面向新一代电网需求的电力电子技术与装备

赵争鸣萧艺康 清华大学电机工程与应用电子技术系 主要内容 背景与意义 2 挑战与机遇 3建模与仿真 4应用与示范 5发展与展望 背景与意义 全球范围内的能源与环境的问题引发了新能源的广泛应用，中国计划2030年左右非化石能源（水电风电和光伏）占一次能源消费比重提高到20%左右。 80%的一次能源转化为电能使用，产生新一代电网，包括特高压交直流输电、柔性交直流输电、分布式交直流主动式配电网。大量的电力电子装置设备被应用到电网之中。 背景与意义 统一潮流控制器：UPFC统一电能质量控制器：UPQC静止无功补偿器：STATCOM动态电压恢复器：DVR有源滤波器：APF直流阀：HVDC固态变压器：SST固态断流器：SSBSVG、SSSC、TCSC...电力电子化的电力系统现代电网的支撑技术之一 为什么新一代电网需要用到电力电子技术和装备？电力电子技术和装备带来了哪些特点和变化？ [1]超争略等对电力电子学的再认识历更、现状及激累))电工技术导报,2017,32(12)5-15 背景与意义 新一代电网将发展成为所谓的“能源互联网”：它以互联技术为核心，以配电网为基础，以接入大量的分布式可再生能源为主，通过EMS对分布式能源设备实施广域控制，实现多种能源的互补 新一代电网就是由分布式电源、微网、装置、电力电子变压器、智能终端和EMS组成。其中电力电子变压器（也有人称之为“能源路由器”或“电能路由器”）成为必不可缺的核心装备。 背景与意义 电力电子变压器 常规电力变压器 采用电力电子器件和线路及高额变压器实现的具有但不限于传统变压器功能的电力电子变流装置，具有电压变换、电气隔离和能量传输等基本功能，还可以实现无功补偿、谐波治理电网互联、新能源并网等诸多功能。 由铜铁构成，在现代电力系统中扮演着非常关键的角色，能够实现交流电压等级变换、电气隔离和能量传递，被广泛用于交流输电系统和配电系统中，是电力系统中应用数量最多的输变电设备之一。 背景与意义 电力电子变压器特征 从电力系统看：面向主动配电网及智能用电终端的电力管理调节器： 能够为分布式可再生能源发电和储能提供即插即用的交/直流接口》能够实现电压变换、电压隔离、提升电能质量、能量双向流动的综合调节能力能够根据故障情况或系统需要，自主地与主网分离，提高电网的自愈性 >从互联网系统的角度来看：物理系统与信息系统深度融合的网络节点装置； >从电力电子的角度来看：多端口、多级联、多流向和多形态的电力电子变换器。 以电力电子变压器为节点的新型温合配电网模型1 1争码等电 背景与意义 ·电力电子变压器的电气结构发展[1]—多端口、多级联、多路由、多形态 机遇与挑战 系统结构与电力电子变压器组合关系（1） 电力系统网络结构的顶层研究→系统网络结构与互联规律： 多端输配电系统源-网-荷等值建模理论和方法→多电力电子变压器相互作用机理与系统间的相互影响规律。 (原: The Economist; ABB) 新一代电网多端案性直流输电系统一变换器组合电力电子变压器 二、机遇与挑战 电力电子变压器模块组合关系（2） 多模块化变流器拓扑结构一适用于电磁瞬态分析的换流拓扑回路模型一不同时间常数的换流拓扑回路中电磁能量变换特征； MMC拓扑存在许多缺陷：功率器件数目多，调制和控制复杂，分布式储能电容电压均衡成为难点，各桥臂之间的环流等，需要研究新的拓扑结构。 二、机遇与挑战 半导体功率器件特性及其组合特性关系（3） 功率半导体器件向两个方向发展：一是提高单个器件的功率和耐压等级：二是采用小功率器件进行组合而达到大容量应用的目的； 器件发展目标与装置发展目标并不完全一致，器件追求高压和高频：装置和系统追求高电能质量和高可靠性。 二、机遇与挑战 电力电子变压器系统建模仿真（4） 电力电子变压器由众多子模块组成结构复杂、控制精度高，对仿真精度、仿真规模和运算速度都提出了很高的要求； 多时间尺度的电磁瞬态过程系统仿真算法的研究，在同步性、界面滑连接以及计算速度等方面需要深入研究，特别在仿真耗时和收敛性方面的问题急迫解决， 机遇与挑战 故障保护与半导体开关器件及装置特性（5） 直流电流没有自然过零点，常规直流断路器开断时引起的直流电弧不易熄灭。直流系统阻抗小，其短路电流增长极快； 高压直流断路器的隔离和快速恢复不仅要考虑高压直流断路器本身的特性，还需要考虑电力电子变压器的特性。 机遇与挑战 电力电子变压器集群系统建模与协 调控制(6) 多电力电子变压器集群系统建模→柔性交直流输配电系统中多电力电子变压器集群综合控制策略。 针对多电力电子变压器集群系统进行分层（功率模块、变换单元、电力电子变压器组合及系统），协调控制成为急迫解决的问题：如何组网，如何仿真分析。如何控制。 三、建模与仿真 综合来看，电力电子变压器的设计与运行给建模仿真带来重大挑战 常规仿真技术及软件仿真耗时长开关物理模型仿真难收敛 结构复杂，功能丰富，控制多样对仿真建模要求高 功能设计(电网兼容性需考虑的问题） 只能理想开关，不能认知瞬态行为和故障 三、建模与仿真 +传统仿真方法： >两个问题：1）计算时间太长；2）参数矩阵刚性，结果不收敛 ★离散状态事件驱动（DSED）仿真机制 >事件驱动仿真机制：通过离散的事件划分仿真进程，仿真时钟由事件驱动。 灵活自适应算法：通过自适应调整步长减少计算点数、提升仿真速度，计算量相比经典Ode45算法大幅降低。事 三、建模与仿真 ◆DSED中采用的开关器件瞬态建模方法（PAT模型） 》建模目标：反映器件瞬态中重要的开关特性：能力、损耗、时延、频率 建模方法：通过瞬态过程的时间分段实现机理解耦与参数解独 >参数获取：所有参数可完全从Datasheet直接获取 >基于上述思想，提出功率开关器件换流单元的瞬态分段分析（PAT）模型 三、建模与仿真 +算例1：50kVA固态变压器 算例规模，与其他仿真款件的对比及仿真耗时对比 三、建模与仿真 ◆5OkVA固态变压器（SST），有效认知微-纳秒级开关瞬态过程 精准分析瞬态边界 实现装置尽限设计 降低成本、提升可靠性 三、建模与仿真 ?基于离散状态事件驱动（DSED）建模仿真方法，研制了通用电力电子仿真软件DSIM已发布7个版本更新，大规模系统仿真速度明显提升，支持开关瞬态模型且收敛性增强 2025a软件版本亮点 支持MATLAB的DSIM应用程序编程接口（API）：支持C/C++的DSIM应用程序编程接口（API）与Simulink联合仿真的速度与灵活性增强；波形显示和数据后处理更稳定易用：软件用户体验持续提升； 三、建模与仿真 +DSIM软件模型库、仿真案例与软件功能不断丰富 C模快&动态障接库 损耗计期&电热属合 益手开关器件物理模型可以准确开展整个变换系统的伤真，计算开关和导送损耗，并班建势路模型评 可以安海电路城投制医路重设领事扫质分析功略的缓事确应，从西优化设计并确保稳定性， DSIM API (MATLAB) DSIM API (C/C++) 爱口团致通盟了电路图修可供MATLAB调用的AP改，伤真控制数费后处快速上手并且高效利用伤理等各个环节，用户腔够真过理中的各格功能, www.dsimtechnology.com 三、建模与仿真 +全球用户使用DSIM开展仿真，发表的学术论文20余篇 三、建模与仿真 +面向高等院校的教学和科研支持计划，免费使用最新版本DSIM软件 电动电子拍教新型电热拍热RIRHPS DSIM 三、建模与仿真 +DSIM对SST仿真的支持能力 交直流混合的分布式可再生能源关键技术、核心装备和工程示范研究 2MW/10KVAC/10kVDC/+-375VDC/380VAC多功能电力电子变压器 50kVA/380VAC/400VDC/220VAC多功能电力电子变压器 承担国家重点研发计划 多端口、多级联、多流向、多形态电力电子变压器(MW/10kVAC/10kVDC/380VAC/+-375VDC) 研发具有多端口、多级联、多流向、多形态特点的多功能电力电子变压器，其中任意端口之间具备电气隔离特性，显著提升整机系统效率、可靠性及灵活组网能力 →电力电子变压器的4个端口可以独立运行，也可联合运行 →任意端口之间电气隔离，各端口接地方式互不干扰 →任意端口故障，其他端口仍然可正常运行 +显著提升整机系统效率、可靠性及灵活组网能力 具备集群运行能力：分布、共享、互补、优化 四、应用与示范 电力电子变压器具备多端口、多级联、多流向、多形态四大特点，显著提升了整机系统效率及灵活组网能力 多级联 多形态 电力电子变压器内部采用DAB（双向有源桥）级联型模块化结构 具备电能质量控制功能，便于实现灵活组网 多端口 多流向 具备10kV交流、380V交流、10kV直流、、±375V直流四种电能端口 每个端口之间都有能量通路，任意两端口可以能量流通，实现电能灵活路由 四、应用与示范 多端口、多级联、多流向、多形态电力电子变压器(3台1MW，总容量3MW/10kVAC/10kVDC/380VAC/+-375VDC) 五、发展与展望 能源互联网&多功能电力电子变压器一一未来发展和应用 可再生能源电网 主电路是复杂的SST，高/低压交直流端口，功能上实现发、输和用电的完全解耦。 能量控制中心 将电网有层次的链接起来，作为能量流的“路由”为负载和分布式能源提供接口。 能源计算机： 能量路由器处于核心地位，具有交直流端口，将各种负载和分布式能源连接起来。 五、发展与展望 ■技术层面： 面向电力电子装置与系统，将传统的“理想开关、集中参数和信号PWM调制电力电子技术变革为基于“非理想开关特性、杂散参数设计和电磁能量脉冲控制的新一代电力电子技术。 ■应用层面： 发展高效建模仿真方法及工业软件，研制面向现代电网的新一代电力电子装置和系统（电力电子变压器），提升电力电子变换能力，提高系统可靠性，为分布式发电与微电网一一新一代电网的发展提供更好的技术支撑！ “面向新一代电网需求的电力电子技术与装备” 谢谢！