电力系统结构优化方案

在人类赖以生存的地球上，蕴藏着大量的能源，譬如石油、天然气、煤炭等化石能源，核能、水力、电力和太阳能等，但从能源利用和控制的角度而言，唯有电能可以达到更加广泛和深入的利用。自然界中，虽然也存在电，譬如静电、雷电等，但目前还无法加以利用。目前广泛应用的电力均来自于其他能源的转换，譬如煤电、水电、核电、风电或太阳能电厂（站）等。

（1）发电与输电系统

各种自然能源有其不同的特点，水力具有季节性，油气煤具有枯竭性，风力、太阳能具有间歇性。各种自然能源的区域分布不同，发电成本也不同。为了向用户提供可靠、持续、稳定、经济的电能，需要将各发电厂（站）生产的电能联网，联合向区域中广大用户供电。

电网电压呈现两端低、中间高的现象。发电机的输出电压多在20kV及以下，大多数电力用户的用电电压亦在10kV及以下，而要把发电厂（站）的大容量电力远距离输送到用户中心，需要使用更高的电压等级。我国电网的输电电压目前在110kV至750kV。因此，在发电厂（站），发电机输出电压经过升压后并入高压电网，在用户端，电网电压再经过降压后分配给各种用电设备，如图1-1所示。

图1-1 电力系统原理示意图

（2）配电系统

配电系统作为电网与用电设备的接口，对电网的稳定经济运行和电力用户的安全可靠供电有着重要影响。如果电网的电压质量不高，影响了用户的用电质量，则可以在配电系统中采取适当措施加以解决；如果用户的用电设备对电网有着不良的影响，则同样可以在配电系统中加以解决。

低压用电设备的额定电压多为380V，油田和矿山设备的额定电压还有660V和1140V等。低压配电系统采用三相四线制，可供电给三相负载和单相负载。为了限制单相负载引起的三相负载不平衡程度，设计中要求单相负载尽量平衡地分配于三相线路的各相之中。尽管如此，低压系统仍然是不平衡的，存在零序分量，更为严重的是，低压系统中单相整流设备（办公自动化设备、电子仪器等）数量多，3次谐波严重，导致中性线上出现相当大的3次谐波零序分量^［3］。图1-2为某计算机房配电线路上的电压电流波形实例。当低压配电变压器采用Yyn0联结时，变压器对二次侧3次零序谐波电流呈现较高阻抗，可导致低压侧母线电压出现严重畸变。因此，在3次谐波较大的场合，建议采用Dyn11联结的配电变压器。

图1-2 计算机房的电压、电流波形(www.xing528.com)

a）A相电压与电流 b）B相电压与电流 c）C相电压与电流 d）A相电压与中线电流

图1-3 含有分布式电源的配电系统结构

低压配电系统的电压质量较低，三相不平衡、谐波和电压偏差等问题较为严重，低压系统并网用电压源换流器必须考虑电网电压质量对电压源换流器输出性能的影响。

（3）含有分布式电源的配电系统

分布式电源的输出功率较小，从几千瓦到几兆瓦，多数连接到配电系统中。图1-3为一种含有分布式电源（DR）的配电系统结构。分布式电源的接入会带来多方面的问题，譬如配电系统的潮流方向和分布复杂化、功率波动问题、孤岛保护问题、并网换流器的故障限流特性对常规继电保护的影响、谐波问题等。

分布式电源多利用风能、太阳能等可再生能源，而且常常通过并网换流器并网发电。与常规发电机相比，它具有如下显著特点：

1）单台发电设备容量相对较小。目前风力发电机容量多在1～5MW，单台光伏发电设备容量更小。

2）由于可再生能源的自然随机性，发电容量具有较大的间歇波动性。

3）由于缺乏必要的储能和换流器过载能力限制，短时抗冲击能力差。常规发电机借助转子的巨大机械惯性而具有很强的抗负载冲击的能力。