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)



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)

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。

新能源 多源多变换 电力电子 关键技术 基础问题

0 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.1 Structure of primary energy consumption of U.S.in 2011[3]

另一方面，2014年全球新能源发展报告表明(见图2)[4]：① 2013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；② 2013年全球发电累计装机容量达到5 733.2 GW，新增装机容量280 GW，中国累计装机容量达到1 247 GW，跃居世界第一，新增装机容量超过100 GW，增速9%，其中非化石燃料装机新增容量58.3 GW，所属风电和光伏新增装机容量分别为16.1 GW和12 GW。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116 GW，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。

图2 2013年世界各国可再生能源发电量累计装机容量[5]Fig.2 Renewable power capacities in countries of the world in 2013[5]

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。

图3 新一代电网的框架构想Fig.3 Frame vision for a new generation of power grid

1 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1 500亿美元建立“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。在已有的成熟的垂直一体化电网的基础上，通过继续加强和拓展电网构成的深度与适用范围，发展适应于新一代电网特点的网络架构，无疑是一种极为稳妥可行、降低建设成本和易见成效的发展途径。

不同国家和地区的电力系统发展进程不同，具体的改造与建设方法也存在差异，但总体而言，可在原有垂直一体网架结构和新型平面互动结构两个方面发展。以美国为例，由于其电网建成时间早，电力设备及基础设施严重老化，加之电力建设投资不足，发生电力阻塞的输电线路增加，大停电事故频繁发生。为了实现电网的升级改造，建造新一代电力系统，美国能源部曾组织众多部门和机构召开会议(2003年与2004年)，提出了未来电网“Grid 2030”计划[10]与具体的路线图[11]，计划在现有网络上，利用多种先进输电技术，通过国家主干网将东西海岸、加拿大及墨西哥联系起来，主干网可用于在国家层面上进行电力调度和配置，并开始实施美国东西部地区背靠背多端联网。欧洲也相继制定了“欧洲海上Super Grid”计划(2006年)[12]、“北海各国海上风电计划”(the North Seas Countries Offshore Grid Initiative，NSCOGI，2008年)等未来电网规划，在欧洲超级电网宏伟蓝图下，通过将周边不同经纬度国家的风电、太阳能发电及水电联合起来互连互送，以期实现电能的互联网有序利用。

我国能源禀赋与消耗逆向分布的现状与矛盾比之其他大国或区域更为突出，未来20年，将主要围绕煤电基地和水电基地的电力外送以及部分跨国输电的需要，形成“西电东送”、“北电南供”的基本电力流向，并通过特高压交直流输电技术和手段实现三华电力网络的建设与运行。

1.3 分散式合作平面化微网群逐渐兴起

对于新能源的利用，除了上述垂直一体化模式的大规模集中并网远距离输送至用电端外，另一种有效方式是构成中小规模的新能源分布式微电网，实现新能源的就地消纳。美国调查公司Navigant Research于2014年12月初发布了“全球分布式能源部署预测”的报告，报告中指出，22世纪来自于分布式发电的全球收入将翻倍，从2014年的970亿美元到2023年超过1820亿美元。在这期间，分布式发电容量将达到1 213 GW。这种分布式发电的广泛使用，促进了电网尤其是配电网，通过汲取互联网的信息流理念，向分散式平面化的方向发展。而在发展过程中，分布式电源的利用方式成为必须考虑的一个关键因素，其既要在负荷需求增加时及时投入有效供电并维持系统的电压和频率，又要在负荷需求降低时减少发电或是将多余电能贮存起来。各分布式电源需要通过相互之间的协调控制共同实现对电网的可靠供电。为了实现分布式发电的即插即用，首先需要将地域或电气距离上相对集中的分布式电源构成一个整体。一个有效的方法是构成微网或微(纳)网群，它能有效集成各种分布式电源，并实现能源的有序和充分调配利用，既能自治运行单独对负荷供电，又可并入主网送出其多余的电力。实现能源就地取用和即插即用，需要在微网中通过合理的能量控制与管理，将一部分控制权交给分布式发电单元，各虚拟发电厂根据上层的微网中央管理器的调度指令改变其运行状态和返回协调控制信息，实现各分布式电源的有效利用。

1.4 高技术、多样性强非线性负荷比例增加

现代社会中，电力驱动技术和信息技术产业迅猛发展，电动舰船、电力机车、电动汽车、超级云计算和大数据中心、半导体照明等多样性高技术含量负荷层出不穷。为了满足其电能转换与消耗的需求，符合生产工艺流程和产品质量的要求，亦或为了提高劳动生产率和降低能源消耗成本，对供电电源的电压、电流和频率，甚至其原有的交变波形都因用电设备的不同要求而改变。例如，机械加工中的感应加热设备适宜用中高频交流电源供电；化学工业中的电解、电镀需要低压直流电源供电；大量通信设备需要低压直流电源；超大规模的集成电路芯片制造需要直流低压大电流条件；广泛应用的交流电动机速度调节则需要改变原有的单一工频频率为可调整的频率范围提供驱动电力；而发射机、快速充电设备等则要求有大功率脉冲电源[13]。凡此种种，都依赖于现代电力电子换流与功率控制技术，据估计，未来将有90%的电力需要经过电力变换后使用[14]，因此含有电力变换中间接口装置的高技术、多样性、强非线性负荷数量急剧增加。

1.5 功率变换系统高级技术成为关键

功率变换的目的是电力的灵活控制和智能化管理，利用先进的功率变换技术可实现能源的大范围转移，提升系统的运行调控能力和电网的灵活运行能力，保证大规模间歇式新能源发电的可靠接入；通过智能能量管理，可提高电能输送及电网运行的运行效率及安全稳定水平。新一代电网中的功率变换高级技术主要包括柔性直流输电及多端直流输电技术、主动定制电力技术和智能化电气装备。

1)柔性直流输电及多端直流输电技术。

直流输电技术在实现远距离大容量输电，区域大电网非同步互联中广泛应用，从而实现能源的大范围转移，提升系统的运行调控能力和电网的灵活运行能力；新型的柔性直流输电技术克服了传统直流输电的诸多缺陷，在新能源发电并网、孤岛供电、城市配电网增容等领域具有广阔的应用前景；基于以上技术的混合输电及多端直流输电技术为大区电网提供更多的新型互联模式，为大城市直流供电的多落点接入提供新思路[15]，为其他形式的新能源接入电网提供新方法[16，17]，为优质电力能量池的建立提供新途径[18]。

2)主动定制电力技术。

随着经济社会的发展，用户对电网企业的服务理念、服务方式、服务内容和服务质量不断提出新的更高的要求，除电力成本更低、用电安全可靠等需求外，还希望享受更加个性化、便捷式及互动性强的供电服务和优质电力供应。为了满足这些需求，为用户提供量体裁衣的主动定制电力技术应运而生[19]。配电网中越来越多地采用了各类电力电子变换器，可实现可调频率交流和直流、多电压等级的能量变换，将电力电子变换技术和配电自动化技术结合起来，以用户对电力可靠性和电能质量的需求为目标，主动为用户配置满意的电力。

3)智能化电气装备。

以新能源技术和信息技术相结合为重要特征的能源互联网最重要的核心内涵是实现可再生能源尤其是分布式可再生能源的大规模利用和共享，实现该目标需要依靠智能化电气装备高新技术为保证，这些智能化电气装备包括具有虚拟同步发电特性的新能源并网逆变器，实现变换、传输与管理的电力电子变压器(也称固态变压器)，保证系统稳定的电气弹簧等，许多新概念和新方法正在转换为新的智能设备。其中，固态变压器(SST)是新能源互联网中实现能量转换的核心部件，它具备传统变压器所不具有的众多优点[20]：①SST不仅可完成电压幅值转换(如高低电压等级之间的转换)，还能实现传统变压器无法完成的频率变换(如不同电压等级下直流电与交流电之间的变换)；②SST通过提高工作频率大大缩小了设备的电磁材料尺寸，减轻了重量，降低了成本，可广泛应用于分布式电力电子设备中，以适应可再生能源互联网中电力电子装备多的特点；③由于SST频率变换和电压变换的灵活性，利用它可有效阻断变压器两端故障的传递。与传统变压器只适用于单一频率、单向电压传递相比，SST可适用于各种情况下的电压双向传递。

需要注意的是，固态变压器与智能能量管理系统相结合可构成未来能源互联网中所谓能量路由器的新概念和新装备。智能能量管理根据收集的电力局域网、分布式新能源发电和储能设备状况以及用户负荷变化等信息做出能量控制决策，通过控制指令发送给智能固态变压器执行，重新根据需要调控电力潮流，即智能能量管理借助信息流和电力变换实现对能量流的有序控制。

1.6 电力传输与信息传递技术相互融合

随着智能电网的建设和新能源的接入，电力系统已发展成为一个整合了通信系统和人造物理系统的信息物理能量系统(cyber-physical energy system)，电力系统从单向的能量流转变为能量流、信息流的双向流动。用于智能控制和管理的先进计量设施(Advanced Metering Infrastructure，AMI)目前正广泛应用于电力系统中，美国已经在全国范围内铺设了1 000个同步相量测量单元和1 500万只智能电表。2012年，美国的AMI的渗透率已高达30.2%。十二五期间，中国计划安装2亿只智能电表，目前智能电表的渗透率不足40%，但未来将达到90%。在基础设施建设逐步完善的前提下，2015年政府工作报告首次提出“制定‘互联网+’行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场”。这必将大力助推电力与信息融合技术的发展。

然而，由于通信网络在电力系统的监测、控制和管理中应用十分广泛，新一代电力系统在网络安全方面出现了新的脆弱性。文献[21]介绍了目前国际上发生的3个真实的网络安全事件(如表1所示)，3个事件中核电厂均遭受了网络攻击，其中2010年由Stuxnet病毒引起通过操纵SCADA等控制系统造成的影响最为严重。此外，广域测量系统以及智能电表的广泛使用对于系统运行者来说增加了系统整体的可观性，但对于恶意攻击者来说，也增加了系统整体的攻击表面，使得信息能量系统的脆弱性问题和安全保障开始得到极大重视。例如，美国能源部指出，解决信息安全问题是提高全国电力系统安全性和可靠性的关键。2011年美国工业部门和政府合作提出了实现能量传递系统信息安全的发展路线。美国能源部也提出了用于防止能量传递系统网络攻击的策略。在欧洲，由于各国之间电力的互联，特别是超级电网的建立，使得当某个国家的某一地区发生故障时，其他国家也将受到一定程度的影响，2006年的一次重大的连锁电力事故发生于德国，却波及到了法国、波兰、意大利等6个国家的500万人。因此，当信息和通信技术广泛应用于电力系统而使得系统可能遭受网络攻击以后，欧洲更加重视电力系统在信息安全方面的研究。

表1 已发生的电力系统网络安全事件Tab.1 Cyber security events that has happened in power system

2 电力系统电力电子化及其关键技术

2.1 提高交流输电的功率控制与处理能力

在未来电网的发展过程中，正弦交流电仍是电网的主要电力形式，而与直流输电不同的是，交流输电本身并不需要依赖电力电子设备，因此本身也就缺少了灵活控制和主动处理的能力，基于电力电子变换的灵活交流输电技术(FACTS)的出现和发展弥补了交流输电在这一方面的缺陷。FACTS除具有功率快速调节能力外，还具有支撑系统电压、补偿系统无功和提高系统暂态稳定性的功能。此外，在与新能源发电或储能设备相结合后，FACTS装置的功能更加全面，既可作为新能源并网发电的接口，又可在储能设备的支撑下，向系统提供可观急需的有功功率。

2.2(混合式、多端)柔性直流输电及网架结构

高压直流输电是远距离灵活送电和电网之间解耦互联的有效手段，随着大规模间歇性和随机性新能源接入电网，直流输电将发挥其特有的功能，并得到更加广泛的应用。随着大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展，基于电压源型换流器的高压直流输电技术以其灵活的四象限运行优势、较强的电压调节能力和较好的阻尼特性而迅速发展。高压直流输电正在由传统LCC-HVDC输电转向LCC-HVDC与VSC-HVDC混合输电模式和完全的柔性直流输电模式。在组网方面，多端直流输电能够实现多电源供电和多落点受电，能够实现源网之间以及区域网之间的高度解耦，以实现多点间歇性大规模新能源的并网发电。

2.3 有序供用电与优质电力保障

有序供用电一直是我国电力系统需求侧管理领域中的重要内容。在早期，有序用电是主要的研究和管理内容，并利用法律、行政、经济和技术等手段，通过加强用电管理来改变用户用电方式，采取错峰、避峰、轮休、让电和负控限电等一系列措施，避免无计划拉闸限电，规范用电秩序，将季节性、时段性电力供需矛盾给社会和企业带来的不利影响降至最低程度[22]。现今随着分布式新能源的广泛接入和电动汽车等新型负荷的规模化应用，有序供电已成为与有序用电同等重要的关键技术，如何通过协调微电网群的运行从而保证经济的、环境友好的电能利用将成为未来电网要解决的主要问题之一。

与电能有序利用紧密关联的是保证为用户提供高质量的电力。随着分布式新能源的广泛应用和大量电力变换设备接入电网，保证高效电能利用和优质电力供应的任务更加严峻，研发电能质量控制装置和开发新的电能质量治理技术是解决问题的关键。

2.4 功率转换(高频隔离)系统与微网能源管理

随着功率转换系统的进一步发展，在拓扑结构方面，新的功率转换系统发展迅速，其中较为突出的即为采用高压碳化硅器件的高频隔离功率转换系统，目前主要应用于光伏的并网发电，可实现输入输出之间的电气隔离，与传统工频变压器相比，可显著提高逆变器系统的功率密度，减小体积和重量。

微网是实现分布式能源高效利用的主动配电网组网形式，各分布式电源、储能设备及负荷多采用电力电子变换器接入系统，通过能量管理进行协调控制，可实现能量的有序调配。微网的能量管理功能既包括对电网信息、分布式电源信息、储能信息以及负荷信息的监测、采集与控制，对新能源发电以及负荷需求的预测，又包括发电、储能与负荷之间的功率调度，同时还包括微网与主网在并网与离网之间的无缝转换。实现微网的高级能量管理是微网稳定运行、经济优化调度以及分布式能源高效利用的基础和前提。

2.5 多电力电子装置与系统的协调控制运行

已经看到，新一代电网在电源侧有规模化新能源的大量并网发电，在输电侧通过FACTS技术提高功率的柔性调节和多条直流输电形成多端的LCC-HVDC与VSC-HVDC的混合组网方式；在配网侧越来越多的分布式新能源将通过并网逆变器接入系统。电力系统逐渐形成发-输-配各环节电力电子化的趋势。面对电网的重大变化与需求，一次侧功率的合理优化调配和二次侧多控制回路的相互协调控制将成为这一复杂系统需要研究和突破的关键技术。

3 多源多变换复杂交直流系统中的基础问题研究

3.1 电力电子装置和系统的强非线性特性研究

1)强非线性特性问题突出。

引起系统时变非线性特性的原因有3种[23]：①不同拓扑结构间的切换：系统中功率开关元件导通与关断状态的组合对应于不同阶段，而各阶段的本征是电路拓扑结构的切换变化，它是系统具有非线性特性的主要原因；②占空比控制：在闭环控制方法中，功率开关元件导通与关断的占空比与状态变量的瞬时值相关，因而会导致系统具有时变非线性特性；③寄生非线性：主要包括开关元件非线性v-i特性、非线性电感和电容以及元件之间的电磁耦合特性等。

在这种强非线性条件下，广泛应用于传统电力系统的李亚普诺夫(Lyapunov)稳定性分析方法在电力电子化电力系统中的适用性有待进一步深入研究和论证。

2)非线性(非正弦函数)条件下的功率理论及其应用研究。

以平均功率进行控制，基本能满足当前的功率/能量控制需求，其与外部系统接口表现为连续的电气参量，但其物理解释并不明确；描述非线性条件下的广义功率理论尚未统一，电能消耗与计量的功率流与物理机制需要重新认识。随着分布式电源和柔性电力技术的发展、智能电网概念的提出，电源特性、电网络结构和负荷类型正在发生着巨大变化，电能的经济高效利用，电能质量的监测评估与控制显得尤为重要。而这些工作的顺利开展无疑需要对已有功率定义的再认识，需要建立完备的功率理论新体系作为基础支撑。特别在非正弦和三相不平衡条件下，传统功率定义将失去其普适性，并随电气系统非线性化日趋严重，这一问题更加突出，已经给电能计量、功率因数校正、设备定容、谐波与无功补偿等方面带来了许多困扰[24]。

3)多物理量、多时间尺度下的电磁现象与过程分析方法与建模研究。

由于快速、可靠、可频繁动作的大功率开关器件取代了传统的机械开关，现代电力系统具有如下变化：①可控性强，可方便地实现灵活控制；②使得电力系统中出现了快速的动态过程，超出了传统的准稳态假定；③电力电子开关的存在及频繁动作，决定了系统具有变拓扑结构的特性，同时也给电力系统引入了离散事件，使得电力系统中同时包含了连续事件和离散事件，系统的分析复杂化。因而，分别使用相互独立的电磁暂态仿真程序和机电暂态仿真程序，已难以适应现代电力系统对仿真的需求。

国内外学者尝试结合机电暂态、电磁暂态两种仿真方法，希望在仿真规模、计算速度、仿真精确度多个目标间寻求一平衡点。但混合仿真的思想本身即存在不可逾越的误差，如交互误差、模型误差、接口误差等，寻求多尺度下统一的建模方法可能是另一种演进途径，笔者认为，采用动态相量法，不仅可仿真分析普通的电力系统动态特性，还能分析存在FACTS或HVDC装置的电力系统动态特性，既能分析设备或系统的快速电磁暂态过程，又能分析其机电暂态过程，仿真步长介于两类暂态过程之间，取值灵活，适用于分析快速动态过程。

典型的电力电子系统通常是由电力电子器件构成的功率回路、控制回路和被控制对象3部分组成。形成这样一个复杂的非线性数模混合系统，会给设计和参数整定带来巨大的困难。因此，以往采用的离线数字仿真中的“控制器”与实际控制器间存在差别，包括采样误差、通信延时、程序执行延时等因素往往不能得到正确的反映，仿真可信度受到影响，因此，离线数字仿真只能应用在初始阶段[25]。国内外已研发出针对电力电子装置的实时仿真平台，将实际物理控制器接入到仿真系统中，实现硬件在线闭环测试与参数优化。然而，这些应用中，大多将开关器件理想化，只能反映装置的次暂态过程，对于不同时间尺度下的时变结构动态过程，无法实现全面的装置特性分析和物理测试。建立快速通断下的功率流数学-物理模型，开展多电力电子装置与系统多时间尺度的统一分析与建模方法以及开关动力学过程的混合建模仿真方法研究非常必要。

4)高频次谐波和间谐波的发生机理、传递规律及其影响研究。

电力电子变换器为了提高其能量转换效率，减少2 kHz频带内的谐波和间谐波，开关频率大幅提高。这种趋势使得谐波发射范围向调制频率附近的高频带转移。因此，当前在许多电力电子应用领域低于2 kHz的典型谐波分析应扩展到9 kHz[26]。这种问题在大量采用高频功率转换系统的未来电网将更加突出，国际社会已经高度关注。另一方面，间谐波的产生机理研究成为热点，主要集中在：①供电电压幅值和相角的波动产生边带频率分量；②换流器半导体开关非同步切换等[27]。例如，文献[28]通过频域分析和实验表明，光伏逆变器在与弱系统相连时，有可能产生间谐波[29]。文献[30，31]的研究结果表明，变频调速系统、新能源电力变换等采用双级功率转换系统的场合有产生间谐波的风险。这一领域的基础问题研究在我国并未很好开展。

3.2 高压大容量柔性直流输电的关键技术研究

大功率全控电力电子器件的进步和规模化可再生能源的开发，使得柔性直流输电得到快速发展。从目前在电网的应用需求上看，未来柔性直流技术的主要发展方向应为高压大容量、多端与直流组网技术。从柔性直流输电工程应用角度考虑，传统电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)以其技术上和经济上的独特优势，目前在世界范围内已得到了广泛应用，并不会就此停滞发展。因此，在未来的电网中必然会形成由VSC-HVDC和LCC-HVDC构成的混合双馈入或多馈入直流输电系统的格局，深入研究分析该混合双馈入或多馈入直流输电系统的运行机理是极具工程实际价值的[32]。

多端直流输电的基本原理于20世纪60年代中期被提出，属于直流组网发展过程中的初级阶段，是指由3个以上换流站，通过串联、并联或混联方式连接起来的输电系统，能够实现多电源供电和多落点受电，但迄今全世界仅有5个真正意义上的多端常规直流输电工程[33]。由于柔性直流输电技术具有潮流翻转时不改变电压极性的特点，因此更适合于构成多端直流系统。随着可关断器件、直流电缆制造水平的不断提高，VSC-HVDC将在高压大容量电能输送方面成为多端直流输电及直流电网中最主要的输电技术[34]。

柔性直流输电系统，对于直流控制和保护的响应速度的要求比传统直流输电系统至少提高一个数量级，特别是暂时性闭锁的引入使得控制和保护的联系更加紧密[35]，因而，对于高压大容量换流器的组合集成方法、具备穿越直流故障能力的新型换流器拓扑结构和换流规律以及混合换流器的耦合机理仍需进一步深入研究，对于直流输电的关键设备，如高压直流断路器、大容量DC-DC变压器、高压直流电缆、直流传感器、储能设备等仍需进一步开发与研制。

3.3 大功率电力电子在电力传输中的互作用机理研究

1)混合交直流送出系统中大型火电机组群的次同步振荡新问题研究。

大型火电机组经固定串联补偿交流线路或高压直流输电线路送出可能存在次同步振荡问题。随着工业生产的持续发展和国民经济的稳步增长，面对能源赋存和需求的逆向分布格局，我国电力系统已进入到集中式大型机组群协调运行、超特高压、超大规模互联电网正在形成、远距离、交直流混合输电的新时代。电网的互联以及交直流混合输电一方面由于电网耦合性的增强提高了系统的电气阻尼[36]，使系统的负阻尼频率范围逐渐缩小，正阻尼区域逐渐扩大。另一方面，由于系统规模的扩大以及功率调节设备的增多，系统的扰动也更加频繁，整个系统由于多种功率调节设备的共同作用而可能进入到弱的电气阻尼范围，系统的电气阻尼特性更加复杂。例如，我国蒙东呼贝系统的大型火电机组群一部分通过HVDC送出，一部分通过混合串补的交流线路送出，多个电厂的多台机组的多个模态呈现出弱的电气阻尼。在这种情况下，尽管该系统不会因电气扰动激发机组轴系扭振模态的发散振荡，导致轴系断裂的巨大事故，但频繁超过发电机轴系疲劳累积阈值的次同步振荡会导致轴系的扭振累积疲劳损伤，大大降低汽轮机的服役年限[37]。因此，在含有多电力电子装置的电力系统中，次同步振荡问题不再简单的表现为单一电厂、单一机组、单一模态的发散型次同步振荡问题，而有可能出现多电厂、多机组、多模态的区域性弱阻尼的次同步振荡问题，目前国内外对这一问题的研究较少。

2)规模化新能源发电经串补或直流远距离送出引发的次同步振荡现象研究。

近年来，风力发电在国内外得到了迅猛发展。由于风电场大多处在偏远地区，远离负荷中心，为解决大规模风电外送问题，串联补偿技术再次得到广泛应用。但串联补偿同样可能会诱发风电机组的次同步振荡问题，影响风电场以及外送系统的安全稳定运行[38，39]。除了传统的次同步振荡问题外[40-46]，SSCI是近年来出现的较新的次同步振荡现象，发生于风力发电机组的变流器与串补线路之间。2009年9月，在美国德克萨斯州的某风电场发生了一起SSCI事故，造成风力发电机大量跳机以及内部撬棒电路损坏，这是目前公布的第一起SSCI事故[47，48]，近几年随着我国风力发电的飞速发展，在河北和新疆地区的风电厂也相继出现了类似的SSCI现象。由于是发生于转子侧变流器与串补线路之间的相互作用，SSCI与发电机组的轴系扭振频率无关，振荡频率完全取决于变流器控制以及电气输电系统的结构，因此不存在固定的振荡频率。此外，由于与机械系统无关，其电压和电流的振荡发散速度远快于传统的次同步振荡[49]。研究表明，在目前采用的4类风力发电机中，双馈感应风机的SSCI问题最为严重[50]。文献[51]分析了双馈感应风机经串补线路送出引起的与轴系不相关的次同步振荡问题，即IGE与SSCI，但由于在分析方法上未对两种问题进行区分，该文缺乏对SSCI现象存在的有力证明。文献[52]采用两种稳态模型对IGE和SSCI进行了区分，特征值分析的结果表明，次同步振荡模式的主要参与者是与网络和发电机相关的状态变量，并认为两种模型不存在明显差异。但该文同时指出，频率扫描法是基于双馈感应发电机的稳态等效，即使考虑了转子侧变换器注入的稳态电压，也无法顾及到变流器控制的动态影响，因此弱化了SSCI的作用。因此，SSCI仍需进一步分析并采取相应的措施加以解决。

3.4 多源、多变换系统的可靠性评估

在过去的几个世纪，电力电子技术的进步大大促进了新能源发电技术的发展，在采用了更加智能的控制策略后，现代电力电子技术使得新能源发电更加具有可控性以及与传统发电厂一样具有主动性。从图4所示的风力发电技术的发展来看，一方面，为了降低成本，风机的容量和尺寸在逐渐增加；另一方面，图中深色区域表示电力电子在风机容量中的覆盖率，可看出其由早期的不占用风机容量的软启动装置，逐渐发展为仅通过风机容量30%的换流器(双馈感应风力发电机)，再到完全通过风机全部容量的换流器(直驱型风力发电机)[53]。而对于光伏系统来说，其已成为一个完全基于电力电子并网发电的系统。电力电子变换器在新能源电力系统中的比重逐渐增大。

图4 风机尺寸与其电力电子装备的发展历程Fig.4 Evolution of wind turbine size and the power electronics

电力电子变换器比重的增加一方面使得系统更加灵活，另一方面也使得电力系统的可靠性相对下降。现场运行经验表明，电力电子变换器通常是影响新能源电力系统故障率、寿命以及维修成本的最关键设备之一。

文献[54]对约350个岸上风电机组的35 000次故障停机事件进行了数据统计，这些数据分别来自于SCADA系统、故障和报警记录，工作指令和服务报告以及运行和维护商报告。图5的数据统计结果表明，电力电子变换器对整个风机的故障贡献率达13%，占整个停机时间的18.4%。

文献[55]给出了一个大型光伏发电站自2001～2006年的现场统计数据，该电站包括11 700个相同的光伏板和26个相同的135 kW的光伏并网逆变器。图6表明，因光伏并网逆变器故障引起的非计划维修事件占整体的37%，而其相关的维修成本达到59%。从保修时间的角度来看，目前的主要生产商为光伏并网逆变器提供平均5年的保修期，而光伏板是超过20年。因此，尽管光伏并网逆变器仅在系统的初始成本中占10%～20%，但逆变器的定期更换将增加额外的运行成本。

图5 某风电场的各环节对故障贡献Fig.5 Fault contribution of every section in a wind farm

图6 某光伏发电厂可靠性统计Fig.6 Reliability statistics of a photovoltaic generating plant

综上所述，由于大规模电力电子变换器接入的新能源电力系统可靠性问题需要引起足够的重视，开展电压源型逆变器集群系统中的装置与系统可靠性理论和评估方法研究是新一代电网的重要基础问题之一。

3.5 微网的经济优化调度

微网是有源配电网的重要组成部分，其将分布式新能源发电、储能以及负荷整合在一起，构成有源配电网的基本单元，能够灵活高效地实现分布式新能源的就地消纳以及本地负荷的可靠供电[56]。微网既可实现并网运行，在电源充足时向电网输送多余的电力，在电源不足时从电网中获得能量补充；又可脱离主网孤岛运行，避免主网对关键性负荷可能的负面影响，实现自治运行。在孤岛运行方式下，分布式能源的优化调配和高效利用是微网运行的一个重要目标。优化调配包括发电成本最小、无功损耗最小、环境效益最高等多个目标[57]。其分为静态调度和动态调度，静态调度通常是基于平均功率的运行前的调度计划，这种方式并未考虑到新能源发电的波动性和间歇性特点，预测误差较大。因此，学者们开始对考虑预测误差的短期、超短期静态调度[58]以及实时动态调度进行研究[59]。除了微网内部的优化调度外，随着分布式新能源的渗透率逐渐增加以及微网技术的日益成熟，微网的实用化程度会越来越高，将出现多地区多微网的有源配电网结构，对多个微网之间的优化调度成为学者们逐渐关注的问题[60]。文献[61]以各微网运行成本最低为目标讨论了多微网构成的智能配电网的经济运行问题。文献[62]讨论了离网型面向海岛的多微网系统动态调度策略。文献[63]基于多代理系统的智能配电网动态博弈框架，研究了多微网环境下的电能优化管理方法。

3.6 微网群协调运行及其稳定性分析

如上文所述，随着单一微网研究的深入以及微网在实际系统中的逐步工程化，多微网运行方式成为可能。微网群是一种特殊的智能化的大规模微网运行模式，是由局部地区相邻较近的多个微网组成，各子微网既可独立自治运行，也可部分子微网或全部子微网互联运行并完成某一特定的运行目标，如经济性、可靠性、稳定性等；微网群还需要在其子微网出现暂态过程的情况下起到相互支撑的作用。与单一微网相类似，微网群还可并入主网运行。与单一的微网相比，微网群能够实现分布式新能源的合理调配和充分利用，与多个微网运行相比，微网群基于共同目标的协作化运行更强，同时暂态过程中能够在个别子微网出现“危急”情况时，通过其他子微网与其实现“拉手”对该子微网进行频率和电压支撑，从而保证负荷的正常运行。由此可见，微网群是有源配电网中的一种智能化的高级组网方式，对其开展相应的运行模式、协调控制以及稳定性分析及控制十分必要。

相对于单一微网的能量管理与控制，多微网的运行相对复杂，需要采用分层的能量管理和控制模式，除了需要考虑单个分布式电源的发电控制和负荷控制以及微网内部多个分布式电源的协调控制外，还要考虑多个微网与主网之间的功率调配，这一层面通常是由更高一层的配电网络操作管理系统来完成。而对于微网群来说，其还需要考虑各子微网之间的互联状态以及群级协作下各子微网之间的功率优化调配和协调控制。因此，文献[64]提出了在微网层控制之上增加一层群级的能量管理与协调控制，并以微网群的经济性和可再生能源的最大化利用为目标，以含有两个子微网的微网群为例，对群级协调控制进行了初步研究。但其并未对群级协调控制中子微网群互联控制、功率调配以及稳定性控制开展深入的分析和研究。此外，微网群还可能形成多个微网子群，如由于电能形态不同而自然形成的直流微网子群和交流微网子群，或由于功率调配方式不同而形成的多个交流微网子群。因此，微网的群级能量管理和协调控制尚待深入研究。

对于微网稳定性的研究，目前仅集中于对单个微网的小干扰分析以及频率、电压稳定控制[65]，而对于微网来说，尽管基于李雅普诺夫方法的分析在一定条件下仍然适用，但由于微网中负荷的变化对其影响较大，可能会频繁的改变其稳态运行点，在采用李雅普诺夫第一法时，可能需要根据不断改变的系统运行点反复建立系统的状态方程并重新求取其特征根来判断系统的稳定性。因此，需要考虑一种更加方便可行的适用于微网特点的稳定性分析方法。而对于微网群而言，由于其运行模式较多，拓扑变化较为频繁，甚至当拓扑发生变化时，扰动后的运行点与扰动前的稳定运行点相距较远，采用李雅普诺夫第一法分析还存在误差较大的问题。因此，需要考虑一种更加灵活可行的稳定性分析方法，对微网群中各子网孤立以及微网群联合运行模式下的稳定性进行分析。

4 结论

清洁能源替代和电能替代的理念将使新能源和可再生能源高度渗透到新一代电网中，电力系统电力电子化是其发展的必然趋势，电力电子技术是解决新能源规模化接入、大容量远距离传输以及分布式微网的核心技术，希望本文通过分析讨论、总结和提炼出的多源多变换复杂交直流系统的基础问题在其研究中能有所启发和借鉴，共同为推动新一代电网研究工作的开展献计献策。

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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

肖湘宁 男，1953年生，教授，博士生导师，研究方向为新能源电网中的电力电子技术、电力系统电能质量等。(通信作者)