電力系統(tǒng)的電力電子化趨勢分析與探討

朱傳香

摘要：目前，我國的經(jīng)濟在快速發(fā)展，社會在不斷進步，結構合理、安全高效的電力系統(tǒng)是衡量社會和經(jīng)濟發(fā)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(xiàn)代電力系統(tǒng)。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(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)。然而，隨著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)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(wǎng)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(wǎng)發(fā)展模式逐漸受到了原理、技術、安全、經(jīng)濟等方面的制約;另一方面，新的發(fā)電設備、新的傳輸技術、新的用電負荷設備不斷涌現(xiàn)，與原有電網(wǎng)在功能、接口、服務等方面都存在較大的沖突。未來電力系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng);電力電子化;輸電;配電;新能源發(fā)電

引言

近些年來，電力電子技術迎來了蓬勃的發(fā)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(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)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(xiàn)使高壓直流輸電系統(tǒng)的建設成為可能;而無功補償電子裝置電源的出現(xiàn)，則顯著的提高了供電系統(tǒng)中電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低了電能在電網(wǎng)中的損耗。

1電力系統(tǒng)電力電子化的必要性

隨著電力系統(tǒng)規(guī)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(xiàn)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(tǒng)面臨著越來越多的發(fā)展瓶頸。a. 電源方面。未來我國新能源發(fā)電所占比重越來越大，但與常規(guī)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(fā)出的電以直流形式居多。大量的新能源并網(wǎng)發(fā)電，不僅需要電力電子換流器并網(wǎng)，還需要配套儲能、有源濾波、功率調(diào)節(jié)等設備輔助運行。傳統(tǒng)同步電機發(fā)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(diào)節(jié)等。b. 電力傳輸方面。該方面同樣面臨新的問題，包括：（a）傳統(tǒng)的增高電壓、增加距離的方式受到了制約;（b）互聯(lián)系統(tǒng)的安全隱患增加;（c）環(huán)境經(jīng)濟等因素的限制，比如輸電通道受限;（d）配電網(wǎng)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(wǎng)造成調(diào)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(xiàn)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(tǒng)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(jīng)濟安全等多方面相關的關鍵環(huán)節(jié)之一，而電力系統(tǒng)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(jīng)濟安全和國家的安全形勢。我國能源總依存度呈現(xiàn)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(nèi)部能源革命，構建清潔能源供應體系。提出在2030年之前，實現(xiàn)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(tǒng)的建設，可實現(xiàn)大規(guī)模的能源跨區(qū)調(diào)配、促進新能源發(fā)電開發(fā)、推動電動汽車與先進軌道交通發(fā)展，從而降低常規(guī)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(fā)展的戰(zhàn)略需求。我國經(jīng)濟和社會面臨東部和西部發(fā)展不均的矛盾，而“西電東送”為西部省區(qū)把電力資源優(yōu)勢轉化為經(jīng)濟優(yōu)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(wǎng)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(zhàn)略舉措，能源合作是“一帶一路”戰(zhàn)略中的重要內(nèi)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(fā)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(lián)網(wǎng)”的項目中，對發(fā)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(tǒng)是滿足上述需求的必然之路。d.推動制造產(chǎn)業(yè)升級的需求。工業(yè)制造是國民經(jīng)濟的重要支柱，但中國制造業(yè)仍相對缺乏原創(chuàng)與核心技術。在能源、工業(yè)、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(tǒng)均是必不可少的核心部件。因此，加快電力電子化電力系統(tǒng)的建設可以拉動相應裝備制造業(yè)的發(fā)展，進而對把握制高點、突破技術壁壘、形成集群化的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢具有重要的作用。

2.2太陽能發(fā)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(fā)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(fā)展具有重要幫助。其中人們生活中經(jīng)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(zhì)量，為了能夠為人們提供更加便利的條件，太陽能熱水器、農(nóng)業(yè)大棚的照明、太陽能路燈等新型事物，都是利用太陽能發(fā)電這一原理研發(fā)而成的。在未來，太陽能發(fā)電技術的發(fā)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(fā)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(tǒng)并網(wǎng)時具有顯著優(yōu)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(xiàn)直流輸電工程中直流和交流的相互轉換。在 HVDC 系統(tǒng)中，電能由三相交流電一端經(jīng)過換流站進入直流輸電線，到達目的地后再經(jīng)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(tǒng)，實現(xiàn)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(fā)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(tǒng)節(jié)能方面的應用

電力電子技術在電力系統(tǒng)節(jié)能方面的應用，有提高電能使用率和變負荷電動機調(diào)速運行兩個方面。電廠產(chǎn)生能源損耗的現(xiàn)象是由于發(fā)電機組不能配合能源變化時產(chǎn)生的，通過變負荷電動機對運行轉速的調(diào)整，能夠達到節(jié)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(tǒng)中增加可控設備，對電能進行實時調(diào)控，確保電力的質(zhì)量和安全。

結語

電力系統(tǒng)中的電力電子化設備占比越來越高，設備與系統(tǒng)以及設備與設備之間的交互作用越來越復雜，對電力系統(tǒng)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(xiàn)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效、長期地運行。總體而言，電力系統(tǒng)的電力電子化趨勢是比較明確的，但是其具體的發(fā)展過程仍有諸多不確定性，建議就電力電子化裝備的動態(tài)特征及系統(tǒng)動態(tài)問題盡早展開相應研究，重點關注電力電子化設備與傳統(tǒng)設備在構成與控制方面的差異，以及主要動態(tài)過程的解析、本質(zhì)特征的提取等。本文梳理了電力系統(tǒng)核心裝備的發(fā)展脈絡，指出了電力系統(tǒng)電力電子化發(fā)展的必然性，并對電力電子化電力系統(tǒng)的趨勢進行了預測。總結了電力電子化的主要內(nèi)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(xù)的研究分析提供有益的借鑒。

參考文獻

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