新一代电网中多源多变换复杂交直流系统的基础问题

2015年8月第30卷第15期电工技术学报TＲANSACTIONS OF CHINA ELECTＲOTECHNICAL SOCIETYVol.30No.15Aug．2015收稿日期2015-05-12改稿日期2015-05-28新一代电网中多源多变换复杂交直流系统的基础问题肖湘宁（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）北京102206）摘要首先从国内外能源发展角度出发，探讨新能源广泛利用给电力系统带来的多源多变换特性，并据此对新一代电网的组成与结构进行描述。

在此基础上，详细讨论了新一代电网发展中的6个显著特点，重点分析其核心问题之一———电力系统电力电子化及其包含的5项关键技术，并总结和提炼出多源多变换复杂交直流系统中需要重点研究的基础问题，为新一代电网电力电子技术的进步与发展提出了指导性建议。

关键词：新能源多源多变换电力电子关键技术基础问题中图分类号：TM315Basic Problems of the New Complex AC-DC Power Grid with MultipleEnergy Ｒesources and Multiple ConversionsXiao Xiangning（State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Ｒenewable Energy Sources（North China Electric Power University ）Beijing 102206China ）AbstractFirstly ，from the point of domestic and overseas energy development ，the paper discusses thecharacteristics 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 visual-ized.Based on that ，the six distinctive characteristics in the development of the power grid are discussed in de-tail.And one of the core problems for the future power grid ，which is the widely used power electronics technolo-gy 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 genera-tion of the power grid.Keywords ：New energy resources ，multiple energy resources and multiple conversions ，power electronic ，key technology ，basic problem0引言能源是国家经济增长和社会发展的重要支柱。

自20世纪80年代以来，在诸多因素的主导与推动下，能源行业的技术基础、组织结构与经济模式一直处于逐渐变革的状态，以期最终建立起更加高效、安全与可持续的环境友好型能源利用模式，从而解决能源资源配置这一人类社会面临的重大难题［1］。

美国能源机构认为，今后10年内，全球能源需求估计会增长50%以上，其中工业化国家的需求将增长23%，发展中国家因起点低，能源需求量将增长1倍以上，特别是中国的能源需求量增长将非常突出，必然影响全球能源市场，发达国家与发展中国家及美国与欧洲国家之间争夺世界能源资源的局面可能会加剧［2］。

电能作为一种可灵活方便使用的二次能源形式，一直是人们关注和研究能源问题的重点。

根据美国能电工技术学报2015年8月源信息部发布的《年度能源评估2011》，如图1所示，在其一次能源的消费结构表中约有40%的一次能源是经转变为电能后再利用，电能在能源消费结构中占据主导地位，其中约31%的天然气，54%的可再生能源，92%的煤转换为电能，而原子能则完全以电能的形式利用［3］。

图1美国2011年一次能源消费结构［3］Fig.1Structure of primary energy consumption ofU.S.in2011［3］另一方面，2014年全球新能源发展报告表明（见图2）［4］：①2013年全球发电量能源类型构成中，化石燃料发电量占全球总发电量的比重为70%，与2012年70.5%相比略有下降，而新能源发电在2013年仍延续了高速增长的趋势，同比增速达13%，占全球发电量总额的5.2%，与总体发电量增速缓慢形成对比；②2013年全球发电累计装机容量达到5733.2GW，新增装机容量280GW，中国累计装机容量达到1247GW，跃居世界第一，新增装机容量超过100GW，增速9%，其中非化石燃料装机新增容量58.3GW，所属风电和光伏新增装机容量分别为16.1GW和12GW。

截止到2013年，中国可再生能源总装机容量（不包括水力发电）为116GW，位居世界第一，其后依次为美国、德国、西班牙、意大利及印度［5］。

世界各能源消耗大国均致力于可再生能源的开发与利用，中国在紧跟发达国家发展步伐的同时正走出一条独特的发展道路。

综上所述，开发利用新能源、节能减排、建设新一代电网已成为世界许多国家，包括中国在内的能源发展的重要战略部署［2］，并逐渐产生了以清洁能源和图22013年世界各国可再生能源发电量累计装机容量［5］Fig.2Ｒenewable power capacities in countries of the world in2013［5］电能替代为主导的能源开发理念，以期提高能源的利用率和应对全球能源环境危机。

总结以上发展特点和关键技术需求，为适应能源发展战略和新能源利用，未来新一代电力系统将呈现出电源类型多、电能变换形式多、电力变换器数量多以及负荷类型需求多的“新概念电网”。

图3构想了新一代电网中多源多变换复杂交直流系统的组成框架。

在电源侧，除了传统的大型火力和水力发电基地外，还包括规模化风电和规模化光伏发电基地，它们均通过电力电子变换器集中并网。

这些大规模集中式发电厂通常距离负荷中心较远，因此需要大容量、高电压、远距离电力输送。

特（超）高压交流或多端柔性直流输电、固定或可控串联补偿是提高远距离输电能力和电网功率灵活控制能力的经济有效措施，也是未来输电网构架的基本组成单元。

在配网侧，除了传统的通过电力电子变换器从系统取用电能的无源负荷外，还包含同样经过电力变换器接入配网的中小型风力发电和光伏发电等分布式电源以及由分布式2第30卷第15期肖湘宁新一代电网中多源多变换复杂交直流系统的基础问题电源、储能、负荷构成的以变换器作为接口的微电网系统。

未来电网将从传统的发、输、配、荷的垂直单一模式，转变为含多电力电子变换的功率与信息双向流动模式。

因此面对这一革命性变化，新一代电网中新的科学基础问题以及新的关键技术将被不断提出，并将引起极大关注。

本文首先总结和分析了新一代电网发展的6个显著特点，然后提出了其核心问题———电力电子化中包含的5项关键技术，最后详细讨论和梳理了多源多变换复杂交直流系统中的基础问题。

Fig.3Frame vision for a new generation of power grid1新一代电网发展的6个显著特点1.1新能源发电成为主导能源的进程加快支持新能源快速发展已成为各国未来能源计划的重要决策，可以预见，未来电力系统中可再生能源必将逐步由替代能源成为主导能源。

美国作为传统的能源消耗大国，计划在未来10年投资1500亿美元建立“清洁能源研发基金”，用于太阳能、风能、生物燃料和其他清洁可替代能源项目的研发和推广，将为使用此类能源的企业提供250 450亿美元的税收优惠，有助于增加500万就业岗位；未来3年内可再生能源产量增加1倍，2012年所占发电比例由目前的8%提高到10%，2025年增至25%［2］。

欧盟作为世界最大的经济实体之一，同样在大力推动着智能电网框架下的可再生能源规划，计划在2020年，20%的电能消费由可再生能源提供，完成35%的可再生能源无缝并网，并实现20%的能效提高和20%的二氧化碳减排的目标［6］，并计划在2050年通过包括可再生能源的零碳发电实现至少80%的温室气体减排［7］。

中国正处于工业化、城镇化加速发展时期，能源需求持续增加，虽然对可再生能源的开发起步较晚，但已将发展可再生能源作为减少能源贫困、增加能源供给、改善能源结构的重要途径，并通过立法将可再生能源列为能源发展的优先领域［8］。

《可再生能源发展“十二五”规划》（2011）的具体目标为：到2015年，可再生能源发电量达到总发电量的20%以上，可再生能源供热与民用燃料总计年替代化石能源约1亿吨标准煤，建立30个新能源微电网示范工程，100个新能源示范城市及200个绿色能源示范县［9］。

2014中美气候变化联合声明指出：美国计划于2025年实现在2005年基础上减排26% 28%的全经济范围目标。

中国计划2030年前后二氧化碳排放达到峰值，并将努力早日达峰，计划到2030年非化石能源3占一次能源消费比重提高到约20%。

中美双方均计划继续努力并逐步加大力度，其增速可能还会加快。

1.2垂直一体化的电网基础结构继续发展在百年发展历程中逐渐形成的垂直一体化电网结构一直是世界各国电力网络的主导架构，其对电力的实时供应及供需平衡、扩大电力供应范围、实现资源的优化配置有着巨大的支撑作用。