22015大会报告_肖湘宁_新一代电网与电能质量新问题

PPT模板下载：新一代电网中的电能质量新问题中国电源学会电能质量专委会第四届学术年会华北电力大学肖湘宁2015年8月21日济南能源方面：电源呈现多元化新一代电网中电源呈现多元化，清洁能源逐渐替代化石能源新一代电网中能源转换成主导，以电能替代其他能源形式为主流家居/商业工业煤炭天然气石油核能可再生能源交通2.45PWh6.87PWh10.33PWh5.79PWh2.27PWh电能40.7%41.6%29.8%28.6%AdaptedfromU.S.EnergyInformationAdministration/AnnualEnergyReview2009目前已有超过40%的一次能源转换为电能新能源形式：1）规模化可再生能源群；2）大规模分布式可再生发电；规模化可再生能源:■水电资源：可开发的达到5.4亿Kw；■风能资源：10m高度的陆上和海上风电10亿kW；■光能资源：发电量达到20万亿kWh，=我国全年的能源消费总量；（太空太阳能电站）新型高耗能电力负荷（几乎都是直流供电）：1、交通工具：电力驱动—电动舰船、电力机车、电动汽车（单台10kW，2050年约需要新增电池充电容量5亿Kw;）等2、信息系统：超级云计算、大数据中心（谷歌DALLES数据中心约需180万kW电力消耗）；3、照明设备：半导体照明能源方面：新能源替代和电能替代•到2014年底，全国电力装机容量达到13.2300亿千瓦，我国继续保持世界第一电力能源生产大国。其中，•水电装机容量超过3.0亿千瓦，年发电量1万亿千瓦时。•风电并网容量迅速增加到1.15亿千瓦，年发电量1000亿千瓦时。•光伏发电装机容量增加到2805万千瓦，其中分布式为467万千瓦。•运行核电机组22台，共2029万千瓦，在建26台，规模居世界第一。我国电力生产类型正在发生着大变化各电源类型在新增容量中占比情况火电比例：9/13=68%水电比例：3/13=22%风电比例：1/13=7%光电比例：.28/13=2%可再生比例：现有9%，计划20%火电水电风电光伏核电日本欲走在前列，投资方出资210亿美元，准备在在距地35800公里的地球同步轨道上建立一个太阳能电池板总面积达到4平方公里，使用寿命设计为30年，太阳能电池效率实验室中可达45%，巨大的太空太阳能发电站，预计2040年从太空卫星每年向东京传送100万千瓦电力。规模化大电源方面：计划在2030-2040年建造太空太阳能发电站1968年美国科学家PeterGlaser首先提出了建造空间太阳能电站的构想：将无比巨大的太阳能电池阵放置在地球轨道上，组成太阳能发电站，将取之不尽、用之不竭的太阳能转化成数千兆瓦级的电能，然后将电能转化成微波能（或激光能），并利用微波或无线技术传输到地球是一种具有成本效益的发电方式，能够满足全球用电需求。网上报道，中国空间技术研究院专家提出了我国空间太阳能电站四个发展阶段“路线图”。预计建设太阳能电站重量达上万吨，造价达10000亿美元美国政府开始考虑下一个50年的能源挑战，太空基（Space-based）的太阳能发电应该是一个解决方案，国家航天局正在推进该方向的研究。美国拟建直径一公里的太空太阳能发电站。巨型电网方面：美国提出并建设B2B—HVDC实现超级互联2008年，美国风能学会提交了在其国家利用原有的和新建的765KV-AC以及背靠背直流将美国西部、东部和德克萨斯州用背靠背互联起来，建立超级输电网；在德克萨斯州建立3端HVDC直流网；主电网方面：我国继续建设特高压交直流骨干电力能源网络新一代电网：多源多变换的复杂交直流系统正在形成能源类型多换流器数量多换流器形式多变换需求多交流微网、交流纳网、交流皮网和交流发配送独立系统并网运行，孤岛运行能源就地平衡，主动节能直流微网交直流微网交流微网群新一代微电网：交直流微网群架构处于探索发展中城市柔性直流输电微网群解耦连接智慧能量管理控制中心研究之一：未来可再生电力能源输配和管理FREEDM系统构成信息通讯网电力能量网功率变换系统功率变换接口故障隔离器智能管理核心电力能源输配和管理系统构成的三大要素和新型设备1、新能源发电；2、各类负荷；3、电力储能；能源路由器能源网络信息网络能源路由器1、网络互联，信息共享2、数据处理，网络管理3、大数据，云计算4、双向交互，即插即用信息路由器信息流能量流？1、电力互供，能源共享2、高效利用，调配管理3、大数据云计算为支撑4、双向流动，即插即用能源互联网中的电力能源路由器概念与实现实现电力技术和信息技术的结合，加强电网信息化、互动性的“智能电网”是“电力互联网”的雏形。“互联网+智慧电网”=“未来能源互联网”充分发挥互联网在电力能源生产要素配置中的优化和集成作用，将互联网及其理念方法和形式深度融合于智能电网建设中，重点促进以云计算、大数据为代表的新一代信息技术与电力生产分配使用的融合，提升能源经济的创新力和生产力，形成新的能源商业运营模式。增强和促进能源利用的节能增效升级。（互联网+智慧电网）及其电力路由器例如：微网中重要的路由器设备需求——固态变压器又称为电力电子变压器，是电力电子变换技术和高频电磁隔离技术相结合的新型变压器。也称为高频隔离双向变换技术。突出特点：变换电压、传递电能量，兼有限制故障电流、无功补偿和改善电能质量等作用。交直交型电力电子变压器SST是未来发展方向。高频隔离频率选取：几千Hz~20kHz；提高耐压水平的措施是，研发采用击穿电压高的SiC等新材料器件的高频隔离变换器。已经开展的部分研究工作基础问题1：电力电子装置和系统的非线性特性研究电力电子装置的非线性特性装置侧表现系统侧表现大规模、大容量、多电力电子装置接入后，强化了系统非线性特性，原有建模与分析方法的适用性受到质疑；当前功率控制方法基本满足控制需求，但物理解释不明确；描述非线性条件下的广义功率理论尚未统一，电能消耗与计量的物理过程需要重新认识。快速时变结构下的电磁现象与过程分析方法尚待研究；开关快速通断下的功率流数学-物理描述与定义；电力电子能量调制理论体系尚待建立。1.非线性条件下的广义功率理论研究2.高频次谐波和间谐波的发生和传递规律3.装置及系统多时间尺度的统一分析与建模方法4.电力电子能量调制理论研究基础问题2：大功率电力电子在电力传输中的互作用机理传统大规模火电机群基于电力电子变换器并网的规模化新能源含有LCC/VSC-HVDC、TCSC的复杂交直流混合输电系统电源侧新能源渗透率的增加；输电侧电力电子变换器的大量接入，均导致电力系统阻尼的削弱和系统稳定性的下降；提高系统阻尼，增强系统稳定性是接纳大规模可再生能源电力的基本保证；新能源高渗透率下复杂交直流输电系统的阻尼特性研究和稳定性分析是新一代电网的重要基础问题之一频繁超标的低幅次同步振荡，出现于我国呼盟地区次同步控制互作用（SSCI），首次出现于美国；我国新疆、沽源等地区也出现类似现象。数字-物理闭环实时仿真技术基础问题3：多源、多变换系统的可靠性评估大规模新能源的并网推进了电压源型逆变器的单机容量与使用数量电压源型逆变器的广泛使用增加了含新能源电力系统的故障率多源、多变换系统的可靠性取决于系统的结构以及底层的元件及装备，如全控变换器装置；现场经验表明：电力电子变换器是影响多源、多变换系统故障率以及维修成本最关键的装备之一；电压源型逆变器集群系统中的装置与系统可靠性理论和评估方法研究是新一代电网的重要基础问题之一。风机中电力电子容量占有率与作用随风机容量变化的发展各子系统及装备对系统故障率的贡献(a)光伏电站计划外维修事件(b)光伏电站计划外维修成本具备穿越直流故障的新型子模块拓扑结构；实用的直流故障隔离及恢复方法；利用VSC改善电流源换流器换相失败的控制方法基础问题4：高压大容量柔性输电的关键技术研究几个突出问题基础问题5：微网群运行模式及协调控制研究含有新能源接入的微电网是电压源型换流器集群的典型系统，而微网群也是新一代电网的表现形式之一。微网群各子微网可自治运行，也可在某些子微网“危机”时，实现多微网的“拉手”运行。微网群运行模式及协调控制方法尚待研究。（1）微网群孤岛互联方式及运行模式研究（2）微网群孤岛协调控制方法研究（3）微网群并网对电力系统主网影响的研究互联网+微电网：1）互联网理念的渗透与融合；2）信息大数据，云计算应用；3）互联网技术增强了微网群信息关联性，提高了能源利用的效率基础问题6：微网群孤岛运行的系统稳定性分析电参数特点稳定性分析方法传统电力系统（汽轮发电机）电源以同步发电机为主，具有输出阻抗大，机械惯性大等优点，因此具有较大的阻尼能力。1、根据李雅普诺夫第一法建立系统状态空间模型，根据特征根判断系统稳定性；2、根据李雅普诺夫第二法求取系统稳定域。微网群系统（新能源发电）以风电、光伏等新能源为主，其惯性时间常数小，阻尼相对较弱，系统稳定性受控制参数影响较大。1、考虑变流器控制，李雅普诺夫法仍然适用；2、运行模式多变，拓扑结构变化相对频繁，拓扑结构及负荷变动对系统的运行状态有较大影响，存在反复建立系统状态空间模型的问题；3、目前的下垂控制主要模拟发电机静特性，对暂态特性以及阻尼的改善能力有限，并影响系统的频率稳定。开展针对微网群特点的稳定性分析及稳定域判定方法研究开展提高微网群稳定性阻尼电参量的自适应调节技术研究发电形式小结：新一代电网发展的6个显著特点1、可再生能源逐步由替代能源成为主导能源——风能、光能等可再生和清洁能源利用2、集中式垂直一体化电网结构仍在发展——集中式、规模化发电与互联大电网3、分散式合作平面化发展趋势逐渐兴起——新能源与微电网群，即插即用，有序用电4、高技术多样性强非线性负荷比例增加——电能形态变换，工频正弦交流电不是唯一5、高级功率转换系统技术成为关键——功率灵活控制、故障隔离和智能能量管理6、电力传输与信息传递技术相互融合——电能互联网、能量路由器、智能电网的信息安全化等新观念1、关于电能质量的概念定义、涵盖范围和标准指标在不断更新2、强非线性和三相不平衡系统引出的功率理论热烈争论3、电能质量经济性与市场对电力商品配置的指导性作用4、高次谐波和次同步间谐波等非线性影响将散布在整个电网5、新能源发电、未来直流+交流微电网中的电能质量标准6、改善、缓和、抑制和控制电能质量水平的技术蓬勃发展研究电能质量的新问题1.对电能质量的认识在不断深化与进步1970年代，有了若干项对电气量的指标规定。1980年代，有了部分负载设备对质量优劣感受的规定。电能质量扰动扰动敏感度扰动能力抗扰能力免疫力电力系统不干扰或不影响负荷运行的能力—主要涉及公共连接点处的电压质量。负荷不干扰或不降低电力系统运行效率的能力—主要但不局限于负荷的电流（波形）质量。当PCC的供电电力与负载设备之间缺乏兼容性时，可视为存在电能质量问题。%...502.0%,...1%10THDHzfUsrmsITI(CBEMA)CURVETiXNNSARFI停电成本min1iiCSCSAIHC1990年代，电能质量成为供电电能和负载设备之间相互兼容的量度。在（正弦交流系统）电能质量定义上的变化IEEE定义：合格电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该设备正常工作。行业标准定义：关系到供用电设备正常工作（或运行）的电压、电流的各种指标偏离理想值的程度。《电能质量术语》国家标准-2015：电能质量powerquality;qualityofpowersystem电力系统指定点处的电特性，关系到供用电设备正常工作（或运行）的电压、电流的各种指标偏离基准技术参数的程度。基准技术参数一般是指理想供电状态下的指标值，这些参数可能涉及供电与负荷之间的兼容性。（第一次将电磁兼容写入电能质量定义）2013年9月《中国电工技术学报》“电气系统功率理论的发展与面临的挑战”原定2014年《电工技术学报》发表，已成稿“时域功率理论用于APF中的控制目标与补偿特性研究”2、电能质量