電力系統的“無名醫生”：電力電子無功補償裝置

作者簡介

——唐.白居易

一首《琵琶行》，道出“有”和“無”的辯證關系，于人們的日常生活中無處不在，它們共同譜寫了生命的樂章。就拿我們都經歷過的“體檢”來說，人體最基礎、最核心的兩大指標無疑是心率和血壓。心率是指心臟跳動的頻率，正常人的心率一般在每分鐘60~100次，而心率的快慢則源自人體的內在需求，譬如，在劇烈運動中，人的肌肉、神經都處于激活狀態，此時心率隨之上升，血液循環加速，就能為人體提供更多的物質與能量支持；在炎癥反應下，人體為對抗病毒需耗費更多熱量，心率也居高不下。相比之下，血壓的形成機制則更加復雜，簡而言之，血壓的形成首先離不開心臟的泵血能力，其次，由于血管壁具有一定的彈性，當血液流經血管時，便會對血管壁產生側向壓力。相比于更加穩定、觸手可知的心率而言，血壓更像是一個“幽靈”，看不見也摸不著，在不同的身體部位也存在較大差異，因此需要借助專業的設備才能探知，也往往被人們所忽視。當血壓高時，人體會產生頭暈、頭痛、心悸乃至鼻出血、視物模糊等反應，嚴重時還會損傷臟器。所以，在對形影不離的“孿生兄弟”之中，“看不見的”血壓與“看得見的”心率同樣重要。

圖1、心率和血壓、頻率和電壓的“異曲同工”之處

無獨有偶，電力系統在從一個稚嫩的“孩子”成長為一個肌體強健的“成年人”的過程中，也有一對“身體指標”如同“孿生兄弟”相伴不離，指導著電力系統的健康管理，他們就是“頻率”和“電壓”。交流電力系統的頻率一般有50Hz與60Hz兩種，我國主要采用50Hz頻率，相當于每隔0.02秒，電力系統的心臟就“跳動”一次，在電力系統中，頻率是唯一的，無論是電壓等級500kV的“大動脈”，還是電壓等級220V的“毛細血管”，系統頻率都是50Hz。相較之下，電力系統的電壓卻顯得“各自為政”，例如，從電源側送出的電壓為標準值，到了末端電網，就有可能出現“高血壓”的問題，這是因為電力電纜、架空線路本身具有分布式電容，線路輕空載狀態下，這些分布式電容就像是隱藏在沿線的“升壓器”，不知不覺之間將沿線的電壓不斷抬高，這種于無聲中影響電壓的能力，我們將稱其為“無功”。舉一反三，我們也可以推知，假如線路處于重載狀態下，僅僅依靠導線提供的無功不足以支撐末端電網的電壓，電力系統也會出現“低血壓”的問題。

圖2、架空輸電線路中的分布式電容示意圖

無功不足導致電壓崩潰，曾給電力系統的正常運行帶來了不小的麻煩。例如1978年法國電網電壓崩潰，1987年日本東京電壓崩潰事件，都是由于用電負荷急速攀升，電力系統無功不足造成的大停電事故。因此，看不見也摸不著的無功，對電力系統的安全穩定運行至關重要，我們需要通過運用合理的措施，來“補償”電力系統的無功缺額。為此，電力“醫生”針對電網電壓問題開出一系列“良方”，從最初的機械投切式電容電抗器，到先進的“特效藥”：電力電子無功補償裝置，最終有效地解決了這一頑瘴痼疾。

圖3、典型日的風電、光伏發電曲線示意圖。

在電力系統無功出現缺額的區域配置機械投切式電容器或電抗器是最經濟，最常見的“升壓藥”和“降壓藥”，電容器能夠有效地平衡感性負荷對電壓的拉降作用，電抗器能補償線路充電功率對電壓的抬升作用。然而，機械式投切的無功補償設備存在兩個方面的問題：一是開關設備易“勞損”，若投切操作的速度較慢甚至開關“罷工”，可能造成“病情蔓延”。二是無法實現平滑調節，只有“投”與“不投”兩種選擇，難以追蹤電壓的實時變化精準“給藥”。在傳統的電力系統中，這些問題或許并不凸顯。到了新能源快速發展、大規模接入電網的今天，由于風電、光伏出力存在隨機性，波動性，風電是個“夜貓子”，光伏更愛“鋤禾日當午”，這就給電力系統的安全穩定運行帶來了更大挑戰。電力電子開關器件具有快速響應能力，能夠將設備開斷時間縮短至毫秒級，無疑為系統無功電壓平衡提供了強大助力。

圖4、一種無功補償裝置（STATCOM）的拓撲結構示意圖

在這個龐大的“家族”中，既有簡單的晶閘管投切電容器TSC，可控串聯補償器TCSC、它們以電力電子快速開關替代傳統機械開關，實現電容電感的快速投切，也有更為先進的靜止型無功補償器SVC、靜止同步補償器STATCOM，統一潮流控制器UPFC，它們既能提供大量無功，又能使快速響應能力提升一個數量級。上述這些無功補償器都由最基本的電力電子開關單元構成，譬如，英飛凌公司生產的晶閘管器件與IGBT器件，就是組成上述各類“拼圖”的原始“積木”之一。

“拼圖”的拓撲結構從簡單到復雜，功能也由“低端”邁向“高端”，理所應當的，價格也由低廉變得昂貴。因此，電力電子無功補償裝置要獲得長足發展，其產學研用就要放在“刀刃上”，一是要擺在電力系統的關鍵位置，二是要不斷研發新技術提升半導體開關的速斷能力與可靠性，三是要加快提升工業化生產能力，實現市場價格穩中有降。

相信在不久的將來，通過一代又一代“電力醫生”的努力，電力電子無功補償裝置可以進一步走進人們的日常生活，讓我們在享受新能源發電帶來便利的同時，以“潤物細無聲”的姿態點亮千家萬戶，助力電力系統安全穩定高效運行，以“無功”助“有功”，于“無為”顯“有為”。