電力電子裝置智能化研究綜述

曹軍威，楊潔，袁仲達(dá)，吳扣林，方太勛，楊飛

(1.清華大學(xué)信息技術(shù)研究院，北京市100084；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市 211102；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽(yáng)市 110004)

電力電子裝置智能化研究綜述

曹軍威1，楊潔1，袁仲達(dá)1，吳扣林2，方太勛2，楊飛3

(1.清華大學(xué)信息技術(shù)研究院，北京市100084；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市 211102；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽(yáng)市 110004)

智能化的電力電子裝置是建設(shè)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，對(duì)電力電子裝置的智能化研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了推進(jìn)電力電子裝置智能化理論研究和實(shí)用化研制，對(duì)目前電力電子裝置智能化研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。該文按功能不同對(duì)電力電子裝置進(jìn)行了分類(lèi)，針對(duì)不同類(lèi)別，分析了電力電子裝置智能化的主要技術(shù)，如傳感、通信、控制等方面的應(yīng)用進(jìn)展。在分析電力電子裝置智能化智能監(jiān)控、故障診斷、狀態(tài)評(píng)估等研究方向的基礎(chǔ)上，總結(jié)了電力電子裝置智能化研究多方面的應(yīng)用情況。最后對(duì)電力電子裝置智能化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，針對(duì)若干亟待解決的問(wèn)題提出了研究建議。

能源互聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；電力電子裝置；智能化

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，電力電子技術(shù)越來(lái)越得到普遍采用。先進(jìn)的電力電子技術(shù)是建設(shè)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和手段，用于解決其中的關(guān)鍵問(wèn)題，如輸電環(huán)節(jié)的高壓直流輸電和靈活交流輸電、配電環(huán)節(jié)電能質(zhì)量治理技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)和固態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)以及新興的能源路由技術(shù)等，所涉及到的電力電子裝置種類(lèi)眾多。

智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)均是互動(dòng)系統(tǒng)，均要求對(duì)其中變更做出迅速響應(yīng)并保證系統(tǒng)安全。因而在電力電子裝置普遍采用的同時(shí)，對(duì)其智能化要求也提高了許多。需要將先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、可視化技術(shù)等與電力電子裝置有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行狀態(tài)的感知、分析、預(yù)警、狀態(tài)評(píng)估、信息分享等功能，增強(qiáng)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的自適應(yīng)能力與穩(wěn)定性，提升裝置自身的可靠性和利用率。電力電子裝置智能化是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

事實(shí)上，隨著電力電子在能源電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，電力電子裝置的功能從以往的單一化向未來(lái)的集成化方向發(fā)展，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。如目前比較成熟的無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波等電能質(zhì)量方面的裝置主要在單點(diǎn)針對(duì)特定問(wèn)題發(fā)揮作用。隨著未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能量交換與路由裝置的大量應(yīng)用，電力電子裝置的功能更加綜合，對(duì)系統(tǒng)級(jí)智能化支撐的需求將越來(lái)越迫切。

目前，已有的電力電子裝置的研制重點(diǎn)在于其基本功能的實(shí)現(xiàn)與性能提高，很少考慮其智能化和對(duì)上層支撐。而智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能化又很少與電力電子裝置功能相結(jié)合，真正針對(duì)電力電子裝置的智能化研究較少，對(duì)這一問(wèn)題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了推進(jìn)電力電子裝置智能化理論研究和實(shí)用化研制，本文從已有電力電子裝置各類(lèi)技術(shù)現(xiàn)狀、電力電子裝置智能化研究已使用的基礎(chǔ)技術(shù)、裝置智能化研究方向、智能化應(yīng)用等4個(gè)方面對(duì)目前電力電子裝置智能化研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與分析，并指出未來(lái)電力電子裝置智能化研究發(fā)展方向與需要解決的問(wèn)題。文章主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 本文結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of this paper

1 電力電子裝置功能分類(lèi)

不同的電力電子裝置在電網(wǎng)中的職責(zé)也不同，已有相對(duì)成熟的電力電子技術(shù)包括靈活交流輸電 (flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS)技術(shù)、高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)技術(shù)，能夠充分提高傳輸容量和穩(wěn)定性。用戶(hù)電力技術(shù)中的電能質(zhì)量技術(shù)、開(kāi)關(guān)技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)也有了一定的發(fā)展規(guī)模，另外還有近幾年提出的能量交換與路由技術(shù)。

1.1 FACTS技術(shù)

FACTS技術(shù)用于提高交流輸電系統(tǒng)快速靈活性和穩(wěn)定性的技術(shù)。FACTS技術(shù)包括靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)、可控串補(bǔ)(thyristor controlled series compensator，TCSC)技術(shù)，這2種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟。伴隨電力電子元器件技術(shù)與功能的不斷進(jìn)步，近年靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)、統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等也得到了關(guān)注與發(fā)展[1]。其中SVC 是目前基于 FACTS 技術(shù)應(yīng)用最廣泛的無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)控制可控器件晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)改變阻抗特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)[2]。而STATCOM采用門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(gate-turn-off thyristor，GTO)、絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等全控開(kāi)關(guān)器件組成橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，生成與系統(tǒng)電壓具有一定相位差的信號(hào)并控制注入電力系統(tǒng)或直接控制其交流測(cè)電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。SVC與STATCOM因核心電力電子器件的不同而導(dǎo)致了裝置應(yīng)用領(lǐng)域與特點(diǎn)的不同。SVC價(jià)格較低，適用于對(duì)諧波與平衡性要求高的線(xiàn)路，STATCOM適用于對(duì)響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)行效果、輸電穩(wěn)定性要求高的線(xiàn)路[3]。TCSC通過(guò)可控硅的觸發(fā)作用快速連續(xù)地控制輸電線(xiàn)路的等值電抗，靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，抑制低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[4]。UPFC則綜合了以上各種FACTS設(shè)備的功能，同時(shí)具有無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)節(jié)電壓等作用，并且可以實(shí)現(xiàn)各功能之間良好的切換[5]。

1.2 HVDC技術(shù)

高壓直流輸電技術(shù)的電能損耗低于傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)的損耗，能有效提高電能質(zhì)量并確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景[6]?；陔妷涸磽Q流器(voltage source converter，VSC)的電壓源換流器型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)是其中代表技術(shù)之一，世界首個(gè)VSC-HVDC工程在1997年投運(yùn)成功，自此之后此項(xiàng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[7]。常見(jiàn)的多電平換流器有中性點(diǎn)箝位型、級(jí)聯(lián)型和模塊化多電平型，但當(dāng)輸出電平較多時(shí)，以上類(lèi)型均不占優(yōu)勢(shì)，有學(xué)者提出了一種新型的模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的概念[8]。與傳統(tǒng)模塊化電平的VSC-HVDC 相比，基于MMC的HVDC(MMC-HVDC)系統(tǒng)在安全性和節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。世界首個(gè)MMC-HVDC 工程2010年在美國(guó)舊金山市北部投入運(yùn)行，我國(guó)首個(gè)MMC-HVDC 工程于2011年在上海投入運(yùn)行。該技術(shù)仍需進(jìn)一步研究與實(shí)踐。另外還有輕型HVDC是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型HVDC技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的缺陷，另外還有多端HVDV也將得到廣泛應(yīng)用。

特高壓直流輸電(ultra high-voltage direct current，UHVDC)是指電壓等級(jí)超過(guò)800 kV的HVDC技術(shù)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有多端直流和公用接地級(jí)2種，其技術(shù)主要以?xún)啥司€(xiàn)換相(line commutated converter，LCC)為主。UHVDC技術(shù)的研究以HVDC技術(shù)為基礎(chǔ)，2010年，國(guó)家電網(wǎng)公司向家壩—上?！?00 kV 等級(jí)復(fù)奉UHVDC 輸電工程投運(yùn)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)UHVDC試點(diǎn)工程。2014年，±800 kV復(fù)奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流首次同時(shí)滿(mǎn)功率運(yùn)行，為上海、江蘇地區(qū)迎峰度夏提供了充足電能[9]。

1.3 電能質(zhì)量技術(shù)

目前國(guó)際上廣泛采用的提高電能質(zhì)量的電力電子裝置主要有有源電力濾波器(active power filter，APF)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage restorer，DVR)以及統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner，UPQC)等。

DVR主要是針對(duì)電壓暫降等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的補(bǔ)償裝置。DVR串聯(lián)于電網(wǎng)和負(fù)載之間，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬時(shí)下降時(shí)，裝置在幾ms內(nèi)迅速動(dòng)作，輸出電網(wǎng)側(cè)同相位下降的電壓值，與原本輸出電壓相疊加，保證負(fù)載側(cè)電壓不受影響，保證用戶(hù)用電安全[10]。其關(guān)鍵技術(shù)在于如何提升補(bǔ)償容量，提高裝置冬天響應(yīng)時(shí)間。APF為無(wú)功補(bǔ)償抑制諧波的裝置，當(dāng)負(fù)載中諧波過(guò)大時(shí)，裝置迅速動(dòng)作，輸出負(fù)載側(cè)大小相同方向相反的電流，使其相互抵消，從而消除諧波影響，其結(jié)構(gòu)可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型[11]。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器 UPQC 是近年來(lái)的新興裝置，將串聯(lián)電壓補(bǔ)償原理和并聯(lián)電流補(bǔ)償原理結(jié)合在一個(gè)裝置中，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)多重電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能[12]。對(duì)UPQC的研究重點(diǎn)不僅在于補(bǔ)償效果，還要有各種功能之間的迅速平滑切換[13]。

1.4 固態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)

電網(wǎng)中非線(xiàn)性負(fù)荷的增多以及對(duì)短路容量的需求不斷增大，對(duì)其中開(kāi)關(guān)設(shè)備的要求也不斷增加，傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備如接觸器、繼電器等在開(kāi)端容量方面很難有大幅度提升，因而固態(tài)開(kāi)關(guān)這一概念被提出來(lái)，主要用于隔離故障、保證設(shè)備及人身安全[14]。固態(tài)開(kāi)關(guān)種類(lèi)主要有固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和固態(tài)斷路器，二者的不同之處在于：故障發(fā)生時(shí)，固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將負(fù)載切換至備用電源，而固態(tài)斷路器則將負(fù)載斷開(kāi)。

1.5 能量路由器

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能量路由器這一概念被提出，引起了研究者的廣泛關(guān)注，能量路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的核心部件，實(shí)現(xiàn)不同特征能源流融合是能量路由器必須具備的功能。借鑒能源互聯(lián)網(wǎng)的理念、技術(shù)、方法和架構(gòu)，能量路由器效仿信息網(wǎng)絡(luò)路由器，以實(shí)現(xiàn)能量交換像信息分享一樣便捷。能量路由器能實(shí)現(xiàn)分布式微網(wǎng)等能量自治單元間的能量分享，集電力電子控制、儲(chǔ)能緩存、數(shù)據(jù)中心智能處理、信息通信等功能于一體，是能源互聯(lián)網(wǎng)信息能量融合特征的典型體現(xiàn)，是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心裝備[15]。

國(guó)外對(duì)能量路由器的研究已進(jìn)入應(yīng)用階段，而國(guó)內(nèi)對(duì)能量路由器的研究?jī)H僅處于起步階段，其定義尚未明確，但對(duì)其功能的研究較多。文獻(xiàn)[16]分析了能源路由器的關(guān)鍵技術(shù)，指出了該領(lǐng)域需要突破的研究方向。文獻(xiàn)[17]提出多端口能量路由器，使其適用于家庭中，其優(yōu)勢(shì)在于能量密度高、轉(zhuǎn)換快、電壓等級(jí)多。文獻(xiàn)[18]提出一種能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用多代理系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能量路由器的自主控制和網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[19]利用能量路由器實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)路中潮流的優(yōu)化分布，并利用智能算法對(duì)其主功能和容量進(jìn)行了優(yōu)化配置，該線(xiàn)路主要會(huì)受到風(fēng)能影響。文獻(xiàn)[20]同樣是為家庭設(shè)計(jì)了一種能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點(diǎn)考慮了新能源中光能的運(yùn)用。

1.6 儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能是建設(shè)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，在電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以得到利用，可以起到保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、改善電能質(zhì)量、提高新能源利用率等重要作用，具有重要的研究意義。按照存儲(chǔ)具體方式可分為機(jī)械、電化學(xué)、電磁和熱力儲(chǔ)能四大類(lèi)型[21]。4種類(lèi)型中都包含不同的儲(chǔ)能元件，單一的技術(shù)均存在著一定的缺陷，對(duì)不同性能的儲(chǔ)能進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，發(fā)展復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)，可發(fā)揮各種儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)。目前，蓄電池在儲(chǔ)能設(shè)備中應(yīng)用廣泛，其能量密度大，但功率密度小，而超級(jí)電容功率密度非常高，并且充放電過(guò)程具有良好的可逆性，故而常將這2種儲(chǔ)能元件通過(guò)一定的方式連接構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。充分發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)使系統(tǒng)獲得更好的性能。復(fù)合儲(chǔ)能在經(jīng)濟(jì)上具有單一儲(chǔ)能無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為重要的發(fā)展方向[22]。儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中可以發(fā)揮削峰填谷的作用，在接入電網(wǎng)時(shí)需要采用電力電子雙向逆變的支持。

1.7 變頻器

以上方面均為電力電子在電網(wǎng)中的應(yīng)用裝置，從電力系統(tǒng)的整體角度電力電子技術(shù)還有許多應(yīng)用。變頻器(variable-frequency drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分類(lèi)方法也多種多樣[23]。受功率器件耐壓水平及技術(shù)成本的影響，高壓變頻器不像低壓變頻器具有成熟一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率器件的耐壓?jiǎn)栴}可用多個(gè)器件串聯(lián)方式來(lái)解決，但會(huì)給驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)壓力，另外也會(huì)導(dǎo)致受壓不均等問(wèn)題[24]。目前隨著高壓變頻器等裝置的廣泛應(yīng)用，在遠(yuǎn)程運(yùn)維等領(lǐng)域也出現(xiàn)了智能化需求。

2 智能化基礎(chǔ)技術(shù)

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器是將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，是信息系統(tǒng)的源頭。不同傳感器在裝置中起到的作用不同。電力電子裝置中常用的有互感器、溫度傳感器、光纖傳感器、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)等[25]。互感器又稱(chēng)為儀用變壓器，是電流互感器和電壓互感器的統(tǒng)稱(chēng)，用于測(cè)量或保護(hù)系統(tǒng)。溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。近年來(lái)，光纖傳感器因具有敏感度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是指布置大量低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間以無(wú)線(xiàn)通信方式連接，節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)完成感知、數(shù)據(jù)采集、傳輸、接受等工作。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和信息處理模式[26]。

在智能電網(wǎng)發(fā)展階段，電網(wǎng)側(cè)量測(cè)傳感裝置得到廣泛應(yīng)用，未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)需求側(cè)低成本的量測(cè)傳感裝置需求迫切。

2.2 通信技術(shù)

通信技術(shù)的發(fā)展為電力電子裝置智能化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，裝置智能化所主要體現(xiàn)的方面都需要通信技術(shù)的支撐，使裝置的運(yùn)作更加高效、經(jīng)濟(jì)和安全。

常用的通信傳輸方式有電力線(xiàn)通信、光纖通信和無(wú)線(xiàn)通信等。各種通信方式并存，相互補(bǔ)充。電力線(xiàn)通信頻譜資源有限，信道時(shí)變衰減大、噪聲干擾嚴(yán)重。而光纖通信是利用光波作為載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。光纖通信的傳輸頻帶寬、抗干擾性高、信號(hào)衰減小，已成為通信中主要的傳輸方式。重要的光纖通信網(wǎng)絡(luò)有光纖以太網(wǎng)、串行異步光纖網(wǎng)等。智能電網(wǎng)時(shí)代無(wú)線(xiàn)通信得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展。電力電子通信領(lǐng)域用到的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要有微波通信和移動(dòng)通信。無(wú)線(xiàn)通信具有成本低廉、建設(shè)周期短、適應(yīng)性和擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，但存在通信環(huán)境和距離受限制等缺點(diǎn)[27]。

隨著5G等無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的發(fā)展，泛在的通信支撐將以更低的成本、更高的帶寬和更好的性能唾手可得，將給大規(guī)模智能化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供有力的支撐。

2.3 分布式計(jì)算

隨著智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電力電子裝置在線(xiàn)監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)的數(shù)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，海量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行采集、分析和存儲(chǔ)，單臺(tái)計(jì)算機(jī)的能力明顯不足。分布式計(jì)算是指利用網(wǎng)絡(luò)將多臺(tái)計(jì)算機(jī)連接，組成虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)，完成單臺(tái)計(jì)算機(jī)所無(wú)法解決的海量數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。典型的分布式計(jì)算技術(shù)有中間件技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、移動(dòng)Agent技術(shù)、P2P技術(shù)和Web Service技術(shù)。通過(guò)引入分布式計(jì)算技術(shù)，可以增強(qiáng)電力電子裝置在線(xiàn)監(jiān)測(cè)時(shí)計(jì)算分析能力，快速提供操作依據(jù)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

2.4 控制

電力電子裝置主電路拓?fù)浜蛥?shù)確定后，其性能主要由控制器決定。因此提高系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能及魯棒性的控制算法研究是其關(guān)鍵技術(shù)。目前，很多控制技術(shù)都應(yīng)用到電力電子控制器的設(shè)計(jì)中，大致可分為線(xiàn)性控制和非線(xiàn)性控制，線(xiàn)性控制理論把高壓開(kāi)關(guān)頻率PWM調(diào)制下的電壓源逆變器等效為線(xiàn)性比例環(huán)節(jié)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，非線(xiàn)性方法考慮了逆變器的非線(xiàn)性本質(zhì)進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。線(xiàn)性控制方法主要有基于經(jīng)典控制理論的前饋開(kāi)環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制以及基于現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制、狀態(tài)反饋控制等。非線(xiàn)性控制方法主要有Lyapunov直接法、反饋線(xiàn)性化法、魯棒控制、滑模、模糊等智能控制方法[28-29]。

2.5 數(shù)據(jù)流技術(shù)

電力電子裝置一次系統(tǒng)能量流分析方法構(gòu)成了裝置分析的基本框架[30]，裝置潮流計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、短路計(jì)算均需要能量流。信息流對(duì)于二次系統(tǒng)非常重要，一般說(shuō)來(lái)，電力電子裝置二次系統(tǒng)是由繼電保護(hù)、監(jiān)控、故障錄波、保護(hù)等多個(gè)子系統(tǒng)相互連接而成[31]。通過(guò)信息流，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析及對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化控制[32]。

流計(jì)算是指一種高效利用并行和定位，使用流計(jì)算處理器、流計(jì)算編程語(yǔ)言等多種技術(shù)手段處理流數(shù)據(jù)的新型計(jì)算模式[33]。不同于大數(shù)據(jù)中的面向非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的批處理計(jì)算框架(例如Hadoop)，流計(jì)算面向的數(shù)據(jù)規(guī)模龐大且實(shí)時(shí)持續(xù)不斷地到達(dá)，數(shù)據(jù)次序獨(dú)立且時(shí)效性強(qiáng)，同時(shí)流數(shù)據(jù)的價(jià)值會(huì)隨著時(shí)間的流逝而降低，要求數(shù)據(jù)在產(chǎn)生后必須立即對(duì)其進(jìn)行處理。面對(duì)這種“大數(shù)據(jù)流”，傳統(tǒng)的分布式計(jì)算模型不再能滿(mǎn)足需求，而批處理計(jì)算框架在實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性等方面都有所欠缺。能夠?qū)崟r(shí)處理流動(dòng)數(shù)據(jù)并做出合適決策的流計(jì)算技術(shù)應(yīng)具備實(shí)時(shí)處理并丟棄、兼容靜態(tài)數(shù)據(jù)與流數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)拓展、多線(xiàn)程應(yīng)用等能力。目前，流計(jì)算的模型和框架成為研究的焦點(diǎn)，并已經(jīng)形成了一系列分布式流計(jì)算框架[34]。

2.6 數(shù)據(jù)挖掘

電力電子裝置所產(chǎn)生數(shù)據(jù)具有格式多樣化、種類(lèi)繁多、來(lái)源廣泛、時(shí)變、不完整、含噪聲等特點(diǎn)，而近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外受到極大重視的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)就是從海量復(fù)雜數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中但有效的信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)挖掘在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)模型構(gòu)建、故障診斷、仿真模型性能評(píng)估、用戶(hù)行為分析和異常監(jiān)測(cè)等。根據(jù)目標(biāo)模式的不同，數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)主要可以分為：概念/類(lèi)描述、頻繁模式挖掘、分類(lèi)與預(yù)測(cè)、聚類(lèi)分析、離群點(diǎn)分析和演變分析等幾類(lèi)。國(guó)際權(quán)威的學(xué)術(shù)組織the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 2006年12月評(píng)選出了數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的十大經(jīng)典算法：C4.5，k-Means，SVM， Apriori，EM，PageRank， AdaBoost， kNN，Naive Bayes和CART。而隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法的性能提升以及大規(guī)模計(jì)算能力的提高，大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘?qū)⒊蔀橹悄芑暮诵摹?/p>

2.7 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

電力電子裝置運(yùn)行狀態(tài)、電氣量、故障診斷等信息的網(wǎng)絡(luò)化共享是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)中各裝置之間的信息交互、調(diào)度優(yōu)化的必然要求。物聯(lián)網(wǎng)利用智能傳感器、射頻識(shí)別(radio frequency indentification, RFID)RFID 技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、GPS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體之間的信息交互，作為“智能信息感知末梢”，將推動(dòng)電力電子裝置智能化的發(fā)展[35]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在電網(wǎng)初步應(yīng)用，但尚未在電網(wǎng)設(shè)施運(yùn)行安全監(jiān)控等方面得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[36]提出以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能監(jiān)控體系，為實(shí)現(xiàn)電力電子裝置的智能監(jiān)測(cè)與控制提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。文獻(xiàn)[37]首次提出電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，應(yīng)用該技術(shù)可提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，提高電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和智能診斷水平，并可滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展要求。

3 電力電子裝置智能化研究方向

3.1 智能監(jiān)控

變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展要早于各電力電子裝置監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，因而電力電子裝置智能監(jiān)控可以借鑒變電站，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：早期傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)配備值班人員；第二階段是利用遠(yuǎn)動(dòng)裝置來(lái)采集各裝置電壓電流等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；而第三階段是伴隨通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等發(fā)展起來(lái)的，用分層分布式機(jī)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的集中模式，即變電站監(jiān)控系統(tǒng)。已有的研究中，針對(duì)電力電子裝置監(jiān)控系統(tǒng)的研究較少，忽略了對(duì)其性能穩(wěn)定性的考慮。電力電子裝置智能化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、在線(xiàn)監(jiān)視、運(yùn)行控制、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢(xún)、狀態(tài)評(píng)估、與上級(jí)調(diào)度通信、曲線(xiàn)報(bào)表打印等功能。

文獻(xiàn)[38]提出了基于分層分布式體系結(jié)構(gòu)的SVC監(jiān)控系統(tǒng)，將監(jiān)控系統(tǒng)分為上中下三層，其中，上層由后臺(tái)工作站組成，中層由就地工作站、監(jiān)控單元和調(diào)節(jié)單元組成，底層由水冷系統(tǒng)監(jiān)控等組成。文獻(xiàn)[39]結(jié)合500 kV東莞變電站200 MV·A鏈?zhǔn)絊TATCOM工程應(yīng)用實(shí)踐，將其監(jiān)控系統(tǒng)分為5個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元：基于CAN總線(xiàn)的主控單元、可編程控制器PLC水冷控制單元、脈沖觸發(fā)單元、二次繼保單元和就地控制單元；監(jiān)控系統(tǒng)分為5層：遠(yuǎn)程控制、就地控制、上層控制、中層控制和下層控制。這種分層控制模式可供同類(lèi)大功率電力電子裝置工程化應(yīng)用借鑒。文獻(xiàn)[40]在以.NET 為體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋰電池儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)和各級(jí)服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)2個(gè)部分組成。該系統(tǒng)通過(guò)了實(shí)踐驗(yàn)證，在一定程度上滿(mǎn)足了用戶(hù)的要求。文獻(xiàn)[41]提出一種模塊化、智能化的MW級(jí)鈉硫電池儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)，研究并設(shè)計(jì)其總體架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和功能模塊，以及安全防護(hù)方案，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。

3.2 故障診斷

電力電子裝置中，故障診斷的目的是為了快速定位故障位置、縮短故障處理時(shí)間，以提高故障處理的效率。智能監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)在電力電子裝置中的應(yīng)用為其故障診斷提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使自動(dòng)故障分析有可能實(shí)現(xiàn)。故障診斷面臨的問(wèn)題在于故障征兆與真實(shí)故障之間關(guān)系復(fù)雜，需反復(fù)探索，所涉及故障診斷方法眾多。

對(duì)于電力電子裝置的故障診斷，目前僅僅針對(duì)其中某一設(shè)備的方法，大型電力電子裝置中均含有變壓器，隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)以及人工智能的發(fā)展，采用油中溶解氣體分析(dissolved gas-in-oil analysis, DGA)與粗糙集技術(shù)[42]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[43]以及支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)[44]等方法可以對(duì)變壓器故障進(jìn)行有效診斷，為電力變壓器故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。文獻(xiàn)[45]為了提高故障診斷的準(zhǔn)確率，提出了一種多分類(lèi)最小二乘支持向量機(jī)(least squares support vector maohine，LSSVM)和改進(jìn)粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization，PSO)相結(jié)合的電力變壓器故障診斷方法，可以準(zhǔn)確、有效地對(duì)變壓器進(jìn)行故障診斷

電力電子裝置中，高壓斷路器是其必不可少的設(shè)備，目前對(duì)其診斷方法主要有模糊理論[46]、專(zhuān)家系統(tǒng)[47]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[48]、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[49]等。

電力電子裝置中對(duì)逆變電路的診斷方法主要分為電流檢測(cè)方法和電壓檢測(cè)方法，增加電壓或電流傳感器的方法均不能檢測(cè)出故障位置，其他電流檢測(cè)方法如對(duì)比直流側(cè)電流或分析其波形頻譜、電流矢量軌跡診斷法、電流瞬時(shí)功率法、三相平均電流帕克變換法等，以上方法可以判斷功率器件故障位置，但缺點(diǎn)在于診斷過(guò)程中需要采集電流并分析，時(shí)間長(zhǎng)。

文獻(xiàn)[50]針對(duì)APF中IGBT容易損壞的特點(diǎn)，提出一種低成本的基于硬件電路的開(kāi)路故障診斷與容錯(cuò)控制方案。文獻(xiàn)[51]針對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)換流橋器件IGBT發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓電流的畸變，影響電能質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成威脅這一問(wèn)題，提出了一種開(kāi)路故障診斷方法。

3.3 狀態(tài)評(píng)估

電力電子裝置的安全運(yùn)行是十分重要的，所有設(shè)備均無(wú)故障才能保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。設(shè)備有無(wú)故障與安全運(yùn)行需要通過(guò)檢修的方式，對(duì)于高壓、大容量的電力電子裝置來(lái)說(shuō)，其設(shè)備數(shù)量龐大造成檢修工作量也非常大，以往所提倡的故障檢修和定期檢修限制了系統(tǒng)自動(dòng)化程度的發(fā)展。采用科學(xué)的狀態(tài)檢修模式才可適應(yīng)其發(fā)展要求，狀態(tài)檢修在降低系統(tǒng)運(yùn)維成本、縮短停電時(shí)間、延長(zhǎng)設(shè)備壽命等方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。狀態(tài)檢修第一步便是對(duì)裝置進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。

電力電子裝置中需要進(jìn)行評(píng)估的設(shè)備一般有變壓器、電抗器、電流電壓互感器、斷路器、真空接觸器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、功率單元(IGBT)、空冷或水冷系統(tǒng)、線(xiàn)路等。為分析電力電子裝置系統(tǒng)是否安全運(yùn)行，則需要考慮每個(gè)設(shè)備的多種因素，絕大多數(shù)設(shè)備都可以從預(yù)防性試驗(yàn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等幾個(gè)方面來(lái)綜合分析自身運(yùn)行安全狀態(tài)。

變壓器的狀態(tài)評(píng)估工作已經(jīng)引起了學(xué)者的廣泛重視，文獻(xiàn)[52]綜合考慮了其模型中存在的不確定性問(wèn)題，建立了多層次的狀態(tài)評(píng)估模型。文獻(xiàn)[53]為提高這一類(lèi)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性，對(duì)220 kV高壓等級(jí)油浸式變壓器進(jìn)行了狀態(tài)評(píng)估。文獻(xiàn)[54]針對(duì)高壓斷路器提出了兩級(jí)模糊評(píng)估模型。文獻(xiàn)[55]討論了電容器工作中的缺陷，并利用紅外技術(shù)解決運(yùn)行中的問(wèn)題。文獻(xiàn)[56]針對(duì)絕緣柵雙極型晶體管的在線(xiàn)評(píng)估，提出一種監(jiān)控壓降變化的有效方法。以上均是對(duì)電力電子裝置中的某一設(shè)備進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于整個(gè)裝置來(lái)說(shuō)，需要從宏觀上對(duì)其安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行整體評(píng)估。

評(píng)估指標(biāo)體系是整個(gè)狀態(tài)評(píng)估工作的重點(diǎn)內(nèi)容，文獻(xiàn)[57]與文獻(xiàn)[58]分別將智能電網(wǎng)評(píng)估體系劃分為不同的2個(gè)層次。文獻(xiàn)[59]建立了變電站狀態(tài)檢修決策模型，根據(jù)所提出設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移的馬爾科夫過(guò)程求解設(shè)備狀態(tài)概率。文獻(xiàn)[60]建立了電力設(shè)備安全狀態(tài)模糊綜合評(píng)估模型，構(gòu)建了較為完整的電力設(shè)備安全狀態(tài)評(píng)估體系，并提出了3層架構(gòu)的評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

3.4 預(yù)測(cè)與預(yù)警

隨著電力電子裝置的規(guī)模越來(lái)越大，智能化程度越來(lái)越高，運(yùn)行方式越來(lái)越復(fù)雜，裝置的安全穩(wěn)定控制、運(yùn)行難度也比以往復(fù)雜瑣碎，這就需要對(duì)裝置設(shè)計(jì)具有自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)預(yù)測(cè)與報(bào)警的平臺(tái)。自動(dòng)的預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)可以幫助維修人員在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是利用目前先進(jìn)的軟硬件和通信技術(shù)共同完成一套預(yù)警和報(bào)警系統(tǒng)。

對(duì)電力電子裝置的預(yù)測(cè)與預(yù)警還沒(méi)有開(kāi)展大規(guī)模研究，目前的研究集中于電力系統(tǒng)和變電站，對(duì)電力電子裝置預(yù)測(cè)與預(yù)警可以起到借鑒作用。文獻(xiàn)[61]為合理應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)大規(guī)模停電事故，研究了電網(wǎng)災(zāi)變預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能和架構(gòu)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[62]指出，研究在線(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定具有重大意義，完成了預(yù)警系統(tǒng)的研制，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明了該系統(tǒng)的功能。文獻(xiàn)[63]給出了電力設(shè)備載流故障預(yù)測(cè)的各種實(shí)現(xiàn)方法。

3.5 可視化技術(shù)

隨著電力電子裝置不斷往高壓、大容量方向的發(fā)展，數(shù)據(jù)激增，運(yùn)行更趨于極限。原有監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示方式已不能滿(mǎn)足實(shí)際要求。裝置運(yùn)行時(shí)，大量復(fù)雜的信息需要采用有效、直觀的方式，以告警、圖形、分析結(jié)果等形式提供給管理人員，方便管理人員采取有效措施，為裝置監(jiān)控、分析、安全等提供有力保證[64]。這就要用到可視化技術(shù)，可視化技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)?？梢暬夹g(shù)主要關(guān)注的數(shù)據(jù)類(lèi)型包括電器元件信息、電氣量信息、預(yù)測(cè)預(yù)警信息等。

采用文獻(xiàn)[65]方法，對(duì)變壓器作可視化診斷后，可以迅速、準(zhǔn)確地掌握變壓器絕緣故障全面的故障信息，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)[66]指出對(duì)變電站繼電保護(hù)故障，利用可視化技術(shù)，可以對(duì)內(nèi)部工作及潛在問(wèn)題進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[67]對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控可視化技術(shù)進(jìn)行了研究分析，提出一套較為完整的解決方案，并在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定利用。

4 電力電子裝置智能化應(yīng)用

4.1 設(shè)備運(yùn)維

傳統(tǒng)運(yùn)維方案為保證裝置狀態(tài)良好，會(huì)對(duì)其中設(shè)備進(jìn)行定檢、全檢等幾種運(yùn)維模式，在設(shè)備數(shù)量大量增加、設(shè)備電壓等級(jí)升高、新技術(shù)大量引入的情況下，有限時(shí)間內(nèi)完成大量的運(yùn)維檢修任務(wù)會(huì)有巨大困難，也會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題如：維修不足、維修過(guò)剩、提前維修、維修滯后等。

智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)電力電子裝置的管理、運(yùn)行、維護(hù)、檢修人員也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的運(yùn)維模式已經(jīng)不能適應(yīng)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維需求。為適應(yīng)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能化的運(yùn)維模式需要得到快速應(yīng)用。智能電力電子裝置的設(shè)備自檢和通信能力都比傳統(tǒng)裝置要強(qiáng)，可提供詳細(xì)全面的狀態(tài)信息，使得運(yùn)維人員能夠更準(zhǔn)確地掌握裝置運(yùn)行情況。隨著精細(xì)化管理要求的不斷提升，文獻(xiàn)[68]指出實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)維的可視化技術(shù)可以提高電網(wǎng)信息運(yùn)維人員對(duì)信息設(shè)備的管控能力。文獻(xiàn)[69]提出了智能運(yùn)維系統(tǒng)的整體系統(tǒng)架構(gòu)和功能部署方案，有效解決了目前智能變電站二次設(shè)備在實(shí)際運(yùn)維過(guò)程中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題。文獻(xiàn)[70]提出了一種綜合考慮基于風(fēng)險(xiǎn)的檢修和基于全壽命周期成本的電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行維護(hù)策略輔助決策方法，采用定量的方法評(píng)估設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，并在深圳供電局各變電站的變壓器上得到了實(shí)際應(yīng)用。以上方法均為電力電子裝置智能化的運(yùn)維提供了借鑒。

4.2 儲(chǔ)能能量管理

儲(chǔ)能能量管理分為2個(gè)研究?jī)?nèi)容：一是儲(chǔ)能裝置本身的能量管理，二是微電網(wǎng)監(jiān)控和能量管理。目前適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)及微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能方式主要為蓄電池儲(chǔ)能，主要原因?yàn)槠淠芰棵芏雀?、技術(shù)成熟，但其缺點(diǎn)為功率密度低，使用壽命短。超級(jí)電容與蓄電池具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，其功率密度大，工作壽命長(zhǎng)，但是能量密度較低，不適用于大規(guī)模的電力儲(chǔ)能。如果將二者結(jié)合起來(lái)，組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，則可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，既可以實(shí)現(xiàn)高功率密度的要求，也可以實(shí)現(xiàn)高能量密度的要求，同時(shí)可以減少蓄電池的額定容量并延長(zhǎng)其壽命，這也成為目前儲(chǔ)能研究的熱點(diǎn)。

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理國(guó)外研究起步較早，文獻(xiàn)[71]對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理進(jìn)行了研究并提出了一種基于多項(xiàng)式控制方式來(lái)控制儲(chǔ)能單元的充放電。文獻(xiàn)[72]采用模糊控制的方式對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率進(jìn)行分配。文獻(xiàn)[73]采用了滑?？刂苼?lái)進(jìn)行蓄電池和超級(jí)電容之間的功率分配。文獻(xiàn)[74]提出了基于多模式模糊控制的能量管理方法，將工作狀態(tài)分為多種模式切換工作。文獻(xiàn)[75]中將蓄電池作為主要儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容僅起到補(bǔ)充輔助作用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在國(guó)外研究基礎(chǔ)上也取得了一定的成就，文獻(xiàn)[76]提出了一種動(dòng)態(tài)能量?jī)?yōu)化(dynamic energy optimization based on energy predietion，DEOEP)算法。文獻(xiàn)[77]提出了基于平滑控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理方法。文獻(xiàn)[78]為滿(mǎn)足對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和能量管理的需要，借鑒智能變電站分層體系結(jié)構(gòu)，提出多層微電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理一體化系統(tǒng)。

4.3 網(wǎng)絡(luò)化電能質(zhì)量治理

目前對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的治理，技術(shù)上主要包括各種電能質(zhì)量治理裝置的介入，并建立電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系，完善用戶(hù)電能質(zhì)量投訴流程管理等。這些手段僅僅取得了一定程度的應(yīng)用，由于目前電力電子裝置智能化的普及水平不足，中低壓側(cè)還主要依靠人工監(jiān)測(cè)、定期巡視和用戶(hù)投訴等途徑來(lái)掌握電能質(zhì)量情況，因此無(wú)法保證對(duì)電能質(zhì)量存在問(wèn)題掌控與處理的正確性與及時(shí)性[79]。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理是一個(gè)系統(tǒng)性工程，網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主流趨勢(shì)，而網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理還未得到應(yīng)用。已建設(shè)的各監(jiān)測(cè)裝置多處于孤立運(yùn)行狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一平臺(tái)對(duì)已有監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)中電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，制定優(yōu)化的協(xié)同處理策略，無(wú)法達(dá)到對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控與決策治理的目的。

互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理提供了可能。網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理裝置可由多個(gè)電力電子裝置和其通信系統(tǒng)組成，位于電網(wǎng)同一或不同線(xiàn)路上，各電力電子裝置通過(guò)通信系統(tǒng)與后臺(tái)計(jì)算中心相連，用于采集其所位于的電網(wǎng)線(xiàn)路的實(shí)時(shí)信息后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳，并接收后臺(tái)計(jì)算中心的指令，輸出補(bǔ)償電流或電壓進(jìn)行補(bǔ)償；后臺(tái)計(jì)算中心用于計(jì)算補(bǔ)償總量及每一電力電子裝置的補(bǔ)償分量，且將每一補(bǔ)償分量均轉(zhuǎn)換成具有一定下發(fā)順序的指令，并待所有指令轉(zhuǎn)換完畢后，將指令分別下發(fā)給相應(yīng)補(bǔ)償單元中的電力電子裝置。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)電力電子裝置動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)輸出，提高電能質(zhì)量治理效果，并可采用相同的低容量電力電子裝置，從而節(jié)約運(yùn)行成本和維護(hù)成本。

4.4 風(fēng)光互補(bǔ)監(jiān)控

可再生能源的合理開(kāi)發(fā)與利用是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)話(huà)題，目前絕大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都將發(fā)電形式從火力發(fā)電向可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)變。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電機(jī)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能光伏板、風(fēng)光互補(bǔ)控制器和逆變器等許多部分組成，在各部分之間都存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)必須保證其電能質(zhì)量，為了便于工作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響加以評(píng)估，觀察電能質(zhì)量指標(biāo)是否存在超出規(guī)定限值的情況[80]。文獻(xiàn)[81]開(kāi)發(fā)了風(fēng)光互補(bǔ)智能控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[82]考慮了風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站出力的隨機(jī)性，并且設(shè)計(jì)二者出力的相關(guān)性，提出應(yīng)用Couple理論建立風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站出力聯(lián)合概率分布模型的方法。同時(shí)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估。

4.5 需求側(cè)管理

電力需求側(cè)管理(power demand side management，PDSM)是為合理利用資源，提高用電效率和減少環(huán)境污染而進(jìn)行的用電管理活動(dòng)。需求側(cè)管理是智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)重要的組成部分之一[83]。傳統(tǒng)的PDSM還處于政策性管理階段，智能化的電力電子裝置中先進(jìn)的監(jiān)控、計(jì)算、通信和控制手段對(duì)于需求側(cè)管理技術(shù)的推進(jìn)起到了促進(jìn)作用。與傳統(tǒng)的PDSM相比，智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)下的PDSM可具有更強(qiáng)的能力，高水平的監(jiān)控、智能控制及通訊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)終端用戶(hù)的及時(shí)響應(yīng)，并且支持分布式能源自由接入。

4.6 家庭能源管理

居民側(cè)用電量占全社會(huì)的36.3%，但存在用電效率低、浪費(fèi)嚴(yán)重的情況。為提高這一用電效率，避免環(huán)境資源浪費(fèi)，國(guó)外在20世紀(jì)已開(kāi)展了家庭能源管理系統(tǒng)(home energy management system，HEMS)的研究[84]。該項(xiàng)領(lǐng)域利用傳感器與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集與傳輸室內(nèi)溫濕度、空氣質(zhì)量、人員活動(dòng)數(shù)量和用電設(shè)備等信息，將數(shù)據(jù)綜合處理后，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行控制，滿(mǎn)足用戶(hù)舒適度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

家庭能源管理系統(tǒng)是智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)在居民側(cè)的延伸，在這樣的大環(huán)境下，家庭能源管理也有了新的需求，如考慮大量用戶(hù)協(xié)同工作、能量流的雙向流動(dòng)、支持需求響應(yīng)在居民側(cè)的實(shí)施、支持新能源接入電網(wǎng)等。對(duì)電力電子裝置智能化的研究有助于家庭能源管理系統(tǒng)的健康發(fā)展。

4.7 智能充電系統(tǒng)

如何高效、快速、無(wú)損地對(duì)蓄電池進(jìn)行科學(xué)充電，一直是蓄電池界關(guān)心的問(wèn)題。充電技術(shù)從傳統(tǒng)的恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，發(fā)展到了現(xiàn)在的智能充電。目前國(guó)內(nèi)對(duì)大容量智能充電技術(shù)的研究還處于初始階段，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁不僅能夠解決電動(dòng)汽車(chē)需要隨時(shí)隨地充電的問(wèn)題，還能夠?qū)ζ潆姵剡M(jìn)行維護(hù)，并且具有人性化的人機(jī)交互界面和完善的通訊能力。文獻(xiàn)[85]將電力電子技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)以及通信中CAN總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究中，保證了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力與運(yùn)行安全。文獻(xiàn)[86]在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的基礎(chǔ)上，通過(guò)總線(xiàn)與監(jiān)控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電向電動(dòng)汽車(chē)充電的智能控制。

5 電力電子智能化研究發(fā)展方向

已有的電力電子裝置的研制重點(diǎn)在于其基本功能的實(shí)現(xiàn)與性能的提高，很少考慮其智能化和對(duì)上層支撐。智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大環(huán)境對(duì)電力電子裝置的智能化提出了高要求，對(duì)這一問(wèn)題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而電力電子裝置本身一般已經(jīng)有相應(yīng)的裝置級(jí)控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)甚至互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，這些都為電力電子裝置的智能化研究提供了基礎(chǔ)。未來(lái)電力電子智能化研究可以考慮以下方向。

(1)大多智能化的技術(shù)或手段，已在變電站或電力系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于電力電子裝置智能化是一個(gè)很好的借鑒：智能傳感裝置工作中容易受到電磁干擾甚至損壞，提高此類(lèi)裝置的抗干擾能力及精度是一項(xiàng)重要工作；智能化技術(shù)的深度使用，必須要有相應(yīng)的管理制度與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)裝置特性，多考慮分層分布式的體系結(jié)構(gòu)；對(duì)智能裝置的能量流與信息流分別進(jìn)行分析，以保證裝置穩(wěn)定與運(yùn)行優(yōu)化；應(yīng)用最新的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和深度學(xué)習(xí)方法，結(jié)合電力電子裝置的特點(diǎn)，有助于從數(shù)據(jù)分析層面解決其所面臨的問(wèn)題，從海量數(shù)據(jù)中提煉更多有價(jià)值的信息，但在實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)一致性和安全性等方面仍面臨挑戰(zhàn)。

(2)已有的電力電子裝置側(cè)重于對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，對(duì)其性能的控制則多數(shù)還停留在理論階段，已在實(shí)際裝置中應(yīng)用的控制方法仍以傳統(tǒng)方法居多，研究先進(jìn)的控制算法，有利于充分發(fā)揮裝置的性能，在保證裝置安全穩(wěn)定的前提下，提高電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性能。電力電子裝置是龐大的信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性與不確定性，考慮其魯棒性控制與多種運(yùn)行方式如何并存與協(xié)調(diào)是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

(3)已有的故障診斷與狀態(tài)評(píng)估方法，僅限于電力電子裝置中某一單一設(shè)備如變壓器、斷路器等，沒(méi)有考慮各器件之間的聯(lián)系，缺乏所有設(shè)備系統(tǒng)評(píng)估與診斷方法，電力電子裝置智能化研究中可以考慮健全整個(gè)裝置的故障診斷與狀態(tài)評(píng)估體系。對(duì)于超大容量、高壓的電力電子裝置而言，因其組成復(fù)雜，狀態(tài)評(píng)估時(shí)面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，不僅要考慮裝置性能變化，還要考慮到運(yùn)行環(huán)境的變化，每個(gè)裝置構(gòu)成特點(diǎn)迥異，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法統(tǒng)一，需要監(jiān)測(cè)的信息量也非常龐大，正確、有效地評(píng)估其安全狀態(tài)是狀態(tài)檢修成功的關(guān)鍵，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。同時(shí)評(píng)估指標(biāo)的選取應(yīng)遵守狀態(tài)評(píng)估科學(xué)性、全面性等原則，可考慮對(duì)裝置進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，避免資源浪費(fèi)。

(4)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化智能應(yīng)用于智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)，如網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理，是電能質(zhì)量治理技術(shù)中電力電子裝置智能化的重要發(fā)展方向。首先要建立完善的電能質(zhì)量評(píng)估方法與等級(jí)劃分體系，并基于供用電接口的經(jīng)濟(jì)性分析，分別建立內(nèi)部技術(shù)等級(jí)評(píng)估體系與用戶(hù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估體系，建立與健全相關(guān)政策、法規(guī)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的“優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)”運(yùn)行。

(5)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電力電子裝置信息安全共享，提高預(yù)測(cè)預(yù)警水平，尤其是在未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)延伸到需求側(cè)，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷協(xié)同等場(chǎng)景。其中，電力電子裝置信息模型、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、感知體系、通訊模型與接口規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、設(shè)備間的信息共享與交互策略等問(wèn)題都是需要深入研究的問(wèn)題。

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(編輯 張媛媛)

Review of Intelligent Power Electronic Device Research

CAO Junwei1, YANG Jie1, YUAN Zhongda1, WU Koulin2, FANG Taixun2, YANG Fei3

(1. Research Institute of Information Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China;3. State Grid Liaoning Electric Power Supply Co., Ltd., Shenyang 110004, China)

Intelligent power electronics device is the important foundation for smart grid and energy Internet. It is vitally important and has practical significance to carry out research on intelligent power electronics device. In order to promote the theoretical research and practical development of intelligent power electronics devices, this paper surveys the current progress of intelligent power electronics device. Power electronics devices are classified according to their major functionalities. For each class, this paper discusses supporting techniques such as sensing, communication, automatic control and so on. Based on the analysis of research directions of intelligent monitoring, fault diagnosis and condition assessment, this paper summarizes the application situation of intelligent power electronics devices. In the end, this paper discusses the development trend of intelligent power electronic devices, and proposes suggestions on some urgent problems.

energy Internet; smart grid; power electronic device; intelligent

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61472200)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5222AS15000C)

TM 1；TM 7

A

1000-7229(2017)05-0018-13

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.003

2017-01-09

曹軍威(1973)，男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量、能源互聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)計(jì)算技術(shù)等；

楊潔(1985)，女，博士，助理研究員，本文通信作者，主要研究方向?yàn)橹悄茈娏εc控制；

袁仲達(dá)(1976)，男，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理以及嵌入式系統(tǒng)；

吳扣林(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殪o止無(wú)功發(fā)生器等大功率電力電子技術(shù)；

方太勛(1973)，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)；

楊飛(1983)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置管理和直流輸電控制保護(hù)工作。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(61472200)