新型電力系統框架下的多電力電子電網關鍵技術探索

發布日期：2021-11-11 瀏覽次數：3418

2019年6月南美的大停電讓近5000萬人經歷了“至暗周末”；2019年8月英國英格蘭、威爾士等地的大停電，給近100萬家庭和企業造成影響；2021年2月中美國德克薩斯州的大停電事故造成共計450萬戶家庭和企業停電。這些事故清楚地表明了電力系統可靠運行的重要性。

近日發布的《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確提到，到2030年，我國風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。與此同時，應國家大力發展電動汽車的需求，接入電網的充電樁也在以每月10余萬臺的數量快速增加。風電、太陽能和充電樁的并網都是通過電力電子變換器實現，因此數年內，電力系統將呈現高度電力電子化。電力電子化電力系統的可靠穩定運行的關鍵是從硬件和控制層面解決并網型電力電子變換器可靠穩定運行的問題。另一方面，我國的用電大戶主要分布在東南沿海，而清潔能源如風電、光伏和水電主要分布在西北、西南一帶。過去采用的西電東送的方式需要架設成本高昂的高壓輸電網。

隨著儲能系統成本的降低，未來將逐步做到新能源發電的本地消解。未來的電網將由包含清潔能源發電、儲能、用電負載的配電網和主干電網組成。配電網將實現高度自給，減少對主干電網的依賴。為達到這一目的，基于智能控制的配電網中變換器間互操作將極為必要。

綜上，高度自給的、可靠穩定運行的智能配電網的實現，(如圖1)將基于以下關鍵技術：

變換器可靠性以及本地控制

高度自主的配電網將包括風電變換器、光伏逆變器、電動汽車充電樁和儲能系統變換器。此外，為實現對交-直混合配電網的保護，還將包括固態斷路器；雙極型直流配電網需要正負極負載平衡變換器；多端口直流配電網需要潮流控制器實現負載優化分配。與消費電子中追求變換器(如電腦適配器、手機充電器)的功率密度、輕視其可靠性(1-2年)不同，配電網變換器的失效將帶來較大經濟損失，因此要求有較高可靠性(如光伏逆變器20年設計壽命)，但對功率密度要求并不高。

電力電子變換器的可靠性主要包括開關器件的可靠性(對溫度波動敏感)、電容可靠性(電解電容壽命遠低于薄膜電容壽命)以及元件失效后的故障容錯控制(如降功率運行)。搭載數字處理器的電力電子變換器將易于實現多功能控制，其中包括：1、功率控制——電網電壓正常時的有功控制和電網電壓過高或過低時的無功功率控制；2、電能質量控制——主要指并網電流的諧波消除及變換器本身的控制穩定性；3、輸出阻抗塑形——高度依賴新能源供電的配電網具有短路容量低、電網阻抗相對較大的特點，并網變換器與電網阻抗不匹配時會出現諧振，甚至系統失穩的問題，對并網變換器的輸出阻抗塑形，使其與電網阻抗相匹配可有效避免諧振，提高電能質量。

人工智能模型

配電網因包括數量眾多的變換器，而成為一個高階強非線性系統。為實現對這樣一個系統的故障監測和優化控制，需要對其中各個狀態變量進行觀測。而配電網往往跨較大的空間尺度，通過多傳感器測量，然后數據通信的形式建立可觀性，存在大延時、高成本的問題。相比而言，更可行的方法是在中央控制器中建立配電網的狀態觀測器(電路動態等效模型)，在此基礎上用測量的狀態對觀測器進行校正，以保證觀測器的精確度。

主流的解析模型基于對象物理動態特性的描述，在低階的傳統配電網中使用尚可。但隨著并網型電力電子的增多，配電網的模型呈現高階化，以及耦合項帶來的強非線性化，解析模型變得非常復雜，失去了解析模型便于分析問題的優勢。同時，在建立解析模型時，通常需要做很多假設，很容易忽略重要的細節。這也是近些年，并網變換器的解析模型在不斷被更新的原因，因為很多電網新出現的現象無法用已有的解析模型進行解釋。

與此同時，由于并行計算的快速發展，海量計算的成本已經大為降低，這使得基于大量數據訓練的人工智能建模技術變得很有吸引力。該建模方法不需要對被建模對象的物理動態特性的理解，理論上，只要訓練數據的樣本足夠大，所訓練出的模型將無限接近被建模的對象。但配電網對安全可靠運行要求十分嚴格，所以這種黑盒子式的建模方法很難為電網運營部門所接受。基于對象物理特性認知的人工智能建模，以解析模型為主以幫助模型快速有效收斂，以海量數據訓練為輔，以提高模型的精度，將成為更加可行的方法。

云端協調控制

隨著配電網中分布式能源，和儲能的比例不斷提高，配電網的功率平衡不再依賴大電網的支撐，而主要靠配電網內各發電與用電單元的協調控制，以實現自給自足。能量管理系統的理論發展已進行多年，包括用電負載分配、配電網用電效率優化、配電網與主干網協調控制等。近些年，云平臺的商業化發展為配電網多智能體的協調控制提供了有效的工具。但是基于云平臺交互的配電網多智能體協同互操作仍然缺乏設計實踐，阻礙了配電網智能化的發展。配電網多智能體互操作柔性的定義，本地設備與云平臺數據互傳時的網絡安全問題，考慮到通信時延、帶寬以及云計算資源占用成本的能量優化算法部署的問題仍需投入大量研究。

此外，多電力電子電網的另一項關鍵技術為構網型變流器以及控制。迄今為止，新能源變流器的主流控制為電網跟隨性控制，即電網中的同步發電機負責支撐電壓幅度及頻率，新能源變流器只向電網注入有功或無功功率。但隨著新能源變流器在電網中占的比例不斷增高，電網中同步發電機的支撐能力正相對變弱，因此而導致的電網崩潰事故近年來也以較高頻率出現。為減小電網同步發電機的負擔，要求未來的新能源變流器具備一定的電網支撐能力。

如圖2所示，構網型變流器的控制將兼顧最大功率跟蹤控制，在此基礎上將具備控制電網電壓、頻率的能力。另外，當電網因故障停電，在故障排除后，構網型變流器將不必等待電網同步發電機來恢復電網電壓，其自身將具備恢復電網電壓的能力。需要強調的是，受變流器載流能力，以及天氣因素對當前新能源變流器最大功率的限制，新能源變流器的構網能力比較有限。所以實現構網型變流器需要采用高級的控制方法，但為了讓新能源變流器有可觀的構網能力，需要給新能源發電廠搭配儲能系統。

(作者劉旭為南網科研院技術支持中心輸變電智能運維研究員)

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