电力系统电力电子化带来的挑战

上期内容：二极管钳位型三电平变流器的调制策略

科技前沿

电力电子化大背景之下，要以新视角、新理论、新方法来解决新形势下带来的新问题，找到新办法，发现新机遇，以实现供电系统安全、稳定、高效、长期地运行。

电力系统中的变流器越来越多，二者之间的交互作用（Interaction）越来越复杂，对传统电网运行特性的改造也越来越明显。如何分析，如何设计，如何控制，如何集成，才能确保电力电子化的供电系统仍然能够维持安全、稳定、高效地长期运行？这是摆在电力电子、电力系统等学科研究人员面前的世纪难题。

目前亟需针对电力电子化这一大背景，首先从理论研究上取得重大突破，从而用新视角、新理论、新方法来解决新形势下带来的新问题，找到新办法，发现新机遇。本文根据IEEE电力电子学会主席、荷兰代尔夫特理工大学Braham Ferreira教授的会议记录进行了整理，与读者们分享大师的观点。

2015年9月，在意大利Verbania召开了第8届The Future of Electronic Power Processing and Conversion国际会议(FEPPCON VIII 2015)。本次会议共有50余名全球顶级的电力电子学家参与，对电力电子领域未来10余年的发展趋势做了科学的预测。

FEPPCON是一个小型的国际会议，参与者皆为电力电子领域的大师级人物，会议的目标是探讨电力电子技术的发展机会以及技术瓶颈，展望电力电子学科的发展方向，并对未来的研究和应用等工作提出具体的意见和方向。

FEPPCON 2015重点关注了电力电子化系统（Power-electronics-enabled Power Systems）的发展趋势，并重点推荐了下述3篇论文，分别是意大利帕多瓦大学Paulo Mattavelli教授的“Interactions of Power Electronics Converters in Distribution Grids: Some Issues and -Challenges”，美国波音公司Kamiar Karimi的“What Are the Bottlenecks and Opportunities of Power Electronics-Based Power Systems”，以及德国慕尼黑联邦国防军大学Rainer Marquardt的“Future Requirements for Reliable Networks of Converters”。

电力电子化导致了复杂多样的“器—网”交互作用

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对传统的供电系统来说，电力电子变流器（Power-electronics Converter）是个全新的设备，且其占有率越来越高。传统电网主要由电感性元件和同步发电机构成，且同步发电机输出的电压几乎是完美的正弦波。当并网变流器的数量较少时，传统电网可维持自身的运行特性，通常表现出理想电压源特性，此时变流器主要与电网发生交互作用，且变流器对电网特性的影响很弱。如今，随着并网逆变器渗透率的飞速提升，变流器与电网之间的“器—网”交互作用以及变流器与变流器之间的交互作用越来越强烈，越来越频繁，越来越复杂。把电网视为理想电压源的假设已经不再成立了，电力电子变流器已经不再是电网中的小角色了。

电网中的变流器越来越多，“器—网”交互作用越来越复杂，对传统电力系统运行特性的改造也越来越明显。如何分析，如何设计，如何控制，如何通讯，如何集成，才能确保变流器大规模接入之后的电力系统仍然能够维持安全、稳定、高效地长期运行？这是摆在电力电子、电力系统等学科研究人员面前的世纪难题。FEPPCON 2015对该问题进行了重点讨论。

典型的电力电子化系统

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公共电网是迄今为止，人类建造的最大、最复杂的人工网络，人类活动的大部分能源皆来自于此。虽然电力电子化是公共电网发展的趋势，但目前还算不上真正的电力电子化系统（Power-electronics-enabled Power Systems）。因此，本文选取几个典型的电力电子化系统来分析供电系统电力电子化带来的挑战和机遇。

1、微型电网Microgrids
自微网之父Robert Lasseter教授提出这一概念之后，在全球范围内兴起了一股强劲的交流微型电网研发之风，各种实验平台、示范工程、商业案例层出不穷，是近十年内电力电子领域最活跃的方向之一。交流微型电网就是典型的电力电子化电力系统，其典型的系统结构如下图所示。

众所周知，低压配电网市场已经非常成熟了，竞争十分激烈。配电网领域的重大创新和新的市场机会也许将要诞生在微型电网领域。对于网络运营商、产品供应方、能源管理商、第三方服务公司来说，微型电网带来了非常多的商业机会。

当然，微型电网的运行控制非常复杂，普通供电系统的运行维护人员是否能够胜任这一复杂工作仍然是个未知数，尤其是微型电网这种双向潮流系统，其继电保护的设计是个重大的技术挑战。科学家们至今仍然无法确切地知道大量微型电网互联之后可能会发生什么以及潜在的问题出现之后该如何应对。现有的理论研究工作还不够深入，物理机制理解不深入，系统模型太简单，可能的运行模式和工作场景分析还不足，更重要的是还缺乏解决上述问题所需要的理论、方法、工具。

2、电力电子化的飞机电力系统Power-Electronics-Based Power systems

多电飞机（More Electric Aircraft，MEA）乃至全电飞机(All Electric Aircraft，AEA)的电力系统就是典型的电力电子化电力系统。MEA、AEA是指机上的主要功率是电功率，但不排除少量的其他功率的使用。MEA、AEA能够显著减轻飞机的重量和寿命周期费用，更能提升飞机系统的可靠性、安全性，是飞机工业的发展方向。

波音787飞机就采用了典型的电力电子化飞机电力系统，该机型的电力系统使用了大量的电力电子装置，包括：230V交流变频起动/发电集成电力系统、电动力空调系统、机电一体化的飞行控制器，如下图所示。

波音787的电力系统标志着电力电子系统集成技术取得了重大突破，解决了若干关键技术难题，包括：电能质量、稳定性、可靠性、电磁干扰、电压跌落、机械振动、热管理、效率管理、局部放电等。

这一商用供电系统的成功运营为电力电子化电力系统的全面推广奠定了良好的基础。当然，如何有效管理复杂的电力系统并科学处理严苛的技术指标仍然是个巨大的挑战。尤其是未来的全电飞机，如何提升电力电子化系统的功率密度、运行效率以及可靠性，同时不断地降低系统成本，将是未来的主攻方向。

3、变流器网络Networks of Converters

若干变流器经过串联、并联或者串并联之后形成的变流器网络在协调工作的前提下可实现特定的技术目标。变流器网络通常被称为模块化变流器（Modular Converters），它的最大优势就是可以根据应用需求方便地通过串联、并联来提升变流器网络的电压、电流等级。当然，模块化也带来了潜在的威胁，即系统可靠性降低，尤其是故障条件下的冗余控制执行不当的时候特别容易导致整个系统的失效。

不仅如此，变流器网络还有个非常大的问题，那就是容易发生谐振现象。尤其是并联于同一母线的多个变流器，经常因为前端的无源滤波器而发生谐振。系统谐振时，变流器的动态过程及其控制策略非常复杂，系统容易失稳。为了解决这个问题，Rainer Marquardt教授建议采用下图所示的系统结构。

技术挑战

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经过多次热烈的讨论之后，FEPPCON VIII 2015的与会专家们达成了一致意见，认为电力系统电力电子化带来了下述重大挑战：

■ 研究、设计的视角需要从单个装置分析的层面上升到系统全局优化的层面，采用“先自上而下，再自下而上”的反复校验方法，同时兼顾整体（系统）与局部（装置）间的兼容性。系统层面的整体设计可能会牺牲某个局部装置的性能，但却可以使整个系统获得期望的、最优的技术性能和经济效益。在此视角之下，变流器是否还需要再执行功率（有功、无功）均分策略？可再生能源是否必须处于最大功率跟踪模式？并网变流器的功率因数是否必须严格为1？公共母线是否还可假设为理想电压源？变流器是否还能工作在电流源模式？

■ 需要特别重视电力电子化系统的技术经济性分析和优化，制定合理的价格策略，选择匹配的技术方案，要注意具体问题具体分析。可能有些应用场合会因为可靠性或者特定的技术指标要求使用稍贵一点的变流器；而对于更多的应用场合来说，常规的变流器以及普通的技术方案即可满足要求。特别注意：成本不断降低、技术不断成熟才是推动电力电子化系统走向工业的根本动力。

■ 亟需研究新的建模技术和数学模型。新的建模技术和数学模型除了考虑器件、装置、系统的动静态电气特性以外，还必须考虑热力学特性、全寿命周期成本、可靠性等因素，以实现系统级的优化设计与控制。

■ 亟需开展标准规范的制定。标准规范跟不上技术发展的速度将会明显阻碍电力电子化系统的推广，尤其是电力电子装置接入电气系统的相关标准非常重要，这是系统电力电子化的第一步。

■ 如何确保电力电子化的供电系统仍然能够维持安全、稳定、高效地长期运行？解决这一问题所必须的基础理论、建模方法、设计工具、测试技术都还未真正建立起来。

■ 电力电子化系统的故障特性与经典电网差异非常大，且潮流是双向的，因此电力电子化背景下的传统继电保护方法将失效，而变流器的故障特性分析以及新形势下的继电保护技术等内容尚未有效地开展研究。

■ 计及可靠性、经济性的电力电子化系统设计方法几乎还未开展研究，学术界应当优先开展这一方面的讨论，为工业界提供理论参考，因为可靠性、经济性是工业应用考虑的首要因素。

研究方向

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针对电力系统电力电子化带来的技术挑战，科学家们需要首先从理论研究上取得突破，从而用新视角、新理论、新方法来解决新形势下带来的新问题，找到新办法，发现新机遇。

■ 开发若干标准测试系统，且标准系统应当包含常用的拓扑结构、运行工况。为了促进传统电网的研发，IEEE制定了一系列标准系统，方便科学家们针对标准系统来测试新技术、新方法的性能。目前非常缺乏电力电子化电网的标准系统，导致科研人员作出的成果无法在统一的标准环境下进行对比分析，不便于若干新技术的迭代更新。

■ 开发实用的、面向系统的建模技术和数学模型，同时必须考虑多物理场耦合效应，包括电气部分、热场部分、经济效益和可靠性，此外还得考虑负荷的动态特性。

■ 研究并网变流器以及大规模电力电子化电力系统的动态行为特性及其稳定性，也许在开始这个工作之前还必须先建立动态特性与稳定性分析所需要的理论、方法和工具。

■ 研究并网变流器以及大规模电力电子化电力系统的故障特性，建立“器—网”交互作用分析的一般性分析方法和基本概念，开发相应的继电保护技术和装置。

■ 在系统层面上来考虑变流器的保护问题，而不是仅仅只从设备自身来谈保护，必须从“利己”的保护模式向负责任的“利己利他”模式转变。变流器保护绝对不能只是安装几个保险丝那么简单了，必须将变流器的保护作为变流器控制以及系统性能设计的一部分。

■ 建立电力电子化电力系统分析、设计、控制、通讯、保护等研发所需要的基本术语，对若干关键术语进行标准化定义。统一语言才能有效促进相关的研究和应用。