作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自彭宇維的投稿。

“別有幽愁暗恨生，此時無聲勝有聲”。

——唐.白居易

一首《琵琶行》，道出“有”和“無”的辯證關(guān)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(jīng)歷過的“體檢”來說，人體最基礎(chǔ)、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(nèi)在需求，譬如，在劇烈運動中，人的肌肉、神經(jīng)都處于激活狀態(tài)，此時心率隨之上升，血液循環(huán)加速，就能為人體提供更多的物質(zhì)與能量支持；在炎癥反應(yīng)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(fù)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(jīng)血管時，便會對血管壁產(chǎn)生側(cè)向壓力。相比于更加穩(wěn)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(yè)的設(shè)備才能探知，也往往被人們所忽視。當血壓高時，人體會產(chǎn)生頭暈、頭痛、心悸乃至鼻出血、視物模糊等反應(yīng)，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(tǒng)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(dǎo)著電力系統(tǒng)的健康管理，他們就是“頻率”和“電壓”。交流電力系統(tǒng)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(tǒng)的心臟就“跳動”一次，在電力系統(tǒng)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(tǒng)頻率都是50Hz。相較之下，電力系統(tǒng)的電壓卻顯得“各自為政”，例如，從電源側(cè)送出的電壓為標準值，到了末端電網(wǎng)，就有可能出現(xiàn)“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(tài)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(tài)下，僅僅依靠導(dǎo)線提供的無功不足以支撐末端電網(wǎng)的電壓，電力系統(tǒng)也會出現(xiàn)“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(dǎo)致電壓崩潰，曾給電力系統(tǒng)的正常運行帶來了不小的麻煩。例如1978年法國電網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，我們需要通過運用合理的措施，來“補償”電力系統(tǒng)的無功缺額。為此，電力“醫(yī)生”針對電網(wǎng)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(fā)電曲線示意圖。

在電力系統(tǒng)無功出現(xiàn)缺額的區(qū)域配置機械投切式電容器或電抗器是最經(jīng)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(shè)備存在兩個方面的問題：一是開關(guān)設(shè)備易“勞損”，若投切操作的速度較慢甚至開關(guān)“罷工”，可能造成“病情蔓延”。二是無法實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，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(tǒng)的電力系統(tǒng)中，這些問題或許并不凸顯。到了新能源快速發(fā)展、大規(guī)模接入電網(wǎng)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(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了更大挑戰(zhàn)。電力電子開關(guān)器件具有快速響應(yīng)能力，能夠?qū)⒃O(shè)備開斷時間縮短至毫秒級，無疑為系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(lián)補償器TCSC、它們以電力電子快速開關(guān)替代傳統(tǒng)機械開關(guān)，實現(xiàn)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(tǒng)一潮流控制器UPFC，它們既能提供大量無功，又能使快速響應(yīng)能力提升一個數(shù)量級。上述這些無功補償器都由最基本的電力電子開關(guān)單元構(gòu)成，譬如，英飛凌公司生產(chǎn)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。

圖5、一種由英飛凌公司生產(chǎn)的IGBT三相橋式封裝電路及其拓撲結(jié)構(gòu)（圖片源自英飛凌官網(wǎng)）

“拼圖”的拓撲結(jié)構(gòu)從簡單到復(fù)雜，功能也由“低端”邁向“高端”，理所應(yīng)當?shù)模瑑r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(fā)展，其產(chǎn)學(xué)研用就要放在“刀刃上”，一是要擺在電力系統(tǒng)的關(guān)鍵位置，二是要不斷研發(fā)新技術(shù)提升半導(dǎo)體開關(guān)的速斷能力與可靠性，三是要加快提升工業(yè)化生產(chǎn)能力，實現(xiàn)市場價格穩(wěn)中有降。

相信在不久的將來，通過一代又一代“電力醫(yī)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(fā)電帶來便利的同時，以“潤物細無聲”的姿態(tài)點亮千家萬戶，助力電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運行，以“無功”助“有功”，于“無為”顯“有為”。