电力系统的电力电子化趋势分析与探讨

朱传香

摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，结构合理、安全高效的电力系统是衡量社会和经济发展水平的重要标志。针对大量电能的转换与传输需求，逐步形成了现代电力系统。比如，我国、北美、欧洲等都建立了地理覆盖范围极广、负荷容量极大的跨区域互联电网。然而，随着传统电力系统的发展，逐渐暴露出一些难以克服的困难与障碍。一方面，随着电网的扩展，输电距离不断增加，输电电压等级不断升高，原有的电网发展模式逐渐受到了原理、技术、安全、经济等方面的制约;另一方面，新的发电设备、新的传输技术、新的用电负荷设备不断涌现，与原有电网在功能、接口、服务等方面都存在较大的冲突。未来电力系统的发展迫切需要依托通讯、控制、人工智能等先进技术，而电力电子技术是其中最重要的技术手段之一。

關键词：电力系统;电力电子化;输电;配电;新能源发电

引言

近些年来，电力电子技术迎来了蓬勃的发展。作为一门新兴的电子技术，电力电子技术因其具有对电能进行变换和控制的能力，因而被广泛应用于电力领域，并对电力系统的发展产生了深远的影响。例如，正是由于换流器等电力电子器件的出现使高压直流输电系统的建设成为可能;而无功补偿电子装置电源的出现，则显著的提高了供电系统中电网的功率因数，降低了电能在电网中的损耗。

1电力系统电力电子化的必要性

随着电力系统规模增大、构成趋向复杂，供电量逐年上升，所需要的运行控制手段也更加多变。然而，现有的技术和设备难以完全满足相应需求，使得当前电力系统面临着越来越多的发展瓶颈。a. 电源方面。未来我国新能源发电所占比重越来越大，但与常规火电、水电相比，新能源波动性强、可控性低、功率密度偏低、可预测性有所不足，发出的电以直流形式居多。大量的新能源并网发电，不仅需要电力电子换流器并网，还需要配套储能、有源滤波、功率调节等设备辅助运行。传统同步电机发电技术也可以电力电子化提升，如辅助机械的变频驱动、励磁调节等。b. 电力传输方面。该方面同样面临新的问题，包括：（a）传统的增高电压、增加距离的方式受到了制约;（b）互联系统的安全隐患增加;（c）环境经济等因素的限制，比如输电通道受限;（d）配电网建设扩展困难;（e）负荷中心的供电强度越来越高;（f）新型负荷对电网造成调度压力;（g）可控性更高的新型变压器需求。针对这些问题，出现了以电力电子技术为基础的灵活交流输电技术（FACTS），其他如直流输电、半频输电、电力电子变压器等也依赖于电力电子技术 。

2电力系统的电力电子化趋势分析与探讨

2.1能源安全与政治建设的国家需求

能源安全是与政治安全、经济安全等多方面相关的关键环节之一，而电力系统是能源供给的重要方式。a.保障能源供给的安全需求。近年来，国际局势复杂多变，我国能源储备不足、能源依存度高，影响了我国经济安全和国家的安全形势。我国能源总依存度呈现上升趋势，2017年原油对外依存度达到67.4%，天然气对外依存度达到38.43%。原油和天然气对外依存度不断提高，增大了我国油气安全风险及与相关国家能源合作的难度。为此，我国一方面加强全方位国际合作，一方面推动内部能源革命，构建清洁能源供应体系。提出在2030年之前，实现可再生能源消费比例占总消费量的20%。通过电力电子化电力系统的建设，可实现大规模的能源跨区调配、促进新能源发电开发、推动电动汽车与先进轨道交通发展，从而降低常规油气运输通道风险，提高能源供给的安全性。b.中西部均衡发展的战略需求。我国经济和社会面临东部和西部发展不均的矛盾，而“西电东送”为西部省区把电力资源优势转化为经济优势提供了新的历史机遇，其中电力电子化的远距离输电技术起到了至关重要的作用。截至2018年9月，国家电网在建在运特高压工程达到23项，总长度达到3.3万km。c.“一带一路”建设的政治需求。“一带一路”是我国未来一段时期的重要战略举措，能源合作是“一带一路”战略中的重要内容，而电力建设又是其中的合作重点。中国电力建设集团有限公司获得印尼、巴基斯坦等国多项火力和水力发电站的建设合作项目。在“一带一路”合作项目建设，以及构建“全球能源互联网”的项目中，对发电、输电、配电、供电设备提出了新要求，因而构建电力电子化的电力系统是满足上述需求的必然之路。d.推动制造产业升级的需求。工业制造是国民经济的重要支柱，但中国制造业仍相对缺乏原创与核心技术。在能源、工业、交通、国防、航空航天、信息通信、民用等各领域，高性能的电力电子变流器及其相关控制系统均是必不可少的核心部件。因此，加快电力电子化电力系统的建设可以拉动相应装备制造业的发展，进而对把握制高点、突破技术壁垒、形成集群化的产品竞争优势具有重要的作用。

2.2太阳能发电

太阳能是可再生能源的重要组成部分。技术人员在实际使用太阳能的过程中，会涉及到太阳能光电、光热以及光伏发电技术的。这三种不同形式的新能源技术形式，对于促进我国新能源领域发展具有重要帮助。其中人们生活中经常会用到的“太阳能电池”就是电力电子技术在新能源领域中充分利用的实际结果。人们在生活和工作中更加注重生活质量，为了能够为人们提供更加便利的条件，太阳能热水器、农业大棚的照明、太阳能路灯等新型事物，都是利用太阳能发电这一原理研发而成的。在未来，太阳能发电技术的发展前景非常宽广，会被人们运用到各个领域中。

2.3电力电子技术的进步还极大地推动了高压直流输电技术的发展

与高压交流输电相比，高压直流输电由于不涉及同步问题，在独立电力系统并网时具有显著优势，并且适合远距离和超远距离输电。在直流输电中，最为核心的部分是换流站，换流站负责实现直流输电工程中直流和交流的相互转换。在 HVDC 系统中，电能由三相交流电一端经过换流站进入直流输电线，到达目的地后再经换流站转换为直流。在这个过程中，由电力电子器件换流器组成的换流桥、换流系统，实现了 AC - DC - AC 的功能。近些年来，随着工艺的成熟，大功率电子器件如可关断的晶闸管明显提高了开断的能力，而且通过研发和应用新型大功率电力电子器件，直流输电的性能将进一步得到改善。

2.4在电力系统节能方面的应用

电力电子技术在电力系统节能方面的应用，有提高电能使用率和变负荷电动机调速运行两个方面。电厂产生能源损耗的现象是由于发电机组不能配合能源变化时产生的，通过变负荷电动机对运行转速的调整，能够达到节能的目的。但是该项技术在我国处于研究和摸索阶段，因此也存在一部分缺点：成本高，适用于中大型电厂。而对于其它的一些电厂，可以采用电力电子技术，在配电输送电力系统中增加可控设备，对电能进行实时调控，确保电力的质量和安全。

结语

电力系统中的电力电子化设备占比越来越高，设备与系统以及设备与设备之间的交互作用越来越复杂，对电力系统运行特性的改变也越来越明显。因此需要以新视角、新理论、新方法来解决新问题，以实现电力系统安全、稳定、高效、长期地运行。总体而言，电力系统的电力电子化趋势是比较明确的，但是其具体的发展过程仍有诸多不确定性，建议就电力电子化装备的动态特征及系统动态问题尽早展开相应研究，重点关注电力电子化设备与传统设备在构成与控制方面的差异，以及主要动态过程的解析、本质特征的提取等。本文梳理了电力系统核心装备的发展脉络，指出了电力系统电力电子化发展的必然性，并对电力电子化电力系统的趋势进行了预测。总结了电力电子化的主要内容与关键问题，分析了电力电子化建设面临的难点，希望为后续的研究分析提供有益的借鉴。

参考文献

[1]吴克河，王继业，李为，等.面向能源互联网的新一代电力系统运行模式研究[J].中国电机工程学报，2019，39（4）.

[2]刘振亚，张启平.国家电网发展模式研究[J].中国电机工程学报，2013，33（7）：1-10，25.