電力系統(tǒng)柔性一次設備及其關鍵技術：應用與展望

徐殿國, 張書鑫, 李彬彬

(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院, 黑龍江省哈爾濱市 150001)

0　引言

隨著傳統(tǒng)化石能源短缺以及全球氣候變化問題的不斷加深,能源結構轉型越來越受到人們的重視。清潔的可再生能源主要是通過轉化為電能才能被利用,而可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電存在著明顯不同的技術特點,這對現(xiàn)代電網(wǎng)提出了更高的要求。另一方面,分布式電源與儲能裝置的大量接入以及主動配電系統(tǒng)、微電網(wǎng)技術的不斷進步,也使得現(xiàn)代電力系統(tǒng)朝著更智能、更靈活的方向不斷發(fā)展[1]。

在此背景下,大量新型電力電子設備被應用在電力系統(tǒng)中,使電力系統(tǒng)的可控性和靈活性更強。本文將這類基于電力電子技術的電力系統(tǒng)新型一次設備歸納統(tǒng)稱為“柔性一次設備”。柔性一次設備的主要應用領域包括柔性交流輸電、柔性直流輸電、可再生能源發(fā)電與電力儲能以及主動配電系統(tǒng)與微電網(wǎng) 四個方面。柔性一次設備在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應用有效提升了電能的轉換和傳輸效率,增強了電力系統(tǒng)的調控能力與靈活性,大大提高了電網(wǎng)對可再生能源的消納能力,同時能更好地滿足用戶對于電能質量的要求。其作為現(xiàn)代電網(wǎng)的關鍵支撐技術,近年來迅速成為研究熱點并得到國內外研究人員廣泛關注。不同電路拓撲紛紛涌現(xiàn),新的控制策略與變流技術層出不窮,大量裝置投入工程建設與運行。但與現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展要求相比,現(xiàn)有的柔性一次設備在建模與控制、仿真、可靠性等諸方面仍然存在著一系列的挑戰(zhàn),設備的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性以及靈活性等方面仍有較大的優(yōu)化空間。

本文介紹了柔性一次設備及其關鍵技術在柔性交流輸電、柔性直流輸電、可再生能源發(fā)電、電力儲能和主動配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)等領域的研究進展和工程應用情況,并分析了其共性關鍵技術與發(fā)展趨勢。希望能夠為促進柔性一次設備的發(fā)展與應用起到拋磚引玉的作用。

1　柔性一次設備在柔性交流輸電中的應用

柔性交流輸電(flexible AC transmission system,FACTS)這一概念最早由美國電力科學院的Narain G. Hingorani博士于1986年提出[2],柔性一詞的含義是指通過電力電子等技術,實現(xiàn)提高交流輸電系統(tǒng)傳輸容量和增強可控性的目的。在FACTS概念形成的初期,能夠廣泛應用于交流系統(tǒng)的FACTS設備基本上只有靜止無功補償器(static var compensator,SVC)。在SVC基礎上,FACTS技術得到了迅猛發(fā)展,目前已經(jīng)形成了近20種FACTS設備,其中部分已經(jīng)投入到實際工程應用中并取得了良好效果。目前,全世界已投運上千個FACTS工程,總容量已超過100 GVA[3]。FACTS技術的快速發(fā)展和應用是電力工業(yè)近幾十年來最為突出的成果之一,為現(xiàn)代電網(wǎng)的建設與發(fā)展做出了巨大貢獻。尤其中國的能源資源與需求呈逆向分布,必須發(fā)展輸電能力更強、效率更高的輸電技術,同時還需要解決由此引起的潮流控制、系統(tǒng)振蕩以及電壓穩(wěn)定性等問題。因此FACTS技術在中國電網(wǎng)發(fā)展建設過程中,起著至關重要的作用。隨著電力電子技術的快速發(fā)展,FACTS技術的發(fā)展方向逐漸從SVC、可控串聯(lián)補償器、可控并聯(lián)電抗器等基于半控型器件的設備,轉向功能更強大、更靈活、響應速度更快的基于全控型器件的靜止同步補償器、統(tǒng)一潮流控制器等設備。

1.1　基于半控型器件的FACTS設備

基于晶閘管的SVC設備在20世紀70年代就已經(jīng)投入商業(yè)運行了,遠遠早于FACTS概念的提出。SVC是基于晶閘管投切或控制的一類并聯(lián)型FACTS設備的總稱,包括晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor,TCR)、晶閘管投切電抗器(thyristor switched reactor,TSR)以及晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor,TSC)等設備以及它們互相之間或是與機械式無功補償設備組合形成的設備,典型的SVC如圖1所示。SVC是FACTS設備中技術最為成熟的設備,現(xiàn)有的已投運的FACTS工程總容量中,絕大部分都是SVC。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,SVC技術上已經(jīng)相當成熟,目前全球范圍內已有數(shù)千個SVC工程。中國的SVC技術雖然起步較晚,但也已經(jīng)發(fā)展相當成熟。中國應用于電網(wǎng)中的第一個國產(chǎn)化SVC項目——鞍山紅一變SVC國產(chǎn)化示范工程于2004年正式投運。2016年,由南瑞繼保電氣有限公司設計和生產(chǎn)的900 Mvar世界最大容量SVC在埃塞俄比亞HOLETA 500 kV變電站成功投運,該套SVC采用TCR、TSC和濾波器整體協(xié)調控制的方式。

圖1　典型SVC示意圖Fig.1　Schematic diagram of a typical SVC

可控高壓并聯(lián)電抗器(通常簡稱為可控高抗)是在SVC基礎上發(fā)展起來的另一種基于晶閘管的并聯(lián)型FACTS設備,其功能是動態(tài)補償交流輸電線路過剩的無功功率,達到抑制超/特高壓輸電線路的容升效應、操作過電壓、潛供電流等現(xiàn)象,降低線路損耗,提高交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平及線路傳輸功率的作用[4]?；诰чl管的可控高抗主要分為分級式可控高抗和晶閘管控制變壓器式可控高抗兩類,其結構分別如附錄A圖A1和圖A2所示。分級式可控高抗的優(yōu)點是原理簡單、響應速度快、諧波含量少,缺點是補償容量只能分級調節(jié)而不能連續(xù)調節(jié),因此適合潮流變化劇烈并具有季節(jié)負荷特性的超/特高壓輸電系統(tǒng)。中國在分級式可控高抗領域處于世界領先水平,在2006年完成了忻都500 kV分級式可控高抗示范工程,在2012年完成了敦煌750 kV分級式可控高抗示范工程。2016年,南瑞集團成功研制了世界首套1 100 kV可控高抗。晶閘管控制變壓器式可控高抗本質上是TCR和變壓器的組合,通過調整晶閘管觸發(fā)角,能夠平滑調節(jié)副邊繞組的等效電抗。晶閘管控制變壓器式可控高抗響應速度快,過負荷能力強,能夠大范圍平滑調節(jié)補償容量的大小,因此在大規(guī)模風電集中接入超/特高壓交流輸電系統(tǒng)的應用方面具有較大優(yōu)勢。晶閘管控制變壓器式可控高抗目前在國外應用較多,如印度Itarsi的420 kV/50 Mvar晶閘管控制變壓器式可控高抗和加拿大Loreatid變電站的750 kV/450 Mvar晶閘管控制變壓器式可控高抗等。

可控串聯(lián)補償器是最重要的串聯(lián)型FACTS設備之一,其由一組電容器與晶閘管控制電抗器并聯(lián)組成,如附錄A圖A3所示?？煽卮?lián)補償器可以提供連續(xù)可控的串聯(lián)補償容量,達到改變系統(tǒng)阻抗特性、優(yōu)化潮流分布以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)性能的目的。1991年,美國在卡納瓦爾變電站投運了世界上首個可控串聯(lián)補償器工程。2003年,亞洲首個500 kV可控串聯(lián)補償器工程——中國天生橋—平果可控串聯(lián)補償器工程投運,由德國西門子公司承建。2004年,中國第一個國產(chǎn)化可控串聯(lián)補償器工程——甘肅碧成220 kV可控串聯(lián)補償器工程正式投運。2007年,世界上電壓等級最高、容量最大的可控串聯(lián)補償器——伊馮500 kV可控串聯(lián)補償器正式投運。

1.2　基于全控型器件的FACTS設備

1)靜止同步補償器

靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)是基于全控型器件的FACTS設備中,出現(xiàn)最早、發(fā)展最快而且應用最廣的一種設備。STATCOM可以采用電壓源型換流器和電流源型換流器來實現(xiàn),但由于基于電壓源型換流器的STATCOM控制更加方便且效率更高,因此實際應用中大多數(shù)STATCOM都通過電壓源型換流器來實現(xiàn),如附錄A圖A4所示。作為并聯(lián)型FACTS設備,STATCOM和傳統(tǒng)SVC相比,具有動態(tài)響應速度更快、可控性更好、不需要大容量的電容或電感、諧波含量低、補償能力不依賴于系統(tǒng)電壓水平等優(yōu)點。但由于需要使用較多數(shù)量的全控型器件,在需要較大容量補償?shù)那闆r下,STATCOM的成本接近SVC的兩倍[3]。

如果將基于電壓源型換流器的STATCOM串聯(lián)在線路中,那么可以得到靜止同步串聯(lián)補償器(static synchronous series compensator,SSSC),如附錄A圖A5所示。作為串聯(lián)型FACTS設備,和基于晶閘管的可控串聯(lián)補償器相比,SSSC除了具有響應速度更快的優(yōu)勢外,還無需配置較大的交流電容器或電抗器就可對線路的無功功率進行補償,并且補償?shù)拇?lián)電壓不受線路電流影響。此外,SSSC對于交流系統(tǒng)中的各種振蕩現(xiàn)象的抗干擾能力要強于可控串聯(lián)補償器[3]。但通常情況下SSSC不會單獨使用,而是和STATCOM組成統(tǒng)一潮流控制器,還可以實現(xiàn)對線路有功功率的控制,能夠提高交流系統(tǒng)的輸送能力。

早期的STATCOM主要依靠多重化技術實現(xiàn)。1980年,日本三菱電機公司與日本關西電力公司合作研制了世界上第一臺STATCOM,采用多重化結構,容量為±20 Mvar[5]。1999年,清華大學和河南省電力公司合作開發(fā)了中國第一臺工業(yè)化STATCOM,采用四重化耦合變壓器和基于門極可關斷晶閘管(gate turn-off thyristor,GTO)的兩電平單元變換器的方案,容量為±20 Mvar[6]。多重化結構的STATCOM必須要配備多重化耦合變壓器,此類變壓器成本高、損耗較大、體積很大,而且隨著多重化的變換器數(shù)量的增加,變壓器繞組增多,設計難度會明顯增加。

隨著多電平換流器技術的發(fā)展,STATCOM技術得到了快速發(fā)展[7-17]?；诙嚯娖綋Q流技術的STATCOM主要包括二極管鉗位STATCOM、飛跨電容STATCOM、級聯(lián)H橋STATCOM以及模塊化多電平STATCOM。二極管鉗位STATCOM是出現(xiàn)最早的基于多電平技術的STATCOM,由于可以省去多重化變壓器,其成本得到了明顯降低,因此該技術很快受到了廣泛關注。1997年,德國西門子公司研制的容量為±8 Mvar基于二極管鉗位三電平變換器的STATCOM在丹麥Rejsby Hede風電場投運[7]。同年,美國西屋公司和美國電力科學院聯(lián)合研制了基于二極管鉗位三電平變換器的STATCOM,作為統(tǒng)一潮流控制器并聯(lián)側在美國Inez變電站投運[8]。二極管鉗位STATCOM的缺點是隨著電平數(shù)量的增加,所需鉗位二極管數(shù)量按平方數(shù)量級增加,導致?lián)Q流器結構和控制較復雜,且電容電壓不平衡問題也更加嚴重[17]。

為了克服二極管鉗位多電平換流器所需鉗位二極管個數(shù)太多的缺陷,法國圖盧茲聯(lián)邦大學的Thierry Meynard教授等人提出了飛跨電容多電平換流器[9]。該拓撲電平數(shù)容易擴展,節(jié)約了大量的鉗位二極管。但該拓撲通過電容來實現(xiàn)鉗位,因此需要較多的鉗位電容,鉗位電容需要進行預充電。該拓撲也同樣存在和二極管鉗位多電平換流器相同的電容電壓不平衡問題,因此在實際工程中應用并不普遍。

1996年,美國密西根州立大學的彭方正教授提出了級聯(lián)H橋STATCOM(又稱鏈式STATCOM)[10]。級聯(lián)H橋STATCOM不但可以省去多重化變壓器,還不需要大量鉗位二極管和鉗位電容,更容易擴展電平數(shù),能夠適用于高壓大容量應用場合。此外,級聯(lián)H橋容易模塊化,能夠通過冗余模塊實現(xiàn)較高的容錯性。由于具備這些優(yōu)勢,級聯(lián)H橋STATCOM成為目前高壓大容量STATCOM的首選,得到了學術界的廣泛關注并大量用于實際工程中。1999年,由法國ALSTOM公司和英國國家電網(wǎng)公司聯(lián)合研制的世界上第一臺級聯(lián)H橋STATCOM在英國投運,容量為±75 Mvar[11]。2006年,由清華大學與中國國家電網(wǎng)上海市電力公司等單位聯(lián)合研制的中國第一臺級聯(lián)H橋STATCOM正式投運,容量為±50 Mvar,集成門極換流晶閘管(integrated gate commutated thyristors,IGCT)首次在STATCOM作為開關器件被應用[12]。2011年,世界上第一個±200 Mvar的級聯(lián)H橋STATCOM項目在中國南方電網(wǎng)東莞變電站投運[13]。2016年,容量為±300 Mvar的基于電子注入增強柵晶體管(injection enhanced gate transistor,IEGT)的級聯(lián)H橋STATCOM在中國南方電網(wǎng)永富直流輸電工程富寧換流站投運,是中國目前容量最大的STATCOM工程,并且也是大容量STATCOM首次應用于高壓直流輸電領域[14]。雖然級聯(lián)H橋STATCOM在實際工程中已經(jīng)有不錯的表現(xiàn),但其仍然存在一定的局限性,即無論是星形連接還是角形連接,在負載不平衡與網(wǎng)側電壓發(fā)生畸變時都會受到一定的限制[15]。

2001年,德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學的Rainer Marquardt教授提出了一種模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)[16],圖2給出了一個采用半橋子模塊(half bridge sub-module,HBSM)的三相MMC拓撲。MMC不存在器件串聯(lián)同步驅動和動態(tài)均壓問題,因此特別適合高壓大容量應用場合。有學者嘗試研究了基于MMC的STATCOM[15,17],但MMC子模塊電容需要承受工頻電壓波動,導致功率密度較小。

圖2　模塊化多電平換流器拓撲Fig.2　Topology of modular multilevel converter

2)統(tǒng)一潮流控制器

1992年,美國西屋公司的L. Gyugyi博士提出了統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的概念[18],由于其功能強大,被認為是FACTS技術的集大成者。UPFC結構如圖3所示,由并聯(lián)部分和串聯(lián)部分組成,兩個部分通過直流環(huán)節(jié)相連。因此UPFC不但能夠繼承并聯(lián)補償器和串聯(lián)補償器的優(yōu)點,還具備這兩者原來不具備的功能,即調整有功功率的能力,是目前綜合功能最全面的FACTS設備。工程應用時,UPFC也可以根據(jù)實際需求將并聯(lián)部分和串聯(lián)部分分開運行,其并聯(lián)側是一臺STATCOM,而串聯(lián)側則是一臺SSSC。

圖3　統(tǒng)一潮流控制器示意圖Fig.3　Schematic diagram of UPFC

由于受到開關器件自身特性的局限,早期的UPFC均采用基于串聯(lián)GTO的三電平換流器結合多重化技術的技術路線。1998年,世界上第一套UPFC在美國Inez變電站投運,額定電壓為138 kV,容量為320 MVA,采用了三電平四重化的拓撲結構[8]。2003年,世界上第二套UPFC裝置在韓國Kangjin變電站投運,額定電壓154 kV,容量80 MVA,采用了三電平二重化的拓撲結構[19]。2004年,美國Marcy變電站投運了一種優(yōu)化結構的UPFC——可轉換靜止補償器(convertible static compensators,CSC),額定電壓345 kV,容量為200 MVA,也采用了三電平四重化的拓撲結構[20]。

隨著MMC技術的不斷發(fā)展及其在柔性直流輸電領域的應用積累,近年來基于MMC的UPFC得到了快速的發(fā)展和應用,成為UPFC的主流技術方案。2015年,中國首個UPFC工程在江蘇220 kV南京西環(huán)網(wǎng)正式投運,該工程在全世界范圍內首次將MMC技術應用于UPFC裝置,線路額定電壓220 kV,UPFC容量為180 MVA[21]。2017年,全世界首套全戶內緊湊型UPFC——上海蘊藻浜—閘北220 kV統(tǒng)一潮流控制器工程正式投運,線路額定電壓220 kV,UPFC容量為100 MVA,也采用MMC技術。同年,世界上電壓等級最高、容量最大的蘇州南部電網(wǎng)UPFC工程也正式投運,線路額定電壓500 kV,UPFC容量為750 MVA,同樣采用MMC技術。

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,柔性一次設備必然會在柔性交流系統(tǒng)中繼續(xù)大放光彩。尤其是隨著STATCOM和UPFC等基于全控型器件的柔性一次設備技術水平的不斷提高,柔性交流輸電系統(tǒng)的輸送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性及可控性將會得到進一步提升。

2　柔性一次設備在柔性直流輸電中的應用

自20世紀90年代初加拿大McGill大學的Boon-Teck Ooi教授等人提出基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的直流輸電(即柔性直流輸電)以來[22-23],該技術得到了廣泛的關注和極為快速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,截至2017年底,全球范圍內已投運柔性直流輸電工程38項,其中最高電壓等級±320 kV,輸送容量1 000 MW。在建柔性直流輸電項目共11項,最高電壓等級±500 kV,輸送容量3 000 MW。

根據(jù)柔性直流輸電所采用的VSC類型不同,可以將其劃分為兩個階段。第一個階段采用的VSC是兩電平換流器和二極管鉗位型三電平換流器。由于世界上只有ABB公司能夠提供商業(yè)化的上百千伏電壓等級的器件串聯(lián)閥組,因此該階段的柔性直流輸電工程均由ABB公司承建。第二階段起始于MMC技術在2010年首次在西門子公司承建的美國Trans Bay Cable柔性直流輸電工程中得到應用,此后的柔性直流輸電工程基本上都采用MMC技術。MMC具有一系列技術優(yōu)勢,例如子模塊級聯(lián)的模式避免了電力電子器件直接串聯(lián),因此不存在同步驅動和動態(tài)均壓問題;電容分布在各個子模塊中,不需要配置高壓電容器組;開關器件開關頻率較低,損耗較小;波形質量高,不需要配置濾波器;結構模塊化,易于提高容量并形成冗余等。因此采用MMC可以大幅降低柔性直流輸電換流器的制造難度,促進更多制造商進入柔性直流輸電領域,極大地推動了柔性直流輸電的發(fā)展進程。

多端柔性直流輸電和在其基礎上發(fā)展的直流電網(wǎng)是柔性直流輸電技術當前主要的發(fā)展方向之一,也是柔性直流輸電技術中的柔性一次設備主要應用領域。文獻[24]給出了如附錄A圖A6所示的大型直流電網(wǎng)標準模型(DC system model,DCS-M)示意圖,其中包含了VSC、DC/DC變換器以及直流潮流控制器幾種柔性直流輸電技術中的柔性一次設備。除了上面3種設備,高壓直流斷路器也是一種重要的柔性一次設備,本章將對這幾種設備進行介紹和評述。

2.1　應用于直流電網(wǎng)中的MMC

MMC應用在直流電網(wǎng)中面臨的最關鍵的問題就是直流側故障處理問題。目前實際工程中所采用的子模塊均是半橋子模塊,當直流側發(fā)生短路時,半橋子模塊中的反并聯(lián)二極管會為短路電流提供通路,導致?lián)Q流器本身無法實現(xiàn)直流故障自清除。解決該問題可以分別從采用具有直流故障清除能力的子模塊和改進MMC拓撲兩方面出發(fā)。

1)具有直流故障清除能力的子模塊

通過子模塊來實現(xiàn)直流故障清除的原理是利用子模塊電容來提供反向電壓,最具代表性的就是全橋子模塊(full bridge sub-module,FBSM),如圖4(a)所示。但FBSM采用的器件數(shù)量是HBSM的2倍,成本和損耗都大幅增加。另一種典型的結構是鉗位型雙子模塊(clamp double sub-module,CDSM),如圖4(b)所示[25]。CDSM僅比HBSM額外增加了25%的開關器件數(shù)量,但CDSM中的兩個子模塊在正常運行和故障期間連接方式不同,結構上具有耦合性,因此增加了控制和均壓的復雜性。文獻[26]提出了串聯(lián)雙子模塊(series-connected double sub-module,SDSM)結構,如圖4(c)所示。當發(fā)生直流側故障時,無論橋臂電流方向如何,SDSM的兩個電容都是串聯(lián),且始終處于充電狀態(tài),避免了CDSM的耦合性問題。文獻[27]提出了二極管鉗位型子模塊(diode-clamp submodule,DCSM),如圖4(d)所示。DCSM大幅降低了所需開關器件的數(shù)量,但其存在反向故障電流情況下阻斷能力減弱的問題。文獻[28]提出了逆阻型半橋子模塊(reverse blocking HBSM,RB-HBSM),如圖4(e)所示。RB-HBSM具備故障電流的雙向阻斷能力,但其需要采用一種特殊的逆阻型絕緣柵雙極晶體管,而且電流反向流入子模塊時,橋臂等效成多個絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)串聯(lián)后直接阻斷反向故障電流,相當于固態(tài)斷路器,具有一定的局限性。此外還有交叉型子模塊[29]、類全橋子模塊[30]以及二極管鉗位式雙子模塊[31]等各種不同的子模塊結構,文獻[32]將8種典型的具有直流故障電流阻斷能力的子模塊結構進行了對比分析,得出了當不考慮故障電流阻斷能力時,二極管鉗位型子模塊最具有應用前景的結論。

圖4　幾種典型的具有直流故障電流阻斷能力的子模塊Fig.4　Several typical sub-modules with DC fault current blocking capacity

2)具有直流故障清除能力的改進MMC拓撲

為了獲得最優(yōu)的經(jīng)濟效益,可以將HBSM與具有直流故障阻斷能力的SM混合使用,得到了子模塊混合型MMC(Hybrid MMC)。比較典型的是由HBSM和FBSM組成的Hybrid MMC,其每個橋臂中HBSM和FBSM的數(shù)量均按照一定的設計原則進行設計。

文獻[33]提出了橋臂交替導通換流器(alternative arm converter,AAC),其拓撲如圖5(a)所示。AAC由導通開關和全橋子模塊組成,導通開關可以承受一部分直流電壓,因此子模塊數(shù)量可以減少,極限條件下子模塊數(shù)量為FBSM-MMC的一半。AAC共有三種工作模式,即正常工作模式、直流閉鎖模式以及STATCOM模式。正常工作時AAC上下橋臂交替導通,通過投切子模塊使輸出的交流電壓波形逼近期望的正弦波形。發(fā)生直流側故障時,關斷所有開關器件,產(chǎn)生反向電壓限制故障電流。當需要AAC運行在STATCOM模式時,所有的導通開關處于導通狀態(tài)。AAC的缺點在于多個器件的串聯(lián)問題,以及直流側存在6次諧波問題。

圖5　兩種典型的具有直流故障電流阻斷能力的換流器拓撲Fig.5　Two typical converter topologies with DC fault current blocking capacity

文獻[34]提出了混合級聯(lián)多電平換流器(hybrid cascaded multilevel converter,HCMC),其拓撲如圖5(b)所示。HCMC與AAC工作原理類似,區(qū)別在于HCMC的子模塊串從橋臂內移至了交流側,HCMC中子模塊串對導通開關輸出的兩電平電壓進行整形得到正弦交流電壓波形,因此HCMC所需子模塊數(shù)量為傳統(tǒng)MMC的一半。HCMC與AAC一樣有三種工作模式,與AAC相比其需要的子模塊數(shù)量更少,但導通開關工作方式為硬開關,并且其也存在著和AAC一樣的器件串聯(lián)問題。

2.2　高壓直流斷路器

為了實現(xiàn)直流電網(wǎng)中故障隔離的選擇性,直流電網(wǎng)中換流站之間的線路必須通過直流斷路器來連接。由于直流電流不存在自然過零點,而且直流斷路器需要吸收故障時直流系統(tǒng)中感性元件儲存的大量能量。此外,直流系統(tǒng)故障電流較高的上升速率要求直流斷路器必須在更短的時間內實現(xiàn)故障切除,進一步增大了直流斷路器的設計難度。

根據(jù)直流斷路器開斷原理不同,可以將直流斷路器分為固態(tài)式直流斷路器、機械式直流斷路器和混合式直流斷路器三類[35-41]。固態(tài)式直流斷路器由于受到開關器件的限制,需要串聯(lián)大量電力電子器件,通態(tài)損耗過大,難以應用在高壓大容量直流電網(wǎng)中。因此目前高壓直流斷路器的研制主要基于機械式直流斷路器和混合式直流斷路器兩種技術路線。

1)機械式直流斷路器

機械式直流斷路器的原理是通過反向電流注入來實現(xiàn)人工過零。由于正常運行時電流僅流經(jīng)機械開關,因此機械式斷路器具有通態(tài)損耗低的優(yōu)勢,不需要冷卻設備,成本也相對較低。但機械式直流斷路器屬于有電弧分斷,斷開直流電流時電弧容易灼燒觸頭,還需要考慮電弧復燃的問題。根據(jù)反向電流注入電路設計方式的不同,機械式直流斷路器可以分為電容激勵型和電感激勵型兩種,如附錄A圖A7所示。

在電容激勵型機械式直流斷路器研制方面,近年來國內外有多家單位都取得了一定成果。2014年,瑞士ABB公司研制出了80 kV/5 ms/10 kA的樣機[35];同年,日本三菱公司研制出了80 kV/10 ms/16 kA的樣機[36]。2015年,中國的西安交通大學、南方電網(wǎng)公司以及西安高壓電器研究院聯(lián)合研制出了55 kV/5 ms/16 kA的電容激勵型機械式直流斷路器樣機[37]。在電感激勵型機械式直流斷路器研制方面,中國華中科技大學在2016年完成了40 kV/3.5 ms/9 kA的樣機,并以40 kV為基礎斷口串聯(lián)擴展至160 kV應用[38]。2017年,世界首臺機械式高壓直流斷路器在中國南方電網(wǎng)南澳±160 kV多端柔性直流輸電系統(tǒng)中成功投運。

2)混合式直流斷路器

混合式直流斷路器結合了固態(tài)式直流斷路器和機械式直流斷路器的優(yōu)點,其原理如附錄A圖A8所示。正常運行時,電流流經(jīng)包含高速機械開關和少量開關器件的載流支路,通態(tài)損耗相對較低。故障時,故障電流首先轉移到全部由電力電子器件組成的轉移支路中,然后斷開機械開關,當機械開關達到一定的開距后再斷開轉移支路。

2012年,瑞士ABB公司提出了一種基于IGBT串聯(lián)的320 kV混合式直流斷路器設計方案,并研制了80 kV/5 ms/8.5 kA的樣機[39]。2014年,法國ALSTOM公司研制了120 kV/5.3 ms/5.2 kA的基于晶閘管的混合式直流斷路器樣機[40]。2013年,中國全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出了基于全橋模塊級聯(lián)的混合式直流斷路器[41],并于2015年研制了200 kV/3 ms/15 kA的樣機,2016年底在舟山±200 kV五端柔性直流工程中投入運行。2017年,全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院將全橋模塊替換為二極管橋式換流模塊,研制了535 kV/2.5 ms/25 kA的樣機[42];同年,南瑞集團也研制了基于二極管全橋和單向串聯(lián)IGBT的535 kV/3 ms/25 kA混合式直流斷路器樣機[43]。

亦有學者提出通過將高壓直流斷路器和直流故障電流限制器相結合來降低斷路器設計難度的思路,文獻[44]將直流斷路器與高溫超導故障電流限制器相結合,文獻[45]將電抗型故障電流限制器與直流斷路器相結合,文獻[46]將直流斷路器與電阻型故障電流限制器相結合,取得了一定的效果。但故障限流器在高壓應用領域還停留在理論研究階段,若要應用在實際工程中還需進一步的理論研究和實驗驗證。

2.3　高壓DC/DC變換器

為了實現(xiàn)直流電網(wǎng)的運行靈活性,用于連接不同電壓等級直流系統(tǒng)的高壓DC/DC變換器是不可缺少的柔性一次設備。盡管目前在低壓應用領域已經(jīng)存在大量的DC/DC拓撲,但由于受到器件應力等約束,這些拓撲大多無法在直流電網(wǎng)中應用。英國阿伯丁大學的Dragan Jovcic教授于2009年提出了基于晶閘管的諧振式DC/DC變換器[47],但該拓撲中全部器件需要根據(jù)高壓側電壓進行選型,且該拓撲輸入輸出諧波較大。隨著近年來模塊化技術的快速發(fā)展,許多學者陸續(xù)提出了基于模塊化原理的高壓DC/DC拓撲,根據(jù)是否進行了電氣隔離,可以將這些拓撲分為隔離型和非隔離型兩大類。

1)隔離型模塊化DC/DC變換器

文獻[48]將兩個MMC通過變壓器進行面對面連接,構成如圖6(a)所示的DC/DC拓撲,該拓撲繼承了MMC的諸多優(yōu)點,同時由于交流環(huán)節(jié)僅存在于拓撲內部,可通過提升交流頻率來減小變壓器體積及電容器容量。在此基礎上,文獻[49-50]進一步提出在中間交流環(huán)節(jié)采用方波(準兩電平)波形,以增加拓撲的功率傳輸能力,并實現(xiàn)軟開關、降低功率器件的開關損耗。但需要指出由于方波電壓波形中包含有多種頻率成分,變壓器的絕緣應力以及渦流損耗將因此加重,這對其變壓器的材料、工藝、散熱等技術提出了新的挑戰(zhàn)。文獻[51]則把變壓器分散在各個子模塊中,如圖6(b)所示,每個子模塊采用經(jīng)典的雙有源橋(DAB)變換器,通過移相軟開關實現(xiàn)高效率的DC/DC變換,但該拓撲的主要問題是每個變壓器的絕緣應力都很高,導致磁芯利用率低,絕緣設計困難。綜上,隔離型拓撲的共同特征是采用交流變壓器,功率需要經(jīng)過逆變-整流兩套變流裝置,導致元器件數(shù)目較多、功率損耗較大,因此這類拓撲多適用于電壓變比較大或對電氣絕緣有嚴格要求的場合當中[52]。

2)非隔離型模塊化DC/DC變換器

非隔離型DC/DC變換器的拓撲相對在形式上更為靈活。文獻[53]將圖6(a)中的變壓器省去,得到如圖6(c)所示的非隔離型DC/DC拓撲;文獻[54]則進一步將后一級MMC替換為二極管整流器,構成了成本更低的單向DC/DC拓撲,如圖6(d)所示。但這兩種兩級式的非隔離拓撲仍然需要兩級功率變換。文獻[55]采用高頻注入的方式直接讓MMC輸出直流電壓,拓撲如圖6(e)所示。該拓撲能夠實現(xiàn)功率的單級變換,節(jié)省了所需器件數(shù)量。但注入橋臂中的交流環(huán)流使得器件的電流應力和損耗增大,并且需要在輸出側設置濾波器。文獻[56]提出了自耦型DC/DC拓撲,將兩個MMC的直流側串聯(lián),而交流側通過變壓器連接,實現(xiàn)兩個MMC之間的功率平衡,如圖6(f)所示。該拓撲直流輸出側無交流成分,因此不需要設置笨重的濾波器。文獻[57]巧妙地提出了一種混合型非隔離DC/DC拓撲,如圖6(g)所示。該拓撲通過兩串串聯(lián)的IGBT控制一個子模塊串交替連接至高壓側和低壓側,并控制子模塊串在其中一側充電而在另一側放電,從而實現(xiàn)DC/DC變換。該拓撲具有結構簡單、需要開關器件少、能實現(xiàn)軟開關以及無需交流環(huán)節(jié)的優(yōu)點,但IGBT串聯(lián)技術實現(xiàn)較復雜,且子模塊電容器需要承擔整個換流器的能量脈動,電容器容量體積偏大。

圖6　高壓直流-直流變換器拓撲結構圖Fig.6　Circuit topology of HVDC DC/DC converter

2.4　直流潮流控制器

與交流系統(tǒng)相類似,在含有網(wǎng)孔的直流電網(wǎng)中,也可能出現(xiàn)某些線路負載較重,而其他線路容量利用率不高的情況,因此需要引入額外的直流潮流控制設備,即直流潮流控制器(DC power flow controller,DCPFC)。由于直流系統(tǒng)中不存在交流系統(tǒng)中的電抗、相角以及無功功率等物理量,因此DCPFC只能采用改變線路電阻和改變直流電壓兩種技術路線。改變線路電阻的DCPFC拓撲和控制都非常容易實現(xiàn),但電阻消耗有功功率,產(chǎn)生較大的損耗,需要配置相應的冷卻裝置。而且這類方法只能單向增大線路電阻,靈活性較差。因此改變電阻的DCPFC在實際工程中的可行性較差,大多數(shù)學者主要關注的是改變直流電壓的DCPFC。

改變直流電壓的DCPFC主要有DC/DC變換器、串聯(lián)電壓源和線間DCPFC三種。應用于直流電網(wǎng)的DC/DC變換器已于2.3節(jié)介紹,本節(jié)不再復述。值得關注的是,DC/DC變換器雖然有調節(jié)直流潮流的功能,但其運行時需要承受系統(tǒng)級的電壓和功率,如果只是用來調節(jié)直流潮流,其復雜性和成本開銷工程應用上無法接受。因此DC/DC變換器的主要作用是連接不同電壓等級的直流系統(tǒng),其潮流控制功能只是作為一個附加的功能。直流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時不存在電抗,因此較小的電壓變化就可以引起較大的電流變化。利用這個原理,文獻[58]提出了一種基于晶閘管橋的串聯(lián)電壓源型DCPFC,如附錄A圖A9所示。串聯(lián)電壓源型DCPFC不需要承擔系統(tǒng)級的電壓和功率,因此需要的器件數(shù)量較少,成本和損耗都相對較低。但其需要與交流系統(tǒng)進行能量交換,換流變壓器需要承受直流系統(tǒng)級的電壓偏置,絕緣要求較高,體積較大且成本較高。為了克服串聯(lián)電壓源需要與交流系統(tǒng)進行能量交換的缺陷,有學者提出了線間DCPFC的概念,相當于在兩條線路上各串聯(lián)一個電壓源并且兩個電壓源之間進行能量交換。文獻[59]提出了雙H橋型線間DCPFC,如附錄A圖A10所示。針對雙H橋型線間DCPFC產(chǎn)生直流電流紋波的問題,文獻[60-61]提出了雙電容型線間DCPFC。但雙電容型線間DCPFC不能適用于線路潮流方向相反情況,為了解決這個問題,文獻[62-63]進一步提出了含有耦合電感的雙電容型線間DCPFC。文獻[64]綜合比較了幾類直流潮流控制器的特點,并指出線間直流潮流控制器不論是在輸電還是配電系統(tǒng),也不論系統(tǒng)復雜程度,都比較適用,在未來直流電網(wǎng)中應用前景最好,值得對其進行重點研究并提出新的拓撲結構。

目前在實際工程中,考慮到成本和復雜性原因,具有直流故障阻斷能力的MMC并未得到應用,未來主要研究的方向還是集中在節(jié)約成本和降低損耗方面。而高壓直流斷路器在世界范圍內,僅在中國兩個多端柔直示范工程中投運,成本相對較高且運行經(jīng)驗較少,還需要繼續(xù)不斷研究更優(yōu)秀的拓撲,以及接受實際工程應用的檢驗。高壓DC/DC變換器和直流潮流控制器目前主要停留在學術研究階段,并未在實際工程中得到應用,未來還需進行更多的理論和實驗研究。

3　柔性一次設備在大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電與電力儲能技術中的應用

隨著能源結構轉型的需求越來越迫切,更多的可再生能源開始被人們利用,尤其近十年來風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展達到了驚人的速度。根據(jù)《2017可再生能源全球現(xiàn)狀報告》的統(tǒng)計數(shù)據(jù),風力發(fā)電占可再生能源發(fā)電的比例從2004年的6%增長為2016年的24.1%[65]。2016年全球風電裝機容量增加55 GW,增長了15.6%,發(fā)電量為959.5 TW·h。在2016年,中國的風力發(fā)電量超越了美國,成為風力發(fā)電總量世界第一的國家。2016年,中國風力發(fā)電裝機容量年增長39.4%,發(fā)電量為241.0 TW·h,占全世界風力發(fā)電總量的25.1%[66]。太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展則更為迅速,2004年全球光伏聯(lián)網(wǎng)發(fā)電裝機容量僅占可再生能源發(fā)電的0.3%,到2016年這個數(shù)字已經(jīng)增長到了15%。2016年全世界光伏裝機容量增加了75 GW,大約相當于每小時安裝31 000塊光伏板。2016年全球光伏發(fā)電量為333.1 TW·h,年增長29.6 TW·h,其中中國占全世界光伏發(fā)電總量的19.9%,居世界第一位。由于可再生能源發(fā)電具有的間歇性和隨機性,因此風力發(fā)電和光伏發(fā)電的快速發(fā)展也對電力儲能技術提出了更高的要求。近年來隨著相關學科的不斷發(fā)展,電力儲能技術取得了明顯的成果,越來越多的新興技術不斷涌現(xiàn),更多的儲能裝置被逐漸應用于電力系統(tǒng)中,提高了電力系統(tǒng)的可靠性和靈活性?？稍偕茉窗l(fā)電與電力儲能技術的發(fā)展離不開電力電子技術的支撐,可再生能源發(fā)電與電力儲能技術中的柔性一次設備主要包括風力發(fā)電變流器、太陽能光伏發(fā)電變流器以及電力儲能變流器。

3.1　風力發(fā)電變流器

最早的風力發(fā)電采用的是恒速恒頻發(fā)電機,直接與交流電網(wǎng)相連,不需要通過電力電子變流器。但這種發(fā)電機組可利用風速范圍小、風能轉換效率低且必須要配置無功補償裝置,因此逐漸被變速恒頻發(fā)電機所代替。變速恒頻風力發(fā)電通過電力電子變流器實現(xiàn)柔性并網(wǎng),對于電網(wǎng)更加友好,目前已經(jīng)成為風力發(fā)電并網(wǎng)的主流技術。目前變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要可以分為雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)和直驅同步發(fā)電系統(tǒng)兩類,所采用的變流器有所區(qū)別。

1)雙饋系統(tǒng)變流器

雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)中,風力發(fā)電機的定子側直接與交流電網(wǎng)相連,轉子側通過變流器與電網(wǎng)相連,如圖7(a)所示。轉子側變流器只需要承擔轉差容量即可,約為發(fā)電機容量的三分之一,因此能夠節(jié)約較多成本。目前雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)市場份額最大,主要的變流器拓撲包括兩電平背靠背變流器、三電平背靠背變流器以及矩陣變換器。

兩電平背靠背變流器是雙饋變流器的主流方案,其具有拓撲結構簡單、可靠性高以及技術成熟的優(yōu)點。大多數(shù)功率在2.5 MW以下的雙饋變流器采用這種拓撲。但兩電平拓撲由于電平數(shù)較少,輸出波形諧波含量相對較高。對于電壓更高、容量更大的雙饋發(fā)電系統(tǒng),通常采用二極管鉗位三電平變流器。與兩電平拓撲相比,三電平不僅容量更大,波形質量也更高,因此所需濾波器的成本和體積也更小。除了兩電平和三電平拓撲,矩陣變換器現(xiàn)在也受到較多的關注。矩陣變換器是一種交交變換器,與兩電平和三電平拓撲相比,不需要配置大容量的直流側電容,理論上變換效率更高,變流器功率密度也更高[67]。但矩陣變換器實現(xiàn)低電壓穿越難度較大,要在實際工程中普及還需要進一步研究。

圖7　風力發(fā)電變流器原理圖Fig.7　Schematic diagram of wind power converter

2)直驅系統(tǒng)全功率變流器

當前階段,在風力發(fā)電領域,直驅永磁同步發(fā)電機是唯一能夠和雙饋感應異步發(fā)電機一較高下的機型。與雙饋感應異步發(fā)電機相比,直驅永磁同步發(fā)電機可以省去雙饋風電系統(tǒng)中容易發(fā)生故障的齒輪箱,不但提高了可靠性,還可以節(jié)約一部分成本,而且機械損耗減少還意味著風能轉化效率更高。直驅系統(tǒng)通過圖7(b)中的全功率變流器與電網(wǎng)相連,發(fā)電機和電網(wǎng)完全解耦,大大提升了機組故障穿越的能力。因此在大功率海上風力發(fā)電系統(tǒng)應用中,配有全功率變流器的直驅風力發(fā)電技術方案占據(jù)了重要地位。

隨著全控型器件的不斷發(fā)展,目前基于半控型器件的全功率變流器基本已經(jīng)被淘汰。目前,工程上應用較多的是技術上比較成熟的基于兩電平或三電平背靠背變流器。但隨著電力電子技術的發(fā)展,尤其是模塊化多電平換流器等新技術的不斷進步,越來越多的學者致力于研究其他全功率變流器拓撲,如基于MMC的風電全功率變流器[68-71]、基于級聯(lián)H橋的風電全功率變流器[72]、基于阻抗型變換器的風電全功率變流器[73]以及基于矩陣變換器的風電全功率變流器[74-75]等。

另外,隨著海上風電場規(guī)模的不斷擴大,海上全直流風場技術得到越來越多的關注[76]。由于全直流風場的技術方案省去了傳統(tǒng)交流風場的交流升壓變壓器,轉換效率更高,因此更能發(fā)揮出先進電力電子技術的優(yōu)勢,同時也能更好地與柔性直流輸電相配合,具有更好的發(fā)展?jié)摿?。許多學者圍繞全直流風場中的變流器展開了相關研究[77-79]。

3.2　光伏發(fā)電變流器

大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器按是否有隔離變壓器可以分為隔離型和非隔離型。其中隔離型又可以分為工頻隔離型和高頻隔離型。工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器是目前市場上技術最成熟、應用最廣泛的類型,通常采用兩電平或三電平三相結構,還可以采用多重結構增加容量。由于具有隔離變壓器,工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器具有較高的安全性,并且可以保證逆變器不會向交流電網(wǎng)注入直流分量。但工頻變壓器體積大、成本高,還增加了損耗。高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器將工頻變壓器替換為高頻變壓器,減小了變壓器體積。然而高頻交流電壓不能直接并網(wǎng),還需增加AC/AC環(huán)節(jié),因此需要采用更多的器件,拓撲和控制更加復雜,也降低了可靠性。

由于非隔離型光伏逆變器在提高效率和降低成本方面具有明顯優(yōu)勢,因此近年來受到了較多的關注。但非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器也并非沒有缺點,為了保證逆變器的安全可靠運行,還需解決共模電流抑制、直流分量抑制等問題。常見的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器拓撲包括阻抗型變換器型[80-81]、兩電平型[82]、二極管鉗位多電平型[83-84]、飛跨電容型[85-86]以及MMC型[87-89]等。

3.3　柔性一次設備在電力儲能技術中的應用

近年來,電力儲能技術受到了廣泛的關注,發(fā)展十分迅速。根據(jù)美國能源部全球儲能數(shù)據(jù)庫(DOE global energy storage database)的數(shù)據(jù)顯示,截至2018年2月,全球已投運電力儲能項目共有1 654個,總裝機容量達到193.60 GW。其中包括352個抽水蓄能項目,裝機容量為183.90 GW;222個熱儲能項目,裝機容量為3.68 GW;70個其他機械儲能項目,裝機容量為2.59 GW;994個電化學儲能項目,裝機容量3.37 GW;13個儲氫項目,裝機容量0.02 GW;2個液態(tài)空氣儲能項目,裝機容量5 MW;1個鋰離子電池項目,裝機容量0.02 GW。

目前儲能技術可以根據(jù)其儲存介質,劃分為機械儲能、電氣儲能、電化學儲能、熱儲能以及化學儲能。柔性一次設備在其中則發(fā)揮著不可替代的重要作用。機械儲能的裝機量占比最大,主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。其中光抽水蓄能裝機量就占所有儲能項目裝機量95%以上。機械儲能技術中,柔性一次設備主要是用于驅動大功率電機的高壓變頻器。目前高壓大功率變頻器主要采用多電平技術,常見拓撲包括二極管鉗位型、飛跨電容型、級聯(lián)H橋型以及MMC型等[90-91]。電氣儲能技術主要包括超級電容儲能和超導儲能,它們必須通過相應的變流器得到電壓等級相匹配的直流電壓才能正常工作。同樣,電化學儲能主要是通過各類電池實現(xiàn)電能的儲存,也必須使用直流電。除此之外,化學儲能技術也需要借助電力電子變流器,如氫儲能的原理就是通過變換器將多余的電能轉換為直流電,然后電解水產(chǎn)生氫氣進行能量的存儲。

還有學者提出將儲能技術與FACTS技術相結合,以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)更好的控制效果。最常見的是將儲能設備與STATCOM組合構成附錄A圖A11所示靜止同步發(fā)電機(static synchronous generator,SSG),能夠兼顧儲能和調節(jié)系統(tǒng)電壓與頻率的功能。根據(jù)儲能介質不同,目前SSG還可以進一步劃分為電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system,BESS)和超導儲能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage,SMES)。1987年,世界上第一臺應用于電力系統(tǒng)的商業(yè)化BESS在德國Bewag投運,存儲容量為17 MW/14 MW·h。中國也投運了多個BESS示范工程,如張北風光儲輸示范工程中就配置了14 MW的鋰電池BESS。由于超導技術呈現(xiàn)出優(yōu)秀的前景,尤其是低溫超導技術的快速發(fā)展,SMES技術也一直受到國內外學者的廣泛關注。早在20世紀70年代,美國就開展了SMES的相關研究,并在Tacoma-Washington變電站投運了世界上第一臺在實際電力系統(tǒng)中運行的SMES。中國中科院電工所在1997年研制了中國第一臺25 kJ/5 kW的SMES樣機,并于2007年對1 MJ/0.5 MW的SMES進行了并網(wǎng)試驗運行。

此外,隨著級聯(lián)H橋和MMC等模塊化電力電子技術的不斷發(fā)展,還有學者提出將本身就具備模塊化特性的各種電池配置到子模塊中,起到節(jié)約成本、提高效率以及提升可靠性的作用[68,92]。

柔性一次設備在可再生能源發(fā)電與電力儲能技術中的應用相對較為成熟,目前主要的挑戰(zhàn)是儲能設備的成本較為高昂。未來主要的發(fā)展方向是盡量降低儲能設備的成本,并進一步提高各類變換器的運行性能及經(jīng)濟性。

4　柔性一次設備在主動配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)中的應用

由于風能及太陽能等可再生能源具有明顯的分散性,因此為了更充分利用可再生能源,分布式發(fā)電技術得到了越來越廣泛的應用。主動配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)技術作為消納分布式發(fā)電的主要方式,通過各種柔性一次設備的協(xié)調配合,不但能夠克服可再生能源的波動性和隨機性,更好地消納可再生能源,還能夠更好地滿足用戶對電能質量和供電可靠性的要求。主動配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)中的柔性一次設備主要包括各種接口換流器、固態(tài)開關、電力電子變壓器(power electronic transformer,PET)/電能路由器以及用于配電系統(tǒng)的FACTS設備(distribution FACTS,DFACTS)等。接口換流器主要用于將分布式電源和儲能裝置連接到電網(wǎng),包括各種DC/DC、DC/AC和AC/DC換流器。由于配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中電壓等級較低且容量不大,因此各類接口換流器基本上采用比較典型的拓撲結構。固態(tài)開關主要包括固態(tài)斷路器(solid-state breaker,SSB)和固態(tài)切換開關(solid-state transfer switch,SSTS)兩類。固態(tài)斷路器主要用于切除故障,而固態(tài)切換開關用于當主電源發(fā)生故障時,將重要負荷從主電源供電切換到備用電源供電。目前在配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)應用中,固態(tài)開關多采用全控型電力電子器件來實現(xiàn)。由于接口換流器和固態(tài)開關內容相對較為簡單,因此筆者不對此再做過多介紹,下面將重點針對電力電子變壓器/電能路由器和DFACTS設備進行介紹和評述。

4.1　電力電子變壓器/電能路由器

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的基于電磁感應原理的交流變壓器由于功能單一,難以滿足新一代電網(wǎng)的高可控性和靈活性的需求,而電力電子變壓器的出現(xiàn)能夠很好地解決這一問題,受到了廣泛的關注。電力電子變壓器亦被稱為固態(tài)變壓器(solid-state transformer,SST)或智能變壓器(smart transformer,ST),通過先進電力電子技術,能夠同時實現(xiàn)電壓變換、無功補償、電氣隔離等功能。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和發(fā)展,僅實現(xiàn)電壓變換等功能已經(jīng)不能滿足人們對于電力電子變壓器的要求。在主動配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)應用背景下,單輸入輸出的電力電子變壓器進一步發(fā)展為具備多個交、直流端口的電能路由器,可以根據(jù)需求實現(xiàn)電能路由的功能,更有利于分布式電源與儲能單元等的靈活協(xié)調運行。

電力電子變壓器在結構上根據(jù)變換級數(shù)可以分為單級結構、雙級結構和三級結構[93]。單級結構的電力電子變壓器具有損耗小、體積小以及成本低等優(yōu)點,但由于可控性差而且只有兩個端口,不能作為電能路由器使用。雙級結構的電力電子變壓器比單級結構多了一級變換,結構上變得復雜,但可控性仍然較差。三級結構的電力電子變壓器結構和控制雖然相對復雜,但可控性好且電壓等級和容量容易擴展,同時也更易于各種直流設備的接入,更容易擴展為電能路由器,因此受到最多關注。1999年,美國普渡大學的Scott D. Sudhoff教授提出了一種經(jīng)典的三級結構的電力電子變壓器,如圖8所示[94]。但該拓撲用于高壓場合時,受限于器件耐壓水平,需要依賴器件串聯(lián)技術,工程應用難度較大。為了解決這一問題,Sudhoff教授等人又提出了一種輸入側模塊串聯(lián)的三級結構電力電子變壓器[95]。在這種思想的啟發(fā)下,又陸續(xù)出現(xiàn)了一些基于輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的多模塊組合式拓撲[96-98]。

圖8　經(jīng)典三級結構電力電子變壓器Fig.8　Classical three-stage PET

多電平換流器技術的出現(xiàn)與發(fā)展也為電力電子變壓器技術提供了新的思路和方法?；诙O管鉗位換流器[99]、級聯(lián)H橋換流器[100-101]以及MMC[102-103]的新型電力電子變壓器拓撲近年來層出不窮,但電力電子變壓器距離大規(guī)模推廣和應用還需要更多理論方面的論證和實際工程的檢驗。

4.2　DFACTS設備

FACTS概念的提出者Hingorani博士在1988年又提出了將FACTS技術應用于配電網(wǎng),即DFACTS技術,又稱為定制電力(custom power)技術。DFACTS技術通過各種DFACTS設備,向用戶提供可靠性更高、電能質量更好的電能。常見的DFACTS設備包括配電靜止同步補償器、有源電力濾波器、動態(tài)電壓恢復器、統(tǒng)一電能質量調節(jié)器以及電力彈簧等。

用于配電系統(tǒng)的靜止同步補償器(DSTATCOM)與STATCOM原理上基本相同,只是由于應用在配電系統(tǒng)中,因此容量和電壓等級均相對較小。因此DSTATCOM最常見的拓撲是兩電平VSC拓撲[104-105],但基于級聯(lián)H橋[106]和MMC[107]結構的DSTATCOM在中壓配電系統(tǒng)中也逐漸得到更多的關注。

據(jù)統(tǒng)計,供電系統(tǒng)中短時的電壓暫降和暫升是最為常見的供電問題,因此對于某些相對重要的負荷,可以采用動態(tài)電壓恢復器(dynamic voltage restorer,DVR)來代替昂貴的不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)。DVR是一種串聯(lián)補償設備,因此不需要承受所有的負荷電壓,容量一般不超過負荷容量的三分之一,和UPS相比可以節(jié)約大量成本。典型的DVR拓撲主要由連接變壓器、濾波器、換流器和儲能單元組成,如附錄A圖A12所示。由于應用在配電系統(tǒng)中,換流器主要是兩電平結構[108-109],也有學者提出采用多電平換流器實現(xiàn)DVR[110-111]。此外,還有學者提出了不需要連接變壓器的DVR拓撲,不但節(jié)約了成本,還能降低損耗[112-114]。工程應用方面,美國西屋公司在1996年研制了世界上第一臺DVR,中國的科技工作者也陸續(xù)進行了DVR的相關研究[115]。

隨著科技不斷發(fā)展,越來越多的非線性負荷被大量利用,而非線性負荷會產(chǎn)生諧波,嚴重影響了供電電能質量,解決諧波問題的主要方法就是在諧波源處配置濾波器。傳統(tǒng)方法是通過電容、電感與電阻的組合連接,得到具有一定頻率特性的無源濾波器。但無源濾波器只能消除特定次數(shù)諧波,響應速度慢,而且容易向系統(tǒng)注入多余的無功功率,還有可能引發(fā)諧振?；趽Q流器的有源濾波器(active power filter,APF)能夠良好地解決這些問題。如附錄A圖A13所示,有源濾波器通常是并聯(lián)在電網(wǎng)中,其原理是通過瞬時無功理論檢測諧波電流后,控制換流器對諧波電流進行補償,換流器通常采用兩電平或三電平拓撲[116-118]。

日本東京工業(yè)大學的Hirofumi Akagi教授于1995年最早提出將DVR和APF合為一體的思路,并隨后將其命名為統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(unified power quality conditioner,UPQC)[119],其結構如圖9所示。UPQC能夠解決多種電能質量問題,功能十分強大,而且可以省去DVR原本需要的儲能單元,經(jīng)濟性比單獨安裝DVR和APF好。UPQC通常是兩個VSC背靠背連接的結構[120-122],但也有文獻提出了基于矩陣變換器的UPQC[123]。

圖9　統(tǒng)一電能質量調節(jié)器原理圖Fig.9　Schematic diagram of UPQC

電力彈簧是香港大學許樹源教授于2012年提出的一種新型設備,主要應用在配電系統(tǒng)中的負載側,用來緩解分布式可再生能源發(fā)電的隨機性和波動性[124]。如附錄A圖A14所示,其原理是將受控電壓源串聯(lián)到非關鍵負載上,這樣可以將電壓波動轉移到非關鍵負載上而保證關鍵負載電壓保持穩(wěn)定。電力彈簧本身拓撲結構非常簡單,但難得的是其控制思路顛覆了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)先確定用電負荷量然后再提供相應發(fā)電量的運行模式[125]。由于單個電力彈簧容量較小,因此電力彈簧的思想是采用分布式配置方式,使其廣泛分布在配電系統(tǒng)中,來提高配電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平,這樣可以有效解決可再生能源的隨機性和波動性問題。但具體推廣應用時需要結合實際配電系統(tǒng)的情況進行重新規(guī)劃設計。

目前主動配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)技術還并未大范圍推廣,但隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,未來必然會有更多不同類型以及不同拓撲的柔性一次設備在主動配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中得到應用。

5　柔性一次設備共性關鍵技術

5.1　柔性一次設備的建模與控制技術

為了便于新能源的接入、電網(wǎng)潮流的調控以及電能質量的提高,大量柔性一次設備被接入電網(wǎng)。這些設備控制方式的多樣性和拓撲結構的復雜性使得電網(wǎng)的特征發(fā)生了改變,難以使用傳統(tǒng)方法進行處理。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,需要對含有柔性一次設備的電網(wǎng)進行定量分析,因此,對其建立合適的數(shù)學模型至關重要。

時變性與非線性是電力電子設備模型所具有的共性問題。其中,時變性體現(xiàn)在開關器件的動作隨時間不斷變化,導致模型對應著一個變系數(shù)微分方程組,難以處理。而非線性則體現(xiàn)在電力電子設備進行閉環(huán)控制時,狀態(tài)變量會通過反饋控制器影響微分方程組的系數(shù),使多個狀態(tài)變量相互耦合。此外,當系統(tǒng)中采用非線性的控制策略時也會引入非線性。

盡管時變非線性系統(tǒng)的分析可以直接使用李雅普諾夫第二法構建能量函數(shù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性[126]。但李雅普諾夫能量函數(shù)的建立尚無通用方式,且推導過程較為復雜。因此,目前廣泛采用的方法是先針對系統(tǒng)的時變性進行定?；Ｈ缓笤籴槍ο到y(tǒng)的非線性進行微擾線性化。最后使用較為成熟的線性系統(tǒng)理論加以分析。

對于直接進行DC/DC斬波變換的拓撲,開關頻率遠高于系統(tǒng)帶寬,可以忽略模型中的開關動作,建立設備的平均模型。經(jīng)過平均化處理后,模型成為定常系統(tǒng),其狀態(tài)變量在穩(wěn)態(tài)運行時均為直流量,因此可以在該直流工作點利用微擾線性化方法獲得線性模型[127]。然而對于一般的DC/AC換流器而言,即使忽略開關諧波得到平均模型,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時也仍然存在基頻的時變成分,沒有穩(wěn)定的直流工作點,無法進行微擾線性化。為此,可以對兩電平換流器的平均模型進行dq坐標變換,基頻成分在dq坐標系下轉換為直流量,成為定常系統(tǒng),進而再對該定常模型進行微擾線性化即可[128]。對于內部含有多種穩(wěn)態(tài)諧波的DC/AC拓撲(如：MMC內部含有基頻、二倍、三倍頻等諧波),dq變換只能將基頻成分轉換為直流,無法顧及其他穩(wěn)態(tài)諧波。文獻[128-130]針對該問題,利用傅里葉級數(shù)將系統(tǒng)模型從時域轉化到頻域,各次諧波用幅值和相角表示,不隨時間改變,從而將系統(tǒng)定?；?。其中,文獻[128]研究了閉環(huán)控制下?lián)Q流器內部諧波頻率變化過程,對換流器的頻域模型進行分析。文獻[129]則利用了諧波狀態(tài)空間對模型進行表示,使建模過程更簡潔,具有普適性。文獻[130]則采用傅里葉級數(shù)的另一種形式對系統(tǒng)進行定?；?。三種方法本質上都是對多穩(wěn)態(tài)諧波系統(tǒng)進行頻域定?；幚怼?/p>

柔性一次設備的控制器設計通常以系統(tǒng)的線性模型為基礎。在電力系統(tǒng)中,穩(wěn)定性是控制器設計的關鍵指標。電力系統(tǒng)包含大量設備,采用基于特征值的方法無法對如此高階的系統(tǒng)進行分析[131]。盡管可以通過一些方法對模型降階,但簡化效果十分有限[132]。阻抗分析法是目前對電網(wǎng)穩(wěn)定性判定的有效方法,系統(tǒng)的阻抗模型不僅可以進行理論推導,也能通過實驗進行檢測[133]。文獻[134]通過分析風電場匯集換流站的阻抗模型,以保障系統(tǒng)穩(wěn)定為目標,給出了電壓控制器參數(shù)的設計方案。

不同坐標系下建立的阻抗模型不盡相同,在dq坐標系下建立的dq阻抗模型存在較大的耦合,需要采用廣義奈奎斯特判據(jù)進行穩(wěn)定性分析,計算量較大。利用對稱分量法建立的序阻抗模型,其耦合項比dq阻抗模型小很多,通?？梢院雎栽擇詈?從而采用傳統(tǒng)的奈奎斯特判據(jù)進行分析。然而當考慮到鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)的動態(tài)特性時,系統(tǒng)的耦合項有所增加,忽略耦合項會引入較大的誤差。文獻[135]指出,dq阻抗與序阻抗之間能夠等價轉換,兩者只是同一模型在不同坐標系下的體現(xiàn)。若把阻抗模型轉化到dq極坐標系,則當換流器工作在單位功率因數(shù)時可以實現(xiàn)完全解耦,且解耦效果不受PLL動態(tài)特性的影響[136]。但單位功率因數(shù)的運行條件限制了該模型的使用。

目前對于建模和控制技術的研究缺乏統(tǒng)一性,為保障電網(wǎng)穩(wěn)定性,對柔性一次設備制定相應的阻抗標準或進行阻抗實時補償可能成為未來的趨勢。

5.2　含有大量柔性一次設備的系統(tǒng)仿真技術

隨著越來越多的柔性一次設備在電力系統(tǒng)中被應用,這種含大量電力電子設備的規(guī)模龐大而復雜的系統(tǒng),其關注的時間尺度更小,更重視系統(tǒng)的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。在規(guī)劃、設計、運行等各個階段,必須采用合適的仿真技術對系統(tǒng)的運行狀況及響應進行分析研究[137-138]。

按仿真模型的不同,系統(tǒng)仿真可以分為數(shù)字仿真和物理仿真(即動模仿真)兩類。數(shù)字仿真采用數(shù)學模型來研究系統(tǒng)的物理過程,可實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的計算和仿真,但仿真精度受模型、參數(shù)、算法的影響較大[139]。物理仿真采用真實的電力電子設備等對系統(tǒng)進行模擬,不需要確定具體數(shù)學模型,但是它存在仿真模型規(guī)模有限、復雜程度高、成本高且參數(shù)更改困難等缺點。為此,可以采用將兩者結合的方式,將待研究系統(tǒng)中較為復雜或難以用硬件搭建的部分用數(shù)字仿真器進行模擬,其余部分采用真實電力電子設備構成,形成既有數(shù)字仿真對象又有實際物理設備的所謂“硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop,HIL)仿真系統(tǒng)”[140]。

與傳統(tǒng)的數(shù)字仿真不同,由于HIL仿真中含有真實實物,這就要求仿真具有實時性,即仿真模型的時間標尺和自然時間標尺相同。只有滿足這個條件,數(shù)字仿真對象與物理被試系統(tǒng)中的信號才能實時對應、沒有延遲。當系統(tǒng)中存在部分功率設備時,仿真器與功率設備之間必須通過一定的功率接口連接,而不能直接相連,由此產(chǎn)生了“功率硬件在環(huán)(power hardware-in-the-loop,PHIL)仿真”的概念[141]。

在PHIL仿真系統(tǒng)中,通過設置合適的功率接口算法以及配置大容量的功率變換裝置,可以構成強大的硬件測試平臺,實現(xiàn)對柔性一次設備在電力系統(tǒng)中運行的在環(huán)測試,使得設備在投入現(xiàn)場運行前得到充分的測試。由于功率接口中包含功率放大和轉換裝置,這將會引入時間延遲、帶寬限制和噪聲等問題,可能會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定或嚴重失真。因此對功率接口方法的研究已經(jīng)成為PHIL仿真研究中的關鍵問題,未來需要更高速的通信和更高精度的功率放大技術以保證系統(tǒng)的仿真精度和穩(wěn)定裕度[142]。

5.3　電力電子器件

正所謂“一代器件決定一代電力電子技術”,電力電子器件的研究進程直接影響柔性一次設備的發(fā)展水平。晶閘管的出現(xiàn)標志著電力電子技術正式成為一個新興學科,目前晶閘管技術已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。中國在晶閘管產(chǎn)業(yè)方面也非常成熟,大功率的晶閘管目前主要是應用于無功補償和特高壓直流輸電方面,例如向家壩—上海特高壓直流輸電工程就采用的是中國生產(chǎn)的6英寸8.5 kV晶閘管,電流容量可達4.5 kA。不過在電力系統(tǒng)柔性一次設備方面,大部分采用基于全控型電力電子器件的換流器,因此全控型器件受到了更多關注。

在大功率應用場合下,首先得到廣泛應用的全控型器件是門極可關斷晶閘管(GTO),但隨著絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和集成門極換流晶閘管(IGCT)的快速發(fā)展,GTO已經(jīng)逐漸被取代。目前,硅基IGBT及其模塊的阻斷電壓涵蓋了0.6～6.5 kV,電流容量涵蓋了1～3.6 kA。大功率IGBT按其封裝方式,可以分為焊接型和壓接型兩種。焊接型在技術方面相對成熟,因此整體占據(jù)市場份額較大。與焊接型IGBT相比,壓接型IGBT的優(yōu)勢包括具備失效短路能力、可雙面散熱、結構緊湊、抗沖擊能力強而且適合大容量封裝,因此更加適用于柔性一次設備,尤其是在柔性直流輸電技術方面,應用極為廣泛。壓接型IGBT生產(chǎn)技術難度較大,目前市場上大功率壓接型IGBT基本上被ABB[143]、Westcode[144]和東芝[145]三家公司壟斷。2017年12月,中國的中車時代電氣研發(fā)了世界最大容量壓接型IGBT,阻斷電壓為4.5 kV,電流容量3.6 kA,但距離大規(guī)模生產(chǎn)還需要更多的時間。IGCT是GTO的派生器件,與普通GTO相比具有開關速度快、損耗低、關斷可靠等優(yōu)點。IGCT和IGBT相比,主要優(yōu)勢是阻斷電壓更高且電流容量更大,在大功率場合下具有優(yōu)勢,但存在電流關斷能力弱的缺陷,應用遠不如IGBT廣泛。目前基于硅基的電力電子器件電學性能已經(jīng)快要接近硅材料所能達到的理論極限水平,為了做出進一步的突破,出現(xiàn)了電子注入增強柵晶體管(IEGT)和場控晶閘管(MOS controlled thyristor,MCT)等采用不同器件結構的新型全控型器件。

為了突破硅基器件的極限,除了采用新的器件結構之外,另一個思路就是采用寬禁帶半導體器件。在高壓應用場合,最有希望代替硅基器件的是碳化硅器件[146]。碳化硅器件理論上可以承受數(shù)十千伏的電壓和超過500 ℃的高溫,遠遠超過硅基器件所能承受的數(shù)千伏電壓和150 ℃的高溫。在柔性一次設備中使用容量更高的碳化硅器件,將會明顯提升設備功率密度,減少輔助元件的使用,達到減少損耗和降低成本的目的。目前陸續(xù)有各種類型的碳化硅器件被研發(fā)出來,包括耐壓15 kV的MOSFET、22 kV的發(fā)射極可關斷晶閘管、20 kV的PiN二極管等。商業(yè)化產(chǎn)品方面,目前仍停留在低壓領域,電壓等級為600～1 700 V。由于碳化硅MOSFET通態(tài)電阻會隨著阻斷電壓的上升而迅速增加,因此高壓領域應用中,碳化硅IGBT將會是最有競爭力的全控型碳化硅器件[147]。目前碳化硅領軍廠商美國Cree公司已經(jīng)研發(fā)了耐壓達到27.5 kV的IGBT[148],但碳化硅IGBT大規(guī)模商業(yè)化仍然還需要一段時間,尤其是要克服碳化硅生產(chǎn)成本高和良品率低等問題。

未來的研究熱點是高壓大容量碳化硅器件的研制和批量生產(chǎn),需要通過有效的封裝技術提升電壓等級,并研究合理的芯片并聯(lián)技術來提升器件的電流容量。

5.4　柔性一次設備可靠性問題

隨著柔性一次設備在電力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛,其可靠性問題也越來越受到人們的關注。尤其是在海上風電等某些特殊場合的應用中,柔性一次設備的可靠性問題直接影響系統(tǒng)運維成本。柔性一次設備的運行工況涉及多物理場以及多環(huán)境因素,因此其故障失效通常是由多種誘因耦合導致的。目前對于柔性一次設備可靠性研究的方法主要可以分為基于因果模型和基于數(shù)據(jù)模型兩類方法[149]。

基于因果模型的可靠性研究方法是根據(jù)設備中各個具體元器件失效的物理原理,得到設備故障的本質機理和因果關系。例如在電力電子器件可靠性方面,可通過有限元分析等手段得到各種可靠性分析模型,包括Norris-Landzberg模型、Coffin-Manson模型等。但基于因果模型的方法所針對的工況和因素往往比較單一,對于復雜工況分析,應用難度較大?；跀?shù)據(jù)模型的可靠性研究方法是利用統(tǒng)計學的方法,常見方法包括可靠性框圖模型(reliability block diagram,RBD)[150]、K/N可靠性模型[151]、故障樹模型(faults tree analysis,FTA)[152]和Markov模型[153-154]等。

在提高柔性一次設備可靠性的方法方面,一是可以增大平均無故障時間,二是可以減小平均維修時間。前者可以通過增加冗余、設計容錯策略以及降低損耗或增加散熱來實現(xiàn),后者可以通過狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷來實現(xiàn)。

基于外部參數(shù)的數(shù)據(jù)模型可靠性研究方法是未來的一個研究熱點,尤其是人工智能、數(shù)據(jù)挖掘以及機器學習等技術的快速發(fā)展,為柔性一次設備可靠性建模和提升提供了新的方法。

6　結語

采用電力電子設備提升電力系統(tǒng)的運行性能已成為國內外的發(fā)展趨勢。本文從“柔性一次設備”的角度,介紹了近年來柔性交流輸電、柔性直流輸電、可再生能源發(fā)電與儲能、主動配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)等領域中電力電子設備的研究進展和工程應用。

在柔性交流輸電系統(tǒng)中,柔性一次設備已經(jīng)得到了初步的應用,未來仍要大力發(fā)展基于全控型器件的大容量FACTS設備,以實現(xiàn)大規(guī)模交流電網(wǎng)的綜合優(yōu)化。在柔性直流輸電系統(tǒng)中,換流閥、直流斷路器以及DC/DC變換器等柔性一次設備是直流電網(wǎng)中的關鍵組成部分,但目前世界上并沒有真正意義的直流電網(wǎng)投運,需要不斷研究新設備以及新拓撲,尤其是在工程化方面還有很多工作要做。柔性一次設備在可再生能源發(fā)電與電力儲能技術領域發(fā)展迅速,未來主要研究如何降低相關柔性一次設備成本,以及實現(xiàn)可再生能源高占比電力系統(tǒng)的協(xié)調運行。配電系統(tǒng)是中國與世界發(fā)達國家相比存在較大差距的部分,因此相關新型柔性一次設備的研制及其在主動配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中的應用將是未來研究的重點。相信隨著諸如MMC等新型拓撲結構的發(fā)展,以及建模與控制、仿真、器件和可靠性等關鍵技術的更大突破,柔性一次設備將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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張書鑫(1989—),男,博士研究生,主要研究方向：電力系統(tǒng)柔性一次設備。E-mail： zhang_shu_xin@126.com

李彬彬(1989—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向：柔性直流輸電技術、可再生能源發(fā)電技術、模塊化多電平技術等。E-mail： libinbinhit@126.com