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1、2004年度国家电网公司系统科技部门负责人座谈会文 件 之 二2004年11月厦门公司系统科技部门负责人座谈会文件之二电力电子技术研究框架国家电网公司科技信息部2004年11月目 录一、前言3二、电力电子技术研究的简要回顾3三、电力电子技术研究与应用小结16四、我国电网面临的技术问题及电力电子技术的应用前景18五、电力电子技术研究框架20六、实施建议27一、前言现代电子技术、控制技术、计算机技术等与传统电力技术的融合产生了发展前景广阔的电力电子技术。从早期50年代直流输电的研究与初步应用，到80年代灵活交流输电技术概念的提出，电力电子技术在电力系统发电、交直流输电、配电、电能质量、系统安全稳定
2、等方面发挥了越来越重要的作用。为了推动和引导电力电子技术的应用和发展，在国家电网公司科技发展规划的指导下，提出电力电子技术研究框架（以下简称框架）。本框架通过对电力电子技术发展的回顾、电力电子技术研究现状、我国电网发展面临的技术问题及电力电子研究方向等方面的阐述分析，综合国内主要研究机构、院校、生产运行单位的意见，提出我国电力电子技术今后5-10年的重点研究方向、阶段性工作目标和实现技术突破的建议，为指导公司在电力电子技术研究领域的科研工作提供参考。二、电力电子技术研究的简要回顾2.1 直流输电技术直流输电技术自1882年问世以来，已从汞弧换流器逐步发展到以可控硅阀换流器为核心的现代直流输电系
3、统。直流输电有两端（也称端对端）直流工程、多端直流工程和背靠背直流工程等类型。直流输电核心技术目前只有ABB和西门子等少数大公司掌握。直流输电技术主要有两种技术形式：以相控换流器（PCC）技术为核心的传统高压直流输电技术（HVDC）和以电压源换流器（VSC）技术为核心的轻型直流技术（HVDC Light）。传统高压直流输电技术主要应用于远距离大容量输电、不同电网间的非同步互联、远距离海底电缆送电等。轻型直流输电应用于向孤立的远方负荷区送电、小型水电或风力发电与主干网的连接以及小容量远距离送电等。2.1.1 国外技术发展状况（1）传统高压直流输电技术现代高压直流输电技术发展中最具有里程碑意义的事
4、件是1954年瑞典哥特兰岛建立第一个HVDC系统。1984年巴西建立了电压等级最高的600kV HVDC系统，1998年阿根廷与巴西利用直流实现两国电网的互联。从1954年至今全世界共有90余个已建、在建、或已退役的直流输电工程，总容量约为82163MW。目前世界上双极容量最大的是伊泰普（ITAIPU）工程，双极的容量为3150MW。为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，已研究出多端直流输电技术。已投运的多端直流输电工程是加拿大美国的五端直流输电工程。由于控制器协调困难等原因，目前实际上只有三端接入运行。为了大大减少传统换流器所需的无功功率、提高换流站的功率因数以及提高逆变侧运行的可靠性
5、，将电容器引入换流器，采用电容换相技术CCC（Capacitor Commutated Converter）实现对换流过程的强迫换相。世界上第一条基于CCC的直流输电工程在巴西和阿根廷之间建成。（2）轻型直流输电技术轻型直流输电采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。同时大幅度简化设备，降低造价。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的轻型直流输电工业性试验工程（长10km、电压为10kV、输送容量为3MW）于1997年在瑞典投入运行。到目前为止，轻型直流输电系统世界上已经在瑞典、澳大利亚、丹麦、美国等国家正式
6、投入运行或在建。到目前为止，世界上最大的轻型直流输电项目是2003年9月投运的美国康涅狄格到长岛的CROSS SOUND CABLE工程，额定容量为330MW，输送距离40km。2.1.2 国内技术发展状况我国从60年代初开始直流输电技术的跟踪，自70年代起步研究。1978年在上海投运了第一条31kV、150A、长度9km的直流输电试验线路；1987年完成宁波至舟山的直流试验工程；1990年，葛上500kV直流工程投运，标志着我国高压直流输电工程进入世界先进行列。1997年建设天广直流，又重新引进了部分技术,直流输电技术得以衔接；1998年开始建设三峡送出直流工程时，在引进技术和合作生产中尽可
7、能考虑增加国内分包的份额，而且前期咨询工作采用中外合作以我为主、自己多做工作的方式，为我国直流输电技术逐步国产化奠定了基础。我国已成为世界上拥有直流输电系统最多的国家，目前已经投运和正在建设的直流工程有8项，其中三常、三广、三右、贵广等工程双极容量均为3000MW，容量位居世界第二位。多端直流输电、电容换相直流输电和轻型直流输电等技术国内已开展相应的前期理论或原理样机研究，但在应用领域尚属空白。2.2 灵活交流输电技术（FACTS）FCTS技术是80年代末美国电力研究院（EPRI）的Narain G.Hingorani 博士提出的概念，是基于电力电子技术和控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相
8、位实施灵活快速调节的一种交流输电技术。通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，实现对电压、有功潮流、无功潮流等的平滑控制，以达到大幅度提高线路输送能力、阻尼系统振荡、提高系统稳定水平的目的。FACTS技术改变了传统交流输电的概念，将使未来的电力系统发生重大变化。目前，FACTS家族的成员已超过二十种，其原理、性能、与系统结合方式等也多种多样，一些已进入实际应用阶段，一些正处于工业示范阶段，另一些尚处于设计测试阶段，还有许多现在尚未提及的技术和装置需要根据生产需要去研制和开发。表1给出了主要的FACTS装置及其主要功能。图1列出几种最主要的FACTS 装置及与系统相互作用的基本原理。表1 FA
9、CTS装置种类及其主要功能序号名称接入方式换流方式主要功能1可控串联电抗器(TCR)串联自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流2可控制动电阻器(TCBR)串联自然谐波抑制、暂态稳定3可控串联电容补偿器（TCSC）串联自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流4可控移相器(TCPR)串联自然有功控制、暂态稳定、电压稳定5短路电流限制器（SCCL）串联自然抑制故障电流6可控并联电容器（TSC）并联自然电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定7静止无功补偿器（SVC）并联自然电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定8静止同步补偿器（STATCOM）并联强迫电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳
10、定、电压稳定9静止同步串联补偿器(SSSC)串联强迫电流控制、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流10统一潮流控制器（UPFC）串联并联强迫有功控制、无功控制、电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流11可转换静止补偿器(CSC)串联并联强迫有功控制、无功控制、电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流图1 FACTS装置与系统相互作用原理示意图2.2.1 国外技术发展状况FACTS装置从技术发展上可以分为三种类型：（1）基于传统半控型器件的FACTS技术，其代表性装置为SVC、TCSC装置。SVC装置在二十世纪七十年代即获得应用，是目前应用最为
11、广泛的FACTS装置，其最大补偿容量已达1000MVar以上，应用的最高系统电压为765kV。国外已有7个可控串补工程投入运行，其中3个在美国，1个在瑞典，2个在巴西，主要用于解决提高送电容量、抑制次同步谐振（SSR）和区域间低频振荡问题。计划采用可控串补的国家还有印度和澳大利亚等。目前串补技术应用的最高系统电压为765kV。（2）基于可关断器件的FACTS技术，其代表性装置是STATCOM。STATCOM上世纪80 年代由日本和美国首先研制出来，之后世界各国都相当重视、竞相研制，并完成了10多项的示范工程或实际工业工程。尤其在最近五年，随着STATCOM 研制技术的深入、新型大功率电子电子器
12、件如IGCT等的出现，STATCOM在输电系统应用数量明显增加。（3）对现有基于可关断器件的FACTS装置进行技术和功能集成。集成后的FACTS装置可以同时控制影响线路潮流的所有因素，其代表性装置为UPFC和CSC等。UPFC于1998年在AEP的Inez变电站投运。最新的FACTS装置CSC于2002年在NYPA的Marcy变电站投入运行，它综合了几种FACTS装置的功能，可以更加灵活地控制系统的潮流及维持系统电压稳定。2.2.2 国内技术发展状况国内对于SVC技术已经研究多年，但都集中在工业和配电领域，容量小，技术指标低，其中TCR型装置约50套，国产化不到三分之一。我国输电网从80年代起
13、，相继从国外引进了6套SVC装置，分别装设于55个500kV变电站，容量分别为105170Mvar。1999年国家电力公司通过科技项目“静止无功补偿器实用化技术的研究”资助电科院继续进行SVC实用化技术的研究，并在大功率晶闸管串联技术、电网接入技术、智能控制技术、电磁兼容技术等方面取得一系列成果。在此之前，国内相关输电系统SVC理论研究及探讨的文章较多，但面向国产化输电系统SVC产品的研究与开发长期缺少实质性的工作。2000年11月，我国第一套500kV串补在徐州三堡变电所东三双回线投入运行；2001年6月，华北电网大房双回线投入运行了我国第二套串补；2003年7月，投资2.2亿元人民币的国内
14、第一套可控串补在天广线平果站投入运行，是世界上首次把可控和固定元件设置在同一平台上的串补工程，也是世界上首次将直接光触发晶闸管阀用于可控串补的工程。2003年底，500kV河池变电站串补工程在贵广交流输电线路中投运。自90年代中期我国开始对可控串补的研究。在国家自然科学基金会、原电力工业部和东北电力集团的资助下，以伊敏500kV交流输电工程为背景，电力科研、设计、生产和高校等十多家单位共同参与，历时4年完成伊冯可控串补研究项目，在一些关键技术上有所突破。2000年国家电力公司下达了可控串补控制器和可控硅阀工业装置研制的项目，目标是实现可控串补装置关键设备的国产化。1995年8月河南省电力局与清
15、华大学完成了300kvar新型静止无功发生器（STATCOM，也称ASVG）中间试验样机的研制，1999年3月30日20Mvar STATCOM工业样机并网试运行。为了进一步推动电力电子的应用和发展，2002年，原国家电力公司下达了3项重点科技项目可控串补国产化工程应用研究、100Mvar SVC国产化工程应用研究和上海电网黄渡分区50Mvar STATCOM示范工程，分别在甘肃电网220kV碧成线、辽宁鞍山红一变和上海电网开展TCSC、SVC和STATCOM示范工程的建设，为可控串补、SVC和STATCOM的工业化打下基础。SVC示范项目已于2004年10月正式交付生产单位运行，甘肃TCSC和上海STATCOM分别将于2004年底和2005年上半年投入运行。此外，大功率电力电子装置实现国产化和自主研究开发能力的提高，不仅为电网建设提供了适用技术与设备，同时还为培育出极具发展前景的新型产业创造了条件。2.3 定制电力技术（DFACTS）定制电力技术（Custom Power），又称为DFACTS技术，即将柔性交流
