电力电子器件

柔性低频交流输电技术是采用可关断电力电子器件和模块化多电平拓扑的新型输电技术。因兼具工频交流输电和柔性直流输电的优点,该技术在远距离输电、海上风电送出及城市电网相关领域得到了广泛关注。在详细介绍柔性低频交流输电的基本工作原理和系统结构的基础上,对其技术特点及相关领域的应用研究现状进行了梳理总结。最后,就柔性低频交流输电需重点研究的系统接入技术、变频器主电路拓扑、控制与保护系统、谐波与电能质量分析、主设备低频适应性等关键技术进行了展望。

柔性直流电网故障电流上升速度快与电力电子器件过流能力弱形成突出矛盾，线路保护需要在数毫秒级完成故障判别，输电线路精确参数的获取对于提升继电保护的性能至关重要。然而直流系统中缺乏稳定基频，导致输电线路相关参数难以获取、保护实现较为困难。针对柔性直流线路频变参数难以获取的问题，提出基于半桥模块化多电平换流器(half bridge modular multilevel converter, HB-MMC)特征信号注入的柔性直流线路频变参数辨识方法。首先通过换流器控制在线路中注入特定频率信号，然后利用快速傅里叶分解提取不同频率的信号并计算指定频率下的线路参数，最后依据不同线路参数的频变特性拟合出对应的幅频特性曲线。仿真表明，所提参数辨识方法可以准确拟合保护所需直流线路频变参数，参数辨识频段内相对误差小于1.5%。

以新能源为主体的新型电力系统中，大量电力电子器件接入系统，导致其暂态行为改变且拓扑结构状态变量阶数变高。针对上述问题，基于下垂控制方法建立了融合储能的光伏发电系统并网逆变器模型，采用奇异摄动降阶理论与变量梯度法构建了其李雅普诺夫函数。然后，将构建的李雅普诺夫函数与等面积法则相结合，分析了储能系统的接入对新能源系统功角稳定的影响，同时验证了储能系统对光伏系统出力支撑以及出力波动的抑制能力。最后，基于Matlab仿真结果对融合储能的新能源系统特性进行了分析和验证。

基于传统Si(碳)材料的制约和宽禁带材料SiC(碳化硅)的大力发展,对电力电子的发展、电力电子器件的结构和封装工艺、电力电子器件的检测技术以及电力电子绝缘材料的研究进行了梳理。主要的检测技术是局部放电和电树枝测量技术,而对于材料介电性能的研究方法包括击穿强度、介电常数、电导率、时域介电弛豫等。对于材料理化性能主要是采用扫描电镜、超声波扫描显微镜、傅里叶红外光谱、热失重、差式扫描热分析等研究手段。

大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展,推动了柔性直流输电工程的建设。基于柔性直流输电系统控制方式和拓扑结构的特殊性,在直流侧发生故障时,其故障电流上升速度极快且破坏性极强。针对柔性直流输电系统的故障类型和保护分区进行讨论,结合现阶段的故障隔离技术,介绍了直流断路器、换流器和交流断路器的应用状况。为快速隔离故障,详细介绍了柔性直流线路保护中的行波保护、微分欠压保护和其他新型保护,并对柔性直流输电技术的发展趋势进行了展望。

无功功率补偿技术随着电力系统的出现而出现，并随着电力工业的发展和电力负荷的多样性而不断进步。电力系统发展到现在已出现三代无功补偿技术；同步发电机补偿、同步调相机补偿、并联电容器补偿、并联电抗器补偿，属于第一代补偿技术；基于自然关断晶闸管技术的SVC（相控电抗器（TCR）、磁控电抗器(MCR)）属于第二代无功补偿技术；基于IGBT、IGCT等大功率可控器件的补偿装置SVG(Static VAR Genarator)属于第三代无功补偿技术，不再采用大容量的电容器、电抗器，而是通过大功率电力电子器件的高频开关（IGBT）实现无功补偿的变换。

架空线柔性直流输电是直流输电技术重要发展方向之一，有效应对直流线路故障是架空柔直的主要挑战。 VSC plusa表明：不同类型的换流器可以串联，串联的各子换流器可以承担不同的功能，按照该思路可以构造出多种新型拓扑。 主动换流器可以极大地降低对直流断路器的需求，实现直流电网故障无闭锁穿越：半桥+全桥型主动换流器拓扑简洁优美，应是未来直流电网的首选换流器。 直流自耦变压器DC Auto功能全面，经济性突出，可以方便地构建出分层、分级的立体式直流电网。 换流器之于直流电网，就如同发电机之于交流电网，充分利用换流器的可控性，是提高直流电网运行特性的关键为了实现直流电网中永久故障的隔离，直流断路器是必须的设备，但通过对换流器的有效控制，可以大大降低对直流断路器的快速性和开断容量的要求各种不同组网方式下，如何快速准确地检测和定位故障，是柔直电网安全运行需要解决的关键问题。 由于直流电网惯性小，响应速度快；同时，交流电力系统应该能够承受N-1乃至N-2故障，因此，通过合适的控制，直流电网的故障应该不会对所连交流电网带来严重的稳定性问题对交流电网来说，整流换流器相当于负荷，逆变换流器相当于发电机，通过适当控制，完全可以实现“完全可控负荷”和“虚拟同步发电机”等功能是将换流器控制成“同步机”，还是充分利用其快速可控性，纳入三道防线，设计新的交直流混合控制，是值得研究的重要课题。 柔直技术的兴起是由于海上风电开发的需要，柔直相比于交流并网和常规直流并网都具有明显的优势随着电力电子器件技术的发展，采用穿越型控制技术的点对点架空柔直（混合直流）具有取代常规直流的潜力交流电网已经发展了100多年仍然有不少未能解决的问题，直流电网的发展还需大量的理论研究和工程实践。

在提出“双碳”目标后，国家针对能源发展和转型进行了规划布局。规划指出新型电力系统是我国实现双碳目标的必然选择，随着大量可再生能源并网、大量电力电子器件接入，给电网稳定性和电能质量带来巨大挑战，而新型储能是战胜这一挑战的关键技术，国家和政府不断出台相关政策，激励新型储能技术创新，推动新型储能行业的发展。

我国已形成远距离大容量跨区输电的超大规模交直流复杂电网，交流、直流强耦合，局部电网故障的影响可在全网范围传导；大量应用的电力电子器件快速暂态过程与大电网动态过程相互交织影响。另一方面，电网形态正发生重大变化，如云南电网通过柔性直流与南网主网背靠背异步运行、广东电网也将通过柔直分成多个独立区域，电网形态的巨大变化使系统稳定呈新特征。只有在电网复杂特性能够准确完整仿真的基础上，才能提出有效应对措施，实现安全经济运行。现有仿真工具已难以实现这一目的，为此，项目组从2006年起历经10年，依托“十一五”国家科技支撑计划“特高压输变电系统开发与示范”等一批科研项目，实现了电磁机电混合实时仿真理论创新与关键技术突破，成功研制了具有自主知识产权的大电网数字物理交互电磁机电混合实时仿真系统SRT，解决了多至25回直流输电、15000交流站、2000发电机超大规模复杂交直流电网的准确仿真与稳控试验难题，成功应用于南方电网生产运行，效益显著。

这里的“柔”，特指英文Flexible——“柔性”，意为灵活的电能变换与控制技术。虽然被叫作“柔”，可在技术层面它却是相当“硬”。它以大功率、高性能的电力电子器件为基础，实现了对电网电压、电流、功率等各类参数的实时调节，具有可控性好、适应性强、响应速度快、智能化程度高等特点。