新一代電網中多源多變換復雜交直流系統的基礎問題

肖湘寧

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學) 北京 102206)

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新一代電網中多源多變換復雜交直流系統的基礎問題

肖湘寧

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學) 北京 102206)

首先從國內外能源發展角度出發，探討新能源廣泛利用給電力系統帶來的多源多變換特性，并據此對新一代電網的組成與結構進行描述。在此基礎上，詳細討論了新一代電網發展中的6個顯著特點，重點分析其核心問題之一——電力系統電力電子化及其包含的5項關鍵技術，并總結和提煉出多源多變換復雜交直流系統中需要重點研究的基礎問題，為新一代電網電力電子技術的進步與發展提出了指導性建議。

新能源 多源多變換 電力電子 關鍵技術 基礎問題

0 引言

能源是國家經濟增長和社會發展的重要支柱。自20世紀80年代以來，在諸多因素的主導與推動下，能源行業的技術基礎、組織結構與經濟模式一直處于逐漸變革的狀態，以期最終建立起更加高效、安全與可持續的環境友好型能源利用模式，從而解決能源資源配置這一人類社會面臨的重大難題[1]。美國能源機構認為，今后10年內，全球能源需求估計會增長50%以上，其中工業化國家的需求將增長23%，發展中國家因起點低，能源需求量將增長1倍以上，特別是中國的能源需求量增長將非常突出，必然影響全球能源市場，發達國家與發展中國家及美國與歐洲國家之間爭奪世界能源資源的局面可能會加劇[2]。

電能作為一種可靈活方便使用的二次能源形式，一直是人們關注和研究能源問題的重點。根據美國能源信息部發布的《年度能源評估2011》，如圖1所示，在其一次能源的消費結構表中約有40%的一次能源是經轉變為電能后再利用，電能在能源消費結構中占據主導地位，其中約31%的天然氣，54%的可再生能源，92%的煤轉換為電能，而原子能則完全以電能的形式利用[3]。

圖1 美國2011年一次能源消費結構[3]Fig.1 Structure of primary energy consumption of U.S.in 2011[3]

另一方面，2014年全球新能源發展報告表明(見圖2)[4]：① 2013年全球發電量能源類型構成中，化石燃料發電量占全球總發電量的比重為70%，與2012年70.5%相比略有下降，而新能源發電在2013年仍延續了高速增長的趨勢，同比增速達13%，占全球發電量總額的5.2%，與總體發電量增速緩慢形成對比；② 2013年全球發電累計裝機容量達到5 733.2 GW，新增裝機容量280 GW，中國累計裝機容量達到1 247 GW，躍居世界第一，新增裝機容量超過100 GW，增速9%，其中非化石燃料裝機新增容量58.3 GW，所屬風電和光伏新增裝機容量分別為16.1 GW和12 GW。截止到2013年，中國可再生能源總裝機容量(不包括水力發電)為116 GW，位居世界第一，其后依次為美國、德國、西班牙、意大利及印度[5]。世界各能源消耗大國均致力于可再生能源的開發與利用，中國在緊跟發達國家發展步伐的同時正走出一條獨特的發展道路。

綜上所述，開發利用新能源、節能減排、建設新一代電網已成為世界許多國家，包括中國在內的能源發展的重要戰略部署[2]，并逐漸產生了以清潔能源和電能替代為主導的能源開發理念，以期提高能源的利用率和應對全球能源環境危機。

圖2 2013年世界各國可再生能源發電量累計裝機容量[5]Fig.2 Renewable power capacities in countries of the world in 2013[5]

總結以上發展特點和關鍵技術需求，為適應能源發展戰略和新能源利用，未來新一代電力系統將呈現出電源類型多、電能變換形式多、電力變換器數量多以及負荷類型需求多的“新概念電網”。圖3構想了新一代電網中多源多變換復雜交直流系統的組成框架。在電源側，除了傳統的大型火力和水力發電基地外，還包括規模化風電和規模化光伏發電基地，它們均通過電力電子變換器集中并網。這些大規模集中式發電廠通常距離負荷中心較遠，因此需要大容量、高電壓、遠距離電力輸送。特(超)高壓交流或多端柔性直流輸電、固定或可控串聯補償是提高遠距離輸電能力和電網功率靈活控制能力的經濟有效措施，也是未來輸電網構架的基本組成單元。在配網側，除了傳統的通過電力電子變換器從系統取用電能的無源負荷外，還包含同樣經過電力變換器接入配網的中小型風力發電和光伏發電等分布式電源以及由分布式電源、儲能、負荷構成的以變換器作為接口的微電網系統。未來電網將從傳統的發、輸、配、荷的垂直單一模式，轉變為含多電力電子變換的功率與信息雙向流動模式。因此面對這一革命性變化，新一代電網中新的科學基礎問題以及新的關鍵技術將被不斷提出，并將引起極大關注。本文首先總結和分析了新一代電網發展的6個顯著特點，然后提出了其核心問題——電力電子化中包含的5項關鍵技術，最后詳細討論和梳理了多源多變換復雜交直流系統中的基礎問題。

圖3 新一代電網的框架構想Fig.3 Frame vision for a new generation of power grid

1 新一代電網發展的6個顯著特點

1.1 新能源發電成為主導能源的進程加快

支持新能源快速發展已成為各國未來能源計劃的重要決策，可以預見，未來電力系統中可再生能源必將逐步由替代能源成為主導能源。美國作為傳統的能源消耗大國，計劃在未來10年投資1 500億美元建立“清潔能源研發基金”，用于太陽能、風能、生物燃料和其他清潔可替代能源項目的研發和推廣，將為使用此類能源的企業提供250～450億美元的稅收優惠，有助于增加500萬就業崗位；未來3年內可再生能源產量增加1倍，2012年所占發電比例由目前的8%提高到10%，2025年增至25%[2]。歐盟作為世界最大的經濟實體之一，同樣在大力推動著智能電網框架下的可再生能源規劃，計劃在2020年，20%的電能消費由可再生能源提供，完成35%的可再生能源無縫并網，并實現20%的能效提高和20%的二氧化碳減排的目標[6]，并計劃在2050年通過包括可再生能源的零碳發電實現至少80%的溫室氣體減排[7]。

中國正處于工業化、城鎮化加速發展時期，能源需求持續增加，雖然對可再生能源的開發起步較晚，但已將發展可再生能源作為減少能源貧困、增加能源供給、改善能源結構的重要途徑，并通過立法將可再生能源列為能源發展的優先領域[8]。《可再生能源發展“十二五”規劃》(2011)的具體目標為：到2015年，可再生能源發電量達到總發電量的20%以上，可再生能源供熱與民用燃料總計年替代化石能源約1億噸標準煤，建立30個新能源微電網示范工程，100個新能源示范城市及200個綠色能源示范縣[9]。

2014中美氣候變化聯合聲明指出：美國計劃于2025年實現在2005年基礎上減排26%～28%的全經濟范圍目標。中國計劃2030年前后二氧化碳排放達到峰值，并將努力早日達峰，計劃到2030年非化石能源占一次能源消費比重提高到約20%。中美雙方均計劃繼續努力并逐步加大力度，其增速可能還會加快。

1.2 垂直一體化的電網基礎結構繼續發展

在百年發展歷程中逐漸形成的垂直一體化電網結構一直是世界各國電力網絡的主導架構，其對電力的實時供應及供需平衡、擴大電力供應范圍、實現資源的優化配置有著巨大的支撐作用。在已有的成熟的垂直一體化電網的基礎上，通過繼續加強和拓展電網構成的深度與適用范圍，發展適應于新一代電網特點的網絡架構，無疑是一種極為穩妥可行、降低建設成本和易見成效的發展途徑。

不同國家和地區的電力系統發展進程不同，具體的改造與建設方法也存在差異，但總體而言，可在原有垂直一體網架結構和新型平面互動結構兩個方面發展。以美國為例，由于其電網建成時間早，電力設備及基礎設施嚴重老化，加之電力建設投資不足，發生電力阻塞的輸電線路增加，大停電事故頻繁發生。為了實現電網的升級改造，建造新一代電力系統，美國能源部曾組織眾多部門和機構召開會議(2003年與2004年)，提出了未來電網“Grid 2030”計劃[10]與具體的路線圖[11]，計劃在現有網絡上，利用多種先進輸電技術，通過國家主干網將東西海岸、加拿大及墨西哥聯系起來，主干網可用于在國家層面上進行電力調度和配置，并開始實施美國東西部地區背靠背多端聯網。歐洲也相繼制定了“歐洲海上Super Grid”計劃(2006年)[12]、“北海各國海上風電計劃”(the North Seas Countries Offshore Grid Initiative，NSCOGI，2008年)等未來電網規劃，在歐洲超級電網宏偉藍圖下，通過將周邊不同經緯度國家的風電、太陽能發電及水電聯合起來互連互送，以期實現電能的互聯網有序利用。

我國能源稟賦與消耗逆向分布的現狀與矛盾比之其他大國或區域更為突出，未來20年，將主要圍繞煤電基地和水電基地的電力外送以及部分跨國輸電的需要，形成“西電東送”、“北電南供”的基本電力流向，并通過特高壓交直流輸電技術和手段實現三華電力網絡的建設與運行。

1.3 分散式合作平面化微網群逐漸興起

對于新能源的利用，除了上述垂直一體化模式的大規模集中并網遠距離輸送至用電端外，另一種有效方式是構成中小規模的新能源分布式微電網，實現新能源的就地消納。美國調查公司Navigant Research于2014年12月初發布了“全球分布式能源部署預測”的報告，報告中指出，22世紀來自于分布式發電的全球收入將翻倍，從2014年的970億美元到2023年超過1820億美元。在這期間，分布式發電容量將達到1 213 GW。這種分布式發電的廣泛使用，促進了電網尤其是配電網，通過汲取互聯網的信息流理念，向分散式平面化的方向發展。而在發展過程中，分布式電源的利用方式成為必須考慮的一個關鍵因素，其既要在負荷需求增加時及時投入有效供電并維持系統的電壓和頻率，又要在負荷需求降低時減少發電或是將多余電能貯存起來。各分布式電源需要通過相互之間的協調控制共同實現對電網的可靠供電。為了實現分布式發電的即插即用，首先需要將地域或電氣距離上相對集中的分布式電源構成一個整體。一個有效的方法是構成微網或微(納)網群，它能有效集成各種分布式電源，并實現能源的有序和充分調配利用，既能自治運行單獨對負荷供電，又可并入主網送出其多余的電力。實現能源就地取用和即插即用，需要在微網中通過合理的能量控制與管理，將一部分控制權交給分布式發電單元，各虛擬發電廠根據上層的微網中央管理器的調度指令改變其運行狀態和返回協調控制信息，實現各分布式電源的有效利用。

1.4 高技術、多樣性強非線性負荷比例增加

現代社會中，電力驅動技術和信息技術產業迅猛發展，電動艦船、電力機車、電動汽車、超級云計算和大數據中心、半導體照明等多樣性高技術含量負荷層出不窮。為了滿足其電能轉換與消耗的需求，符合生產工藝流程和產品質量的要求，亦或為了提高勞動生產率和降低能源消耗成本，對供電電源的電壓、電流和頻率，甚至其原有的交變波形都因用電設備的不同要求而改變。例如，機械加工中的感應加熱設備適宜用中高頻交流電源供電；化學工業中的電解、電鍍需要低壓直流電源供電；大量通信設備需要低壓直流電源；超大規模的集成電路芯片制造需要直流低壓大電流條件；廣泛應用的交流電動機速度調節則需要改變原有的單一工頻頻率為可調整的頻率范圍提供驅動電力；而發射機、快速充電設備等則要求有大功率脈沖電源[13]。凡此種種，都依賴于現代電力電子換流與功率控制技術，據估計，未來將有90%的電力需要經過電力變換后使用[14]，因此含有電力變換中間接口裝置的高技術、多樣性、強非線性負荷數量急劇增加。

1.5 功率變換系統高級技術成為關鍵

功率變換的目的是電力的靈活控制和智能化管理，利用先進的功率變換技術可實現能源的大范圍轉移，提升系統的運行調控能力和電網的靈活運行能力，保證大規模間歇式新能源發電的可靠接入；通過智能能量管理，可提高電能輸送及電網運行的運行效率及安全穩定水平。新一代電網中的功率變換高級技術主要包括柔性直流輸電及多端直流輸電技術、主動定制電力技術和智能化電氣裝備。

1)柔性直流輸電及多端直流輸電技術。

直流輸電技術在實現遠距離大容量輸電，區域大電網非同步互聯中廣泛應用，從而實現能源的大范圍轉移，提升系統的運行調控能力和電網的靈活運行能力；新型的柔性直流輸電技術克服了傳統直流輸電的諸多缺陷，在新能源發電并網、孤島供電、城市配電網增容等領域具有廣闊的應用前景；基于以上技術的混合輸電及多端直流輸電技術為大區電網提供更多的新型互聯模式，為大城市直流供電的多落點接入提供新思路[15]，為其他形式的新能源接入電網提供新方法[16，17]，為優質電力能量池的建立提供新途徑[18]。

2)主動定制電力技術。

隨著經濟社會的發展，用戶對電網企業的服務理念、服務方式、服務內容和服務質量不斷提出新的更高的要求，除電力成本更低、用電安全可靠等需求外，還希望享受更加個性化、便捷式及互動性強的供電服務和優質電力供應。為了滿足這些需求，為用戶提供量體裁衣的主動定制電力技術應運而生[19]。配電網中越來越多地采用了各類電力電子變換器，可實現可調頻率交流和直流、多電壓等級的能量變換，將電力電子變換技術和配電自動化技術結合起來，以用戶對電力可靠性和電能質量的需求為目標，主動為用戶配置滿意的電力。

3)智能化電氣裝備。

以新能源技術和信息技術相結合為重要特征的能源互聯網最重要的核心內涵是實現可再生能源尤其是分布式可再生能源的大規模利用和共享，實現該目標需要依靠智能化電氣裝備高新技術為保證，這些智能化電氣裝備包括具有虛擬同步發電特性的新能源并網逆變器，實現變換、傳輸與管理的電力電子變壓器(也稱固態變壓器)，保證系統穩定的電氣彈簧等，許多新概念和新方法正在轉換為新的智能設備。其中，固態變壓器(SST)是新能源互聯網中實現能量轉換的核心部件，它具備傳統變壓器所不具有的眾多優點[20]：①SST不僅可完成電壓幅值轉換(如高低電壓等級之間的轉換)，還能實現傳統變壓器無法完成的頻率變換(如不同電壓等級下直流電與交流電之間的變換)；②SST通過提高工作頻率大大縮小了設備的電磁材料尺寸，減輕了重量，降低了成本，可廣泛應用于分布式電力電子設備中，以適應可再生能源互聯網中電力電子裝備多的特點；③由于SST頻率變換和電壓變換的靈活性，利用它可有效阻斷變壓器兩端故障的傳遞。與傳統變壓器只適用于單一頻率、單向電壓傳遞相比，SST可適用于各種情況下的電壓雙向傳遞。

需要注意的是，固態變壓器與智能能量管理系統相結合可構成未來能源互聯網中所謂能量路由器的新概念和新裝備。智能能量管理根據收集的電力局域網、分布式新能源發電和儲能設備狀況以及用戶負荷變化等信息做出能量控制決策，通過控制指令發送給智能固態變壓器執行，重新根據需要調控電力潮流，即智能能量管理借助信息流和電力變換實現對能量流的有序控制。

1.6 電力傳輸與信息傳遞技術相互融合

隨著智能電網的建設和新能源的接入，電力系統已發展成為一個整合了通信系統和人造物理系統的信息物理能量系統(cyber-physical energy system)，電力系統從單向的能量流轉變為能量流、信息流的雙向流動。用于智能控制和管理的先進計量設施(Advanced Metering Infrastructure，AMI)目前正廣泛應用于電力系統中，美國已經在全國范圍內鋪設了1 000個同步相量測量單元和1 500萬只智能電表。2012年，美國的AMI的滲透率已高達30.2%。十二五期間，中國計劃安裝2億只智能電表，目前智能電表的滲透率不足40%，但未來將達到90%。在基礎設施建設逐步完善的前提下，2015年政府工作報告首次提出“制定‘互聯網+’行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場”。這必將大力助推電力與信息融合技術的發展。

然而，由于通信網絡在電力系統的監測、控制和管理中應用十分廣泛，新一代電力系統在網絡安全方面出現了新的脆弱性。文獻[21]介紹了目前國際上發生的3個真實的網絡安全事件(如表1所示)，3個事件中核電廠均遭受了網絡攻擊，其中2010年由Stuxnet病毒引起通過操縱SCADA等控制系統造成的影響最為嚴重。此外，廣域測量系統以及智能電表的廣泛使用對于系統運行者來說增加了系統整體的可觀性，但對于惡意攻擊者來說，也增加了系統整體的攻擊表面，使得信息能量系統的脆弱性問題和安全保障開始得到極大重視。例如，美國能源部指出，解決信息安全問題是提高全國電力系統安全性和可靠性的關鍵。2011年美國工業部門和政府合作提出了實現能量傳遞系統信息安全的發展路線。美國能源部也提出了用于防止能量傳遞系統網絡攻擊的策略。在歐洲，由于各國之間電力的互聯，特別是超級電網的建立，使得當某個國家的某一地區發生故障時，其他國家也將受到一定程度的影響，2006年的一次重大的連鎖電力事故發生于德國，卻波及到了法國、波蘭、意大利等6個國家的500萬人。因此，當信息和通信技術廣泛應用于電力系統而使得系統可能遭受網絡攻擊以后，歐洲更加重視電力系統在信息安全方面的研究。

表1 已發生的電力系統網絡安全事件Tab.1 Cyber security events that has happened in power system

2 電力系統電力電子化及其關鍵技術

2.1 提高交流輸電的功率控制與處理能力

在未來電網的發展過程中，正弦交流電仍是電網的主要電力形式，而與直流輸電不同的是，交流輸電本身并不需要依賴電力電子設備，因此本身也就缺少了靈活控制和主動處理的能力，基于電力電子變換的靈活交流輸電技術(FACTS)的出現和發展彌補了交流輸電在這一方面的缺陷。FACTS除具有功率快速調節能力外，還具有支撐系統電壓、補償系統無功和提高系統暫態穩定性的功能。此外，在與新能源發電或儲能設備相結合后，FACTS裝置的功能更加全面，既可作為新能源并網發電的接口，又可在儲能設備的支撐下，向系統提供可觀急需的有功功率。

2.2(混合式、多端)柔性直流輸電及網架結構

高壓直流輸電是遠距離靈活送電和電網之間解耦互聯的有效手段，隨著大規模間歇性和隨機性新能源接入電網，直流輸電將發揮其特有的功能，并得到更加廣泛的應用。隨著大功率全控型電力電子器件制造及控制技術的發展，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術以其靈活的四象限運行優勢、較強的電壓調節能力和較好的阻尼特性而迅速發展。高壓直流輸電正在由傳統LCC-HVDC輸電轉向LCC-HVDC與VSC-HVDC混合輸電模式和完全的柔性直流輸電模式。在組網方面，多端直流輸電能夠實現多電源供電和多落點受電，能夠實現源網之間以及區域網之間的高度解耦，以實現多點間歇性大規模新能源的并網發電。

2.3 有序供用電與優質電力保障

有序供用電一直是我國電力系統需求側管理領域中的重要內容。在早期，有序用電是主要的研究和管理內容，并利用法律、行政、經濟和技術等手段，通過加強用電管理來改變用戶用電方式，采取錯峰、避峰、輪休、讓電和負控限電等一系列措施，避免無計劃拉閘限電，規范用電秩序，將季節性、時段性電力供需矛盾給社會和企業帶來的不利影響降至最低程度[22]。現今隨著分布式新能源的廣泛接入和電動汽車等新型負荷的規模化應用，有序供電已成為與有序用電同等重要的關鍵技術，如何通過協調微電網群的運行從而保證經濟的、環境友好的電能利用將成為未來電網要解決的主要問題之一。

與電能有序利用緊密關聯的是保證為用戶提供高質量的電力。隨著分布式新能源的廣泛應用和大量電力變換設備接入電網，保證高效電能利用和優質電力供應的任務更加嚴峻，研發電能質量控制裝置和開發新的電能質量治理技術是解決問題的關鍵。

2.4 功率轉換(高頻隔離)系統與微網能源管理

隨著功率轉換系統的進一步發展，在拓撲結構方面，新的功率轉換系統發展迅速，其中較為突出的即為采用高壓碳化硅器件的高頻隔離功率轉換系統，目前主要應用于光伏的并網發電，可實現輸入輸出之間的電氣隔離，與傳統工頻變壓器相比，可顯著提高逆變器系統的功率密度，減小體積和重量。

微網是實現分布式能源高效利用的主動配電網組網形式，各分布式電源、儲能設備及負荷多采用電力電子變換器接入系統，通過能量管理進行協調控制，可實現能量的有序調配。微網的能量管理功能既包括對電網信息、分布式電源信息、儲能信息以及負荷信息的監測、采集與控制，對新能源發電以及負荷需求的預測，又包括發電、儲能與負荷之間的功率調度，同時還包括微網與主網在并網與離網之間的無縫轉換。實現微網的高級能量管理是微網穩定運行、經濟優化調度以及分布式能源高效利用的基礎和前提。

2.5 多電力電子裝置與系統的協調控制運行

已經看到，新一代電網在電源側有規模化新能源的大量并網發電，在輸電側通過FACTS技術提高功率的柔性調節和多條直流輸電形成多端的LCC-HVDC與VSC-HVDC的混合組網方式；在配網側越來越多的分布式新能源將通過并網逆變器接入系統。電力系統逐漸形成發-輸-配各環節電力電子化的趨勢。面對電網的重大變化與需求，一次側功率的合理優化調配和二次側多控制回路的相互協調控制將成為這一復雜系統需要研究和突破的關鍵技術。

3 多源多變換復雜交直流系統中的基礎問題研究

3.1 電力電子裝置和系統的強非線性特性研究

1)強非線性特性問題突出。

引起系統時變非線性特性的原因有3種[23]：①不同拓撲結構間的切換：系統中功率開關元件導通與關斷狀態的組合對應于不同階段，而各階段的本征是電路拓撲結構的切換變化，它是系統具有非線性特性的主要原因；②占空比控制：在閉環控制方法中，功率開關元件導通與關斷的占空比與狀態變量的瞬時值相關，因而會導致系統具有時變非線性特性；③寄生非線性：主要包括開關元件非線性v-i特性、非線性電感和電容以及元件之間的電磁耦合特性等。

在這種強非線性條件下，廣泛應用于傳統電力系統的李亞普諾夫(Lyapunov)穩定性分析方法在電力電子化電力系統中的適用性有待進一步深入研究和論證。

2)非線性(非正弦函數)條件下的功率理論及其應用研究。

以平均功率進行控制，基本能滿足當前的功率/能量控制需求，其與外部系統接口表現為連續的電氣參量，但其物理解釋并不明確；描述非線性條件下的廣義功率理論尚未統一，電能消耗與計量的功率流與物理機制需要重新認識。隨著分布式電源和柔性電力技術的發展、智能電網概念的提出，電源特性、電網絡結構和負荷類型正在發生著巨大變化，電能的經濟高效利用，電能質量的監測評估與控制顯得尤為重要。而這些工作的順利開展無疑需要對已有功率定義的再認識，需要建立完備的功率理論新體系作為基礎支撐。特別在非正弦和三相不平衡條件下，傳統功率定義將失去其普適性，并隨電氣系統非線性化日趨嚴重，這一問題更加突出，已經給電能計量、功率因數校正、設備定容、諧波與無功補償等方面帶來了許多困擾[24]。

3)多物理量、多時間尺度下的電磁現象與過程分析方法與建模研究。

由于快速、可靠、可頻繁動作的大功率開關器件取代了傳統的機械開關，現代電力系統具有如下變化：①可控性強，可方便地實現靈活控制；②使得電力系統中出現了快速的動態過程，超出了傳統的準穩態假定；③電力電子開關的存在及頻繁動作，決定了系統具有變拓撲結構的特性，同時也給電力系統引入了離散事件，使得電力系統中同時包含了連續事件和離散事件，系統的分析復雜化。因而，分別使用相互獨立的電磁暫態仿真程序和機電暫態仿真程序，已難以適應現代電力系統對仿真的需求。

國內外學者嘗試結合機電暫態、電磁暫態兩種仿真方法，希望在仿真規模、計算速度、仿真精確度多個目標間尋求一平衡點。但混合仿真的思想本身即存在不可逾越的誤差，如交互誤差、模型誤差、接口誤差等，尋求多尺度下統一的建模方法可能是另一種演進途徑，筆者認為，采用動態相量法，不僅可仿真分析普通的電力系統動態特性，還能分析存在FACTS或HVDC裝置的電力系統動態特性，既能分析設備或系統的快速電磁暫態過程，又能分析其機電暫態過程，仿真步長介于兩類暫態過程之間，取值靈活，適用于分析快速動態過程。

典型的電力電子系統通常是由電力電子器件構成的功率回路、控制回路和被控制對象3部分組成。形成這樣一個復雜的非線性數模混合系統，會給設計和參數整定帶來巨大的困難。因此，以往采用的離線數字仿真中的“控制器”與實際控制器間存在差別，包括采樣誤差、通信延時、程序執行延時等因素往往不能得到正確的反映，仿真可信度受到影響，因此，離線數字仿真只能應用在初始階段[25]。國內外已研發出針對電力電子裝置的實時仿真平臺，將實際物理控制器接入到仿真系統中，實現硬件在線閉環測試與參數優化。然而，這些應用中，大多將開關器件理想化，只能反映裝置的次暫態過程，對于不同時間尺度下的時變結構動態過程，無法實現全面的裝置特性分析和物理測試。建立快速通斷下的功率流數學-物理模型，開展多電力電子裝置與系統多時間尺度的統一分析與建模方法以及開關動力學過程的混合建模仿真方法研究非常必要。

4)高頻次諧波和間諧波的發生機理、傳遞規律及其影響研究。

電力電子變換器為了提高其能量轉換效率，減少2 kHz頻帶內的諧波和間諧波，開關頻率大幅提高。這種趨勢使得諧波發射范圍向調制頻率附近的高頻帶轉移。因此，當前在許多電力電子應用領域低于2 kHz的典型諧波分析應擴展到9 kHz[26]。這種問題在大量采用高頻功率轉換系統的未來電網將更加突出，國際社會已經高度關注。另一方面，間諧波的產生機理研究成為熱點，主要集中在：①供電電壓幅值和相角的波動產生邊帶頻率分量；②換流器半導體開關非同步切換等[27]。例如，文獻[28]通過頻域分析和實驗表明，光伏逆變器在與弱系統相連時，有可能產生間諧波[29]。文獻[30，31]的研究結果表明，變頻調速系統、新能源電力變換等采用雙級功率轉換系統的場合有產生間諧波的風險。這一領域的基礎問題研究在我國并未很好開展。

3.2 高壓大容量柔性直流輸電的關鍵技術研究

大功率全控電力電子器件的進步和規模化可再生能源的開發，使得柔性直流輸電得到快速發展。從目前在電網的應用需求上看，未來柔性直流技術的主要發展方向應為高壓大容量、多端與直流組網技術。從柔性直流輸電工程應用角度考慮，傳統電網換相高壓直流輸電(LCC-HVDC)以其技術上和經濟上的獨特優勢，目前在世界范圍內已得到了廣泛應用，并不會就此停滯發展。因此，在未來的電網中必然會形成由VSC-HVDC和LCC-HVDC構成的混合雙饋入或多饋入直流輸電系統的格局，深入研究分析該混合雙饋入或多饋入直流輸電系統的運行機理是極具工程實際價值的[32]。

多端直流輸電的基本原理于20世紀60年代中期被提出，屬于直流組網發展過程中的初級階段，是指由3個以上換流站，通過串聯、并聯或混聯方式連接起來的輸電系統，能夠實現多電源供電和多落點受電，但迄今全世界僅有5個真正意義上的多端常規直流輸電工程[33]。由于柔性直流輸電技術具有潮流翻轉時不改變電壓極性的特點，因此更適合于構成多端直流系統。隨著可關斷器件、直流電纜制造水平的不斷提高，VSC-HVDC將在高壓大容量電能輸送方面成為多端直流輸電及直流電網中最主要的輸電技術[34]。

柔性直流輸電系統，對于直流控制和保護的響應速度的要求比傳統直流輸電系統至少提高一個數量級，特別是暫時性閉鎖的引入使得控制和保護的聯系更加緊密[35]，因而，對于高壓大容量換流器的組合集成方法、具備穿越直流故障能力的新型換流器拓撲結構和換流規律以及混合換流器的耦合機理仍需進一步深入研究，對于直流輸電的關鍵設備，如高壓直流斷路器、大容量DC-DC變壓器、高壓直流電纜、直流傳感器、儲能設備等仍需進一步開發與研制。

3.3 大功率電力電子在電力傳輸中的互作用機理研究

1)混合交直流送出系統中大型火電機組群的次同步振蕩新問題研究。

大型火電機組經固定串聯補償交流線路或高壓直流輸電線路送出可能存在次同步振蕩問題。隨著工業生產的持續發展和國民經濟的穩步增長，面對能源賦存和需求的逆向分布格局，我國電力系統已進入到集中式大型機組群協調運行、超特高壓、超大規模互聯電網正在形成、遠距離、交直流混合輸電的新時代。電網的互聯以及交直流混合輸電一方面由于電網耦合性的增強提高了系統的電氣阻尼[36]，使系統的負阻尼頻率范圍逐漸縮小，正阻尼區域逐漸擴大。另一方面，由于系統規模的擴大以及功率調節設備的增多，系統的擾動也更加頻繁，整個系統由于多種功率調節設備的共同作用而可能進入到弱的電氣阻尼范圍，系統的電氣阻尼特性更加復雜。例如，我國蒙東呼貝系統的大型火電機組群一部分通過HVDC送出，一部分通過混合串補的交流線路送出，多個電廠的多臺機組的多個模態呈現出弱的電氣阻尼。在這種情況下，盡管該系統不會因電氣擾動激發機組軸系扭振模態的發散振蕩，導致軸系斷裂的巨大事故，但頻繁超過發電機軸系疲勞累積閾值的次同步振蕩會導致軸系的扭振累積疲勞損傷，大大降低汽輪機的服役年限[37]。因此，在含有多電力電子裝置的電力系統中，次同步振蕩問題不再簡單的表現為單一電廠、單一機組、單一模態的發散型次同步振蕩問題，而有可能出現多電廠、多機組、多模態的區域性弱阻尼的次同步振蕩問題，目前國內外對這一問題的研究較少。

2)規模化新能源發電經串補或直流遠距離送出引發的次同步振蕩現象研究。

近年來，風力發電在國內外得到了迅猛發展。由于風電場大多處在偏遠地區，遠離負荷中心，為解決大規模風電外送問題，串聯補償技術再次得到廣泛應用。但串聯補償同樣可能會誘發風電機組的次同步振蕩問題，影響風電場以及外送系統的安全穩定運行[38，39]。除了傳統的次同步振蕩問題外[40-46]，SSCI是近年來出現的較新的次同步振蕩現象，發生于風力發電機組的變流器與串補線路之間。2009年9月，在美國德克薩斯州的某風電場發生了一起SSCI事故，造成風力發電機大量跳機以及內部撬棒電路損壞，這是目前公布的第一起SSCI事故[47，48]，近幾年隨著我國風力發電的飛速發展，在河北和新疆地區的風電廠也相繼出現了類似的SSCI現象。由于是發生于轉子側變流器與串補線路之間的相互作用，SSCI與發電機組的軸系扭振頻率無關，振蕩頻率完全取決于變流器控制以及電氣輸電系統的結構，因此不存在固定的振蕩頻率。此外，由于與機械系統無關，其電壓和電流的振蕩發散速度遠快于傳統的次同步振蕩[49]。研究表明，在目前采用的4類風力發電機中，雙饋感應風機的SSCI問題最為嚴重[50]。文獻[51]分析了雙饋感應風機經串補線路送出引起的與軸系不相關的次同步振蕩問題，即IGE與SSCI，但由于在分析方法上未對兩種問題進行區分，該文缺乏對SSCI現象存在的有力證明。文獻[52]采用兩種穩態模型對IGE和SSCI進行了區分，特征值分析的結果表明，次同步振蕩模式的主要參與者是與網絡和發電機相關的狀態變量，并認為兩種模型不存在明顯差異。但該文同時指出，頻率掃描法是基于雙饋感應發電機的穩態等效，即使考慮了轉子側變換器注入的穩態電壓，也無法顧及到變流器控制的動態影響，因此弱化了SSCI的作用。因此，SSCI仍需進一步分析并采取相應的措施加以解決。

3.4 多源、多變換系統的可靠性評估

在過去的幾個世紀，電力電子技術的進步大大促進了新能源發電技術的發展，在采用了更加智能的控制策略后，現代電力電子技術使得新能源發電更加具有可控性以及與傳統發電廠一樣具有主動性。從圖4所示的風力發電技術的發展來看，一方面，為了降低成本，風機的容量和尺寸在逐漸增加；另一方面，圖中深色區域表示電力電子在風機容量中的覆蓋率，可看出其由早期的不占用風機容量的軟啟動裝置，逐漸發展為僅通過風機容量30%的換流器(雙饋感應風力發電機)，再到完全通過風機全部容量的換流器(直驅型風力發電機)[53]。而對于光伏系統來說，其已成為一個完全基于電力電子并網發電的系統。電力電子變換器在新能源電力系統中的比重逐漸增大。

圖4 風機尺寸與其電力電子裝備的發展歷程Fig.4 Evolution of wind turbine size and the power electronics

電力電子變換器比重的增加一方面使得系統更加靈活，另一方面也使得電力系統的可靠性相對下降。現場運行經驗表明，電力電子變換器通常是影響新能源電力系統故障率、壽命以及維修成本的最關鍵設備之一。

文獻[54]對約350個岸上風電機組的35 000次故障停機事件進行了數據統計，這些數據分別來自于SCADA系統、故障和報警記錄，工作指令和服務報告以及運行和維護商報告。圖5的數據統計結果表明，電力電子變換器對整個風機的故障貢獻率達13%，占整個停機時間的18.4%。

文獻[55]給出了一個大型光伏發電站自2001～2006年的現場統計數據，該電站包括11 700個相同的光伏板和26個相同的135 kW的光伏并網逆變器。圖6表明，因光伏并網逆變器故障引起的非計劃維修事件占整體的37%，而其相關的維修成本達到59%。從保修時間的角度來看，目前的主要生產商為光伏并網逆變器提供平均5年的保修期，而光伏板是超過20年。因此，盡管光伏并網逆變器僅在系統的初始成本中占10%～20%，但逆變器的定期更換將增加額外的運行成本。

圖5 某風電場的各環節對故障貢獻Fig.5 Fault contribution of every section in a wind farm

圖6 某光伏發電廠可靠性統計Fig.6 Reliability statistics of a photovoltaic generating plant

綜上所述，由于大規模電力電子變換器接入的新能源電力系統可靠性問題需要引起足夠的重視，開展電壓源型逆變器集群系統中的裝置與系統可靠性理論和評估方法研究是新一代電網的重要基礎問題之一。

3.5 微網的經濟優化調度

微網是有源配電網的重要組成部分，其將分布式新能源發電、儲能以及負荷整合在一起，構成有源配電網的基本單元，能夠靈活高效地實現分布式新能源的就地消納以及本地負荷的可靠供電[56]。微網既可實現并網運行，在電源充足時向電網輸送多余的電力，在電源不足時從電網中獲得能量補充；又可脫離主網孤島運行，避免主網對關鍵性負荷可能的負面影響，實現自治運行。在孤島運行方式下，分布式能源的優化調配和高效利用是微網運行的一個重要目標。優化調配包括發電成本最小、無功損耗最小、環境效益最高等多個目標[57]。其分為靜態調度和動態調度，靜態調度通常是基于平均功率的運行前的調度計劃，這種方式并未考慮到新能源發電的波動性和間歇性特點，預測誤差較大。因此，學者們開始對考慮預測誤差的短期、超短期靜態調度[58]以及實時動態調度進行研究[59]。除了微網內部的優化調度外，隨著分布式新能源的滲透率逐漸增加以及微網技術的日益成熟，微網的實用化程度會越來越高，將出現多地區多微網的有源配電網結構，對多個微網之間的優化調度成為學者們逐漸關注的問題[60]。文獻[61]以各微網運行成本最低為目標討論了多微網構成的智能配電網的經濟運行問題。文獻[62]討論了離網型面向海島的多微網系統動態調度策略。文獻[63]基于多代理系統的智能配電網動態博弈框架，研究了多微網環境下的電能優化管理方法。

3.6 微網群協調運行及其穩定性分析

如上文所述，隨著單一微網研究的深入以及微網在實際系統中的逐步工程化，多微網運行方式成為可能。微網群是一種特殊的智能化的大規模微網運行模式，是由局部地區相鄰較近的多個微網組成，各子微網既可獨立自治運行，也可部分子微網或全部子微網互聯運行并完成某一特定的運行目標，如經濟性、可靠性、穩定性等；微網群還需要在其子微網出現暫態過程的情況下起到相互支撐的作用。與單一微網相類似，微網群還可并入主網運行。與單一的微網相比，微網群能夠實現分布式新能源的合理調配和充分利用，與多個微網運行相比，微網群基于共同目標的協作化運行更強，同時暫態過程中能夠在個別子微網出現“危急”情況時，通過其他子微網與其實現“拉手”對該子微網進行頻率和電壓支撐，從而保證負荷的正常運行。由此可見，微網群是有源配電網中的一種智能化的高級組網方式，對其開展相應的運行模式、協調控制以及穩定性分析及控制十分必要。

相對于單一微網的能量管理與控制，多微網的運行相對復雜，需要采用分層的能量管理和控制模式，除了需要考慮單個分布式電源的發電控制和負荷控制以及微網內部多個分布式電源的協調控制外，還要考慮多個微網與主網之間的功率調配，這一層面通常是由更高一層的配電網絡操作管理系統來完成。而對于微網群來說，其還需要考慮各子微網之間的互聯狀態以及群級協作下各子微網之間的功率優化調配和協調控制。因此，文獻[64]提出了在微網層控制之上增加一層群級的能量管理與協調控制，并以微網群的經濟性和可再生能源的最大化利用為目標，以含有兩個子微網的微網群為例，對群級協調控制進行了初步研究。但其并未對群級協調控制中子微網群互聯控制、功率調配以及穩定性控制開展深入的分析和研究。此外，微網群還可能形成多個微網子群，如由于電能形態不同而自然形成的直流微網子群和交流微網子群，或由于功率調配方式不同而形成的多個交流微網子群。因此，微網的群級能量管理和協調控制尚待深入研究。

對于微網穩定性的研究，目前僅集中于對單個微網的小干擾分析以及頻率、電壓穩定控制[65]，而對于微網來說，盡管基于李雅普諾夫方法的分析在一定條件下仍然適用，但由于微網中負荷的變化對其影響較大，可能會頻繁的改變其穩態運行點，在采用李雅普諾夫第一法時，可能需要根據不斷改變的系統運行點反復建立系統的狀態方程并重新求取其特征根來判斷系統的穩定性。因此，需要考慮一種更加方便可行的適用于微網特點的穩定性分析方法。而對于微網群而言，由于其運行模式較多，拓撲變化較為頻繁，甚至當拓撲發生變化時，擾動后的運行點與擾動前的穩定運行點相距較遠，采用李雅普諾夫第一法分析還存在誤差較大的問題。因此，需要考慮一種更加靈活可行的穩定性分析方法，對微網群中各子網孤立以及微網群聯合運行模式下的穩定性進行分析。

4 結論

清潔能源替代和電能替代的理念將使新能源和可再生能源高度滲透到新一代電網中，電力系統電力電子化是其發展的必然趨勢，電力電子技術是解決新能源規模化接入、大容量遠距離傳輸以及分布式微網的核心技術，希望本文通過分析討論、總結和提煉出的多源多變換復雜交直流系統的基礎問題在其研究中能有所啟發和借鑒，共同為推動新一代電網研究工作的開展獻計獻策。

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Basic Problems of the New Complex AC-DC Power Grid with Multiple Energy Resources and Multiple Conversions

XiaoXiangning

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University) Beijing 102206 China)

Firstly，from the point of domestic and overseas energy development，the paper discusses the characteristics of multiple energy resources and multiple conversions of the power system caused by widely used new energy resources.Accordingly，the constitution and structure of the new generation power grid are visualized.Based on that，the six distinctive characteristics in the development of the power grid are discussed in detail.And one of the core problems for the future power grid，which is the widely used power electronics technology in the power system and its five key technologies，is analyzed thoroughly.Furthermore，the paper summarizes the basic problems in the complex AC-DC system with multiple energy resources and multiple conversions，which provide the guidance for the improvement and development of the power electronic technologies in the new generation of the power grid.

New energy resources，multiple energy resources and multiple conversions，power electronic，key technology，basic problem

2015-05-12 改稿日期2015-05-28

TM315

肖湘寧 男，1953年生，教授，博士生導師，研究方向為新能源電網中的電力電子技術、電力系統電能質量等。(通信作者)