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1、电力电子化电力系统动态问题的基本挑战和技术路线摘要：源-网-荷装备电力电子化是当前我国电力一次系统发展的重要趋势和 特征。电力电子变换装备以其在电能形式及其参数变换方面的灵活性，近年来已 广泛应用于可再生能源发电、无功补偿、直流输电以及负荷供电等电力系统源- 网荷主要环节，正深刻地改变着电力系统的动态行为。尤其与其他国家和地区相 比我国直流输送容量大，随着受端可再生能源的同步开发，送受端装备电力电子 化程度高，动态行为更趋复杂。关键词：电力电子化；电力系统；动态问题引言合理、安全和高效的能源系统是衡量社会经济发展水平的重要标志。根据大 量电力转换和输电的需求，逐渐形成了现代电力系统。例如，中国
2、、北美、欧洲 和其他国家建立了地域复盖面极其广泛、装载能力大的跨区域复合网络。但随着 传统电力系统的发展，一些难以克服的困难和障碍逐渐显露出来。一方面，随着 电网的扩大，输电距离增大，输电电压水平提高，电网最初的发展方式逐渐受到 原理、技术、安全、经济性等方面的制约。另一方面，不断出现新的发电设施、 新的输电技术和新的负荷设备，在功能、接口和服务方面与原有电网发生了很大 的冲突。电力系统今后的发展迫切需要依靠通信、控制和人工智能等先进技术， 电力电子技术是最重要的技术手段之一。1电力电子化装备动态特性及其建模与分析问题与传统电磁装备相比，典型电力电子化装备（如风机等）具有较复杂的机电 电磁及控
3、制结构，其动态特性具有较大的差别，归纳起来主要有多尺度、非线性 高阶、耦合、切换、不对称序量控制等不同的特征。多尺度：图 1 是典型电力电 子化装备风机的基本机电/电磁和控制结构。典型电力电子化装备如风机含 有转子、电容器、电抗器等不同物理特征、不同尺度参数的储能元件，以及相应 的以储能状态为控制目标的不同尺度控制器。系统动态过程中不同尺度的电磁功 率扰动将通过装备中不同尺度的储能元件及不同尺度的控制器形成装备内电势中 不同尺度的响应，使得电力电子化装备的动态特性呈现出显著的多尺度激励/响 应特征。非线性：由于电力电子化装备内电势响应与功率激励间在不同尺度上均 包含电压电流功率间的非线性关系，
4、使得其动态特性也呈现出显著的非线性激励 /响应特征。高阶：电力电子化装备中含有不同功能的控制，如锁相控制和功率 控制等，这些控制的级联作用使得装备的功率-内电势激励响应关系呈现高阶特 征，高于传统同步机转子运动方程的二阶关系。耦合：不同控制的耦合作用（如 dq 控制下的交叉耦合以及锁相控制对有功、无功功率的交叉响应等）也使得电力 电子化装备有功功率-内电势频率与无功功率-内电势幅值的激励-响应间存在复 杂的耦合关系，从而使得其动态特性呈现耦合激励/响应特征。暂态切换：由于 半导体器件的耐压、耐流能力有限，电力电子化装备在经受较深度的故障时会切 换至相应的硬件电路和软件控制以保护装备免受损坏（如
5、图 1 中的红色虚线所 示），使得其动态特性呈现非连续暂态切换特征。不对称序量控制：当电网中出现不对称故 障时（如单相接地故障），电力电子化装备针对电网中的负序分量还专门设计有 相应的负序控制，从而使得其在对称和不对称故障下分别呈现出完全不同的动态 特性。2电力系统电力电子化的必要性随着电力系统规模和复杂性的增加，电力供应逐年增加，所需要的运行控制 手段是可互换的。但是，现有的技术和设备不能充分满足相应的需求，这使目前 的电力系统面临越来越多的发展瓶颈。a 电源。今后，中国新能源生产的比重 正在上升。但是，与常规火力和水电相比，新能源具有较强的挥发性、低调节性 低功率密度和不充分的可预测性，所
6、产生的电流大部分是直流形式的。大量新能 源并网发电不仅需要并网式电子电力仪表，还需要配套储能、有源滤波、功率调 节等设备的辅助运行。传统的同步电机发电技术也可以电子升级，例如b 辅助 机械的变频驱动和励磁控制。b 权力转让。这方面还面临新的问题，包括：（a） 传统的紧张和距离增加方式受到限制;（b ）通过互联网络增加安全风险；（c）环 境和经济制约因素，如有限的传输渠道；（d）在扩大和扩大销售网络方面遇到困 难；（e）负荷中心的供电强度越来越高；f）电网新负荷引起的推导压力；g 对具 有更高调节能力的新型变压器的需求。为了解决这些问题，基于电力电子技术的 柔性交流传输技术（FACTS）应运而生
7、，还有直流传输、半频率传输、电力电子变 压器等。也依赖电力电子技术。c .功耗。今后，用户会对可靠性、舒适度、效 率等提出更高的要求，与电网互动的机会也会更多，如b用户侧小型分散发电 设备的电源接口和存储、微型电网、电动汽车充电系统等。另一方面，电子能源 设备将更高的谐波注入电网。用户界面上显示的辅助和控制设备越来越多。面对 这些新的问题和瓶颈，需要利用基于电力电子技术的综合技术来解决它们，以满 足电网源网络负荷设备快速升级改造的要求。3系统暂态稳定性分析把系统的特征稳定状态和具体脉冲相结合，如果系统在一定扰动下能自动达 到相对稳定的状态，则为初始稳定状态和扰动状态的瞬态稳定。电子供电系统复
8、杂：（1）应确保有足够的电力数量和质量；（2）该系统处于不断变化的扰动中，扰 动显然是随机的。如果系统在中断后出现稳定问题，很可能会导致严重后果，最 终导致更大的经济和社会损失。电子供电系统暂态分析的目的是在大扰动下检查 系统状态，确保不同功率机组同步运行。如果同步运行可以实现，电压和频率也 可以接受，那么当时的电力系统就称为瞬态稳定性。电网规划、规划和运行过程 中需要进行暂态分析。瞬态分析过程中，需要详细分析稳定措施的效果和性能， 并利用相关仿真实验验证结果是否正确。如果系统的稳定性被破坏，就会导致系 统崩溃和分离，导致大规模停电。为了避免这种情况，我们必须加强电网的保护 确保电网的安全。电
9、力系统暂态稳定性评估的基本方法:在一定程度的扰动下， 系统地检查发电机组运行规律，确保电压和频率符合标准。但是，随着电力市场 和区域联网的发展变化，电网的运行状态变得更加复杂，逐步走向极限。与此同 时，近年来国内外经常出现缺乏系统稳定器造成的中断点问题，给电网运行带来 巨大的经济损失。因此，在发展电网时，应注意电网的稳定性。只有通过对系统 稳定性状态的准确评估，才能影响系统稳定性的主要组成部分，并提出最佳改进 措施。结束语本文基于源-网-荷环节中电力电子化装备比重持续提升的现实，首先凝练了 电力系统稳定分析与控制问题、故障分析与保护问题面临的新挑战。与传统电磁 装备相比，典型电力电子化装备动态
10、特性具有较大的差别，主要可归纳为：多尺 度、非线性、高阶、耦合、切换、不对称序量控制等特征。与常规电磁化设备主 导的电力系统相比，电力电子化电力系统动态过程的因素、现象和机理差异大， 本文凝练了电力电子化电力系统在小扰动稳定、暂态稳定、功率不平衡下的电压 和频率动态、故障暂态的电压电流应力和分布特征以及系统继电保护方法等方面 面临的基本挑战参考文献1 徐健梅.电力电子化机载电力系统安全性研究D.天津大学,20182 车延博，徐健梅，刘校坤.电力电子化机载电力系统稳定性分析J.电力自 动化设备,20183 肖湘宁,廖坤玉,唐松浩,范文杰.配电网电力电子化的发展和超高次谐波 新问题J.电工技术学报,20184 鲁宗相,汤海雁,乔颖,田新首,迟永宁.电力电子接口对电力系统频率控制 的影响综述J.中国电力,20185 朱蜀,刘开培,秦亮,李钢,胡仙来,刘冬.电力电子化电力系统暂态稳定性 分析综述J.中国电机工程学报,2018
