之一，为现代电网的建设与发展做出了巨大贡献。尤其中国的能源资源与需求呈逆向分布，必须发展输电能力更强、效率更高的输电 技术，同时还需要解决由此引起的潮流控制、系统振荡以及电压稳定性等问题。因此 FACTS技术在中国电网发展建设过程中，起着至关重要的作用。随着电力电 子 技 术 的 快 速 发 展，FACTS 技 术 的发 展方向逐渐从 SVC、可控 串联 补 偿 器、可 控 并 联 电 抗器等基于半控型器件的设备，转向功能更强大、更灵活、响应速度更快的基于全控型器件的静止同步补偿器、统一潮流控制器等设备。

　　1.1 基于半控型器件的FACTS设备

　　基于晶闸管的 SVC 设备 在20世 纪70年 代 就已经投入商 业 运 行 了，远 远 早 于 FACTS概 念 的提出。SVC是基于晶 闸 管 投 切 或 控 制 的 一 类 并 联 型FACTS 设 备 的 总 称，包 括 晶 闸 管 控 制 电 抗 器(thyristorcontrolledreactor，TCR)、晶闸管投切电抗器(thyristorswitchedreactor，TSR)以及 晶闸 管投切电 容 器(thyristorswitchedcapacitor，TSC)等设备以及它们互相之间或是与机械式无功补偿设备组合 形 成 的 设 备，典 型 的 SVC 如图 1 所 示。SVC是 FACTS设备中技术最为成熟的设 备，现 有 的 已投运的FACTS工程总容量中，绝大部分都是SVC。经过数十年的 发 展，SVC 技术 上已 经 相 当 成 熟，目前全球范围内已有数千个 SVC 工程。中国的 SVC技术虽然起步较晚，但也已经发展相当成熟。中国应用于电网中的第 一 个 国 产 化 SVC 项目———鞍山红一变SVC国产化示范工程于2004年 正 式投 运。2016年，由 南 瑞继 保 电 气 有 限 公 司 设 计 和 生 产 的900 Mvar 世 界 最 大 容 量 SVC 在 埃 塞 俄 比 亚HOLETA500kV 变电站成功投运，该套SVC采用TCR、TSC和滤波器整体协调控制的方式。

　　可控高压并联电抗器(通常简称为可控高抗)是在SVC 基础上发展起来的另一种基于晶闸管的并联型 FACTS设备，其功能是动态补偿交流输电线路过剩的无功功率，达到抑制超/特高压输电线路的容升效应、操作过电压、潜供电流等现象，降低线路损耗，提高交流系统电压稳定水平及线路传输功率的作用[4]。基于晶闸管的可控高抗主要分为分级式可控高抗和晶闸管控制变压器式可控高抗两类，其结构分别如附录 A 图 A1和图 A2所示。分级式可控高抗的优 点 是 原 理 简 单、响 应 速 度 快、谐 波 含 量少，缺点是补偿容量只能分级调节而不能连续调节，因此适合潮流变化剧烈并具有季节负荷特性的超/特高压输电系统。中国在分级式可控高抗领域处于世界领先水平，在2006年完成了忻都500kV 分级式 可 控 高 抗 示 范 工 程，在 2012 年 完 成 了 敦 煌750kV 分级式可 控 高 抗 示 范 工 程。2016 年，南 瑞集团成功研制了世界首套1100kV 可控高抗。晶闸管控制变压器式可控高抗本质上是 TCR 和变压器的组合，通过调整晶闸管触发角，能够平滑调节副边绕组的等效电抗。晶闸管控制变压器式可控高抗响应速度快，过负荷能力强，能够大范围平滑调节补偿容量的大小，因此在大规模风电集中接入超/特高压交流输电系统的应用方面具有较大优势。晶闸管控制变压器式可控高抗目前在国外应用较多，如印度Itarsi的420kV/50 Mvar晶闸管控制变压器式可控 高 抗 和 加 拿 大 Loreatid 变 电 站 的 750kV/450Mvar晶闸管控制变压器式可控高抗等。

　　可控串联补偿器是最重要的串联型 FACTS设备之一，其由一组电容器与晶闸管控制电抗器并联组成，如附录 A 图 A3所示。可控串联补偿器可以提供连续可控的串联补偿容量，达到改变系统阻抗特性、优化潮流分布以及提高系统稳定性及动态性能的目的。1991年，美国在卡纳瓦尔变电站投运了世界上首个可控串联补偿器工程。2003年，亚洲首个500kV 可控串联补偿器工程———中国天生桥— 平果可控串联补偿器工程投运，由德国西门子公司承建。2004年，中国第一个国产化可控串联补偿器工程———甘肃碧成220kV 可控串联补偿器工程正式投运。2007年，世 界 上电 压 等 级 最 高、容 量 最 大的可控串联补偿器———伊冯500kV 可控串联补偿器正式投运。

　　1.2 基于全控型器件的FACTS设备

　　1)静止同步补偿器

　　静 止 同 步 补 偿 器 (static synchronouscompensator，STATCOM)是基于全控型器件的FACTS设备中，出现最早、发展最快而且应用最广的一种设 备。STATCOM 可以采用电压源型换流器和电流源型换流器来实现，但由于基于电压源型换流器的 STATCOM 控制更加方便且效率更高，因此实际应用中大多数 STATCOM 都通过电压源型换流器来实现，如附录 A 图 A4所示。作为并联型 FACTS设备，STATCOM 和传统 SVC 相比，具 有动态响应速度更快、可控性更好、不需要大容量的电容或电感、谐波含量低、补偿能力不依赖于系统电压水平等优点。但由于需要使用较多数量的全控型器件，在 需 要 较 大 容 量 补 偿 的 情 况 下，STATCOM的成本接近SVC的两倍[3]。

　　如果将基于电压源型换流器的 STATCOM 串联在线路 中，那 么 可 以 得 到 静 止 同 步 串 联 补 偿 器(staticsynchronousseriescompensator，SSSC)，如附录 A 图 A5所 示。作 为串 联 型 FACTS设 备，和基于晶闸管 的 可 控 串 联 补 偿 器 相 比，SSSC 除 了 具有响应速度更快的优势外，还无需配置较大的交流电容器或电抗器就可对线路的无功功率进行补偿，并且补偿的串联电压不受线路电流影响。此 外，SSSC对于交流系统中的各种振荡现象的抗干扰能力要强于可控串联补偿器[3]。但通常情况下 SSSC不会单独 使 用，而 是 和 STATCOM 组 成 统一 潮 流控制器，还可以实现对线路有功功率的控制，能够提高交流系统的输送能力。

　　早期 的 STATCOM 主要依靠多重化技术实现。1980年，日本三菱电机公司与日本关西电力公司合作研制了世界上第一台 STATCOM，采用多重化结构，容量为±20 Mvar[5]。1999年，清华大学和河南省电力公司合作开发了中 国 第 一 台 工 业 化STATCOM，采用四重化耦合变压器和基于门极可关断晶闸 管(gateturn-offthyristor，GTO)的 两 电平单 元 变 换 器 的 方 案，容 量 为±20 Mvar[6]。多 重化结构的STATCOM 必须要配备多重化耦合变压器，此类变压器成本高、损耗较大、体积很大，而且随着多重化的变换器数量的增加，变压器绕组增多，设计难度会明显增加。

　　随着多电平换流器技术的发展，STATCOM 技术得 到 了 快 速 发 展[7-17]。基 于 多 电 平 换 流 技 术 的STATCOM 主要 包括 二 极 管 钳 位 STATCOM、飞跨电容STATCOM、级联 H 桥 STATCOM 以及模块化多电平 STATCOM。二极管钳位 STATCOM是出现最早的基于多电平技术的 STATCOM，由于可以省去多重化变压器，其成本得到了明显降低，因此该技术很快受到了广泛关注。1997年，德国西门子公司研制的容 量 为±8 Mvar基 于 二极 管 钳 位 三电平变换器的 STATCOM 在 丹 麦 RejsbyHede风电场投运[7]。同年，美国西屋公司和美国电力 科 学院联合研制了基于二极管钳位 三 电 平 变 换 器 的STATCOM，作 为 统 一 潮 流 控 制 器 并 联 侧 在 美 国Inez变电站投运[8]。二极管钳 位 STATCOM 的 缺点是随着电平数量的增加，所需钳位二极管数量按平方数量级增加，导致换流器结构和控制较复杂，且电容电压不平衡问题也更加严重[17]。

　　为了克服二极管钳位多电平换流器所需钳位二极管个数太多的缺陷，法国图卢兹联邦大学的ThierryMeynard教授等人提出了飞跨电容多电平换流器[9]。该拓扑电平数容易扩展，节约了大 量 的钳位二极管。但该拓扑通过电容来实现钳位，因此需要较多的 钳 位 电 容，钳 位 电 容 需 要 进 行 预 充 电。该拓扑也同样存在和二极管钳位多电平换流器相同的电容电压不平衡问题，因此在实际工程中应用并不普遍。

　　1996年，美国密西根州立大学的彭方正教授提出 了 级 联 H 桥 STATCOM (又 称 链 式STATCOM)[10]。级联 H 桥 STATCOM 不但可以省去多重化变压器，还不需要大量钳位二极管和钳位电容，更容易扩展电平数，能够适用于高压大容量应用场合。此外，级 联 H 桥 容 易 模 块 化，能 够 通 过冗余模块实现较高的容错性。由于具备这些优势，级 联 H 桥 STATCOM 成 为 目 前 高 压 大 容 量STATCOM 的首选，得到了学术界的广泛关注并大量用于实际工程中。1999年，由法国 ALSTOM 公司和英国国家电网公司联合研制的世界上第一台级联 H 桥 STATCOM 在 英 国 投 运，容 量 为 ±75Mvar[11]。2006年，由清华大学与中国国家电网上海市电力公司等单位联合研制的中国第一台级联 H 桥 STATCOM 正式投运，容量为±50 Mvar，集成门极 换 流 晶 闸 管(integratedgatecommutatedthyristors，IGCT)首 次 在 STATCOM 作 为 开关 器件被应用[12]。2011 年，世 界 上第 一 个 ±200 Mvar的级联 H 桥STATCOM 项目在中国南方电网东莞变电站投运[13]。2016年，容 量 为±300 Mvar的 基于电子注入增强栅晶体管(injectionenhancedgatetransistor，IEGT)的级联 H 桥 STATCOM 在 中 国南方电网永富直流输电工程富宁换流站投运，是中国目前容 量 最 大 的 STATCOM 工 程，并 且也 是 大容 量 STATCOM 首 次 应 用 于 高 压 直 流 输 电 领域[14]。虽然 级联 H 桥 STATCOM 在 实 际工 程 中已经有不错的表现，但其仍然存在一定的局限性，即无论是星形连接还是角形连接，在负载不平衡与网侧电压发生畸变时都会受到一定的限制[15]。

　　2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学的 RainerMarquardt教授提出 了一种模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)[16]，图 2 给出了一个采用半桥子模块(halfbridgesub-module，HBSM)的三 相 MMC 拓扑。MMC 不 存 在器 件 串联同步驱动和动态均压问题，因此特别适合高压大容量应用 场 合。有学者尝试研究了基于 MMC 的STATCOM[15，17]，但 MMC子模块电容需要承受工频电压波动，导致功率密度较小。

　　2)统一潮流控制器

　　1992年，美国西屋公司的 L.Gyugyi博士提出了统一潮流 控 制 器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)的 概 念[18]，由 于 其 功 能 强 大，被 认 为 是FACTS技术的集大成者。UPFC结构如图3所示，由并联部分和串联部分组成，两个部分通过直流环节相连。因 此 UPFC 不 但 能够 继 承 并 联 补 偿 器 和串联补偿器的优点，还具备这两者原来不具备的功能，即调整有功功率的能力，是目前综合功能最全面的 FACTS设备。工 程应 用 时，UPFC 也 可 以根 据实际需求将并联部分和串联部分分开运行，其并联侧是一台STATCOM，而串联侧则是一台SSSC。

　　由于受 到 开 关 器 件 自 身 特 性 的 局 限，早 期 的UPFC均采用基于串联 GTO 的三电平换流器结合多重化 技 术 的 技 术 路 线。1998 年，世 界 上 第 一 套UPFC 在 美 国 Inez 变 电 站 投 运，额 定 电 压 为138kV，容量为320MVA，采用了三电平四重化的拓扑结构[8]。2003年，世界上第二套 UPFC装置在韩国 Kangjin变 电 站投 运，额 定 电 压154kV，容 量80 MVA，采用了三 电平二重化的拓扑结构[19]。2004年，美国 Marcy变电站投运了一种优化结构的UPFC———可转 换 静 止 补 偿 器 (convertiblestaticcompensators，CSC)，额 定 电 压 345 kV，容 量 为200MVA，也采用了三电平四重化的拓扑结构[20]。

　　随着 MMC技术的不断发展及其在柔性直流输电领域的应用积累，近年来基于 MMC 的 UPFC 得到了快速的发展和应用，成为 UPFC 的主流技术方案。2015 年，中 国 首 个 UPFC 工 程 在 江 苏220kV 南京西环网正式投运，该工程在全世界范围内首次将 MMC技术应用于 UPFC装置，线路额定电压 220kV，UPFC 容 量 为 180 MVA[21]。2017年，全世界首套全户内紧凑型 UPFC———上海蕴藻浜—闸北220kV 统 一 潮流 控 制 器 工 程 正 式 投 运，线路额定电压220kV，UPFC容量为100 MVA，也采用 MMC技术。同年，世界上电压等级最高、容量最大的苏州南部电网 UPFC 工程也正式投运，线路额定电压500kV，UPFC容量为750 MVA，同样采用 MMC技术。

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　　随着电力电子技术的不断发展，柔性一次设备必然会在柔性交流系统中继续大放光彩。尤其是随着STATCOM 和 UPFC等基于全控型器件的柔性一次设备技术水平的不断提高，柔性交流输电系统的输送能力和系统稳定性及可控性将会得到进一步提升。

　　2 柔性一次设备在柔性直流输电中的应用

　　自 20 世 纪 90 年 代 初 加 拿 大 McGill大 学 的Boon-TeckOoi教 授 等 人 提 出 基 于 电 压 源 换 流 器(voltagesourceconverter，VSC)的 直 流输 电(即 柔性直流输电)以来[22-23]，该技术得到了广泛的关注和极为快速的发展。据统计，截至2017年底，全 球范围内已投运柔性直流输电工程38项，其中最高电压等级±320kV，输 送 容量1000 MW。在 建 柔性 直流输电项目共11项，最高电压等级±500kV，输送容量3000MW。

　　根据柔性直流输电所采用的 VSC类型不同，可以将其划分 为 两 个 阶 段。第 一 个 阶 段 采 用 的 VSC是两电平换流器和二极管钳位型三电平换流器。由于世界上只有 ABB 公司能够提供商业化的上百千伏电压等级的器件串联阀组，因此该阶段的柔性直流输电工程均由 ABB 公司承建。第二阶段起始于MMC技术在2010年首次在西门子公司承建的美国 TransBayCable柔性直流输电工程中得到应用，此后的柔性直流输电工程基本上都采用 MMC 技术。MMC具有一系 列 技 术 优 势，例 如 子 模 块 级 联的模式避免了电力电子器件直接串联，因此不存在同步驱动和动态均压问题;电容分布在各个子模块中，不需要配置高压电容器组;开关器件开关频率较低，损耗较小;波形质量高，不需要配置滤波器;结构模块化，易 于 提 高 容 量 并 形 成 冗 余 等。因 此 采 用MMC可以大幅降低柔性直流输电换流器的制造难度，促进更多制造商进入柔性直流输电领域，极大地推动了柔性直流输电的发展进程。

　　多端柔性直流输电和在其基础上发展的直流电网是柔性直流输电技术当前主要的发展方向之一，也是柔性直流输电技术中的柔性一次设备主要应用领域。文献[24]给出了如附录 A 图 A6所示的大型直流电网 标 准 模 型(DCsystem model，DCS-M)示意图，其中包含了 VSC、DC/DC变换器以及直流潮流控制器几种柔性直流输电技术中的柔性一次设备。除了上面3种设备，高压直流断路器也是一种重要的柔性一次设备，本章将对这几种设备进行介绍和评述。

　　2.1 应用于直流电网中的 MMCMMC

　　应用在直流电网中面临的最关键的问题就是直流侧故障处理问题。目前实际工程中所采用的子模块均是半桥子模块，当直流侧发生短路时，半桥子模块中的反并联二极管会为短路电流提供通路，导致换流器本身无法实现直流故障自清除。解决该问题可以分别从采用具有直流故障清除能力的子模块和改进 MMC拓扑两方面出发。

　　1)具有直流故障清除能力的子模块

　　通过子模块来实现直流故障清除的原理是利用子模块电容来提供反向电压，最具代表性的就是全桥 子 模 块 (fullbridgesub-module，FBSM)，如图4(a)所示。但 FBSM 采用的器 件 数 量 是 HBSM的2倍，成本和损耗都大幅增加。另一种典型的结构是 钳 位 型 双 子 模 块 (clampdoublesub-module，CDSM)，如图4(b)所示[25]。CDSM 仅比 HBSM 额外增加了25%的开关器件数量，但CDSM 中的两个子模块在正常运行和故障期间连接方式不同，结构上具有耦合 性，因此增加了控制和均压的复杂性。文献 [26]提 出 了 串 联 双 子 模 块 (series-connecteddoublesub-module，SDSM)结 构，如 图 4(c)所 示。当 发 生 直 流 侧 故 障 时，无 论 桥 臂 电 流 方 向 如 何，SDSM 的两个电容都是串联，且始终处于充电状态，避免了 CDSM 的 耦 合性 问 题。文 献[27]提 出 了 二极 管 钳 位 型 子 模 块 (diode-clamp submodule，DCSM)，如图4(d)所 示。DCSM 大幅降低了所需开关器件的数量，但其存在反向故障电流情况下阻断能力减弱的问题。文献[28]提出了逆阻型半桥子模 块 (reverse blocking HBSM，RB-HBSM)，如图4(e)所示。RB-HBSM 具 备 故 障 电 流 的 双 向 阻断能力，但其需要采用一种特殊的逆阻型绝缘栅双极晶体管，而且电流反向流入子模块时，桥臂等效成 多个绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 (insulatedgatebipolartransistor，IGBT)串联后直接阻断反向故障电流，相当于固态断路器，具有一定的局限性。此外还有交叉 型 子 模 块[29]、类 全 桥子 模 块[30]以 及 二极 管 钳位式双子 模 块[31]等 各 种不 同 的 子 模 块 结 构，文 献[32]将8种典型的具有直流故障电流阻断能力的子模块结构进行了对比分析，得出了当不考虑故障电流阻断能力时，二极管钳位型子模块最具有应用前景的结论。——论文作者：

　　6 结语

　　采用电力电子设备提升电力系统的运行性能已成为国内外的发展趋势。本文从“柔性一次设备”的角度，介绍了近年来柔性交流输电、柔性直流输电、可再生能源发电与储能、主动配电系统与微电网等领域中电力电子设备的研究进展和工程应用。在柔性交流输电系统中，柔性一次设备已经得到了初步的应用，未来仍要大力发展基于全控型器件的大容量 FACTS设 备，以 实现大规模交流电网的综合优化。在柔性直流输电系统中，换流阀、直流断路器以及 DC/DC变换器等柔性一次设备是直流电网中的关键组成部分，但目前世界上并没有真正意义的直流电网投运，需要不断研究新设备以及新拓扑，尤其是在工程化方面还有很多工作要做。柔性一次设备在可再生能源发电与电力储能技术领域发展迅速，未来主要研究如何降低相关柔性一次设备成本，以及实现可再生能源高占比电力系统的协调运行。配电系统是中国与世界发达国家相比存在较大差距的部分，因此相关新型柔性一次设备的研制及其在主动配电系统和微电网中的应用将是未来研究的重点。相信随着诸如 MMC等新型拓扑结构的发展，以及建模与控制、仿真、器件和可靠性等关键技术的更大突破，柔性一次设备将在电力系统中发挥愈发重要的作用。——论文作者：徐殿国，张书鑫，李彬彬

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