電力系統(tǒng)電力電子化帶來的挑戰(zhàn)

羅文驥 2016-07-25

展開全文

科技前沿

電力電子化大背景之下，要以新視角、新理論、新方法來解決新形勢下帶來的新問題，找到新辦法，發(fā)現(xiàn)新機遇，以實現(xiàn)供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效、長期地運行。

電力系統(tǒng)中的變流器越來越多，二者之間的交互作用（Interaction）越來越復(fù)雜，對傳統(tǒng)電網(wǎng)運行特性的改造也越來越明顯。如何分析，如何設(shè)計，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、高效地長期運行？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，從而用新視角、新理論、新方法來解決新形勢下帶來的新問題，找到新辦法，發(fā)現(xiàn)新機遇。本文根據(jù)IEEE電力電子學(xué)會主席、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Braham Ferreira教授的會議記錄進(jìn)行了整理，與讀者們分享大師的觀點。

2015年9月，在意大利Verbania召開了第8屆The Future of Electronic Power Processing and Conversion國際會議(FEPPCON VIII 2015)。本次會議共有50余名全球頂級的電力電子學(xué)家參與，對電力電子領(lǐng)域未來10余年的發(fā)展趨勢做了科學(xué)的預(yù)測。

FEPPCON是一個小型的國際會議，參與者皆為電力電子領(lǐng)域的大師級人物，會議的目標(biāo)是探討電力電子技術(shù)的發(fā)展機會以及技術(shù)瓶頸，展望電力電子學(xué)科的發(fā)展方向，并對未來的研究和應(yīng)用等工作提出具體的意見和方向。

FEPPCON 2015重點關(guān)注了電力電子化系統(tǒng)（Power-electronics-enabled Power Systems）的發(fā)展趨勢，并重點推薦了下述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 and -Challenges”，美國波音公司Kamiar Karimi的“What Are the Bottlenecks and Opportunities of Power Electronics-Based Power Systems”，以及德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(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

對傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)來說，電力電子變流器（Power-electronics Converter）是個全新的設(shè)備，且其占有率越來越高。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要由電感性元件和同步發(fā)電機構(gòu)成，且同步發(fā)電機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，傳統(tǒng)電網(wǎng)可維持自身的運行特性，通常表現(xiàn)出理想電壓源特性，此時變流器主要與電網(wǎng)發(fā)生交互作用，且變流器對電網(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越強烈，越來越頻繁，越來越復(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)中的變流器越來越多，“器—網(wǎng)”交互作用越來越復(fù)雜，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運行特性的改造也越來越明顯。如何分析，如何設(shè)計，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、高效地長期運行？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對該問題進(jìn)行了重點討論。

典型的電力電子化系統(tǒng)

公共電網(wǎng)是迄今為止，人類建造的最大、最復(fù)雜的人工網(wǎng)絡(luò)，人類活動的大部分能源皆來自于此。雖然電力電子化是公共電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，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，本文選取幾個典型的電力電子化系統(tǒng)來分析供電系統(tǒng)電力電子化帶來的挑戰(zhàn)和機遇。

1、微型電網(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)興起了一股強勁的交流微型電網(wǎng)研發(fā)之風(fēng)，各種實驗平臺、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)市場已經(jīng)非常成熟了，競爭十分激烈。配電網(wǎng)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新和新的市場機會也許將要誕生在微型電網(wǎng)領(lǐng)域。對于網(wǎng)絡(luò)運營商、產(chǎn)品供應(yīng)方、能源管理商、第三方服務(wù)公司來說，微型電網(wǎng)帶來了非常多的商業(yè)機會。

當(dāng)然，微型電網(wǎng)的運行控制非常復(fù)雜，普通供電系統(tǒng)的運行維護人員是否能夠勝任這一復(fù)雜工作仍然是個未知數(shù)，尤其是微型電網(wǎng)這種雙向潮流系統(tǒng)，其繼電保護的設(shè)計是個重大的技術(shù)挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們至今仍然無法確切地知道大量微型電網(wǎng)互聯(lián)之后可能會發(fā)生什么以及潛在的問題出現(xiàn)之后該如何應(yīng)對?，F(xiàn)有的理論研究工作還不夠深入，物理機制理解不深入，系統(tǒng)模型太簡單，可能的運行模式和工作場景分析還不足，更重要的是還缺乏解決上述問題所需要的理論、方法、工具。

2、電力電子化的飛機電力系統(tǒng)Power-Electronics-Based Power systems

多電飛機（More Electric Aircraft，MEA）乃至全電飛機(All Electric Aircraft，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能夠顯著減輕飛機的重量和壽命周期費用，更能提升飛機系統(tǒng)的可靠性、安全性，是飛機工業(yè)的發(fā)展方向。

波音787飛機就采用了典型的電力電子化飛機電力系統(tǒng)，該機型的電力系統(tǒng)使用了大量的電力電子裝置，包括：230V交流變頻起動/發(fā)電集成電力系統(tǒng)、電動力空調(diào)系統(tǒng)、機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、電壓跌落、機械振動、熱管理、效率管理、局部放電等。

這一商用供電系統(tǒng)的成功運營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)仍然是個巨大的挑戰(zhàn)。尤其是未來的全電飛機，如何提升電力電子化系統(tǒng)的功率密度、運行效率以及可靠性，同時不斷地降低系統(tǒng)成本，將是未來的主攻方向。

3、變流器網(wǎng)絡(luò)Networks of Converters

若干變流器經(jīng)過串聯(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)勢就是可以根據(jù)應(yīng)用需求方便地通過串聯(lián)、并聯(lián)來提升變流器網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流等級。當(dāng)然，模塊化也帶來了潛在的威脅，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候特別容易導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效。

不僅如此，變流器網(wǎng)絡(luò)還有個非常大的問題，那就是容易發(fā)生諧振現(xiàn)象。尤其是并聯(lián)于同一母線的多個變流器，經(jīng)常因為前端的無源濾波器而發(fā)生諧振。系統(tǒng)諧振時，變流器的動態(tài)過程及其控制策略非常復(fù)雜，系統(tǒng)容易失穩(wěn)。為了解決這個問題，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)過多次熱烈的討論之后，F(xiàn)EPPCON VIII 2015的與會專家們達(dá)成了一致意見，認(rèn)為電力系統(tǒng)電力電子化帶來了下述重大挑戰(zhàn)：

■ 研究、設(shè)計的視角需要從單個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)校驗方法，同時兼顧整體（系統(tǒng)）與局部（裝置）間的兼容性。系統(tǒng)層面的整體設(shè)計可能會犧牲某個局部裝置的性能，但卻可以使整個系統(tǒng)獲得期望的、最優(yōu)的技術(shù)性能和經(jīng)濟效益。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)濟性分析和優(yōu)化，制定合理的價格策略，選擇匹配的技術(shù)方案，要注意具體問題具體分析。可能有些應(yīng)用場合會因為可靠性或者特定的技術(shù)指標(biāo)要求使用稍貴一點的變流器；而對于更多的應(yīng)用場合來說，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)不斷成熟才是推動電力電子化系統(tǒng)走向工業(yè)的根本動力。

■ 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，以實現(xiàn)系統(tǒng)級的優(yōu)化設(shè)計與控制。

■ 亟需開展標(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、高效地長期運行？解決這一問題所必須的基礎(chǔ)理論、建模方法、設(shè)計工具、測試技術(shù)都還未真正建立起來。

■ 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)繼電保護方法將失效，而變流器的故障特性分析以及新形勢下的繼電保護技術(shù)等內(nèi)容尚未有效地開展研究。

■ 計及可靠性、經(jīng)濟性的電力電子化系統(tǒng)設(shè)計方法幾乎還未開展研究，學(xué)術(shù)界應(yīng)當(dāng)優(yōu)先開展這一方面的討論，為工業(yè)界提供理論參考，因為可靠性、經(jīng)濟性是工業(yè)應(yīng)用考慮的首要因素。

研究方向

針對電力系統(tǒng)電力電子化帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)，科學(xué)家們需要首先從理論研究上取得突破，從而用新視角、新理論、新方法來解決新形勢下帶來的新問題，找到新辦法，發(fā)現(xiàn)新機遇。

■ 開發(fā)若干標(biāo)準(zhǔn)測試系統(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)家們針對標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)來測試新技術(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法在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行對比分析，不便于若干新技術(shù)的迭代更新。

■ 開發(fā)實用的、面向系統(tǒng)的建模技術(shù)和數(shù)學(xué)模型，同時必須考慮多物理場耦合效應(yīng)，包括電氣部分、熱場部分、經(jīng)濟效益和可靠性，此外還得考慮負(fù)荷的動態(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)的動態(tài)行為特性及其穩(wěn)定性，也許在開始這個工作之前還必須先建立動態(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)的故障特性，建立“器—網(wǎng)”交互作用分析的一般性分析方法和基本概念，開發(fā)相應(yīng)的繼電保護技術(shù)和裝置。

■ 在系統(tǒng)層面上來考慮變流器的保護問題，而不是僅僅只從設(shè)備自身來談保護，必須從“利己”的保護模式向負(fù)責(zé)任的“利己利他”模式轉(zhuǎn)變。變流器保護絕對不能只是安裝幾個保險絲那么簡單了，必須將變流器的保護作為變流器控制以及系統(tǒng)性能設(shè)計的一部分。

■ 建立電力電子化電力系統(tǒng)分析、設(shè)計、控制、通訊、保護等研發(fā)所需要的基本術(shù)語，對若干關(guān)鍵術(shù)語進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義。統(tǒng)一語言才能有效促進(jìn)相關(guān)的研究和應(yīng)用。