前言

傳統電能質量問題一般關注系統的穩態情況下是否供電可靠，隨著電子信息技術的飛速發展，先進技術使用日益廣泛，供電系統故障或電能質量惡化很可能帶來極為嚴重的影響。對于敏感的電力電子設備或信息設備來說，即使幾個周期的供電中斷，或電壓跌落都將影響這些設備的正常工作，造成巨大的經濟損失。

因此現在用戶對電能質量的要求遠比以前嚴格。80年代以來，電力電子學逐漸成為一門新興交叉的邊緣學科，與此相對應的現代電力電子技術也得到迅速發展。以計算機技術和功率半導體制造技術為基礎和先導，開關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,在高效使用電能上已越來越多地被人們所認識。電能質量、節約用電、安全用電是當前最突出的用戶電力問題,近年來為了解決這些問題,用戶配電系統測試評估、電能質量調節、電能轉換和固態開關等用戶電力技術,得到了廣泛應用和快速發展。

1.用戶電力技術簡介

用戶電力技術是美國N.G.Hingorani博士在1988年提出的概念：將大功率電力電子技術和配電自動化技術綜合，以用戶對電力可靠性和電能質量要求為依據，為用戶配置所需要的電力。通過用戶電力技術可使用戶供電可靠性達到不斷電;嚴格的電壓調整;低諧波電壓;沖擊和非線性負荷對終端電壓無影響。該技術的核心是能夠對供應的電力進行控制、變換,為用戶或負荷提供滿足電能質量指標及安全、經濟、可靠運行等要求的電能。完成這種控制與變換的關鍵是各具特色的電力電子器件及其控制電路。我國已研制出用于配電系統的靜止無功發生器DSTATCOM樣機。圖1是用于解決電壓驟降問題的動態電壓恢復器的基本工作原理圖,恢復器包含了配電系統靜止補償器,有源電力濾波,以及串聯電能質量控制器(DVR)等設備,它一般串聯在供電網和負荷之間,當供電網正常供電時,其逆變器側升壓變處在短路狀況,運行在低損耗旁路狀態,當供電網側發生電壓驟降或電壓驟升,動態電壓恢復器可以在一個周波內作出響應,在串聯回路中注入一個交流電壓對電壓進行補償,使補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

2.1用戶配電系統的測試評估技術

該技術主要內容有:(1)網絡阻抗，各母線短路電流、短路容量計算;(2)各供電節點供電電壓質量限值，各用電負荷對供電系統干擾限值計算;(3)各供電節點供電電壓質量測試、各用電負荷對供電系統干擾的測試、供用電設備的電磁兼容、節電運行，安全運行的評估;(4)用戶電力技術問題及解決方案。通過以上評估找出用戶電力技術問題及其產生根源,并給出相應解決方案

2.2電能質量控制技術

該技術主要是基于電壓源或電流源逆變器,對配電系統的傳輸能力和供電質量進行連續、快速、精確的有效控制,使供電質量提高到一個全新水平的有效手段。常見電能質量控制技術如表1所示。

2.3固態開關技術

隨著配電容量增大,對開關的開斷能力提出了更高的要求,電壓驟降敏感用戶對開關快速切除短路電流的能力也提出了更高要求,現有的機械開關難以滿足上述要求。在這種背景下,固態斷路器因其卓越的電流關斷特性而備受關注。美國西屋公司已制造出13kV、600A、由GTO元件組成的固態開關,安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開斷時間可縮短到0.3ms,可以在電壓或電流的指定相位完成開斷,基本上可避免操作過電壓。這樣,由操作過電壓決定的電力設備絕緣水平可大幅度降低,由于操作引起的設備損壞也可以大大減少。現在,由固態開關構成的電容器組的配電系統“軟開關”也已問世。固態開關技術的進步將使配電系統的安全運行水平大大提高。

3.未來用戶電力技術的發展

3.1動態電能質量調節技術

動態電能質量調節技術指的是基于電壓源或電流源型逆變器,對配電系統的傳輸能力和供電質量等進行連續、快速、精確的有效控制,是使現有供電質量提高到一個全新水平的有效手段,也是電力工業實現市場化的必備支撐技術。其主要包括串聯式的用來補償電壓跌落、提高下游敏感負荷供電質量的有效串聯補償裝置DVR、不間斷電源(UPS)、并聯有源濾波器(APF)、DS—STATCOM和串并聯混合式的新的補償裝置系統DS—Unicon等。

3.2超導儲能及其能量變換技術

各種新能源的開發利用,大多需經電力電子裝置的變換使其非同步電能轉換成同步的三相交流電能以供使用。超導儲能(SMES)作為一種特殊新能源因其固有的諸多優點而引起廣泛研究。基于電力電子的能量變換技術在SMES中的應用成果,必將對其他新能源的利用產生重要的借鑒意義。SMES具有儲能密度大、轉換效率高、可四象限運行、吐量大、充放電速度快等諸多優點,非常適合參與電力系統的有功功率調節。尤其是在能源分布很不平衡的地區,發展用于調峰的中大規模SMES系統對提高我國供電質量和運行安全水平都將具有重大作用。

3.3固態斷路器

隨著配電網容量的日漸增大,系統的短路容量也會不斷增加,這對電網原有的和將投運的開關設備的開斷能力都提出了更高的要求。同時,隨著用戶對供電質量要求的不斷提高,如何快速切除短路電流以抑制故障期間電網電壓的跌落在信息社會顯得尤其重要。固態斷路器是FACTS(柔性交流輸電系統)和DFACTS技術實現對電力系統參數和網絡結構快速、靈活、準確控制的關鍵設備,也是保障現代電力系統安全、可靠運行的重要設備。

隨著易于串并聯、驅動功率小的大功率電力電子器件的出現,固態斷路器的關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材料的功率半導體器件制造技術的不斷發展,大功率固態斷路器的通態損耗問題也將得到有效解決。結語用戶電力技術是應用現有的電力技術專門解決用戶電力質量問題的一項綜合技術，本文總結提到的動態電能質量調節、電能變換以及固態開關等三類用戶電力技術將從各個方面促進我國電力工業的發展,所以需根據我國電力系統的現狀,針對性地開展基礎研究、軟硬件結合及面向實用的開拓性工程研究,從而讓這幾項用戶電力技術既在理論上也在實踐生產上得到全面發展。