能源是國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展的重要支柱。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，在諸多因素的主導(dǎo)與推動(dòng)下，能源行業(yè)其技術(shù)基礎(chǔ)、組織結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)模式一直處于逐漸變革的狀態(tài)，以期最終建立起更加高效、安全與可持續(xù)的環(huán)境友好型能源利用模式，從而解決能源資源配置這一人類社會(huì)面臨的重大難題。

　　美國(guó)能源機(jī)構(gòu)認(rèn)為，今后10年內(nèi)，全球能源需求估計(jì)會(huì)增長(zhǎng)50%以上，其中工業(yè)化國(guó)家的需求將增長(zhǎng)23%，發(fā)展中國(guó)家因起點(diǎn)低，能源需求量將增長(zhǎng)1倍以上，特別是中國(guó)的能源需求量增長(zhǎng)將非常突出，必然影響全球能源市場(chǎng)，發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家以及美國(guó)與歐洲國(guó)家之間爭(zhēng)奪世界能源資源的局面可能會(huì)加劇。

　　電能作為一種可靈活方便使用的二次能源形式，一直是人們關(guān)注和研究能源問(wèn)題的重點(diǎn)。根據(jù)美國(guó)能源信息部發(fā)布的《年度能源評(píng)估2011》，如圖1所示，在其一次能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)表中約有40%的一次能源是經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎笤倮茫娔茉谀茉聪M(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，其中約31%的天然氣，54%的可再生能源，92%的煤轉(zhuǎn)換為電能，而原子能則完全以電能的形式利用。

　　圖1 美國(guó)2011年一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

　　另一方面，2014年全球新能源發(fā)展報(bào)告表明（見圖2）：

　　1）2013年全球發(fā)電量能源類型構(gòu)成中，化石燃料發(fā)電量占全球總發(fā)電量的比重為70%，與2012年70.5%相比略有下降，而新能源發(fā)電在2013年仍延續(xù)了高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，同比增速達(dá)13%，占全球發(fā)電量總額的5.2%，與總體發(fā)電量增速緩慢形成對(duì)比；

　　2）2013年全球發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到5733.2GW，新增裝機(jī)容量280GW，中國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1247GW，躍居世界第一，新增裝機(jī)容量超過(guò)100GW，增速9%，其中非化石燃料裝機(jī)新增容量58.3GW，所屬風(fēng)電和光伏新增裝機(jī)容量分別為16.1GW和12GW。截止到2013年，中國(guó)可再生能源總裝機(jī)容量（不包括水力發(fā)電）116GW，位居世界第一，其后依次為美國(guó)、德國(guó)、西班牙、意大利及印度。

　　世界各能源消耗大國(guó)均致力于可再生能源的開發(fā)與利用，中國(guó)在緊跟發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展步伐的同時(shí)正走出一條獨(dú)特的發(fā)展道路。

　　圖2 2013年世界各國(guó)可再生能源發(fā)電量累計(jì)裝機(jī)容量

　　綜上所述，開發(fā)利用新能源、節(jié)能減排、建設(shè)新一代電網(wǎng)已成為世界許多國(guó)家，包括中國(guó)在內(nèi)的能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署，并逐漸產(chǎn)生了以清潔能源替代和以電能替代為主導(dǎo)的能源開發(fā)理念，以期提高能源的利用率和應(yīng)對(duì)全球能源環(huán)境危機(jī)。

　　總結(jié)以上發(fā)展特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)需求，為適應(yīng)能源發(fā)展戰(zhàn)略和新能源利用，未來(lái)新一代電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出電源類型多、電能變換形式多、電力變換器數(shù)量多以及負(fù)荷類型需求多的“新概念電網(wǎng)”。

　　圖3構(gòu)想了新一代電網(wǎng)中多源多變換復(fù)雜交直流系統(tǒng)的組成框架。在電源側(cè)，除了傳統(tǒng)的大型火力和水力發(fā)電基地外，還包括規(guī)?；L(fēng)電和規(guī)?；夥l(fā)電基地，它們均通過(guò)電力電子變換器集中并網(wǎng)。

　　這些大規(guī)模集中式發(fā)電廠通常距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，因此需要大容量、高電壓、遠(yuǎn)距離電力輸送。特（超）高壓交流或多端柔性直流輸電、固定或可控串聯(lián)補(bǔ)償是提高遠(yuǎn)距離輸電能力和電網(wǎng)功率靈活控制能力的經(jīng)濟(jì)有效措施，也是未來(lái)輸電網(wǎng)構(gòu)架的基本組成單元。

　　在配網(wǎng)側(cè)，除了傳統(tǒng)的通過(guò)電力電子變換器從系統(tǒng)取用電能的無(wú)源負(fù)荷外，還包含同樣經(jīng)過(guò)電力變換器接入配網(wǎng)的中小型風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式電源以及由分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷構(gòu)成的以變換器作為接口的微電網(wǎng)系統(tǒng)。

　　未來(lái)電網(wǎng)將從傳統(tǒng)的發(fā)、輸、配、荷的垂直單一模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楹嚯娏﹄娮幼儞Q的功率與信息雙向流動(dòng)模式。因此面對(duì)這一革命性變化，新一代電網(wǎng)中新的科學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題以及新的關(guān)鍵技術(shù)將被不斷提出，并將引起極大關(guān)注。

　　本文首先總結(jié)和分析了新一代電網(wǎng)發(fā)展的6個(gè)顯著特點(diǎn)，然后提出了其核心問(wèn)題——電力電子化中包含的5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最后詳細(xì)討論和梳理了多源多變換復(fù)雜交直流系統(tǒng)中的基礎(chǔ)問(wèn)題。

　　圖3 新一代電網(wǎng)的框架構(gòu)想

　　1、新一代電網(wǎng)發(fā)展的6個(gè)顯著特點(diǎn)

　　1.1、新能源發(fā)電成為主導(dǎo)能源的進(jìn)程加快

　　支持新能源快速發(fā)展已成為各國(guó)未來(lái)能源計(jì)劃的重要決策，可以預(yù)見，未來(lái)電力系統(tǒng)中可再生能源必將逐步由替代能源成為主導(dǎo)能源。

　　美國(guó)作為傳統(tǒng)的能源消耗大國(guó)，計(jì)劃在未來(lái)10年投資1500億美元建立“清潔能源研發(fā)基金”，用于太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物燃料和其他清潔可替代能源項(xiàng)目的研發(fā)和推廣，將為使用此類能源的企業(yè)提供250～450億美元的稅收優(yōu)惠，有助于增加500萬(wàn)就業(yè)崗位；未來(lái)3年內(nèi)可再生能源產(chǎn)量增加1倍，2012年所占發(fā)電比例由目前的8%提高到10％，2025年增至25％。

　　歐盟作為世界最大的經(jīng)濟(jì)實(shí)體之一，同樣在大力推動(dòng)著智能電網(wǎng)框架下的可再生能源規(guī)劃，計(jì)劃在2020年，20%的電能消費(fèi)由可再生能源提供，完成35%的可再生能源無(wú)縫并網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)20%的能效提高和20%的二氧化碳減排的目標(biāo)，并計(jì)劃在2050年通過(guò)包括可再生能源的零碳發(fā)電實(shí)現(xiàn)至少80%的溫室氣體減排。

　　中國(guó)正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加速發(fā)展時(shí)期，能源需求持續(xù)增加，雖然對(duì)可再生能源的開發(fā)起步較晚，但已將發(fā)展可再生能源作為減少能源貧困、增加能源供給、改善能源結(jié)構(gòu)的重要途徑，并通過(guò)立法將可再生能源列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域。

　　《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》（2011）的具體目標(biāo)為：到2015年，可再生能源發(fā)電量達(dá)到總發(fā)電量的20%以上，可再生能源供熱與民用燃料總計(jì)年替代化石能源約1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，建立30個(gè)新能源微電網(wǎng)示范工程，100個(gè)新能源示范城市及200個(gè)綠色能源示范縣。

　　2014中美氣候變化聯(lián)合聲明指出：美國(guó)計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)在2005年基礎(chǔ)上減排26%～28%的全經(jīng)濟(jì)范圍目標(biāo)。中國(guó)計(jì)劃2030年前后二氧化碳排放達(dá)到峰值，并且將努力早日達(dá)峰，并計(jì)劃到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到約20%。中美雙方均計(jì)劃繼續(xù)努力并逐步加大力度，其增速可能還會(huì)加快。

　　1.2、垂直一體化的電網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)展

　　在百年發(fā)展歷程中逐漸形成的垂直一體化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一直是世界各國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)架構(gòu)，其對(duì)電力的實(shí)時(shí)供應(yīng)及供需平衡，擴(kuò)大電力供應(yīng)范圍，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置有著巨大的支撐作用。在已有的成熟的垂直一體化電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)繼續(xù)加強(qiáng)和拓展電網(wǎng)構(gòu)成的深度與適用范圍，發(fā)展適應(yīng)于新一代電網(wǎng)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無(wú)疑是一種極為穩(wěn)妥可行、降低建設(shè)成本和易見成效的發(fā)展途徑。

　　不同國(guó)家和地區(qū)的電力系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程不同，具體的改造與建設(shè)方法也存在差異，但總體而言，可在原有垂直一體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和新型平面互動(dòng)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面發(fā)展。以美國(guó)為例，由于其電網(wǎng)建成時(shí)間早，電力設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重老化，加之電力建設(shè)投資不足，發(fā)生電力阻塞的輸電線路增加，大停電事故頻繁發(fā)生。

　　為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的升級(jí)改造，建造新一代電力系統(tǒng)，美國(guó)能源部曾組織眾多部門和機(jī)構(gòu)召開會(huì)議（2003年與2004年），提出了未來(lái)電網(wǎng)“Grid2030”計(jì)劃[10]與具體的路線圖，計(jì)劃在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上，利用多種先進(jìn)輸電技術(shù)，通過(guò)國(guó)家主干網(wǎng)將東西海岸、加拿大及墨西哥聯(lián)系起來(lái)，主干網(wǎng)可用于在國(guó)家層面上進(jìn)行電力調(diào)度和配置，并開始實(shí)施美國(guó)東西部地區(qū)背靠背多端聯(lián)網(wǎng)。

　　歐洲也相繼制定了“歐洲海上Super Grid”計(jì)劃（2006年）、“北海各國(guó)海上風(fēng)電計(jì)劃”（the North Seas Countries Offshore Grid Initiative，NSCOGI，2008年）等未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃，在歐洲超級(jí)電網(wǎng)宏偉藍(lán)圖下，通過(guò)將周邊不同經(jīng)緯度國(guó)家的風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電及水電聯(lián)合起來(lái)互連互送，以期實(shí)現(xiàn)電能的互聯(lián)網(wǎng)有序利用。

　　我國(guó)能源稟賦與消耗逆向分布的現(xiàn)狀與矛盾比之其他大國(guó)或區(qū)域更為突出，未來(lái)20年，將主要圍繞煤電基地和水電基地的電力外送以及部分跨國(guó)輸電的需要，形成“西電東送”、“北電南供”的基本電力流向，并通過(guò)特高壓交直流輸電技術(shù)和手段實(shí)現(xiàn)三華電力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與運(yùn)行。

　　1.3、分散式合作平面化微網(wǎng)群逐漸興起

　　對(duì)于新能源的利用，除了上述垂直一體化模式的大規(guī)模集中并網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送至用電端外，另一種有效方式是構(gòu)成中小規(guī)模的新能源分布式微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)新能源的就地消納。美國(guó)調(diào)查公司Navigant Research于2014年12月初發(fā)布了“全球分布式能源部署預(yù)測(cè)”的報(bào)告，報(bào)告中指出，下個(gè)世紀(jì)來(lái)自于分布式發(fā)電的全球收入將翻倍，從2014年的970億美元到2023年超過(guò)1820億美元。

　　在這期間，分布式發(fā)電容量將達(dá)到1213GW。這種分布式發(fā)電的廣泛使用，促進(jìn)了電網(wǎng)尤其是配電網(wǎng)，通過(guò)汲取互聯(lián)網(wǎng)的信息流理念，向分散式平面化的方向發(fā)展。而在發(fā)展過(guò)程中，分布式電源的利用方式成為必須要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素，其既要在負(fù)荷需求增加時(shí)及時(shí)投入有效供電并維持系統(tǒng)的電壓和頻率，又要在負(fù)荷需求降低時(shí)減少發(fā)電或是將多余電能貯存起來(lái)。各分布式電源需要通過(guò)相互之間的協(xié)調(diào)控制共同實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的可靠供電。

　　為了實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電的即插即用，首先需要將地域或電氣距離上相對(duì)集中的分布式電源構(gòu)成一個(gè)整體。一個(gè)有效的方法是構(gòu)成微網(wǎng)或微（納）網(wǎng)群，它能有效集成各種分布式電源并實(shí)現(xiàn)能源的有序和充分調(diào)配利用，既能自治運(yùn)行單獨(dú)對(duì)負(fù)荷供電，又可并入主網(wǎng)送出其多余的電力。

　　實(shí)現(xiàn)能源就地取用和即插即用，需要在微網(wǎng)中通過(guò)合理的能量控制與管理，將一部分控制權(quán)交給分布式發(fā)電單元，各虛擬發(fā)電廠根據(jù)上層的微網(wǎng)中央管理器的調(diào)度指令改變其運(yùn)行狀態(tài)和返回協(xié)調(diào)控制信息，實(shí)現(xiàn)各分布式電源的有效利用。

　　1.4、高技術(shù)、多樣性強(qiáng)非線性負(fù)荷比例增加

　　現(xiàn)代社會(huì)中，電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，電動(dòng)艦船、電力機(jī)車、電動(dòng)汽車、超級(jí)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體照明等多樣性高技術(shù)含量負(fù)荷層出不窮。為了滿足其電能轉(zhuǎn)換與消耗的需求，符合生產(chǎn)工藝流程和產(chǎn)品質(zhì)量的要求，亦或?yàn)榱颂岣邉趧?dòng)生產(chǎn)率和降低能源消耗成本，對(duì)供電電源的電壓、電流和頻率，甚至其原有的交變波形都因用電設(shè)備的不同要求而改變。

　　例如，機(jī)械加工中的感應(yīng)加熱設(shè)備適宜用中高頻交流電源供電；化學(xué)工業(yè)中的電解、電鍍需要低壓直流電源供電；大量通信設(shè)備需要低壓直流電源；超大規(guī)模的集成電路芯片制造需要直流低壓大電流條件；廣泛應(yīng)用的交流電機(jī)速度調(diào)節(jié)則需要改變?cè)械膯我还ゎl頻率為可調(diào)整的頻率范圍提供驅(qū)動(dòng)電力；而發(fā)射機(jī)、快速充電設(shè)備等則要求有大功率脈沖電源。

　　凡此種種，都依賴于現(xiàn)代電力電子換流與功率控制技術(shù)，據(jù)估計(jì)，未來(lái)將有90%的電力需要經(jīng)過(guò)電力變換后使用，因此含有電力變換中間接口裝置的高技術(shù)、多樣性、強(qiáng)非線性負(fù)荷數(shù)量急劇增加。

　　1.5、功率變換系統(tǒng)高級(jí)技術(shù)成為關(guān)鍵

　　功率變換的目的是電力的靈活控制和智能化管理，利用先進(jìn)的功率變換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能源的大范圍轉(zhuǎn)移，提升系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控能力和電網(wǎng)的靈活運(yùn)行能力，保證大規(guī)模間歇式新能源發(fā)電的可靠接入；通過(guò)智能能量管理，可提高電能輸送及電網(wǎng)運(yùn)行的運(yùn)行效率及安全穩(wěn)定水平。新一代電網(wǎng)中的功率變換高級(jí)技術(shù)主要包括柔性直流輸電及多端直流輸電技術(shù)、主動(dòng)定制電力技術(shù)和智能化電氣裝備。

　　1）柔性直流輸電及多端直流輸電技術(shù)

　　直流輸電技術(shù)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量輸電，區(qū)域大電網(wǎng)非同步互聯(lián)中廣泛應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)能源的大范圍轉(zhuǎn)移，提升系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控能力和電網(wǎng)的靈活運(yùn)行能力；新型的柔性直流輸電技術(shù)克服了傳統(tǒng)直流輸電的諸多缺陷，在新能源發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市配電網(wǎng)增容等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；基于以上技術(shù)的混合輸電及多端直流輸電技術(shù)為大區(qū)電網(wǎng)提供更多的新型互聯(lián)模式，為大城市直流供電的多落點(diǎn)接入提供新思路，為其他形式的新能源接入電網(wǎng)提供新方法，為優(yōu)質(zhì)電力能量池的建立提供新途徑。

　　2）主動(dòng)定制電力技術(shù)

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，用戶對(duì)電網(wǎng)企業(yè)的服務(wù)理念、服務(wù)方式、服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)質(zhì)量不斷提出新的更高的要求，除電力成本更低、用電安全可靠等需求外，還希望享受更加個(gè)性化、便捷式及互動(dòng)性強(qiáng)的供電服務(wù)和優(yōu)質(zhì)電力供應(yīng)。為了滿足這些需求，為用戶提供量體裁衣的主動(dòng)定制電力技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　配電網(wǎng)中越來(lái)越多的采用了各類電力電子變換器，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率交流和直流、多電壓等級(jí)的能量變換，將電力電子變換技術(shù)和配電自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以用戶對(duì)電力可靠性和電能質(zhì)量的需求為目標(biāo)，主動(dòng)為用戶配置滿意的電力。

　　3）智能化電氣裝備

　　以新能源技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合為重要特征的能源互聯(lián)網(wǎng)最重要的核心內(nèi)涵是實(shí)現(xiàn)可再生能源尤其是分布式可再生能源的大規(guī)模利用和共享，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)需要依靠智能化電氣裝備高新技術(shù)為保證，這些智能化電氣裝備包括具有虛擬同步發(fā)電特性的新能源并網(wǎng)逆變器、實(shí)現(xiàn)能量傳輸與管理的電力電子變壓器、保證系統(tǒng)穩(wěn)定的電氣彈簧即固態(tài)變壓器等，許多新概念和新方法正在轉(zhuǎn)換為新的智能設(shè)備。

　　其中，固態(tài)變壓器（SST）是新能源互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件，它具備傳統(tǒng)變壓器所不具有的眾多優(yōu)點(diǎn)：1SST不僅可完成電壓幅值轉(zhuǎn)換（如高低電壓等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換），還能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器無(wú)法完成的頻率變換（如不同電壓等級(jí)下直流電與交流電之間的變換）；2SST通過(guò)提高工作頻率大大縮小了設(shè)備的電磁材料尺寸，減輕了重量，降低了成本，可廣泛應(yīng)用于分布式電力電子設(shè)備中，以適應(yīng)可再生能源互聯(lián)網(wǎng)中電力電子裝備多的特點(diǎn)；3由于SST頻率變換和電壓變換的靈活性，利用它可有效阻斷變壓器兩端故障的傳遞。與傳統(tǒng)變壓器只適用于單一頻率、單向電壓傳遞相比，SST可適用于各種情況下的電壓雙向傳遞。

　　需要注意的是，固態(tài)變壓器與智能能量管理系統(tǒng)相結(jié)合可構(gòu)成未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)中所謂能量路由器的新概念和新裝備。智能能量管理根據(jù)收集的電力局域網(wǎng)、分布式新能源發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備狀況以及用戶負(fù)荷變化等信息做出能量控制決策，

　　通過(guò)控制指令發(fā)送給智能固態(tài)變壓器執(zhí)行，重新根據(jù)需要調(diào)控電力潮流，即智能能量管理借助信息流和電力變換實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流的有序控制。

　　1.6、電力傳輸與信息傳遞技術(shù)相互融合

　　隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和新能源的接入，電力系統(tǒng)已發(fā)展成為一個(gè)整合了通信系統(tǒng)和人造物理系統(tǒng)的信息物理能量系統(tǒng)（cyber-physicalenergysystem），電力系統(tǒng)從單向的能量流轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰苛?、信息流的雙向流動(dòng)。

　　用于智能控制和管理的先進(jìn)計(jì)量設(shè)施（AdvancedMeteringInfrastructure，AMI）目前正廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，美國(guó)已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)鋪設(shè)了1000個(gè)同步相量測(cè)量單元和1500萬(wàn)只智能電表。2012年，美國(guó)的AMI的滲透率已高達(dá)30.2%。

　　十二五期間，中國(guó)計(jì)劃安裝2億只智能電表，目前智能電表的滲透率不足40%，但未來(lái)將達(dá)到90%。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐步完善的前提下，2015年政府工作報(bào)告首次提出“制定‘互聯(lián)網(wǎng)+’行動(dòng)計(jì)劃，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合，促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展，引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)拓展國(guó)際市場(chǎng)”。這必將大力助推電力與信息融合技術(shù)的發(fā)展。

　　然而，由于通信網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制和管理中應(yīng)用十分廣泛，新一代電力系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)安全方面出現(xiàn)了新的脆弱性。

　　介紹了目前國(guó)際上發(fā)生的3個(gè)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)安全事件（如表1所示），3個(gè)事件中核電廠均遭受了網(wǎng)絡(luò)攻擊，其中2010年由Stuxnet病毒引起通過(guò)操縱SCADA等控制系統(tǒng)造成的影響最為嚴(yán)重。

　　此外，廣域測(cè)量系統(tǒng)以及智能電表的廣泛使用對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行者來(lái)說(shuō)增加了系統(tǒng)整體的可觀性，但對(duì)于惡意攻擊者來(lái)說(shuō)，也增加了系統(tǒng)整體的攻擊表面，使得信息能量系統(tǒng)的脆弱性問(wèn)題和安全保障開始得到極大重視。

　　例如，美國(guó)能源部指出，解決信息安全問(wèn)題是提高全國(guó)電力系統(tǒng)安全性和可靠性的關(guān)鍵。2011年美國(guó)工業(yè)部門和政府合作提出了實(shí)現(xiàn)能量傳遞系統(tǒng)信息安全的發(fā)展路線。美國(guó)能源部也提出了用于防止能量傳遞系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊的策略。

　　在歐洲，由于各國(guó)之間電力的互聯(lián)，特別是超級(jí)電網(wǎng)的建立，使得當(dāng)某個(gè)國(guó)家的某一地區(qū)發(fā)生故障時(shí)，其他國(guó)家也將受到一定程度的影響，2006年的一次重大的連鎖電力事故發(fā)生于德國(guó)，卻波及到了法國(guó)、波蘭、意大利等6個(gè)國(guó)家的500萬(wàn)人。

　　因此，當(dāng)信息和通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)而使得系統(tǒng)可能遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊以后，歐洲更加重視電力系統(tǒng)在信息安全方面的研究。

　　表1 已發(fā)生的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全事件

　　2、電力系統(tǒng)電力電子化及其關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1、提高交流輸電的功率控制與處理能力

　　在未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，正弦交流電仍是電網(wǎng)的主要電力形式，而與直流輸電不同的是，交流輸電本身并不需要依賴電力電子設(shè)備，因此本身也就缺少了靈活控制和主動(dòng)處理的能力，基于電力電子變換的靈活交流輸電技術(shù)（FACTS）的出現(xiàn)和發(fā)展彌補(bǔ)了交流輸電在這一方面的缺陷。

　　FACTS除具有功率快速調(diào)節(jié)能力外，還具有支撐系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功和提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的功能。此外，在與新能源發(fā)電或儲(chǔ)能設(shè)備相結(jié)合后，F(xiàn)ACTS裝置的功能更加全面，既可作為新能源并網(wǎng)發(fā)電的接口，又可在儲(chǔ)能設(shè)備的支撐下，向系統(tǒng)提供可觀急需的有功功率。

　　2.2、（混合式、多端）柔性直流輸電及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

　　高壓直流輸電是遠(yuǎn)距離靈活送電和電網(wǎng)之間解耦互聯(lián)的有效手段，隨著大規(guī)模間歇性和隨機(jī)性新能源接入電網(wǎng)，直流輸電將發(fā)揮其特有的功能和得到更加廣泛的應(yīng)用。

　　隨著大功率全控型電力電子器件制造及控制技術(shù)的發(fā)展，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術(shù)以其靈活的四象限運(yùn)行優(yōu)勢(shì)、較強(qiáng)的電壓調(diào)節(jié)能力和較好的阻尼特性而迅速發(fā)展。

　　高壓直流輸電正在由傳統(tǒng)LCC-HVDC輸電轉(zhuǎn)向LCC-HVDC與VSC-HVDC混合輸電模式和完全的柔性直流輸電模式。在組網(wǎng)方面，多端直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電，能夠?qū)崿F(xiàn)源網(wǎng)之間以及區(qū)域網(wǎng)之間的高度解耦，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間歇性大規(guī)模新能源的并網(wǎng)發(fā)電。

　　2.3、有序供用電與優(yōu)質(zhì)電力保障

　　有序供用電一直是我國(guó)電力系統(tǒng)需求側(cè)管理領(lǐng)域中的重要內(nèi)容。在早期，有序用電是主要的研究和管理內(nèi)容，并利用法律、行政、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等手段，通過(guò)加強(qiáng)用電管理來(lái)改變用戶用電方式，采取錯(cuò)峰、避峰、輪休、讓電和負(fù)控限電等一系列措施，避免無(wú)計(jì)劃拉閘限電，規(guī)范用電秩序，將季節(jié)性、時(shí)段性電力供需矛盾給社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)的不利影響降至最低程度。

　　現(xiàn)如今隨著分布式新能源的廣泛接入和電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷的規(guī)?；瘧?yīng)用，有序供電已成為與有序用電同等重要的關(guān)鍵技術(shù)，如何通過(guò)協(xié)調(diào)微電網(wǎng)群的運(yùn)行從而保證經(jīng)濟(jì)的、環(huán)境友好的電能利用將成為未來(lái)電網(wǎng)要解決的主要問(wèn)題之一。

　　與電能有序利用緊密關(guān)聯(lián)的是保證為用戶提供高質(zhì)量的電力。隨著分布式新能源的廣泛應(yīng)用和大量電力變換設(shè)備接入電網(wǎng)，保證高效電能利用和優(yōu)質(zhì)電力供應(yīng)的任務(wù)更加嚴(yán)峻，研發(fā)電能質(zhì)量控制裝置和開發(fā)新的電能質(zhì)量治理技術(shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　2.4、功率轉(zhuǎn)換（高頻隔離）系統(tǒng)與微網(wǎng)能源管理

　　隨著功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，新的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)展迅速，其中較為突出的即為采用高壓碳化硅器件的高頻隔離功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，目前主要應(yīng)用于光伏的并網(wǎng)發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離，與傳統(tǒng)工頻變壓器相比，可顯著提高逆變器系統(tǒng)的功率密度，減小體積和重量。

　　微網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)分布式能源高效利用的主動(dòng)配電網(wǎng)組網(wǎng)形式，各分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備及負(fù)荷多采用電力電子變換器接入系統(tǒng)，通過(guò)能量管理進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可實(shí)現(xiàn)能量的有序調(diào)配。微網(wǎng)的能量管理功能既包括對(duì)電網(wǎng)信息、分布式電源信息、儲(chǔ)能信息以及負(fù)荷信息的監(jiān)測(cè)、采集與控制，對(duì)新能源發(fā)電以及負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)，又包括發(fā)電、儲(chǔ)能與負(fù)荷之間的功率調(diào)度，同時(shí)還包括微網(wǎng)與主網(wǎng)在并網(wǎng)與離網(wǎng)之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的高級(jí)能量管理是微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度以及分布式能源高效利用的基礎(chǔ)和前提。

　　2.5、多電力電子裝置與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制運(yùn)行

　　已經(jīng)看到，新一代電網(wǎng)在電源側(cè)有規(guī)?；履茉吹拇罅坎⒕W(wǎng)發(fā)電，在輸電側(cè)通過(guò)FACTS技術(shù)提高功率的柔性調(diào)節(jié)和多條直流輸電形成多端的LCC-HVDC與VSC-HVDC的混合組網(wǎng)方式；在配網(wǎng)側(cè)越來(lái)越多的分布式新能源將通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入系統(tǒng)。電力系統(tǒng)逐漸形成發(fā)-輸-配各環(huán)節(jié)電力電子化的趨勢(shì)。面對(duì)電網(wǎng)的重大變化與需求，一次側(cè)功率的合理優(yōu)化調(diào)配和二次側(cè)多控制回路的相互協(xié)調(diào)控制將成為這一復(fù)雜系統(tǒng)需要研究和突破的關(guān)鍵技術(shù)。

　　3、多源多變換復(fù)雜交直流系統(tǒng)中的基礎(chǔ)問(wèn)題研究

　　3.1、電力電子裝置和系統(tǒng)的強(qiáng)非線性特性研究

　　1）強(qiáng)非線性特性問(wèn)題突出

　　引起系統(tǒng)時(shí)變非線性特性的原因有3種：1不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間的切換。系統(tǒng)中功率開關(guān)元件導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)的組合對(duì)應(yīng)于不同階段，而各階段的本征是電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的切換變化，它是系統(tǒng)具有非線性特性的主要原因；2占空比控制。在閉環(huán)控制方法中，功率開關(guān)元件導(dǎo)通與關(guān)斷的占空比與狀態(tài)變量的瞬時(shí)值相關(guān)，因而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)具有時(shí)變非線性特性；3寄生非線性。主要包括開關(guān)元件非線性v-i特性、非線性電感和電容以及元件之間的電磁耦合特性等。

　　在這種強(qiáng)非線性條件下，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的李亞普諾夫（Lyapunov）穩(wěn)定性分析方法在電力電子化電力系統(tǒng)中的適用性有待進(jìn)一步深入研究和論證。

　　2）非線性（非正弦函數(shù)）條件下的功率理論及其應(yīng)用研究

　　以平均功率進(jìn)行控制，基本能滿足當(dāng)前的功率/能量控制需求，其與外部系統(tǒng)接口表現(xiàn)為連續(xù)的電氣參量，但其物理解釋并不明確；描述非線性條件下的廣義功率理論尚未統(tǒng)一，電能消耗與計(jì)量的功率流與物理機(jī)制需要重新認(rèn)識(shí)。

　　隨著分布式電源和柔性電力技術(shù)的發(fā)展、智能電網(wǎng)概念的提出，電源特性、電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷類型正在發(fā)生著巨大變化，電能的經(jīng)濟(jì)高效利用，電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)評(píng)估與控制顯得尤為重要。

　　而這些工作的順利開展無(wú)疑需要對(duì)已有功率定義的再認(rèn)識(shí)，需要建立完備的功率理論新體系作為基礎(chǔ)支撐。特別在非正弦和三相不平衡條件下，傳統(tǒng)功率定義將失去其普適性，并隨電氣系統(tǒng)非線性化日趨嚴(yán)重，這一問(wèn)題更加突出，已經(jīng)給電能計(jì)量、功率因數(shù)校正、設(shè)備定容、諧波與無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫鎺?lái)了許多困擾。

　　3）多物理量、多時(shí)間尺度下的電磁現(xiàn)象與過(guò)程分析方法與建模研究

　　由于快速、可靠、可頻繁動(dòng)作的大功率開關(guān)器件取代了傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有如下變化：1可控性強(qiáng)，可方便地實(shí)現(xiàn)靈活控制；2使得電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了快速的動(dòng)態(tài)過(guò)程，超出了傳統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假定；3電力電子開關(guān)的存在及頻繁動(dòng)作，決定了系統(tǒng)具有變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性，同時(shí)也給電力系統(tǒng)引入了離散事件，使得電力系統(tǒng)中同時(shí)包含了連續(xù)事件和離散事件，系統(tǒng)的分析復(fù)雜化。因而，分別使用相互獨(dú)立的電磁暫態(tài)仿真程序和機(jī)電暫態(tài)仿真程序，已難以適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)仿真的需求。

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試結(jié)合機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)兩種仿真方法，希望在仿真規(guī)模、計(jì)算速度、仿真精確度多個(gè)目標(biāo)間尋求一平衡點(diǎn)。但混合仿真的思想本身即存在不可逾越的誤差，如交互誤差、模型誤差、接口誤差等，尋求多尺度下統(tǒng)一的建模方法可能是另一種演進(jìn)途徑。

　　筆者認(rèn)為，采用動(dòng)態(tài)相量法，不僅可仿真分析普通的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，還能分析存在FACTS或HVDC裝置的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，既能分析設(shè)備或系統(tǒng)的快速電磁暫態(tài)過(guò)程，又能分析其機(jī)電暫態(tài)過(guò)程，仿真步長(zhǎng)介于兩類暫態(tài)過(guò)程之間，取值靈活，適用于分析快速動(dòng)態(tài)過(guò)程。

　　典型的電力電子系統(tǒng)通常是由電力電子器件構(gòu)成的功率回路、控制回路和被控制對(duì)象3部分組成。形成這樣一個(gè)復(fù)雜的非線性數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，會(huì)給設(shè)計(jì)和參數(shù)整定帶來(lái)巨大的困難。因此，以往采用的離線數(shù)字仿真中的“控制器”與實(shí)際控制器間存在差別，包括采樣誤差、通信延時(shí)、程序執(zhí)行延時(shí)等因素往往不能得到正確的反映，仿真可信度受到影響，因此，離線數(shù)字仿真只能應(yīng)用在初始階段。

　　國(guó)內(nèi)外已研發(fā)出針對(duì)電力電子裝置的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，將實(shí)際物理控制器接入到仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)硬件在線閉環(huán)測(cè)試與參數(shù)優(yōu)化。然而，這些應(yīng)用中，大多將開關(guān)器件理想化，只能反映裝置的次暫態(tài)過(guò)程，對(duì)于不同時(shí)間尺度下的時(shí)變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面的裝置特性分析和物理測(cè)試。建立快速通斷下的功率流數(shù)學(xué)-物理模型，開展多電力電子裝置與系統(tǒng)多時(shí)間尺度的統(tǒng)一分析與建模方法以及開關(guān)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的混合建模仿真方法研究非常必要。

　　4）高頻次諧波和間諧波的發(fā)生機(jī)理、傳遞規(guī)律及其影響研究

　　電力電子變換器為了提高其能量轉(zhuǎn)換效率，減少2kHz頻帶內(nèi)的諧波和間諧波，開關(guān)頻率大幅提高。這種趨勢(shì)使得諧波發(fā)射范圍向調(diào)制頻率附近的高頻帶轉(zhuǎn)移。因此，當(dāng)前在許多電力電子應(yīng)用領(lǐng)域低于2kHz的典型諧波分析應(yīng)擴(kuò)展到9kHz。這種問(wèn)題在大量采用高頻功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的未來(lái)電網(wǎng)將更加突出，國(guó)際社會(huì)已經(jīng)高度關(guān)注。

　　另一方面，間諧波的產(chǎn)生機(jī)理研究成為熱點(diǎn)，主要集中在：1供電電壓幅值和相角的波動(dòng)產(chǎn)生邊帶頻率分量；2換流器半導(dǎo)體開關(guān)非同步切換等。例如通過(guò)頻域分析和實(shí)驗(yàn)表明，光伏逆變器在與弱系統(tǒng)相連時(shí)，有可能產(chǎn)生間諧波；文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，變頻調(diào)速系統(tǒng)、新能源電力變換等采用雙級(jí)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的場(chǎng)合有產(chǎn)生間諧波的風(fēng)險(xiǎn)。這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)問(wèn)題研究在我國(guó)并未很好開展。

　　3.2、高壓大容量柔性直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　大功率全控電力電子器件的進(jìn)步和規(guī)模化可再生能源的開發(fā)，使得柔性直流輸電得到快速發(fā)展。從目前在電網(wǎng)的應(yīng)用需求上看，未來(lái)柔性直流技術(shù)的主要發(fā)展方向應(yīng)為高壓大容量、多端與直流組網(wǎng)技術(shù)。

　　從柔性直流輸電工程應(yīng)用角度考慮，傳統(tǒng)電網(wǎng)換相高壓直流輸電（LCC-HVDC）以其技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前在世界范圍內(nèi)已得到了廣泛應(yīng)用，并不會(huì)就此停滯發(fā)展。因此，在未來(lái)的電網(wǎng)中必然會(huì)形成由VSC-HVDC和LCC-HVDC構(gòu)成的混合雙饋入或多饋入直流輸電系統(tǒng)的格局，深入研究分析該混合雙饋入或多饋入直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理是極具工程實(shí)際價(jià)值的。

　　多端直流輸電的基本原理在20世紀(jì)60年代中期就被提出，屬于直流組網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的初級(jí)階段，是指由3個(gè)以上換流站，通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式連接起來(lái)的輸電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電，但迄今全世界僅有5個(gè)真正意義上的多端常規(guī)直流輸電工程。

　　由于柔性直流輸電技術(shù)具有潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)不改變電壓極性的特點(diǎn)，因此更適合于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。隨著可關(guān)斷器件、直流電纜制造水平的不斷提高，VSC-HVDC將在高壓大容量電能輸送方面成為多端直流輸電及直流電網(wǎng)中最主要的輸電技術(shù)。

　　柔性直流輸電系統(tǒng)，對(duì)于直流控制和保護(hù)的響應(yīng)速度的要求比傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，特別是暫時(shí)性閉鎖的引入使得控制和保護(hù)的聯(lián)系更加緊密，因而，對(duì)于高壓大容量換流器的組合集成方法、具備穿越直流故障能力的新型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和換流規(guī)律以及混合換流器的耦合機(jī)理仍需進(jìn)一步深入研究，對(duì)于直流輸電的關(guān)鍵設(shè)備，如高壓直流斷路器、大容量DC/DC變壓器、高壓直流電纜、直流傳感器、儲(chǔ)能設(shè)備等仍需進(jìn)一步開發(fā)與研制。

　　3.3、大功率電力電子在電力傳輸中的互作用機(jī)理研究

　　1）混合交直流送出系統(tǒng)中大型火電機(jī)組群的次同步振蕩新問(wèn)題研究

　　大型火電機(jī)組經(jīng)固定串聯(lián)補(bǔ)償交流線路或高壓直流輸電線路送出可能存在次同步振蕩問(wèn)題。隨著工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，面對(duì)能源賦存和需求的逆向分布格局，我國(guó)電力系統(tǒng)已進(jìn)入到集中式大型機(jī)組群協(xié)調(diào)運(yùn)行、超特高壓、超大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)正在形成、遠(yuǎn)距離、交直流混合輸電的新時(shí)代。

　　電網(wǎng)的互聯(lián)以及交直流混合輸電一方面由于電網(wǎng)耦合性的增強(qiáng)提高了系統(tǒng)的電氣阻尼[36]，使系統(tǒng)的負(fù)阻尼頻率范圍逐漸縮小，正阻尼區(qū)域逐漸擴(kuò)大。

　　另一方面，由于系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及功率調(diào)節(jié)設(shè)備的增多，系統(tǒng)的擾動(dòng)也更加頻繁，整個(gè)系統(tǒng)由于多種功率調(diào)節(jié)設(shè)備的共同作用而可能進(jìn)入到弱的電氣阻尼范圍，系統(tǒng)的電氣阻尼特性更加復(fù)雜。

　　例如，我國(guó)蒙東呼貝系統(tǒng)的大型火電機(jī)組群一部分通過(guò)HVDC送出，一部分通過(guò)混合串補(bǔ)的交流線路送出，多個(gè)電廠的多臺(tái)機(jī)組的多個(gè)模態(tài)呈現(xiàn)出弱的電氣阻尼。在這種情況下，盡管該系統(tǒng)不會(huì)因電氣擾動(dòng)激發(fā)機(jī)組軸系扭振模態(tài)的發(fā)散振蕩，導(dǎo)致軸系斷裂的巨大事故，但頻繁超過(guò)發(fā)電機(jī)軸系疲勞累積閾值的次同步振蕩會(huì)導(dǎo)致軸系的扭振累積疲勞損傷，大大降低汽輪機(jī)的服役年限。

　　因此，在含有多電力電子裝置的電力系統(tǒng)中，次同步振蕩問(wèn)題不再簡(jiǎn)單的表現(xiàn)為單一電廠、單一機(jī)組、單一模態(tài)的發(fā)散型次同步振蕩問(wèn)題，而有可能出現(xiàn)多電廠、多機(jī)組、多模態(tài)的區(qū)域性弱阻尼的次同步振蕩問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題的研究較少。

　　2）規(guī)?；履茉窗l(fā)電經(jīng)串補(bǔ)或直流遠(yuǎn)距離送出引發(fā)的次同步振蕩現(xiàn)象研究

　　近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛發(fā)展。由于風(fēng)電場(chǎng)大多處在偏遠(yuǎn)地區(qū)，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，為解決大規(guī)模風(fēng)電外送問(wèn)題，串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)再次得到廣泛應(yīng)用。但串聯(lián)補(bǔ)償同樣可能會(huì)誘發(fā)風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩問(wèn)題，影響風(fēng)電場(chǎng)以及外送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。除了傳統(tǒng)的次同步振蕩問(wèn)題外，SSCI是近年來(lái)出現(xiàn)的較新的次同步振蕩現(xiàn)象，發(fā)生于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流器與串補(bǔ)線路之間。

　　2009年9月，在美國(guó)德克薩斯州的某風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生了一起SSCI事故，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)大量跳機(jī)以及內(nèi)部撬棒電路損壞，這是目前公布的第一起SSCI事故，近幾年隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的飛速發(fā)展，在河北和新疆地區(qū)的風(fēng)電廠也相繼出現(xiàn)了類似的SSCI現(xiàn)象。

　　由于是發(fā)生于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與串補(bǔ)線路之間的相互作用，SSCI與發(fā)電機(jī)組的軸系扭振頻率無(wú)關(guān)，振蕩頻率完全取決于變流器控制以及電氣輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，因此不存在固定的振蕩頻率。此外，由于與機(jī)械系統(tǒng)無(wú)關(guān)，其電壓和電流的振蕩發(fā)散速度遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的次同步振蕩。

　　研究表明，在目前采用的4類風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的SSCI問(wèn)題最為嚴(yán)重。分析雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)經(jīng)串補(bǔ)線路送出引起的與軸系不相關(guān)的次同步振蕩問(wèn)題，即IGE與SSCI。但由于在分析方法上未對(duì)兩種問(wèn)題進(jìn)行區(qū)分，文章缺乏對(duì)SSCI現(xiàn)象存在的有力證明。

　　采用兩種穩(wěn)態(tài)模型對(duì)IGE和SSCI進(jìn)行了區(qū)分，特征值分析的結(jié)果表明，次同步振蕩模式的主要參與者是與網(wǎng)絡(luò)和發(fā)電機(jī)相關(guān)的狀態(tài)變量，并認(rèn)為兩種模型不存在明顯差異。但該文同時(shí)指出，頻率掃描法是基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效，即使考慮了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器注入的穩(wěn)態(tài)電壓，也無(wú)法顧及到變流器控制的動(dòng)態(tài)影響，因此弱化了SSCI的作用。因此，SSCI仍需進(jìn)一步分析并采取相應(yīng)的措施加以解決。

　　3.4、多源、多變換系統(tǒng)的可靠性評(píng)估

　　在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)，電力電子技術(shù)的進(jìn)步大大促進(jìn)了新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，在采用了更加智能的控制策略后，現(xiàn)代電力電子技術(shù)使得新能源發(fā)電更加具有可控性以及與傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣具有主動(dòng)性。

　　從圖4所示的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，一方面，為了降低成本，風(fēng)機(jī)的容量和尺寸在逐漸增加；另一方面，圖中深色區(qū)域表示電力電子在風(fēng)機(jī)容量中的覆蓋率，可看出其由早期的不占用風(fēng)機(jī)容量的軟啟動(dòng)裝置，逐漸發(fā)展為僅通過(guò)風(fēng)機(jī)容量30%的換流器（雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)），再到完全通過(guò)風(fēng)機(jī)全部容量的換流器（直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)）。而對(duì)于光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其已成為一個(gè)完全基于電力電子并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)。電力電子變換器在新能源電力系統(tǒng)中的比重逐漸增大。

　　圖4 風(fēng)機(jī)尺寸與其電力電子裝備的發(fā)展歷程

　　電力電子變換器比重的增加一方面使得系統(tǒng)更加靈活，另一方面也使得電力系統(tǒng)的可靠性相對(duì)下降。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力電子變換器通常是影響新能源電力系統(tǒng)故障率、壽命以及維修成本的最關(guān)鍵設(shè)備之一。

　　對(duì)約350個(gè)岸上風(fēng)電機(jī)組的35000次故障停機(jī)事件進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些數(shù)據(jù)分別來(lái)自于SCADA系統(tǒng)、故障和報(bào)警記錄，工作指令和服務(wù)報(bào)告以及運(yùn)行和維護(hù)商報(bào)告。圖5的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，電力電子變換器對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)的故障貢獻(xiàn)率達(dá)13%，占整個(gè)停機(jī)時(shí)間的18.4%。

　　圖5 某風(fēng)電場(chǎng)的各環(huán)節(jié)對(duì)故障貢獻(xiàn)

　　給出了一個(gè)大型光伏發(fā)電站自2001～2006年的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該電站包括11700個(gè)相同的光伏板和26個(gè)相同的135kW的光伏并網(wǎng)逆變器。圖6表明，因光伏并網(wǎng)逆變器故障引起的非計(jì)劃維修事件占整體的37%，而其相關(guān)的維修成本達(dá)到59%。

　　從保修時(shí)間的角度來(lái)看，目前的主要生產(chǎn)商為光伏并網(wǎng)逆變器提供平均5年的保修期，而光伏板是超過(guò)20年。因此，盡管光伏并網(wǎng)逆變器僅在系統(tǒng)的初始成本中占10%～20%，但逆變器的定期更換將增加額外的運(yùn)行成本。

　　綜上所述，由于大規(guī)模電力電子變換器接入的新能源電力系統(tǒng)可靠性問(wèn)題需要引起足夠的重視，開展電壓源型逆變器集群系統(tǒng)中的裝置與系統(tǒng)可靠性理論和評(píng)估方法研究是新一代電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)問(wèn)題之一。

　　圖6 某光伏發(fā)電廠可靠性統(tǒng)計(jì)

　　3.5、微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度

　　微網(wǎng)是有源配電網(wǎng)的重要組成部分，其將分布式新能源發(fā)電、儲(chǔ)能以及負(fù)荷整合在一起，構(gòu)成有源配電網(wǎng)的基本單元，能夠靈活高效地實(shí)現(xiàn)分布式新能源的就地消納以及本地負(fù)荷的可靠供電。

　　微網(wǎng)既可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，在電源充足時(shí)向電網(wǎng)輸送多余的電力，在電源不足時(shí)從電網(wǎng)中獲得能量補(bǔ)充；又可脫離主網(wǎng)孤島運(yùn)行，避免主網(wǎng)對(duì)關(guān)鍵性負(fù)荷可能的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)自治運(yùn)行。

　　在孤島運(yùn)行方式下，分布式能源的優(yōu)化調(diào)配和高效利用是微網(wǎng)運(yùn)行的一個(gè)重要目標(biāo)。優(yōu)化調(diào)配包括發(fā)電成本最小、無(wú)功損耗最小、環(huán)境效益最高等多個(gè)目標(biāo)[57]。其分為靜態(tài)調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)度，靜態(tài)調(diào)度通常是基于平均功率的運(yùn)行前的調(diào)度計(jì)劃，這種方式并未考慮到新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，預(yù)測(cè)誤差較大。因此，學(xué)者們開始對(duì)考慮預(yù)測(cè)誤差的短期、超短期靜態(tài)調(diào)度以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度進(jìn)行研究。

　　除了微網(wǎng)內(nèi)部的優(yōu)化調(diào)度外，隨著分布式新能源的滲透率逐漸增加以及微網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，微網(wǎng)的實(shí)用化程度會(huì)越來(lái)越高，將出現(xiàn)多地區(qū)多微網(wǎng)的有源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)多個(gè)微網(wǎng)之間的優(yōu)化調(diào)度成為學(xué)者們逐漸關(guān)注的問(wèn)題。

　　以各微網(wǎng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)討論了多微網(wǎng)構(gòu)成的智能配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題。討論了離網(wǎng)型面向海島的多微網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。基于多代理系統(tǒng)的智能配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)博弈框架，研究了多微網(wǎng)環(huán)境下的電能優(yōu)化管理方法。

　　3.6、微網(wǎng)群協(xié)調(diào)運(yùn)行及其穩(wěn)定性分析

　　如上文所述，隨著單一微網(wǎng)研究的深入以及微網(wǎng)在實(shí)際系統(tǒng)中的逐步工程化，多微網(wǎng)運(yùn)行方式成為可能。微網(wǎng)群是一種特殊的智能化的大規(guī)模微網(wǎng)運(yùn)行模式，是由局部地區(qū)相鄰較近的多個(gè)微網(wǎng)組成，各子微網(wǎng)既可獨(dú)立自治運(yùn)行，也可部分子微網(wǎng)或全部子微網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行并完成某一特定的運(yùn)行目標(biāo)，如經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性等；微網(wǎng)群還需要在其子微網(wǎng)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)程的情況下起到相互支撐的作用。

　　與單一微網(wǎng)相類似，微網(wǎng)群還可并入主網(wǎng)運(yùn)行。與單一的微網(wǎng)相比，微網(wǎng)群能夠?qū)崿F(xiàn)分布式新能源的合理調(diào)配和充分利用，與多個(gè)微網(wǎng)運(yùn)行相比，微網(wǎng)群基于共同目標(biāo)的協(xié)作化運(yùn)行更強(qiáng)，同時(shí)暫態(tài)過(guò)程中能夠在個(gè)別子微網(wǎng)出現(xiàn)“危急”情況時(shí)，通過(guò)其他子微網(wǎng)與其實(shí)現(xiàn)“拉手”對(duì)該子微網(wǎng)進(jìn)行頻率和電壓支撐，從而保證負(fù)荷的正常運(yùn)行。

　　由此可見，微網(wǎng)群是有源配電網(wǎng)中的一種智能化的高級(jí)組網(wǎng)方式，對(duì)其開展相應(yīng)的運(yùn)行模式、協(xié)調(diào)控制以及穩(wěn)定性分析及控制十分必要。

　　相對(duì)于單一微網(wǎng)的能量管理與控制，多微網(wǎng)的運(yùn)行相對(duì)復(fù)雜，需要采用分層的能量管理和控制模式，除了需要考慮單個(gè)分布式電源的發(fā)電控制和負(fù)荷控制以及微網(wǎng)內(nèi)部多個(gè)分布式電源的協(xié)調(diào)控制外，還要考慮多個(gè)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的功率調(diào)配，這一層面通常是由更高一層的配電網(wǎng)絡(luò)操作管理系統(tǒng)來(lái)完成。

　　而對(duì)于微網(wǎng)群來(lái)說(shuō)，其還需要考慮各子微網(wǎng)之間的互聯(lián)狀態(tài)以及群級(jí)協(xié)作下各子微網(wǎng)之間的功率優(yōu)化調(diào)配和協(xié)調(diào)控制。因此，提出了在微網(wǎng)層控制之上增加一層群級(jí)的能量管理與協(xié)調(diào)控制，并以微網(wǎng)群的經(jīng)濟(jì)性和可再生能源的最大化利用為目標(biāo)，以含有兩個(gè)子微網(wǎng)的微網(wǎng)群為例，對(duì)群級(jí)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了初步研究。但其并未對(duì)群級(jí)協(xié)調(diào)控制中子微網(wǎng)群互聯(lián)控制、功率調(diào)配以及穩(wěn)定性控制開展深入的分析和研究。

　　此外，微網(wǎng)群還可能形成多個(gè)微網(wǎng)子群，如由于電能形態(tài)不同而自然形成的直流微網(wǎng)子群和交流微網(wǎng)子群，或由于功率調(diào)配方式不同而形成的多個(gè)交流微網(wǎng)子群。因此，微網(wǎng)的群級(jí)能量管理和協(xié)調(diào)控制尚待深入研究。

　　對(duì)于微網(wǎng)穩(wěn)定性的研究，目前僅集中于對(duì)單個(gè)微網(wǎng)的小干擾分析以及頻率、電壓穩(wěn)定控制，而對(duì)于微網(wǎng)來(lái)說(shuō)，盡管基于李雅普諾夫方法的分析在一定條件下仍然適用，但由于微網(wǎng)中負(fù)荷的變化對(duì)其影響較大，可能會(huì)頻繁的改變其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，在采用李雅普諾夫第一法時(shí)，可能需要根據(jù)不斷改變的系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)反復(fù)建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程并重新求取其特征根來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　因此，需要考慮一種更加方便可行的適用于微網(wǎng)特點(diǎn)的穩(wěn)定性分析方法。而對(duì)于微網(wǎng)群而言，由于其運(yùn)行模式較多，拓?fù)渥兓^為頻繁，甚至當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，擾動(dòng)后的運(yùn)行點(diǎn)與擾動(dòng)前的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，采用李雅普諾夫第一法分析還存在誤差較大的問(wèn)題。因此，需要考慮一種更加靈活可行的穩(wěn)定性分析方法，對(duì)微網(wǎng)群中各子網(wǎng)孤立以及微網(wǎng)群聯(lián)合運(yùn)行模式下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

　　4、結(jié)論

　　清潔能源替代和電能替代的理念將使新能源和可再生能源高度滲透到新一代電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)電力電子化是其發(fā)展的必然趨勢(shì)，電力電子技術(shù)是解決新能源規(guī)?；尤搿⒋笕萘窟h(yuǎn)距離傳輸以及分布式微網(wǎng)的核心技術(shù)，希望本文通過(guò)分析討論、總結(jié)和提煉出的多源多變換復(fù)雜交直流系統(tǒng)的基礎(chǔ)問(wèn)題在其研究中能有所啟發(fā)和借鑒，共同為推動(dòng)新一代電網(wǎng)研究工作的開展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。