柔性化電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展
韓民曉 范溢文
（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院）
本世紀(jì)初以來，電力系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列重要變化?？稍偕茉创罅拷尤腚娋W(wǎng)，遠(yuǎn)距離電力傳輸發(fā)揮重要作用，電能替代不斷推進(jìn)。電力系統(tǒng)對安全穩(wěn)定與供電質(zhì)量要求日益提高，越來越需要能夠?qū)ζ鋽?shù)量及質(zhì)量進(jìn)行靈活有效的控制。作者針對這一變化，曾在十余年前提出了“柔性化電力技術(shù)”的概念[1]。目前，得到廣泛認(rèn)可的“雙高”電力系統(tǒng)（高比例可再生能源發(fā)電、高比例電力電子設(shè)備）、電力電子化電力系統(tǒng)的提法都印證了這一觀點。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)本質(zhì)上呈現(xiàn)出剛性的特質(zhì)：發(fā)、供、用必須同時完成，時刻嚴(yán)格保持總功率的平衡。各機組之間必須嚴(yán)格同步，偏離額定頻率數(shù)值較大意味著機組失步，甚至電網(wǎng)解列。電網(wǎng)的潮流只能由電網(wǎng)參數(shù)被動決定，難以依據(jù)電網(wǎng)運行需要對潮流進(jìn)行有效控制。電網(wǎng)的供電模式單一，電能質(zhì)量只能實現(xiàn)離散方式的靜態(tài)調(diào)節(jié)。電力負(fù)荷調(diào)節(jié)特性差，難以實現(xiàn)高效與優(yōu)化的調(diào)節(jié)。隨著我國能源領(lǐng)域綠色替代、電能替代及能源互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，遠(yuǎn)距離大容量電力傳輸與控制需求的不斷增長、不同用戶供電質(zhì)量需求的不斷提升，電力系統(tǒng)柔性化發(fā)展成為更為迫切的需求。電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)是指以電力電子技術(shù)為核心，結(jié)合儲能技術(shù)及信息技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)中電能的變換與控制，形成更為安全穩(wěn)定、質(zhì)量可控、綠色高效的電力系統(tǒng)。
一、電力系統(tǒng)柔性化的支撐技術(shù)
柔性化電力技術(shù)是基于電力電子技術(shù)，在電能的產(chǎn)生、輸送與應(yīng)用各個環(huán)節(jié)能夠?qū)﹄娔艿臄?shù)量和形態(tài)進(jìn)行快速精確控制的技術(shù)。它在直流輸電、柔性交流輸電、配網(wǎng)層面電能質(zhì)量控制等技術(shù)發(fā)展中提供了思路和方案。該技術(shù)的實現(xiàn)是以電力電子技術(shù)為核心的多種技術(shù)的結(jié)合，如儲能技術(shù)、信息處理與控制技術(shù)等。
01、電力電子器件技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
柔性電力技術(shù)的核心依賴于電力電子技術(shù)的發(fā)展，而電力電子技術(shù)包括器件、電路與系統(tǒng)三個層次，其中器件的發(fā)展和應(yīng)用是整個電力電子技術(shù)的基石。
表1 電力電子器件技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)
未來，電力電子器件的發(fā)展趨勢是高電壓、大電流、低功耗、高開關(guān)速度，而這些特性在一個器件上往往難于全面體現(xiàn)。目前，不斷有新材料和新器件在已存在器件上進(jìn)行復(fù)合，使各種器件的某些優(yōu)點得到發(fā)揮，這就造就了各式各樣的電力電子器件。它們在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著不同的電能變換與控制作用，參見圖1。
圖1 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域
電力電子器件性能的提升離不開材料、工藝的不斷發(fā)展。寬禁帶半導(dǎo)體被看作未來可帶來電能控制重大變革的技術(shù)，得到各國電力電子研究者的重視。寬禁帶半導(dǎo)體器件材料的綜合性能及工藝的成品率成為該領(lǐng)域的重要研發(fā)內(nèi)容。
02、換流電路及其發(fā)展
柔性電力技術(shù)的應(yīng)用是通過各種電力變換及其控制實現(xiàn)的。在電力的產(chǎn)生、輸送和相關(guān)用電設(shè)備的控制電路中，涉及到交流電力或直流電力的不同形式間的相互轉(zhuǎn)換。交流電力可能為幅值、頻率或相數(shù)不同的交流電，直流電力可能為幅值不同的直流電。換流電路的發(fā)展可分為以下三個時代：
1.整流器時代
整流器是將交流電通過相位控制轉(zhuǎn)換為直流電的裝置，較為典型的領(lǐng)域有電解、牽引以及直流傳動。大功率整流器可將工頻交流電向直流電實施有效的轉(zhuǎn)化，該應(yīng)用在上世紀(jì)六、七十年代得到了很大發(fā)展，這是電力電子換流器發(fā)展的第一個時代。這個時期也開啟了基于晶閘管的直流輸電的發(fā)展。
2.逆變器時代
逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變交流電的設(shè)備。20世紀(jì)80年代以來，隨著變頻調(diào)速裝置的普及與應(yīng)用，門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率逆變用的晶閘管和巨型功率晶體管（GTR）逐漸成為主要的電力電子器件。上述器件的發(fā)展與應(yīng)用推進(jìn)了電壓源型直流輸出、靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)入娏﹄娮釉O(shè)備的發(fā)展。
3.變頻器時代
隨著微控制器技術(shù)與組合變換技術(shù)的發(fā)展，電機驅(qū)動迎來了變頻器應(yīng)用的黃金時期。變頻器的發(fā)展標(biāo)志著電力電子技術(shù)可實現(xiàn)多種形式的電能之間便利且精確地相互轉(zhuǎn)換。高壓大容量變頻器開發(fā)的成功，為電力電子器件通過模塊化組合實現(xiàn)大功率變換提供了技術(shù)支撐?；谀K化多電平（MMC）技術(shù)的換流器在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。
03、儲能技術(shù)
傳統(tǒng)電能的使用必須時刻遵循“供需平衡”的原則，而柔性電力技術(shù)思想下的電網(wǎng)對高比例可再生能源的吸納、電能質(zhì)量靈活控制與變換的特點，對儲能技術(shù)的應(yīng)用提出重要的需求。下面針對柔性化技術(shù)中的幾類儲能技術(shù)給予說明。
抽水蓄能技術(shù)是利用電能與水力勢能相互轉(zhuǎn)換的蓄能技術(shù)，是目前國內(nèi)外各電力公司采用的一項大規(guī)模實用技術(shù)，常用于調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用、黑啟動等。一般的抽水蓄能功率等級可達(dá)幾十萬千瓦，使用壽命可達(dá)30年?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)實現(xiàn)的可變速抽水蓄能技術(shù)效率可達(dá)75%?？勺兯俪樗钅軝C組具有調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度高及快速功率響應(yīng)能力，可充分滿足電網(wǎng)自動頻率控制及含大規(guī)模可再生能源電網(wǎng)運行調(diào)節(jié)的暫態(tài)響應(yīng)要求。
飛輪蓄能是利用旋轉(zhuǎn)物體所具有的動能存貯能量的技術(shù)，其變換裝置是通過發(fā)電電動機及電力電子裝置實現(xiàn)的。飛輪儲能功率密度高，使用壽命可達(dá)25年，轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)90%以上，優(yōu)于抽水蓄能技術(shù)。但持續(xù)放電時間僅為分鐘級，能量密度低，是典型的功率型儲能技術(shù)。
電池蓄能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲、使用時再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的蓄能技術(shù)。由于直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電能只能是直流形式，因而交直流變換器是這種蓄能系統(tǒng)的重要組成部分。電池蓄能技術(shù)效率高噪音低污染小、不受規(guī)模效應(yīng)的制約、暫態(tài)特性好、負(fù)荷追隨性能強、造價低。但電池蓄能系統(tǒng)需要相應(yīng)的交直流變換與控制設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。在高密度人口和建筑中心設(shè)置高密度、大容量且化學(xué)過程復(fù)雜的電池蓄能系統(tǒng)必然給都市設(shè)施安全管理帶來新的課題。
超導(dǎo)蓄能(SMES)是利用電流在處于超導(dǎo)狀態(tài)的線圈中流通，以磁場形式存儲電能的方式，這種蓄能方式源于超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用。目前，超導(dǎo)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括超導(dǎo)發(fā)電機、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器及SMES等。相比其他蓄能方式，只有一些中小型SMES投入商業(yè)運行。
04、信息處理與控制技術(shù)
信息技術(shù)的發(fā)展為電力變換與傳輸中的控制提供了有效的手段。柔性電力技術(shù)中電力電子器件的狀態(tài)是通過一系列的信息處理與控制環(huán)節(jié)后觸發(fā)的，其功能的實現(xiàn)離不開功能強大、穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)。電力電子裝置的控制技術(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展也愈加復(fù)雜。過去多使用模擬控制技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，后來數(shù)字控制技術(shù)依托微處理器及其外圍電路的升級得到不斷發(fā)展，并逐漸取代模擬控制。隨著電力半導(dǎo)體器件不斷地向高頻、高效和智能化方向發(fā)展，電力電子控制系統(tǒng)的實時性要求越來越高。廣泛采用的硬件平臺，包括可編程邏輯器件(PLD－Programmable Logic Device)、數(shù)字系統(tǒng)處理芯片（DSP－Digital Signal Processing）及工業(yè)控制器（IPC－Industrial Personal Computer）通常用以完成相關(guān)控制工作。
在電力領(lǐng)域，基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，構(gòu)成具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)，形成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（UPIoT）體系，對電力系統(tǒng)發(fā)揮作用更加方便社會各行業(yè)領(lǐng)域信息與技術(shù)的共享、交流與發(fā)展。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的作用符合在配電領(lǐng)域的發(fā)展，它已廣泛應(yīng)用于智能傳感器、設(shè)備狀態(tài)檢修、智能終端保護(hù)、安全防護(hù)加密等場景，有效提高了配電環(huán)節(jié)可靠性、安全性。
二、發(fā)電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)
01、光伏發(fā)電
光伏發(fā)電中電力電子變換電路的形式通常有工頻變壓器方式、高頻連接方式及無變壓器方式，如圖2所示。工頻變壓器方式采用工頻隔離，具有造價低、不宜小型輕量化等特點。高頻連接方式采用高頻逆變后，通過變壓器隔離，再經(jīng)過整流逆變與系統(tǒng)相連，體積相對較小，但存在造價高、效率較低等問題。無變壓器方式通過升壓斬波器、逆變器和濾波器，直接與電力系統(tǒng)相連，造價適中，宜于小型輕量化。
圖2 光伏發(fā)電變壓器連接方式
為了充分利用太陽能和發(fā)揮光伏發(fā)電裝置的作用，在技術(shù)上要使太陽電池的輸出始終處于最大功率點及其附近，即控制變換器的輸入電壓工作在最大功率點電壓上。實現(xiàn)最大功率追蹤的電路通常采用DC/DC變換器，通過開關(guān)器件導(dǎo)通率的調(diào)整，使太陽能電池最大功率點電壓與負(fù)載電壓相匹配。
02、風(fēng)力發(fā)電
風(fēng)能具有波動性和隨機性，無法存儲，因而無法像傳統(tǒng)能源利用中那樣，在保持一次能源相對穩(wěn)定的情況下產(chǎn)生電能，這就要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有很強的調(diào)節(jié)能力和適應(yīng)性，這正是柔性化技術(shù)的核心。風(fēng)力發(fā)電機按異步型和同步型分類，可以分為鼠籠式異步發(fā)電機、雙饋風(fēng)力發(fā)電機、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機三種，其機組控制特性構(gòu)成對比如表2所示。
表2 風(fēng)力發(fā)電機的種類與特性
可以看出，對于當(dāng)下常見的雙饋風(fēng)力發(fā)電機和高性能的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，電力電子技術(shù)的應(yīng)用已是重要環(huán)節(jié)。尤其在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機中使用到了全功率逆變器，并且通過解耦控制可以完成對有功無功的獨立控制，同時改善電網(wǎng)性能。隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的提升，風(fēng)力發(fā)電機的控制性能也越來越好。
03、燃料電池
燃料電池等溫地按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。它不經(jīng)過熱機過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，幾乎不產(chǎn)生NOx和SOx的排放，且CO2的排放量也比常規(guī)發(fā)電廠少。正是由于這些突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)備受各國政府與大公司的重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。目前能源發(fā)展趨勢需要對大功率可再生能源存儲，也就要使用大量的高容量電池。由于電化學(xué)電池對環(huán)境有不好的影響，且造價昂貴，利用電解制氫，即通過分解水產(chǎn)生氫氣并進(jìn)行儲存，再通過燃料電池轉(zhuǎn)換為電能，是更為簡單可行的解決辦法。
氫研究所(HRI)開發(fā)了一套系統(tǒng)，將可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生的能量以氫氣形式進(jìn)行儲存，如圖3所示。該系統(tǒng)包括直流負(fù)載母線、風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池板、燃料電池系統(tǒng)和氫轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。連接到直流母線的降壓DC-DC變換器用于將母線電壓降低到適合電解的電壓水平。電解水獲得的氫氣被儲存在一個特殊的儲存管中。儲存的氫氣通過燃料電池(PEMFC)轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池產(chǎn)生的能量通過升壓DC-DC變換器傳輸?shù)较到y(tǒng)直流母線。
圖3 氫循環(huán)與可再生能源系統(tǒng)[2]
04、微型燃?xì)廨啓C（MGT）
燃?xì)廨啓C利用氣體作為工質(zhì)在燃燒室里燃燒，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的內(nèi)能。在汽缸里，氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，燃?xì)飧咚賴姵?，沖擊葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪驅(qū)動主軸，再帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。為了獲得較高的發(fā)電效率，燃?xì)廨啓C的主軸轉(zhuǎn)速通常達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)/分，其產(chǎn)生的電能頻率達(dá)數(shù)百赫茲，無法與電網(wǎng)直接相連，必須通過交直、直交變換才能聯(lián)網(wǎng)或供給用電設(shè)備。再加上這類裝置需要電動啟動，變換裝置還需具備雙向流通的能力。這就使得其中變流器具有較復(fù)雜的功能，典型電路示例如圖4所示。圖中，電池B用作能量緩沖及無電網(wǎng)送電時始動之用。
圖4 燃?xì)廨啓C電力變換電路
三、輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)
01、直流輸電技術(shù)
直流輸電技術(shù)是柔性化技術(shù)在電力系統(tǒng)輸電領(lǐng)域中應(yīng)用最早同時也是最成熟的技術(shù)。從高壓直流輸電的發(fā)展來看，1954年世界上第一個直流輸電工程投入商業(yè)運行，采用汞弧閥換流技術(shù)的第一代直流輸電由此誕生。20世紀(jì)70年代，基于晶閘管的換流閥在直流輸電領(lǐng)域得到應(yīng)用標(biāo)志著第二代輸電技術(shù)產(chǎn)生。我國的柔性直流輸電工程技術(shù)研究與應(yīng)用相比世界起步較晚，但發(fā)展迅速。到2005年，國內(nèi)的研究基本還都集中在兩電平換流器柔性直流輸電的系統(tǒng)建模與仿真分析等方面，對于工程技術(shù)的研究少有涉及。2006年開始，國內(nèi)相關(guān)研究單位與西門子公司幾乎同步開展了基于MMC的柔性直流輸電工程技術(shù)研究，并在理論、技術(shù)、設(shè)備、試驗、系統(tǒng)集成等方面取得了一系列的自主創(chuàng)新成果[3]。我國第一個真正意義上的柔性直流輸電工程——上海南匯柔性直流輸電工程于2011年投運，實現(xiàn)了我國柔性直流輸電技術(shù)從無到有的突破。經(jīng)過多年的發(fā)展，到現(xiàn)在張北柔直示范工程的建立，再次證明了我國在柔性直流輸電整體技術(shù)研究、工程應(yīng)用等方面均已達(dá)到世界先進(jìn)水平。
02、FACTS技術(shù)
FACTS是現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。它采用大功率電力電子元件替代機械式的高壓開關(guān)，可以按系統(tǒng)需要迅速調(diào)整電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個主要電氣參數(shù)：電壓、功率角和電路阻抗，以達(dá)到合理分配輸送功率、合理控制電壓，降低功率損耗和發(fā)電成本的目的，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。靜止無功補償器SVG、靜止同步補償器STATCOM和晶閘管控制的串聯(lián)電容器TCSC等都是FACTS中主要的控制器。FACTS技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了互聯(lián)電網(wǎng)之間互為備用，對減少冷熱備用容量、優(yōu)化潮流分布的系統(tǒng)參數(shù)、減少大電網(wǎng)中的環(huán)流、提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性等方面有所裨益，輸電線上傳輸?shù)墓β士梢栽诮咏鼰岱€(wěn)定極限的情況下滿足安全經(jīng)濟(jì)運行的要求。
四、配電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)
隨著能源問題的日益重要及對供電可靠性要求的提高，為滿足用戶的電能質(zhì)量需要和支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行，常會在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的發(fā)電機組，即設(shè)立分布式電源。然而，分布式電源的并網(wǎng)運行會給主電網(wǎng)帶來一系列問題，包括電壓波動、直流偏磁、高次諧波等問題，這對配電環(huán)節(jié)中的電能質(zhì)量和直流配電等問題提出更高的技術(shù)要求。
01、電能質(zhì)量控制
電能質(zhì)量控制的核心是能夠?qū)┯秒娤到y(tǒng)的電力進(jìn)行控制、變換，為用戶或供電方提供滿足要求、質(zhì)量合格、效能最佳的電力。完成這種控制與變換的關(guān)鍵就是各具特色的電力電子器件及其控制電路。與電能質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的電力電子器件正在向高耐壓、大電流、低損耗及高頻化方向發(fā)展。特高壓直流輸電系統(tǒng)在我國大規(guī)模新能源發(fā)電遠(yuǎn)距離外送和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)中起到越來越重要的作用，但其采用的相控逆變裝置給落點電網(wǎng)帶來的諧波污染不可忽視。此外，三相不平衡和低電壓等穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題已十分明顯與突出。
目前，諧波控制技術(shù)主要包括無源和有源兩種類型。無源諧波控制技術(shù)關(guān)鍵是添加了無源濾波器?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的有源電力濾波器（APF），其控制思想是減少由諧波源產(chǎn)生的諧波或不產(chǎn)生諧波，主要包括使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）和增加變流裝置相數(shù)或脈沖數(shù)?；陬愃扑枷氲钠渌D(zhuǎn)換器包括級聯(lián)H橋，高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器和矩陣轉(zhuǎn)換器。目前，這類設(shè)備主要使用并聯(lián)接入待處理網(wǎng)絡(luò)，如并聯(lián)無源三相不平衡補償器，并使用TCR+TSC進(jìn)行不平衡負(fù)載的三相補償?shù)取，F(xiàn)狀分析表明，“低電壓”問題在我國的中低壓配電網(wǎng)中最為嚴(yán)重?；诜植际诫娫椿騼δ茉O(shè)備的治理技術(shù)可有效地減少線路上的有功損耗，這應(yīng)成為將來解決低電壓問題的重要方向。
02、直流配用電
與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)的要素組成差異不大，但在很多方面優(yōu)勢顯著。例如，交流系統(tǒng)配電方式通常為三相，而直流系統(tǒng)只有正極和負(fù)極。地或海水通常用作負(fù)極，并且以單極形式運行，從而節(jié)省了線路投資；直流系統(tǒng)中沒有相位、頻率、無功功率和其他因素，因此各個子系統(tǒng)之間沒有異步問題和無功補償要求。隨著分布式電源、小型微電網(wǎng)和電動汽車的出現(xiàn)，直流配電網(wǎng)絡(luò)也可以實現(xiàn)其平穩(wěn)有效接入，并且在潮流控制方面比交流系統(tǒng)更加靈活方便。
但是，由于使用了大量的電力電子設(shè)備，太陽能、風(fēng)能、海洋能等分布式新能源的出力隨機性和間歇性都會成為干擾。直流配電網(wǎng)通過優(yōu)化電力電子變流設(shè)備接口的控制策略來提高系統(tǒng)的電源質(zhì)量是一種相對經(jīng)濟(jì)的方法?？刂颇Ｊ降倪x擇將極大地影響操作和運行帶來的問題?；诟倪M(jìn)型控制器的VSC，在一定程度保證正常的線路電流，有效解決了直流配電網(wǎng)運行方式切換引起的一系列問題。
五、用電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)
從電力系統(tǒng)的角度看，電力電子技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上改變了用電方式，改變了負(fù)荷特性，對電力系統(tǒng)的設(shè)計、分析與運行帶來新的變化。
01、電能替代與電力負(fù)荷的電力電子化
在負(fù)荷側(cè)，最主要的變化是分布式電源和儲能裝置的接入。大量新型負(fù)荷如數(shù)據(jù)中心、計算機設(shè)備、LED照明等需要直流電源；以變頻調(diào)速為主要內(nèi)容的電力驅(qū)動、城市軌道交通與電氣化軌道快速發(fā)展下電力牽引領(lǐng)域需要應(yīng)用電力電子換流技術(shù)；用戶側(cè)小型分布式發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)與存儲、微電網(wǎng)、電動汽車充電系統(tǒng)的快速發(fā)展，讓未來用戶用電在可靠性、便利性、效能等方面與電網(wǎng)進(jìn)行更為頻繁的交互。這些場景為電力電子化變革提供了極大的發(fā)展空間，對電力電子技術(shù)在用電側(cè)的適應(yīng)性提出了新要求。
02、負(fù)荷電力電子化對電力系統(tǒng)的影響
隨著電力系統(tǒng)中的電力電子化設(shè)備占比升高，設(shè)備與系統(tǒng)、設(shè)備與設(shè)備之間的交互作用趨于復(fù)雜，對電力系統(tǒng)運行特性的改變也愈加明顯。電力負(fù)載的電力電子化從兩個方面對電力系統(tǒng)的運行帶來影響，一是電力電子用電設(shè)備會向電網(wǎng)注入諧波，這些諧波在電網(wǎng)中的傳播與放大可能造成電力系統(tǒng)設(shè)備的發(fā)熱、振動甚至損壞。電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)必須滿足一定的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，必要時采用適宜的濾波措施等是減少諧波影響的有效方法。電力負(fù)荷的電力電子化的另一個影響是與其表現(xiàn)出的恒功率負(fù)特性密切相關(guān)的。電力電子負(fù)載具有很強的調(diào)節(jié)特性，通過調(diào)制比的控制可實現(xiàn)恒功率運行，這種恒功率表現(xiàn)為負(fù)電阻特性，因此會降低系統(tǒng)阻尼進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。面對電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷快速更新變化及出現(xiàn)的新問題，又需采用以電力電子為基礎(chǔ)的綜合技術(shù)加以解決，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運行。
六、柔性化電力技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展
01、柔性化電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出的典型問題
電力系統(tǒng)的柔性化必然伴隨著可再生能源的大量接入，電能的遠(yuǎn)距離、大范圍配置及電能替代的快速推進(jìn)，由此形成目前給予廣泛關(guān)注的“雙高”電力系統(tǒng)。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在具有可控性好，運行靈活、高效、高質(zhì)量的同時，也存在下述問題[5]：
1.低慣量：柔性化電力系統(tǒng)通過電力電子變流器接入大量可再生能源電力。這些可再生能源機組不再具備傳統(tǒng)同步機組基于旋轉(zhuǎn)動能的慣量響應(yīng)特性。盡管許多研究已提出了諸多基于控制的頻率支撐/虛擬慣量技術(shù)，但由于缺少持續(xù)能量支撐，它們的作用是有限的，并且可能會影響設(shè)備的效率和靈活性。
2.過載能力低：受電力電子器件本身過流能力的限制，柔性電力系統(tǒng)對頻率和電壓偏差的耐受能力不足?？稍偕茉礄C組的頻率和電壓耐受上限與常規(guī)火電機組有較大差距，使得這類機組在系統(tǒng)頻率或電壓大幅波動情況下容易脫網(wǎng)，給系統(tǒng)穩(wěn)定帶來不利影響。
3.多時間尺度：柔性電力系統(tǒng)中可再生能源功率的波動是數(shù)分鐘到幾十分鐘，機械動態(tài)過程時間尺度在幾百毫秒到幾秒，而電力電子的動態(tài)響應(yīng)時間為數(shù)毫秒，因此，整個系統(tǒng)為多時間尺度系統(tǒng)。對于這類多時間尺度系統(tǒng)的建模、仿真與控制是一個新的挑戰(zhàn)。
4.非線性：電力電子設(shè)備中的開關(guān)器件是通過高頻離散脈沖觸發(fā)控制的，考慮到限幅及飽和特性，電力電子設(shè)備具有很強的非線性特質(zhì)。雖然傳統(tǒng)的控制理論較為完善地解決了線性系統(tǒng)的控制，但對含有大量電力電子設(shè)備的柔性化電力系統(tǒng)的控制目前還沒有系統(tǒng)的理論。
5.寬頻振蕩：柔性電力系統(tǒng)中包含大量特性各異的電力電子設(shè)備。這些設(shè)備的開關(guān)頻率、控制方式、并網(wǎng)參數(shù)有較大差別，又相互作用。在一定條件下可能發(fā)生耦合振蕩。振蕩的頻率分布可能從數(shù)十赫茲到數(shù)千赫茲，形成寬頻振蕩。
02、柔性化電力系統(tǒng)的發(fā)展
對于上述問題的解決成為未來電力系統(tǒng)柔性化發(fā)展的重要內(nèi)容。針對低慣量系統(tǒng)，可采用新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理的儲能配置及新的可再生能源并網(wǎng)控制策略；對于過載能力低的問題，可以考慮優(yōu)化功率器件配置、采取更為有效的保護(hù)與控制策略及單元冗余等技術(shù)進(jìn)行防范。多時間尺度問題，涉及建模、仿真與控制等各個方面，可采用頻率變換、時間尺度解耦進(jìn)行分析。也可針對所要解決的核心問題，選擇合理的研究方法與研究工具，提示有效的方案。非線性問題與寬頻振蕩問題是密切相關(guān)的?？梢罁?jù)振蕩的頻段、擾動的大小，采用時域或頻域的方法進(jìn)行分析?？蓮脑O(shè)備參數(shù)優(yōu)化、控制策略優(yōu)化等方面提出振蕩抑制的方案。
在低碳環(huán)保壓力和經(jīng)濟(jì)性約束下，電力負(fù)荷的內(nèi)生增長動力促使能源規(guī)劃繼續(xù)向高比例可再生能源方向發(fā)展，電力規(guī)劃也將圍繞可再生能源的時空分布和分布式與儲能雙向互動進(jìn)行，這將有效促進(jìn)分布式能源、儲能、電能替代等技術(shù)的大力發(fā)展。這些發(fā)展一方面對電力系統(tǒng)的柔性化提出更為迫切的需求，另一方面也將進(jìn)一步促進(jìn)電力系統(tǒng)柔性化技術(shù)的進(jìn)步。新型大容量半導(dǎo)體功率器件的出現(xiàn)和運用、經(jīng)濟(jì)高效儲能方式的廣泛應(yīng)用及基于IoT 的信息技術(shù)的發(fā)展，必然為柔性電力技術(shù)的進(jìn)步注入新的活力。柔性電力系統(tǒng)的未來將更為綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效。
參考文獻(xiàn)：
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[2]M. E. ?ahin, H. I. Okumu?, and M. T. Aydemir, “Implementation of an electrolysis system with DC/DC synchronous buck converter,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 39, no. 13, pp. 6802–6812, 2014.
[3]湯廣福,賀之淵,龐輝.柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(15):3-14.
[4]謝文強,韓民曉,嚴(yán)穩(wěn)利,王超,袁棟.考慮恒功率負(fù)荷特性的直流微電網(wǎng)分級穩(wěn)定控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,2019,34(16):3430-3443.
[5]謝小榮,賀靜波,毛航銀,李浩志.“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的新問題及分類探討[J/OL].中國電機工程學(xué)報:1-15[2020-12-07].
圖片
原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年12月25日第49、50期
