定製電力技術

電能的應用程度是一個國家發展水平的主要標誌之一。電能的質量不僅關係到電網企業的安全經濟運行，也影響到用户的安全運行和產品質量 ^[2]  。

一方面，隨着現代工業的高速發展和新型電力電子技術、微電子器件的廣泛應用，以及大容量、非線性、衝擊性負荷設備，如電力機車、電弧爐等大量接人電力系統，產生了大量的電能質量問題;另一方面，基於微電子技術的敏感設備，如可編程邏輯控制器PLC、交直流調速裝置、計算機和精密儀器等，對電能質量提出了更高的要求。電力系統和用電設備會因為電能質量的下降受到嚴重損害，短時電能質量擾動對於電源穩定性要求高的高新企業，可造成巨大經濟損失。面對當前情況，傳統的電能質量控制技術已無法滿足敏感用户的電力需求。

定製電力技術的發展正是與目前越來越多的敏感負荷接人電網密切相關的。許多敏感負荷用户對電力供應的質量不僅僅滿足於符合相關的電能質量標準的基本要求，而是提出了個性化的需求，即定製電力。為應對日益增長的定製電力需求，國內外各大電力公司、科研院所及設備製造商等在定製電力的理論研究、政策制定、設備製造等方面均已開展了大量工作。目前國內也已開展了不少定製電力技術的應用和試點(如優質電力園區試點項目等)，但由於缺乏相應的國家標準，容易造成無序建設、投資浪費等問題，極大阻礙了定製電力技術的有序發展。因此，制定定製電力技術標準，滿足電網和電力用户需求，是新形勢發展的需要，具有前瞻性與迫切性。

定製電力(Custom Power，又稱為用户電力、定質電力、用户特定電力)是1988年由美國電科院(EPRI)N. G. Hingorani博士提出的，在全世界得到了迅速的發展。此後日本茨城大學和北海道大學在1996年共同提出了類似的新概念及新技術，即靈活可靠性和智能電量供給系統FRIENDS (flexible reliability and intelligent electrical energy delivery system)。

定製電力技術主要針對的是配電網的供電可靠性和供電質量兩個方面 ^[3]  ，即將電力電子裝置(又稱靜態控制器)用於配電系統，提供用户所需可靠性水平和電能質量水平的電力。它是應用現代電力電子和控制技術為實現電能質量控制及為用户提供特定需要的電力供應技術。和傳統電能質量控制技術相比，定製電力技術已不僅僅是對電力系統頻率、電壓偏差和可靠性進行控制，而是要求控制和降低諸如諧波、電壓波動與閃變、三相電壓不平衡、電壓暫升、暫降和短時中斷等電能質量擾動的危害。它能減少用電設備的故障，從而保證生產和生活的正常進行;減小電網內部因電能質量問題造成的損耗，從而提高電能的使用效率;提供供電企業的競爭意識，從而有力地促進電力市場的孕育與形成;開闢和帶動電力電子產業的發展，從而推動整個電力產業的革新與進步。

國外有關電能質量的研究正掀起高潮，從所適用的功率理論的擴展，到電能質量評價指標體系的建立;從全國性的電能質量普查監測，到用户終端電氣環境的定義。各種電能質量問題分析方法的提出，以及定製電力技術的研究和裝置的開發正深人進行。1996年IEEE將每兩年召開一次的電力諧波國際學術會議ICHPS，更名為電力諧波與電能質量學術會議ICHQP，把電能質量提高到一個新的高度來認識 ^[4]  。

針對上述的電能質量問題，國外已提出並開發了許多改善和提高電能質量的裝置，包括有源電力濾波器(APF)和無源濾波器(TF)、電池貯能系統(BESS)、配電用靜止同步補償器(DSTATCOM)、配電用串聯電容器(DSC>、動態電壓恢復器(DVR)、功率因數校正電容器(PFCC>,避雷器(SA)、超導磁能貯存系統(SMES)、靜態電子分接開關(SETC)、固態轉移開關(SSTS>、固態斷路器(SSCB)、靜止無功補償器(SVC)、晶閘管開關電容器(TSC)、不間斷電源( UPS )、電能質量綜合補償裝置即統一電能質量調節器UPQC等，這些裝置主要是採用電力電子技術，一些裝置已相當成熟。其產品開始進人大量實用化階段，如日本的有源電力濾波器使用很普遍。並聯型有源電力濾波器最大容量達50MVA，採用的是GTO-SCR器件用於抑制電弧爐引起的閃變 ^[5]  。

目前，我國也已頒佈了數個電能質量方面的國家標準。2008年又對其中數個標準進行了修訂(除諧波標準外)，並於2009年新頒佈了間諧波標準，這些標準的發佈無疑為提高我國的電能質量水平起到了促進作用。相關學者也對國標的實際應用方法進行了分析和討論。2011年國家電網組織中國電力科學院編制了《電能質量評估技術導則)，詳細規定了供電系統和電力用户的各項電能質量指標的評估流程和方法 ^[6]  。

目前國內在定製電力方面的研究，大多侷限在諧波問題的範圍內，也提出和開發了一些改善和提高電能質量的電能質量補償裝置，包括各種有源電力濾波器，動態無功補償裝置以及動態電壓恢復器等。在逐漸縮小與國外的差距。

目前典型定製電力設備包括:SSTS(固態切換開關)、DSTATCOM(靜止同步補償器),DVR(動態電壓恢復器)、SVC(靜止無功補償器),APF(有源濾波器),UPQC(統一電能質量控制器),ESS(儲能系統)等。

固態斷路器:是基於GTO的一種能快速動作以切除電力系統故障的設備。同時也能配合其他電力電子器件以提高用户的電能質量，如消除故障過電流的發展。

靜止同步補償器:是快速響應的固態電力控制器，能向配電線在連接處提供靈活的電壓控制以改進電能質量;是一個交流同步電壓源，通過一聯絡電抗和配電系統交換無功電力，其結果可通過STATCOM和配電線間的聯絡電抗來控制電流，以在變壓器和用户處瞬時控制端電壓和校正功率因數 ^[6]  。

動態電壓恢復器:是用來補償電壓跌落、提高下游敏感負荷供電質量的有效串聯補償裝置。

有源濾波器:與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點，性價比較合理;濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險;具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化的諧波。

故障限流器:利用電力電子技術，動作速度快、允許動作次數多、控制簡便，能限制控制短路電流值，利用固態開關特性可在約一工頻週期時間內快速無弧切斷短路電流;同時電流過零時自動關斷，可避免或極大地減少斷開短路而引起的暫態過電壓。

超導儲能系統:儲能損耗低、儲能密度大、適應於電力負荷峯谷調節，能迅速注人/吸收有功/無功或動態控制交流系統的潮流。

統一電能質量控制器是集串、並聯型補償裝置的多重功能於一體的調節器，它是當前定製電力技術中新的研究熱點，UPQC與統一潮流控制器(UPFC)具有相似的拓撲電路結構，其並聯單元具有STATCOM, APF等功能，其串聯單元具有DVR、動態不間斷電源(UPS)等功能，其直流儲能單元具有蓄電池能量存儲系統(BESS)等功能，通過多目標協調控制實現電壓調節(電壓跌落、電壓突升、電壓畸變補償等)、有功、無功動態調節、有源濾波、平衡化補償、動態不間斷電源、儲能、直流電源等綜合功能。

優質電力園區技術作為定製電力技術的一個綜合應用範例在國內外都得到了迅速發展，它是綜合利用各種電能質量治理設備為用户提供不同電能質量等級的電力服務，包括基本服務、附加服務及優質服務。用户對電能、電力及電能質量的要求各不相同，有的負荷對電壓暫降或暫升非常敏感，另一些只受長時間停電的影響，也有的用户負荷對配電系統和相鄰的用户產生較大幹擾，如注人畸變電流(諧波)或是有引起電壓閃變的大容量衝擊性負荷。用户可根據自己的需求，選擇不同的電能質量服務水平，當地配電系統的控制中心在用户選擇的服務等級下提供相應處理對策。通過在用户配電饋線上裝設各種集中控制設備，所有這些用户都可得到理想的供電服務。同時，用户還可通過多條外部饋線或選擇使用燃料電池、超導儲能和現場發電設備供電來得到優質電能。未來電能質量治理的發展方向為優質電力園區技術，其核心裝置是統一電能質量控制器與其他輔助設備的聯合，其核心理念是針對不同電力用户羣提供定製的優質電能服務。優質電力園區是電力企業競爭力的體現，同時也能極大地促進高新企業的快速發展。國外已在日本仙台、美國特拉華州等進行了試點 ^[7]  。

目前定製電力技術缺乏相應標準。具體應用一般都需要從頭設計，而無法直接利用已有的變流器、控制系統等模塊，從而導致已有模塊的重複利用率低，研製週期長、成本高。各廠家之間存在技術上的壟斷和壁壘，造成定製電力技術應用的開發和維護成本高昂。同時，定製電力技術作為一種針對用户具體需求提供相應電能質量水平的技術，如何確定用户的電能質量需求等級、如何監測和評估定製電力技術應用前後的電能質量問題改善程度、如何評估定製電力技術應用的經濟性都是需要考慮的問題。

因此，有必要對定製電力的相關技術內容進行規範:對敏感負荷進行明確分類、對定製電力技術所能提供的電能品質水平進行劃分、對不同定製電力技術間配合使用和定製電力設備間的協調控制、定製電力技術的經濟性評估方法等進行規定。具體應展開以下幾個方面內容的研究 ^[8]  :

(1)定製電力設備應用中的具體事項

在配電系統使用上述的任何設備均需考慮整個系統的問題。定製電力設備的應用是個很複雜的問題，制定這些設備的規範，既要仔細地瞭解負荷(用户的要求)，又要了解系統。應用的不當，會使設備達不到所要求的功能，所耗費的資金也會比預期的多很多。造成這些問題的原因可能就是對要解決的問題未充分理解。

(2)敏感負荷分類及電能質量分級研究

針對不同電氣設備對電能質量指標(電能質量現象)的敏感程度(容限曲線)給各類敏感負荷進行分類;根據用户對電能質量的需求不同，對電能質量水平進行分級。

(3)定製電力設備的共性及特性

為了定製電力技術科學有序的發展，必須在各種電力電子裝置不同特性的基礎上制定出一些要共同遵循的標準(如統一通訊規約等)，使得不同定製電力技術間配合使用和定製電力設備間的協調控制。

(4)定製電力設備的經濟分析

改善電能質量措施，包括定製電力技術，會發生相關的各種不同種類的成本(如資金成本、維護成本、運行成本等)。這些成本可以轉換成等值的年度成本以便與其他的措施相比較。要確定與低下的電能質量相關的年度成本以及通過採用定製電力技術的設備改善電能質量相關的年度成本。這樣就可以對每一技術措施進行經濟評估，決定所採用技術措施的合理性。