電力系統的電力電子化趨勢分析與探討

朱傳香

摘要：目前，我國的經濟在快速發展，社會在不斷進步，結構合理、安全高效的電力系統是衡量社會和經濟發展水平的重要標志。針對大量電能的轉換與傳輸需求，逐步形成了現代電力系統。比如，我國、北美、歐洲等都建立了地理覆蓋范圍極廣、負荷容量極大的跨區域互聯電網。然而，隨著傳統電力系統的發展，逐漸暴露出一些難以克服的困難與障礙。一方面，隨著電網的擴展，輸電距離不斷增加，輸電電壓等級不斷升高，原有的電網發展模式逐漸受到了原理、技術、安全、經濟等方面的制約;另一方面，新的發電設備、新的傳輸技術、新的用電負荷設備不斷涌現，與原有電網在功能、接口、服務等方面都存在較大的沖突。未來電力系統的發展迫切需要依托通訊、控制、人工智能等先進技術，而電力電子技術是其中最重要的技術手段之一。

關鍵詞：電力系統;電力電子化;輸電;配電;新能源發電

引言

近些年來，電力電子技術迎來了蓬勃的發展。作為一門新興的電子技術，電力電子技術因其具有對電能進行變換和控制的能力，因而被廣泛應用于電力領域，并對電力系統的發展產生了深遠的影響。例如，正是由于換流器等電力電子器件的出現使高壓直流輸電系統的建設成為可能;而無功補償電子裝置電源的出現，則顯著的提高了供電系統中電網的功率因數，降低了電能在電網中的損耗。

1電力系統電力電子化的必要性

隨著電力系統規模增大、構成趨向復雜，供電量逐年上升，所需要的運行控制手段也更加多變。然而，現有的技術和設備難以完全滿足相應需求，使得當前電力系統面臨著越來越多的發展瓶頸。a. 電源方面。未來我國新能源發電所占比重越來越大，但與常規火電、水電相比，新能源波動性強、可控性低、功率密度偏低、可預測性有所不足，發出的電以直流形式居多。大量的新能源并網發電，不僅需要電力電子換流器并網，還需要配套儲能、有源濾波、功率調節等設備輔助運行。傳統同步電機發電技術也可以電力電子化提升，如輔助機械的變頻驅動、勵磁調節等。b. 電力傳輸方面。該方面同樣面臨新的問題，包括：（a）傳統的增高電壓、增加距離的方式受到了制約;（b）互聯系統的安全隱患增加;（c）環境經濟等因素的限制，比如輸電通道受限;（d）配電網建設擴展困難;（e）負荷中心的供電強度越來越高;（f）新型負荷對電網造成調度壓力;（g）可控性更高的新型變壓器需求。針對這些問題，出現了以電力電子技術為基礎的靈活交流輸電技術（FACTS），其他如直流輸電、半頻輸電、電力電子變壓器等也依賴于電力電子技術 。

2電力系統的電力電子化趨勢分析與探討

2.1能源安全與政治建設的國家需求

能源安全是與政治安全、經濟安全等多方面相關的關鍵環節之一，而電力系統是能源供給的重要方式。a.保障能源供給的安全需求。近年來，國際局勢復雜多變，我國能源儲備不足、能源依存度高，影響了我國經濟安全和國家的安全形勢。我國能源總依存度呈現上升趨勢，2017年原油對外依存度達到67.4%，天然氣對外依存度達到38.43%。原油和天然氣對外依存度不斷提高，增大了我國油氣安全風險及與相關國家能源合作的難度。為此，我國一方面加強全方位國際合作，一方面推動內部能源革命，構建清潔能源供應體系。提出在2030年之前，實現可再生能源消費比例占總消費量的20%。通過電力電子化電力系統的建設，可實現大規模的能源跨區調配、促進新能源發電開發、推動電動汽車與先進軌道交通發展，從而降低常規油氣運輸通道風險，提高能源供給的安全性。b.中西部均衡發展的戰略需求。我國經濟和社會面臨東部和西部發展不均的矛盾，而“西電東送”為西部省區把電力資源優勢轉化為經濟優勢提供了新的歷史機遇，其中電力電子化的遠距離輸電技術起到了至關重要的作用。截至2018年9月，國家電網在建在運特高壓工程達到23項，總長度達到3.3萬km。c.“一帶一路”建設的政治需求。“一帶一路”是我國未來一段時期的重要戰略舉措，能源合作是“一帶一路”戰略中的重要內容，而電力建設又是其中的合作重點。中國電力建設集團有限公司獲得印尼、巴基斯坦等國多項火力和水力發電站的建設合作項目。在“一帶一路”合作項目建設，以及構建“全球能源互聯網”的項目中，對發電、輸電、配電、供電設備提出了新要求，因而構建電力電子化的電力系統是滿足上述需求的必然之路。d.推動制造產業升級的需求。工業制造是國民經濟的重要支柱，但中國制造業仍相對缺乏原創與核心技術。在能源、工業、交通、國防、航空航天、信息通信、民用等各領域，高性能的電力電子變流器及其相關控制系統均是必不可少的核心部件。因此，加快電力電子化電力系統的建設可以拉動相應裝備制造業的發展，進而對把握制高點、突破技術壁壘、形成集群化的產品競爭優勢具有重要的作用。

2.2太陽能發電

太陽能是可再生能源的重要組成部分。技術人員在實際使用太陽能的過程中，會涉及到太陽能光電、光熱以及光伏發電技術的。這三種不同形式的新能源技術形式，對于促進我國新能源領域發展具有重要幫助。其中人們生活中經常會用到的“太陽能電池”就是電力電子技術在新能源領域中充分利用的實際結果。人們在生活和工作中更加注重生活質量，為了能夠為人們提供更加便利的條件，太陽能熱水器、農業大棚的照明、太陽能路燈等新型事物，都是利用太陽能發電這一原理研發而成的。在未來，太陽能發電技術的發展前景非常寬廣，會被人們運用到各個領域中。

2.3電力電子技術的進步還極大地推動了高壓直流輸電技術的發展

與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電由于不涉及同步問題，在獨立電力系統并網時具有顯著優勢，并且適合遠距離和超遠距離輸電。在直流輸電中，最為核心的部分是換流站，換流站負責實現直流輸電工程中直流和交流的相互轉換。在 HVDC 系統中，電能由三相交流電一端經過換流站進入直流輸電線，到達目的地后再經換流站轉換為直流。在這個過程中，由電力電子器件換流器組成的換流橋、換流系統，實現了 AC - DC - AC 的功能。近些年來，隨著工藝的成熟，大功率電子器件如可關斷的晶閘管明顯提高了開斷的能力，而且通過研發和應用新型大功率電力電子器件，直流輸電的性能將進一步得到改善。

2.4在電力系統節能方面的應用

電力電子技術在電力系統節能方面的應用，有提高電能使用率和變負荷電動機調速運行兩個方面。電廠產生能源損耗的現象是由于發電機組不能配合能源變化時產生的，通過變負荷電動機對運行轉速的調整，能夠達到節能的目的。但是該項技術在我國處于研究和摸索階段，因此也存在一部分缺點：成本高，適用于中大型電廠。而對于其它的一些電廠，可以采用電力電子技術，在配電輸送電力系統中增加可控設備，對電能進行實時調控，確保電力的質量和安全。

結語

電力系統中的電力電子化設備占比越來越高，設備與系統以及設備與設備之間的交互作用越來越復雜，對電力系統運行特性的改變也越來越明顯。因此需要以新視角、新理論、新方法來解決新問題，以實現電力系統安全、穩定、高效、長期地運行。總體而言，電力系統的電力電子化趨勢是比較明確的，但是其具體的發展過程仍有諸多不確定性，建議就電力電子化裝備的動態特征及系統動態問題盡早展開相應研究，重點關注電力電子化設備與傳統設備在構成與控制方面的差異，以及主要動態過程的解析、本質特征的提取等。本文梳理了電力系統核心裝備的發展脈絡，指出了電力系統電力電子化發展的必然性，并對電力電子化電力系統的趨勢進行了預測。總結了電力電子化的主要內容與關鍵問題，分析了電力電子化建設面臨的難點，希望為后續的研究分析提供有益的借鑒。

參考文獻

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