电力系统的电力电子化趋势分析与探讨
摘要：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。

关键词：电力系统；电力电子化；趋势
引言
在电力传输分配方面，电力电子化设备可保障电力传输安全可靠性并提高传输效率；在
电力消费方面，电力电子化设备可满足用户日益多样的个性化需求并保证高标准的电能质量。

由于技术和成本问题基本解决，电力电子技术已在电力消费方面得到了广泛应用。

有统计表明，我国实际照明负荷中包含了大量的电力电子元器件；交通/工业传动领域普遍采用变频调速技术；随着社会经济水平的提高，采用开关电源的各种电子电器设备比重持续提高；等等。

在电力生产和电力传输分配方面，电力电子技术也得到了大量工程应用。

比如，常规发电机
组的静止励磁装置、超高压/特高压直流输电、可控串联补偿、电力有源滤波器等。

当前，传统发电、输配电领域的制约因素不断增强，而电力电子自身在技术、成本等方面高速发展，
在这些综合因素的推动下，电力电子技术必然在整个电力系统中得到更广泛的应用。

虽然电
力系统的电力电子化已成为一种趋势，但是很多机理问题和关键技术仍亟待研究。

比如，由
于电力电子设备的耐受性较差，外部故障期间出于自我保护的目的常采用脱网策略，给传统
继电保护的故障定位和切除造成了障碍。

1电力系统电力电子化的必要性
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。

c．用电方面。

未来用户对电力的使用，在可靠性、便利性、效能等方面提出更高的要求，与电网的交互方式逐渐变多，比如，用户侧小型分布
式发电设备的并网与存储、微电网、电动汽车充电系统等。

另一方面，电力电子化用电设备
会向电网注入高次谐波。

用户接口处将出现越来越多的辅助和控制性电力电子设备。

面对这
些新出现的问题与瓶颈，有必要采用以电力电子为基础的综合技术加以解决，以适应电力系
统源-网-荷设备快速更新变化的需求。

2电力电子化电力系统暂态稳定
可再生能源大都以电力电子装置为接口接入电力系统，因此，随着可再生能源的不断发展，电力系统电力电子化的趋势越来越明显。

相比于以同步机为主导的传统电力系统，电力
电子化电力系统的主要特征已经发生深刻的改变，其中最主要的差异在于电力电子化电力系
统（PEPS）的惯性较低。

这使得系统遭受扰动后，系统的状态变量极易发生较大范围的变化，严重的威胁到了系统稳定性，尤其是暂态稳定性。

对于电力电子化电力系统（包含微电网、
直流配电网、风电场等）的稳定性研究，现有文献主要集中在其小信号稳定性分析上，并取
得了一系列丰富的研究成果，如宽频带振荡、谐振稳定性等。

小信号稳定性分析方法是将原
非线性系统在平衡点处线性化，然后采用成熟的时域或频域线性系统理论对其进行研究。

然而，小信号稳定性分析方法并不能提供吸引域等信息，因此，无法确切地获得能使系统致稳/失稳或者能使小信号稳定性分析结论成立的扰动变化范围，这极大地限制了小信号稳定性分
析结论的指导意义。

特别是对于电力电子化电力系统而言，其系统惯性低，系统状态变量受
扰后极易出现大范围的变化，使得基于小信号稳定性分析结论的适用性受到了极大地怀疑。

相对而言，暂态稳定性分析（或大信号稳定性分析）则无需小信号近似，直接针对原非线性
微分方程来处理系统受扰后的轨迹是否收敛问题，因此，暂态稳定性分析可以评估系统吸引域，进而能确切的获取使系统致稳/失稳的扰动变化范围。

但是，暂态稳定性分析需要处理非线性微分方程组，其难度较处理线性微分方程组而言要大许多。

受限于非线性控制理论的发展，现有的电力系统暂态稳定性分析主要基于Lyapunov方法。

Lyapunov方法的核心在于选
取合适的Lyapunov函数，然后基于该函数评估系统的吸引域等。

但Lyapunov方法所获得的
稳定性结论通常较保守，而且如何选取Lyapunov函数并没有统一的理论指导，导致相应的结论会因Lyapunov函数选取的不同而有较大差异。

为降低保守性，相关学者提出了诸如T-S多
模型法、混合势能函数法、遗传算法等来选择最优Lyapunov函数。

同时，进一步结合电力系统的特征，发展出了能量函数法、势能界面法（PEBS）、基于稳定域边界的主导不稳定平衡
点法（BCU）等经典的电力系统暂态稳定性分析方法。

然而，随着系统维数的增加，这些方
法的复杂度和计算量会显著提高，因此其效率和有效性会大大降低。

对于电力电子化电力系
统而言，其非线性和高维特征更加突出，其暂态稳定性分析会更具挑战，所以迄今为止仍然
没有形成有效的分析方法和框架。

3电力电子化背景下交流电网保护配置
随着新能源大规模并网、直流工程的不断投运，大量电力电子器件得到使用，电力系统
电力电子化特征愈加明显，电力系统故障特性更加复杂，交流继电保护面临严峻挑战。

直流
输电、新能源并网都需要大量的电力电子器件实现交直流变换与系统控制，从而使得电力系
统呈现出电力电子化特征。

电力电子器件的使用使得交直流故障深度耦合，精确分析交流故
障期间电力电子侧提供的短路电流变的极为困难。

考虑到继电保护更加关注不同场景下故障
特征的差异，为此本节主要基于仿真手段研究不同场景下暂态电流波形特征，进而对波形特
征的差异进行辨识，构建新型保护配置方案。

结语
总而言之，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。

参考文献：
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