负荷柔性用电与电能质量控制优化解析

1.负荷电能质量补偿控制

感性负荷无功电流可降低电力系统发电机、变压器有功功率的利用率，增大系统的电压损耗，增大有功功率损耗和无功功率损耗，还会降低节点电压，影响供电质量。非线性负荷的谐波电流及谐波电流在系统电抗中会产生的谐波电压降，使节点电压含有谐波。谐波电流、电压，既危害电力系统的安全运行，又严重恶化负荷的供电质量。在电力系统中，特别是在负荷供电节点上并联注入谐波补偿电流，在负荷供电线路中串联注入谐波补偿电压，可以有效地改善负荷的供电质量。图1-12g中，如果令变流器的输出接在负荷R端，如果负荷电流含有谐波电流i_h，则只要调控变流器的输出电流I_L既含有无功补偿电流i_q，又含有谐波电流i_h，即I_L=i_q+i_h，那么在并联无功补偿电流i_q的同时，可使电网线路中无谐波电流，从而不会在负荷端R点产生谐波电压。如果供电电源S点电压V_s中含有谐波电压V_h，则利用图1-12h的变流器输出电压ΔV=-V_h，串联补偿了V_s中的谐波电压，则负荷电压中就不再含有谐波电压。所以采用图1-12g和图1-12h中的变流器可以并联、串联补偿负荷无功电流、谐波电流和电网的谐波电压，这时变流器称为并联有源滤波器和串联有源滤波器。图1-12i中的双变流器（双变压器），若设置在负荷端R处，如图1-12j所示，变流器Ⅰ经并联变压器TP₁向负荷节点输出无功和谐波补偿电流（i_q+i_h），变流器Ⅱ经串联变压器TP₂向线路串联注入基波补偿电压ΔV₁和谐波补偿电压V_h，则构成统一电能质量控制器（UPQC），既能补偿负荷的无功电流、谐波电流，又能补偿线路节点的基波电压和谐波电压。

2.负荷柔性用电——用户定制电力

电力系统直接由电网的恒频（50Hz）、恒压（如380/220V或10.5kV等）交流电对用电设备（负荷）供电，往往不能满足不同负荷最优运行工况的要求。例如电力系统中用电量最多的驱动风机、水泵的笼型异步电动机，把电能变为机械能的最优工况常常需要电动机变速传动。但50Hz恒频、恒压电源直接对电动机供电时不可能经济有效地实现笼型异步电动机的变速传动，而采用变频变压电源供电，在变速运行时，其电能利用率（电能转换为机械能的效率）较恒频恒压供电时高20%～30%。在电力系统中用电量居第2位的照明，采用电力电子变换器对新型照明灯具供电，其光电效率比50Hz恒压供电时高几倍。把电能变为热能时（如中频、高频感应加热炉），采用电力电子变换和控制技术亦可获得显著的节能效益。用电负载不直接使用电网的恒频恒压交流电，采用电力电子变换器以后再对负荷供电，在很多应用领域、很多运行工况下在节能获得经济效益的同时还能减小用电设备中变压器、电抗器的尺寸，节省原材料，改进产品质量，提高劳动生产率，有利于环保。电网电压经变频、变压后再给用电设备供电有可能更经济、有效地利用电能，获得显著的技术经济效益。这种可控、更灵活的用电系统称之为柔性用电系统。柔性用电量占全国发电总量的比重被国外专业人士看作是一个国家电力技术进步的主要标志之一。至今，美国发电站生产的全部电能中经电力电子变换后再供负荷使用的比例已在70%以上，预计到21世纪20～30年代美国发电站生产的全部电能都将经电力电子变换和处理后再供负荷使用。(www.xing528.com)

20世纪60年代中期，电力系统中晶闸管相控整流最早应用于同步发电机的励磁。从20世纪70年代开始，以电力半导体开关器件为基础的电力电子变换器和各种补偿控制器，迅速应用于电动机传动控制，并逐步应用于低压电力系统。随着电力电子技术的发展进步，特别是较高电压、大电流半导体开关器件的问世，电力电子技术在电力系统中的应用逐步发展。晶闸管相控整流器和有源逆变器组成的直流输电系统，晶闸管构成的静止并联型无功补偿器、串联补偿器、由晶闸管控制变压器二次电压的串联电压幅值和相位补偿器，由全控型开关器件构成的电压源型电力电子补偿控制器等也已相继在电力系统应用或试用。由双变流器构成的统一潮流控制器、统一电能质量控制器和超导磁体储能系统也都在研制和小规模的试用。

在传统的交流输电系统中采用电力电子技术，引入了各种电力电子变换器和电力电子补偿控制器，可实现快速、连续、精确、灵活控制的交流输电系统被称为柔性（灵活）交流输电系统。在整个电力系统（包括发电、输电、配电系统和用电系统）中引入了各种电力电子变换器、电力电子补偿控制器，可实现包括发电、储能、输电、配电和用电全电力系统工况和运行参数快速、连续、精确、灵活、广域信息网络化有效控制的电力系统，可称之为智能化的柔性（灵活）电力系统（Flexible Power System，FPS）。由传统电力系统发展到柔性电力系统将是电力系统发展史上的一个革命性变革，将使电力系统的运行更加安全、经济、高效、优质，同时也将推动电力电子技术在更高水平上的发展。