电力系统电力电子化带来的挑战

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，