電力系統(tǒng)電力電子化帶來(lái)的挑戰(zhàn)

1、電力系統(tǒng)電力電子化帶來(lái)的挑戰(zhàn)上期內(nèi)容：二極管鉗位型三電平變流器的調(diào)制策略 科技前沿電力電子化大背景之下，要以新視角、新理論、新 方法來(lái)解決新形勢(shì)下帶來(lái)的新問(wèn)題，找到新辦法，發(fā)現(xiàn)新機(jī) 遇，以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效、長(zhǎng)期地運(yùn)行。 電力系統(tǒng)中的變流器越來(lái)越多，二者之間的交互作用 ( Interaction )越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行特性的改造也 越來(lái)越明顯。如何分析，如何設(shè)計(jì)，如何控制，如何集成， 才能確保電力電子化的供電系統(tǒng)仍然能夠維持安全、穩(wěn)定、 高效地長(zhǎng)期運(yùn)行？這是擺在電力電子、電力系統(tǒng)等學(xué)科研究 人員面前的世紀(jì)難題。目前亟需針對(duì)電力電子化這一大背景， 首先從理論研究上取得重大突破，從

2、而用新視角、新理論、 新方法來(lái)解決新形勢(shì)下帶來(lái)的新問(wèn)題，找到新辦法，發(fā)現(xiàn)新 機(jī)遇。本文根據(jù) IEEE 電力電子學(xué)會(huì)主席、荷蘭代爾夫特理 工大學(xué) Braham Ferreira 教授的會(huì)議記錄進(jìn)行了整理，與讀 者們分享大師的觀點(diǎn)。 2015 年 9 月，在意大利 Verbania 召 開(kāi)了第 8 屆 The Future of Electronic Power Processing and Conversion 國(guó)際會(huì)議 (FEPPCON VIII 2015) 。本次會(huì)議共有 50 余名全球頂級(jí)的電力電子學(xué)家參與， 對(duì)電力電子領(lǐng)域未來(lái) 10 余年的發(fā)展趨勢(shì)做了科學(xué)的預(yù)測(cè)。 FEPPCON 是一個(gè)

3、小型 的國(guó)際會(huì)議，參與者皆為電力電子領(lǐng)域的大師級(jí)人物，會(huì)議的目標(biāo)是探討電力電子技術(shù)的發(fā)展機(jī)會(huì)以及技術(shù)瓶頸，展望 電力電子學(xué)科的發(fā)展方向，并對(duì)未來(lái)的研究和應(yīng)用等工作提 出具體的意見(jiàn)和方向。 FEPPCON 2015 重點(diǎn)關(guān)注了電力電 子化系統(tǒng)( Power-electronics-enabled Power Systems)的發(fā)展趨勢(shì)，并重點(diǎn)推薦了下述 3 篇論文，分別是意大利帕多 瓦大學(xué) Paulo Mattavelli 教授的“ Interactions of Power Electronics Converters in Distribution Grids: Some Issues an

4、d - Challenges ”，美國(guó)波音公司 Kamiar Karimi 的“ What Are the Bottlenecks and Opportunities of Power Electronics- Based Power Systems ”，以及德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦 國(guó)防軍大學(xué) Rainer Marquardt 的“ Future Requirements for Reliable Networks of Converters”。電力電子化導(dǎo)致了復(fù)雜多樣的“器網(wǎng)”交互作用對(duì)傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電力電子 變流器( Power-electronics Converter )是個(gè)全新的設(shè)備，

5、 且其占有率越來(lái)越高。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要由電感性元件和同步發(fā) 電機(jī)構(gòu)成，且同步發(fā)電機(jī)輸出的電壓幾乎是完美的正弦波。 當(dāng)并網(wǎng)變流器的數(shù)量較少時(shí)，傳統(tǒng)電網(wǎng)可維持自身的運(yùn)行特 性，通常表現(xiàn)出理想電壓源特性，此時(shí)變流器主要與電網(wǎng)發(fā) 生交互作用，且變流器對(duì)電網(wǎng)特性的影響很弱。如今，隨著 并網(wǎng)逆變器滲透率的飛速提升， 變流器與電網(wǎng)之間的“器網(wǎng)” 交互作用以及變流器與變流器之間的交互作用越來(lái)越強(qiáng)烈， 越來(lái)越頻繁，越來(lái)越復(fù)雜。把電網(wǎng)視為理想電壓源的假設(shè)已 經(jīng)不再成立了，電力電子變流器已經(jīng)不再是電網(wǎng)中的小角色 了。電網(wǎng)中的變流器越來(lái)越多，“器網(wǎng)”交互作用越來(lái)越復(fù) 雜，對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行特性的改造也越來(lái)越明顯。如何分

6、析，如何設(shè)計(jì)，如何控制，如何通訊，如何集成，才能確保 變流器大規(guī)模接入之后的電力系統(tǒng)仍然能夠維持安全、穩(wěn)定、 高效地長(zhǎng)期運(yùn)行？這是擺在電力電子、電力系統(tǒng)等學(xué)科研究 人員面前的世紀(jì)難題。 FEPPCON 2015 對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了重 點(diǎn)討論。典型的電力電子化系統(tǒng)公共電網(wǎng)是迄今為止，人類(lèi) 建造的最大、最復(fù)雜的人工網(wǎng)絡(luò)，人類(lèi)活動(dòng)的大部分能源皆 來(lái)自于此。雖然電力電子化是公共電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，但目前 還算不上真正的電力電子化系統(tǒng)( Power-electronics-enabled Power Systems)。因此，本文選取幾個(gè)典型的電力電子化系統(tǒng)來(lái)分析供電系統(tǒng)電力電 子化帶來(lái)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。 1 、微型

7、電網(wǎng) Microgrids 自微網(wǎng)之父 Robert Lasseter 教授提出這一概念之后，在全 球范圍內(nèi)興起了一股強(qiáng)勁的交流微型電網(wǎng)研發(fā)之風(fēng)，各種實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)、示范工程、商業(yè)案例層出不窮，是近十年內(nèi)電力電 子領(lǐng)域最活躍的方向之一。交流微型電網(wǎng)就是典型的電力電 子化電力系統(tǒng)，其典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。眾所周知， 低壓配電網(wǎng)市場(chǎng)已經(jīng)非常成熟了， 競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。 配電網(wǎng)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新和新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)也許將要誕生在微 型電網(wǎng)領(lǐng)域。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、產(chǎn)品供應(yīng)方、能源管理商、 第三方服務(wù)公司來(lái)說(shuō)，微型電網(wǎng)帶來(lái)了非常多的商業(yè)機(jī)會(huì)。 當(dāng)然，微型電網(wǎng)的運(yùn)行控制非常復(fù)雜，普通供電系統(tǒng)的運(yùn)行 維護(hù)人員是否能夠勝任這

8、一復(fù)雜工作仍然是個(gè)未知數(shù)，尤其 是微型電網(wǎng)這種雙向潮流系統(tǒng)，其繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)是個(gè)重大 的技術(shù)挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們至今仍然無(wú)法確切地知道大量微型電 網(wǎng)互聯(lián)之后可能會(huì)發(fā)生什么以及潛在的問(wèn)題出現(xiàn)之后該如 何應(yīng)對(duì)。現(xiàn)有的理論研究工作還不夠深入，物理機(jī)制理解不 深入，系統(tǒng)模型太簡(jiǎn)單，可能的運(yùn)行模式和工作場(chǎng)景分析還 不足，更重要的是還缺乏解決上述問(wèn)題所需要的理論、 方法、 工具。 2 、電力電子化的飛機(jī)電力系統(tǒng) Power-Electronics-Based Power systems 多電飛機(jī)( More Electric Aircraft ， MEA )乃至全電飛機(jī) (All Electric Aircra

9、ft AEA) 的電力系統(tǒng)就是典型的電力電子化電力系統(tǒng)。 MEA、 AEA 是指機(jī)上的主要功率是電功率， 但不排除少量的其他功 率的使用。 MEA 、AEA 能夠顯著減輕飛機(jī)的重量和壽命周期 費(fèi)用，更能提升飛機(jī)系統(tǒng)的可靠性、安全性，是飛機(jī)工業(yè)的 發(fā)展方向。 波音 787 飛機(jī)就采用了典型的電力電子化飛機(jī)電 力系統(tǒng)，該機(jī)型的電力系統(tǒng)使用了大量的電力電子裝置，包 括： 230V 交流變頻起動(dòng) /發(fā)電集成電力系統(tǒng)、電動(dòng)力空調(diào)系 統(tǒng)、機(jī)電一體化的飛行控制器，如下圖所示。波音 787 的電力系統(tǒng)標(biāo)志著電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)取得了重 大突破，解決了若干關(guān)鍵技術(shù)難題，包括：電能質(zhì)量、穩(wěn)定 性、可靠性、電磁干擾

10、、電壓跌落、機(jī)械振動(dòng)、熱管理、效 率管理、局部放電等。這一商用供電系統(tǒng)的成功運(yùn)營(yíng)為電力 電子化電力系統(tǒng)的全面推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。當(dāng)然，如何 有效管理復(fù)雜的電力系統(tǒng)并科學(xué)處理嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)仍然 是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。尤其是未來(lái)的全電飛機(jī)，如何提升電力電 子化系統(tǒng)的功率密度、運(yùn)行效率以及可靠性，同時(shí)不斷地降 低系統(tǒng)成本， 將是未來(lái)的主攻方向。 3、變流器網(wǎng)絡(luò) Networks of Converters 若干變流器經(jīng)過(guò)串聯(lián)、 并聯(lián)或者串并聯(lián)之后形 成的變流器網(wǎng)絡(luò)在協(xié)調(diào)工作的前提下可實(shí)現(xiàn)特定的技術(shù)目 標(biāo)。變流器網(wǎng)絡(luò)通常被稱為模塊化變流器( Modular Converters )，它的最大優(yōu)勢(shì)就是可以根

11、據(jù)應(yīng)用需求方便地通 過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)來(lái)提升變流器網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流等級(jí)。當(dāng)然， 模塊化也帶來(lái)了潛在的威脅，即系統(tǒng)可靠性降低，尤其是故 障條件下的冗余控制執(zhí)行不當(dāng)?shù)臅r(shí)候特別容易導(dǎo)致整個(gè)系 統(tǒng)的失效。不僅如此，變流器網(wǎng)絡(luò)還有個(gè)非常大的問(wèn)題，那 就是容易發(fā)生諧振現(xiàn)象。尤其是并聯(lián)于同一母線的多個(gè)變流 器，經(jīng)常因?yàn)榍岸说臒o(wú)源濾波器而發(fā)生諧振。系統(tǒng)諧振時(shí)， 變流器的動(dòng)態(tài)過(guò)程及其控制策略非常復(fù)雜，系統(tǒng)容易失穩(wěn)。 為了解決這個(gè)問(wèn)題， Rainer Marquardt 教授建議采用下圖所 示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。技術(shù)挑戰(zhàn)經(jīng)過(guò)多次熱烈的討論之后， FEPPCON VIII 2015的與會(huì)專家們達(dá)成了一致意見(jiàn)，認(rèn)為電力系統(tǒng)電力電子

12、化帶 來(lái)了下述重大挑戰(zhàn)： 研究、設(shè)計(jì)的視角需要從單個(gè)裝置分析的層面上升到系統(tǒng)全局優(yōu)化的層面， 采用“先自上而下，再 自下而上”的反復(fù)校驗(yàn)方法，同時(shí)兼顧整體（系統(tǒng)）與局部（裝 置）間的兼容性。系統(tǒng)層面的整體設(shè)計(jì)可能會(huì)犧牲某個(gè)局部 裝置的性能，但卻可以使整個(gè)系統(tǒng)獲得期望的、最優(yōu)的技術(shù) 性能和經(jīng)濟(jì)效益。在此視角之下，變流器是否還需要再執(zhí)行 功率（有功、無(wú)功）均分策略？可再生能源是否必須處于最 大功率跟蹤模式？并網(wǎng)變流器的功率因數(shù)是否必須嚴(yán)格為1？公共母線是否還可假設(shè)為理想電壓源？變流器是否還能工 作在電流源模式？ 需要特別重視電力電子化系統(tǒng)的技術(shù) 經(jīng)濟(jì)性分析和優(yōu)化，制定合理的價(jià)格策略，選擇匹配的技術(shù)

13、 方案，要注意具體問(wèn)題具體分析?？赡苡行?yīng)用場(chǎng)合會(huì)因?yàn)?可靠性或者特定的技術(shù)指標(biāo)要求使用稍貴一點(diǎn)的變流器；而 對(duì)于更多的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，常規(guī)的變流器以及普通的技術(shù)方 案即可滿足要求。特別注意：成本不斷降低、技術(shù)不斷成熟 才是推動(dòng)電力電子化系統(tǒng)走向工業(yè)的根本動(dòng)力。 亟需研究 新的建模技術(shù)和數(shù)學(xué)模型。新的建模技術(shù)和數(shù)學(xué)模型除了考 慮器件、裝置、系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)電氣特性以外，還必須考慮熱 力學(xué)特性、全壽命周期成本、可靠性等因素，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí) 的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制。 亟需開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 跟不上技術(shù)發(fā)展的速度將會(huì)明顯阻礙電力電子化系統(tǒng)的推 廣，尤其是電力電子裝置接入電氣系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)非常重要，這是系

14、統(tǒng)電力電子化的第一步。 如何確保電力電子化的供 電系統(tǒng)仍然能夠維持安全、穩(wěn)定、高效地長(zhǎng)期運(yùn)行？解決這 一問(wèn)題所必須的基礎(chǔ)理論、建模方法、設(shè)計(jì)工具、測(cè)試技術(shù) 都還未真正建立起來(lái)。 電力電子化系統(tǒng)的故障特性與經(jīng)典 電網(wǎng)差異非常大，且潮流是雙向的，因此電力電子化背景下 的傳統(tǒng)繼電保護(hù)方法將失效，而變流器的故障特性分析以及 新形勢(shì)下的繼電保護(hù)技術(shù)等內(nèi)容尚未有效地開(kāi)展研究。 計(jì)及可靠性、經(jīng)濟(jì)性的電力電子化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法幾乎還未開(kāi)展 研究，學(xué)術(shù)界應(yīng)當(dāng)優(yōu)先開(kāi)展這一方面的討論，為工業(yè)界提供 理論參考，因?yàn)榭煽啃?、?jīng)濟(jì)性是工業(yè)應(yīng)用考慮的首要因素。 研究方向針對(duì)電力系統(tǒng)電力電子化帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)，科學(xué)家 們需要首先從

15、理論研究上取得突破， 從而用新視角、新理論、 新方法來(lái)解決新形勢(shì)下帶來(lái)的新問(wèn)題，找到新辦法，發(fā)現(xiàn)新 機(jī)遇。開(kāi)發(fā)若干標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，且標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含常用 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況。為了促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的研發(fā)， IEEE 制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，方便科學(xué)家們針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)來(lái)測(cè)試 新技術(shù)、新方法的性能。目前非常缺乏電力電子化電網(wǎng)的標(biāo) 準(zhǔn)系統(tǒng)，導(dǎo)致科研人員作出的成果無(wú)法在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下 進(jìn)行對(duì)比分析，不便于若干新技術(shù)的迭代更新。開(kāi)發(fā)實(shí)用的、面向系統(tǒng)的建模技術(shù)和數(shù)學(xué)模型，同時(shí)必須考慮多物理 場(chǎng)耦合效應(yīng)，包括電氣部分、熱場(chǎng)部分、經(jīng)濟(jì)效益和可靠性， 此外還得考慮負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性。 研究并網(wǎng)變流器以及大規(guī)模電力電子化電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為特性及其穩(wěn)定性，也許在 開(kāi)始這個(gè)工作之前還必須先建立動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)定性分析所 需要的理論、方法和工具。 研究并網(wǎng)變流器以及大規(guī)模電 力電子化電力系統(tǒng)的