智能配網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用與展望

智能配網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用與展望

0電力電子智能變壓器電子配電網(wǎng)電力供電是連接電氣系統(tǒng)的重要設(shè)備。電力電子智能變壓器不是傳統(tǒng)意義上的變壓器,它由電力電子電壓轉(zhuǎn)換器組成,替代傳統(tǒng)的油變壓器。它不但具有傳統(tǒng)變壓器的功能,而且還具有傳統(tǒng)變壓器所不具備的功能,如提高電能質(zhì)量和可靠性。在配電系統(tǒng)內(nèi),作為戰(zhàn)略設(shè)備,它還具有綜合通信、監(jiān)控和系統(tǒng)控制的直接價(jià)值。它非常適合于智能電網(wǎng)的概念及發(fā)展。相對(duì)而言,傳統(tǒng)變壓器便宜且可靠,但其功能有限。近年來(lái)隨著原材料,特別是銅、鐵及原油價(jià)格的飛漲,傳統(tǒng)變壓器的價(jià)格也相應(yīng)抬高,加上對(duì)減小和降低變壓器的體積和重量的需求以及對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化的要求,使得電力電子智能變壓器更具有競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)。在世界各地,正在開展用于配電系統(tǒng)的電力電子智能變壓器的研究。配網(wǎng)智能變壓器現(xiàn)已完成初期的研發(fā),正進(jìn)行樣機(jī)的實(shí)地測(cè)試并將投入試運(yùn)行階段。此類設(shè)備是現(xiàn)階段世界上最先進(jìn)的配網(wǎng)智能設(shè)備,并處于商業(yè)化的早期階段。此類設(shè)備在中國(guó)電網(wǎng)的應(yīng)用可加快中國(guó)的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)及新一代智能變電站、智能配電系統(tǒng)的發(fā)展,改善現(xiàn)有配電系統(tǒng)的“瓶頸”和環(huán)境污染問(wèn)題,解決配電網(wǎng)線損高及電能質(zhì)量差等問(wèn)題,提高現(xiàn)有電網(wǎng)的可靠性及有效性,降低損耗,使得現(xiàn)有電網(wǎng)更為經(jīng)濟(jì)、可靠及有效。1高頻變壓器轉(zhuǎn)換模型電力電子智能變壓器由圖1所示的3個(gè)主要部分及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。1)交流/直流、直流/交流轉(zhuǎn)換器A。此交–直–交轉(zhuǎn)換器中的交流/直流整流器(圖1中A1)的主要功能為將高壓工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流,逆變器(圖1中A2)將其直流轉(zhuǎn)換為高頻(數(shù)百Hz至數(shù)十kHz)交流,實(shí)現(xiàn)由工頻到高頻的轉(zhuǎn)換。2)高頻變壓器B。高頻變壓器在此具有同工頻變壓器一樣的兩大功能:(1)起到高、低壓側(cè)電磁的隔離作用;(2)實(shí)現(xiàn)電壓水平的轉(zhuǎn)換,即將高壓轉(zhuǎn)換為低壓。因變壓器鐵芯的體積與頻率的高低成反比,頻率越高其體積就越小,數(shù)百Hz至數(shù)十kHz的高頻變壓器比工頻變壓器小數(shù)倍至數(shù)百倍。因此用于智能變壓器的高頻變壓器不但體積小而且可采用干式、無(wú)油變壓器,即安全又利于環(huán)境保護(hù)。3)交流/直流、直流/交流轉(zhuǎn)換器C。此交–直–交轉(zhuǎn)換器與1)中的交–直–交轉(zhuǎn)換器的功能相反,是將低壓高頻轉(zhuǎn)換為低壓工頻,從而實(shí)現(xiàn)由高壓到低壓的轉(zhuǎn)換。電力電子設(shè)備的功能及特性主要與轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?、結(jié)構(gòu)及控制功能的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。例如將轉(zhuǎn)換器A和C中的電容器換成儲(chǔ)能元件,由此所形成的智能變壓器就具有儲(chǔ)能的功能。另外,將靜態(tài)同步補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器和有源濾波器的控制原理及理念應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器A和C的控制中,該變壓器就具有為電網(wǎng)系統(tǒng)及負(fù)荷提供無(wú)功補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)及控制、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)和濾波的功能。還有,轉(zhuǎn)換器A和C中所有的節(jié)點(diǎn)均可作為通信、檢測(cè)及控制的輸入或輸出點(diǎn),具有很強(qiáng)的靈活性,是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。2智能變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電力電子智能變壓器除了具有傳統(tǒng)變壓器電壓轉(zhuǎn)換的功能,還具備減小變壓器尺寸及無(wú)油的優(yōu)點(diǎn),也可提高電能質(zhì)量性能和增加傳統(tǒng)變壓器所不具備的功能,其技術(shù)功能的比較如表1所示。1)提供新的技術(shù)功能以滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量及可靠性的要求。電力電子智能變壓器應(yīng)用了電力電子的柔性和靈活性,可實(shí)現(xiàn)多功能、提高供電質(zhì)量和可靠性的目標(biāo)。具有滿足電力用戶需求的綜合界面,提供客戶所需的服務(wù):(1)雙向直流輸出。轉(zhuǎn)換器C中的直流點(diǎn)可用來(lái)為電池(如電動(dòng)汽車的電池)快速、高效地充電和放電,有電動(dòng)汽車成為儲(chǔ)能元件的可能。(2)高頻率交流輸出。高頻變壓器B的低壓側(cè)可根據(jù)用戶的需求作為高頻交流輸出。(3)電壓下垂及短時(shí)停電保護(hù)。當(dāng)變壓器的高壓側(cè)的電壓發(fā)生短時(shí)降低時(shí),智能變壓器可補(bǔ)償電壓的降低,保持低壓側(cè)的電壓輸出不變,所能補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)短與所儲(chǔ)備的能量有關(guān)。(4)暫態(tài)電壓調(diào)節(jié)。若電力系統(tǒng)的暫態(tài)或其他負(fù)載的波動(dòng)使得高壓側(cè)輸入電壓產(chǎn)生波動(dòng),智能變壓器因具有能量緩沖的功能,可保持低壓輸出電壓不變。(5)電容器暫態(tài)保護(hù)。當(dāng)投切功率因數(shù)校正電容器會(huì)在鄰近的線路上產(chǎn)生電壓暫態(tài)時(shí),此暫態(tài)不會(huì)通過(guò)智能變壓器傳遞到低壓負(fù)荷側(cè)。(6)諧波濾波。非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流會(huì)通過(guò)傳統(tǒng)變壓器傳遞到電力系統(tǒng)。智能變壓器不會(huì)將諧波電流傳遞到系統(tǒng)側(cè)。(7)不平衡供電保護(hù)。如輸入電源因故出現(xiàn)不平衡狀態(tài),智能變壓器會(huì)切斷輸出以避免非正常地不平衡運(yùn)行。2)提供更好的運(yùn)行效益。(1)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)配電變壓器需要一定數(shù)量的庫(kù)存作為備件。電力電子智能變壓器可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品類別、規(guī)格及功能的標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)。將此理念應(yīng)用于智能變壓器的設(shè)計(jì)中,可大幅減小庫(kù)存成本。(2)鐵磁部分的體積和重量。同傳統(tǒng)配電變壓器相比,智能變壓器只用高頻變壓器,其體積和重量比工頻變壓器小數(shù)倍到數(shù)百倍,從而大幅減小和減輕了鐵磁部分的體積和重量。(3)損耗。傳統(tǒng)變壓器的損耗在輕負(fù)荷時(shí)以鐵芯損耗為主,重負(fù)荷時(shí)以線圈損耗為主。智能變壓器在負(fù)荷高峰時(shí)損耗較高,比傳統(tǒng)變壓器略高(5%左右),但在輕負(fù)荷時(shí)智能變壓器的損耗比傳統(tǒng)變壓器低很多。在用智能變壓器將儲(chǔ)能和分布式發(fā)電一體化時(shí),因負(fù)荷經(jīng)常很小,此特性具有重要意義。(4)環(huán)境保護(hù)。因電力電子智能變壓器消除了對(duì)油的需求,從而顯著地減少了對(duì)環(huán)境的污染,無(wú)需為昂貴的變壓器油處理、油泄漏及其清理買單。(5)無(wú)功補(bǔ)償。電力電子智能變壓器中的交–直–交轉(zhuǎn)換器可設(shè)計(jì)成具有靜態(tài)同步補(bǔ)償器的功能,為電力系統(tǒng)和具有電壓瞬變特性的負(fù)荷(如電弧爐、軋機(jī)等)提供無(wú)功補(bǔ)償。(6)智能電網(wǎng)。智能變壓器可為通信、檢測(cè)及控制輸出電壓、電流和功率因數(shù)等,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電壓調(diào)節(jié)和為先進(jìn)的智能電網(wǎng)提供所需的智能節(jié)點(diǎn)。如圖2所示,智能變壓器還可將太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、其他清潔能源發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充放電等一體化,實(shí)現(xiàn)智能控制,滿足電網(wǎng)與用戶雙向互動(dòng)的需求。3智能變壓器vvd美國(guó)電力科學(xué)研究院在2002—2003年開始在事電力電子配網(wǎng)智能變壓器的可行性和功能性研究及設(shè)計(jì),研發(fā)以多層電力電子轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的配網(wǎng)智能變壓器,并確定以20kVA的實(shí)驗(yàn)室模型為研發(fā)方向。2004—2005年從事單相20kVA的電力電子智能變壓器的實(shí)驗(yàn)室模型的研發(fā)。此變壓器的高壓側(cè)電壓為2.4kV,低壓側(cè)標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓為120/240V。通過(guò)對(duì)此實(shí)驗(yàn)室模型的測(cè)試,驗(yàn)證了合適的高壓電力電子轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,2008—2011年美國(guó)電力科學(xué)研究院開始同美國(guó)的電力電子公司合作,共同研發(fā)15kV、100kVA可安裝于配電系統(tǒng)的單相多層電力電子變壓器柱上式和落地式樣機(jī)。設(shè)計(jì)理念是環(huán)保、無(wú)油、無(wú)動(dòng)部件(即無(wú)風(fēng)扇、無(wú)泵)的模塊設(shè)計(jì),并包括實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。其柱上式實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)于2010年通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,于2011年第1季度開始接受實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的驗(yàn)證。其落地式樣機(jī)于2011年底—2012年初進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。2011—2012年美國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)具有電力儲(chǔ)存、智能節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷管理、電動(dòng)汽車交流充電和快速直流充電的智能變壓器(15kV、25kVA)全樣機(jī),計(jì)劃于2012年底在美國(guó)電力科學(xué)研究院的一太陽(yáng)能電動(dòng)汽車快速充電站展示。與傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車充電器相比,用智能變壓器原理研發(fā)的電動(dòng)汽車快速充電器具有能耗小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。從2012年開始,美國(guó)電力科學(xué)研究院已由實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的研發(fā)轉(zhuǎn)型為實(shí)際示范工程設(shè)備研發(fā)。計(jì)劃從2013年開始批量商業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)。美國(guó)市場(chǎng)的調(diào)查及研究表明,美國(guó)的配電變壓器主要由配電網(wǎng)運(yùn)行商、工商業(yè)和聯(lián)邦權(quán)力機(jī)關(guān)擁有,配電網(wǎng)運(yùn)行商擁有近95%的配電變壓器市場(chǎng)。單相變壓器采購(gòu)量最大的是13~25和25~100kVA容量范圍的,三相變壓器采購(gòu)量最大的是100~250和250~500kVA容量范圍的。從2004—2006年的購(gòu)買量分析發(fā)現(xiàn),美國(guó)的配電變壓器以單相、柱上式(約為68%)和落地式(約為30%)為主,對(duì)落地式需求的增加大于對(duì)柱上式需求的增加。其中電壓低于5kV的為23%,5~13kV的為18%,13~25kV的為58%,高于25kV的只有1%。在美國(guó)的年銷售預(yù)計(jì)在幾十億美元的此類配電變壓器將是智能變壓器取代的對(duì)象。所以,實(shí)用于美國(guó)市場(chǎng)的單相不大于100kVA,三相不大于500kVA的電力電子智能配網(wǎng)變壓器的潛在市場(chǎng)很大,包括對(duì)陳舊變壓器的更換以及新變壓器的安裝。智能變壓器的研發(fā)以美國(guó)為主,除了美國(guó)電力科學(xué)研究院,美國(guó)的GridcoSystems(distributiongridcontrolwithpowerelectronics)和Enertronics公司也在研發(fā)此類產(chǎn)品。世界上還有許多科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)也從事智能變壓器的研發(fā),如伊朗、中國(guó)、日本及美國(guó)等國(guó)家的大學(xué)。國(guó)際電力公司對(duì)智能變壓器的研發(fā)也非常關(guān)注,如E.ON和英國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)公司(UKPowerNetworks,前EDF)曾投資美國(guó)電力科學(xué)研究院的智能變壓器的研發(fā)。電力電子配網(wǎng)智能變壓器是一項(xiàng)具有開拓性的新技術(shù),是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備,并可得到如圖3所示的非常廣泛的應(yīng)用。英國(guó)的配電變壓器主要由配電網(wǎng)運(yùn)行商擁有,分柱上式和落地式兩種。柱上式的容量較小,主要為11kV/500~250V,25~100kVA(單相)和11kV/433V,50~315kVA(三相)。落地式的容量較大,以三相為主,其容量為200~1500kVA?，F(xiàn)階段所研發(fā)的電力電子配網(wǎng)智能變壓器以單相為主且容量較小,僅適用于英國(guó)的柱上式變壓器,以鄉(xiāng)村為主,需求量有限。只有等研發(fā)出大容量、有競(jìng)爭(zhēng)力的三相智能變壓器,才能在英國(guó)具有較大的市場(chǎng),取代現(xiàn)有的配電變壓器。近年來(lái)對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展及建設(shè)的需求增加、大量經(jīng)費(fèi)的投入、大容量電力電子元件的開發(fā)及成本的下降,使得電力電子智能變壓器更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)。在不遠(yuǎn)的將來(lái),大容量電力電子智能變壓器的研發(fā)將會(huì)大規(guī)模展開,模塊式配網(wǎng)智能變壓器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)變壓器,以滿足實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的要求。如需了解更多有關(guān)美國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)的電力電子智能變壓器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、項(xiàng)目計(jì)劃以及基于多級(jí)轉(zhuǎn)換器的智能變壓器,請(qǐng)參閱文獻(xiàn)。4建設(shè)智能裝配電網(wǎng)是續(xù)發(fā)展的重要手段建設(shè)智能電網(wǎng)