電力系統(tǒng)的電力電子化趨勢(shì)分析與探討

朱傳香

摘要：目前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，結(jié)構(gòu)合理、安全高效的電力系統(tǒng)是衡量社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。針對(duì)大量電能的轉(zhuǎn)換與傳輸需求，逐步形成了現(xiàn)代電力系統(tǒng)。比如，我國(guó)、北美、歐洲等都建立了地理覆蓋范圍極廣、負(fù)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(kuò)展，輸電距離不斷增加，輸電電壓等級(jí)不斷升高，原有的電網(wǎng)發(fā)展模式逐漸受到了原理、技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)等方面的制約;另一方面，新的發(fā)電設(shè)備、新的傳輸技術(shù)、新的用電負(fù)荷設(shè)備不斷涌現(xiàn)，與原有電網(wǎng)在功能、接口、服務(wù)等方面都存在較大的沖突。未來(lái)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(jìn)技術(shù)，而電力電子技術(shù)是其中最重要的技術(shù)手段之一。

關(guān)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(lái)，電力電子技術(shù)迎來(lái)了蓬勃的發(fā)展。作為一門(mén)新興的電子技術(shù)，電力電子技術(shù)因其具有對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的能力，因而被廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域，并對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(shè)成為可能;而無(wú)功補(bǔ)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(gòu)成趨向復(fù)雜，供電量逐年上升，所需要的運(yùn)行控制手段也更加多變。然而，現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備難以完全滿足相應(yīng)需求，使得當(dāng)前電力系統(tǒng)面臨著越來(lái)越多的發(fā)展瓶頸。a. 電源方面。未來(lái)我國(guó)新能源發(fā)電所占比重越來(lái)越大，但與常規(guī)火電、水電相比，新能源波動(dòng)性強(qiáng)、可控性低、功率密度偏低、可預(yù)測(cè)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(chǔ)能、有源濾波、功率調(diào)節(jié)等設(shè)備輔助運(yùn)行。傳統(tǒng)同步電機(jī)發(fā)電技術(shù)也可以電力電子化提升，如輔助機(jī)械的變頻驅(qū)動(dòng)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)等。b. 電力傳輸方面。該方面同樣面臨新的問(wèn)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(jì)等因素的限制，比如輸電通道受限;（d）配電網(wǎng)建設(shè)擴(kuò)展困難;（e）負(fù)荷中心的供電強(qiáng)度越來(lái)越高;（f）新型負(fù)荷對(duì)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(duì)這些問(wèn)題，出現(xiàn)了以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的靈活交流輸電技術(shù)（FACTS），其他如直流輸電、半頻輸電、電力電子變壓器等也依賴(lài)于電力電子技術(shù) 。

2電力系統(tǒng)的電力電子化趨勢(shì)分析與探討

2.1能源安全與政治建設(shè)的國(guó)家需求

能源安全是與政治安全、經(jīng)濟(jì)安全等多方面相關(guān)的關(guān)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(lái)，國(guó)際局勢(shì)復(fù)雜多變，我國(guó)能源儲(chǔ)備不足、能源依存度高，影響了我國(guó)經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)家的安全形勢(shì)。我國(guó)能源總依存度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2017年原油對(duì)外依存度達(dá)到67.4%，天然氣對(duì)外依存度達(dá)到38.43%。原油和天然氣對(duì)外依存度不斷提高，增大了我國(guó)油氣安全風(fēng)險(xiǎn)及與相關(guān)國(guó)家能源合作的難度。為此，我國(guó)一方面加強(qiáng)全方位國(guó)際合作，一方面推動(dòng)內(nèi)部能源革命，構(gòu)建清潔能源供應(yīng)體系。提出在2030年之前，實(shí)現(xiàn)可再生能源消費(fèi)比例占總消費(fèi)量的20%。通過(guò)電力電子化電力系統(tǒng)的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的能源跨區(qū)調(diào)配、促進(jìn)新能源發(fā)電開(kāi)發(fā)、推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)與先進(jìn)軌道交通發(fā)展，從而降低常規(guī)油氣運(yùn)輸通道風(fēng)險(xiǎn)，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(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)提供了新的歷史機(jī)遇，其中電力電子化的遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。截至2018年9月，國(guó)家電網(wǎng)在建在運(yùn)特高壓工程達(dá)到23項(xiàng)，總長(zhǎng)度達(dá)到3.3萬(wàn)km。c.“一帶一路”建設(shè)的政治需求。“一帶一路”是我國(guó)未來(lái)一段時(shí)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(shè)又是其中的合作重點(diǎn)。中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司獲得印尼、巴基斯坦等國(guó)多項(xiàng)火力和水力發(fā)電站的建設(shè)合作項(xiàng)目。在“一帶一路”合作項(xiàng)目建設(shè)，以及構(gòu)建“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”的項(xiàng)目中，對(duì)發(fā)電、輸電、配電、供電設(shè)備提出了新要求，因而構(gòu)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(dòng)制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的需求。工業(yè)制造是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，但中國(guó)制造業(yè)仍相對(duì)缺乏原創(chuàng)與核心技術(shù)。在能源、工業(yè)、交通、國(guó)防、航空航天、信息通信、民用等各領(lǐng)域，高性能的電力電子變流器及其相關(guān)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(shè)可以拉動(dòng)相應(yīng)裝備制造業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而對(duì)把握制高點(diǎn)、突破技術(shù)壁壘、形成集群化的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)具有重要的作用。

2.2太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能是可再生能源的重要組成部分。技術(shù)人員在實(shí)際使用太陽(yáng)能的過(guò)程中，會(huì)涉及到太陽(yáng)能光電、光熱以及光伏發(fā)電技術(shù)的。這三種不同形式的新能源技術(shù)形式，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)新能源領(lǐng)域發(fā)展具有重要幫助。其中人們生活中經(jīng)常會(huì)用到的“太陽(yáng)能電池”就是電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域中充分利用的實(shí)際結(jié)果。人們?cè)谏詈凸ぷ髦懈幼⒅厣钯|(zhì)量，為了能夠?yàn)槿藗兲峁└颖憷臈l件，太陽(yáng)能熱水器、農(nóng)業(yè)大棚的照明、太陽(yáng)能路燈等新型事物，都是利用太陽(yáng)能發(fā)電這一原理研發(fā)而成的。在未來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景非常寬廣，會(huì)被人們運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域中。

2.3電力電子技術(shù)的進(jìn)步還極大地推動(dòng)了高壓直流輸電技術(shù)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(wèn)題，在獨(dú)立電力系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，并且適合遠(yuǎn)距離和超遠(yuǎn)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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)直流輸電工程中直流和交流的相互轉(zhuǎn)換。在 HVDC 系統(tǒng)中，電能由三相交流電一端經(jīng)過(guò)換流站進(jìn)入直流輸電線，到達(dá)目的地后再經(jīng)換流站轉(zhuǎn)換為直流。在這個(gè)過(guò)程中，由電力電子器件換流器組成的換流橋、換流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 AC - DC - AC 的功能。近些年來(lái)，隨著工藝的成熟，大功率電子器件如可關(guān)斷的晶閘管明顯提高了開(kāi)斷的能力，而且通過(guò)研發(fā)和應(yīng)用新型大功率電力電子器件，直流輸電的性能將進(jìn)一步得到改善。

2.4在電力系統(tǒng)節(jié)能方面的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)節(jié)能方面的應(yīng)用，有提高電能使用率和變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行兩個(gè)方面。電廠產(chǎn)生能源損耗的現(xiàn)象是由于發(fā)電機(jī)組不能配合能源變化時(shí)產(chǎn)生的，通過(guò)變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)對(duì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整，能夠達(dá)到節(jié)能的目的。但是該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)處于研究和摸索階段，因此也存在一部分缺點(diǎn)：成本高，適用于中大型電廠。而對(duì)于其它的一些電廠，可以采用電力電子技術(shù)，在配電輸送電力系統(tǒng)中增加可控設(shè)備，對(duì)電能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，確保電力的質(zhì)量和安全。

結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)中的電力電子化設(shè)備占比越來(lái)越高，設(shè)備與系統(tǒng)以及設(shè)備與設(shè)備之間的交互作用越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行特性的改變也越來(lái)越明顯。因此需要以新視角、新理論、新方法來(lái)解決新問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效、長(zhǎng)期地運(yùn)行。總體而言，電力系統(tǒng)的電力電子化趨勢(shì)是比較明確的，但是其具體的發(fā)展過(guò)程仍有諸多不確定性，建議就電力電子化裝備的動(dòng)態(tài)特征及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)問(wèn)題盡早展開(kāi)相應(yīng)研究，重點(diǎn)關(guān)注電力電子化設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備在構(gòu)成與控制方面的差異，以及主要?jiǎng)討B(tài)過(guò)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(luò)，指出了電力系統(tǒng)電力電子化發(fā)展的必然性，并對(duì)電力電子化電力系統(tǒng)的趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)?？偨Y(jié)了電力電子化的主要內(nèi)容與關(guān)鍵問(wèn)題，分析了電力電子化建設(shè)面臨的難點(diǎn)，希望為后續(xù)的研究分析提供有益的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]吳克河，王繼業(yè)，李為，等.面向能源互聯(lián)網(wǎng)的新一代電力系統(tǒng)運(yùn)行模式研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39（4）.

[2]劉振亞，張啟平.國(guó)家電網(wǎng)發(fā)展模式研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（7）：1-10，25.