2019年6月南美的大停電讓近5000萬(wàn)人經(jīng)歷了“至暗周末”；2019年8月英國(guó)英格蘭、威爾士等地的大停電，給近100萬(wàn)家庭和企業(yè)造成影響；2021年2月中美國(guó)德克薩斯州的大停電事故造成共計(jì)450萬(wàn)戶(hù)家庭和企業(yè)停電。這些事故清楚地表明了電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要性。

近日發(fā)布的《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》明確提到，到2030年，我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上。與此同時(shí)，應(yīng)國(guó)家大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的需求，接入電網(wǎng)的充電樁也在以每月10余萬(wàn)臺(tái)的數(shù)量快速增加。風(fēng)電、太陽(yáng)能和充電樁的并網(wǎng)都是通過(guò)電力電子變換器實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)年內(nèi)，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高度電力電子化。電力電子化電力系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是從硬件和控制層面解決并網(wǎng)型電力電子變換器可靠穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。另一方面，我國(guó)的用電大戶(hù)主要分布在東南沿海，而清潔能源如風(fēng)電、光伏和水電主要分布在西北、西南一帶。過(guò)去采用的西電東送的方式需要架設(shè)成本高昂的高壓輸電網(wǎng)。

隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的降低，未來(lái)將逐步做到新能源發(fā)電的本地消解。未來(lái)的電網(wǎng)將由包含清潔能源發(fā)電、儲(chǔ)能、用電負(fù)載的配電網(wǎng)和主干電網(wǎng)組成。配電網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)高度自給，減少對(duì)主干電網(wǎng)的依賴(lài)。為達(dá)到這一目的，基于智能控制的配電網(wǎng)中變換器間互操作將極為必要。

(圖1)高度自給的、可靠穩(wěn)定運(yùn)行的智能配電網(wǎng)示意圖

綜上，高度自給的、可靠穩(wěn)定運(yùn)行的智能配電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，(如圖1)將基于以下關(guān)鍵技術(shù)：

變換器可靠性以及本地控制

高度自主的配電網(wǎng)將包括風(fēng)電變換器、光伏逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電樁和儲(chǔ)能系統(tǒng)變換器。此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)交-直混合配電網(wǎng)的保護(hù)，還將包括固態(tài)斷路器；雙極型直流配電網(wǎng)需要正負(fù)極負(fù)載平衡變換器；多端口直流配電網(wǎng)需要潮流控制器實(shí)現(xiàn)負(fù)載優(yōu)化分配。與消費(fèi)電子中追求變換器(如電腦適配器、手機(jī)充電器)的功率密度、輕視其可靠性(1-2年)不同，配電網(wǎng)變換器的失效將帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失，因此要求有較高可靠性(如光伏逆變器20年設(shè)計(jì)壽命)，但對(duì)功率密度要求并不高。

電力電子變換器的可靠性主要包括開(kāi)關(guān)器件的可靠性(對(duì)溫度波動(dòng)敏感)、電容可靠性(電解電容壽命遠(yuǎn)低于薄膜電容壽命)以及元件失效后的故障容錯(cuò)控制(如降功率運(yùn)行)。搭載數(shù)字處理器的電力電子變換器將易于實(shí)現(xiàn)多功能控制，其中包括：1、功率控制——電網(wǎng)電壓正常時(shí)的有功控制和電網(wǎng)電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)的無(wú)功功率控制；2、電能質(zhì)量控制——主要指并網(wǎng)電流的諧波消除及變換器本身的控制穩(wěn)定性；3、輸出阻抗塑形——高度依賴(lài)新能源供電的配電網(wǎng)具有短路容量低、電網(wǎng)阻抗相對(duì)較大的特點(diǎn)，并網(wǎng)變換器與電網(wǎng)阻抗不匹配時(shí)會(huì)出現(xiàn)諧振，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)的問(wèn)題，對(duì)并網(wǎng)變換器的輸出阻抗塑形，使其與電網(wǎng)阻抗相匹配可有效避免諧振，提高電能質(zhì)量。

人工智能模型

配電網(wǎng)因包括數(shù)量眾多的變換器，而成為一個(gè)高階強(qiáng)非線性系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，需要對(duì)其中各個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行觀測(cè)。而配電網(wǎng)往往跨較大的空間尺度，通過(guò)多傳感器測(cè)量，然后數(shù)據(jù)通信的形式建立可觀性，存在大延時(shí)、高成本的問(wèn)題。相比而言，更可行的方法是在中央控制器中建立配電網(wǎng)的狀態(tài)觀測(cè)器(電路動(dòng)態(tài)等效模型)，在此基礎(chǔ)上用測(cè)量的狀態(tài)對(duì)觀測(cè)器進(jìn)行校正，以保證觀測(cè)器的精確度。

主流的解析模型基于對(duì)象物理動(dòng)態(tài)特性的描述，在低階的傳統(tǒng)配電網(wǎng)中使用尚可。但隨著并網(wǎng)型電力電子的增多，配電網(wǎng)的模型呈現(xiàn)高階化，以及耦合項(xiàng)帶來(lái)的強(qiáng)非線性化，解析模型變得非常復(fù)雜，失去了解析模型便于分析問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在建立解析模型時(shí)，通常需要做很多假設(shè)，很容易忽略重要的細(xì)節(jié)。這也是近些年，并網(wǎng)變換器的解析模型在不斷被更新的原因，因?yàn)楹芏嚯娋W(wǎng)新出現(xiàn)的現(xiàn)象無(wú)法用已有的解析模型進(jìn)行解釋。

與此同時(shí)，由于并行計(jì)算的快速發(fā)展，海量計(jì)算的成本已經(jīng)大為降低，這使得基于大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練的人工智能建模技術(shù)變得很有吸引力。該建模方法不需要對(duì)被建模對(duì)象的物理動(dòng)態(tài)特性的理解，理論上，只要訓(xùn)練數(shù)據(jù)的樣本足夠大，所訓(xùn)練出的模型將無(wú)限接近被建模的對(duì)象。但配電網(wǎng)對(duì)安全可靠運(yùn)行要求十分嚴(yán)格，所以這種黑盒子式的建模方法很難為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)部門(mén)所接受。基于對(duì)象物理特性認(rèn)知的人工智能建模，以解析模型為主以幫助模型快速有效收斂，以海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練為輔，以提高模型的精度，將成為更加可行的方法。

云端協(xié)調(diào)控制

隨著配電網(wǎng)中分布式能源，和儲(chǔ)能的比例不斷提高，配電網(wǎng)的功率平衡不再依賴(lài)大電網(wǎng)的支撐，而主要靠配電網(wǎng)內(nèi)各發(fā)電與用電單元的協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)自給自足。能量管理系統(tǒng)的理論發(fā)展已進(jìn)行多年，包括用電負(fù)載分配、配電網(wǎng)用電效率優(yōu)化、配電網(wǎng)與主干網(wǎng)協(xié)調(diào)控制等。近些年，云平臺(tái)的商業(yè)化發(fā)展為配電網(wǎng)多智能體的協(xié)調(diào)控制提供了有效的工具。但是基于云平臺(tái)交互的配電網(wǎng)多智能體協(xié)同互操作仍然缺乏設(shè)計(jì)實(shí)踐，阻礙了配電網(wǎng)智能化的發(fā)展。配電網(wǎng)多智能體互操作柔性的定義，本地設(shè)備與云平臺(tái)數(shù)據(jù)互傳時(shí)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，考慮到通信時(shí)延、帶寬以及云計(jì)算資源占用成本的能量?jī)?yōu)化算法部署的問(wèn)題仍需投入大量研究。

此外，多電力電子電網(wǎng)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為構(gòu)網(wǎng)型變流器以及控制。迄今為止，新能源變流器的主流控制為電網(wǎng)跟隨性控制，即電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)支撐電壓幅度及頻率，新能源變流器只向電網(wǎng)注入有功或無(wú)功功率。但隨著新能源變流器在電網(wǎng)中占的比例不斷增高，電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的支撐能力正相對(duì)變?nèi)?，因此而?dǎo)致的電網(wǎng)崩潰事故近年來(lái)也以較高頻率出現(xiàn)。為減小電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)的負(fù)擔(dān)，要求未來(lái)的新能源變流器具備一定的電網(wǎng)支撐能力。

(圖2)構(gòu)網(wǎng)型新能源變流器

如圖2所示，構(gòu)網(wǎng)型變流器的控制將兼顧最大功率跟蹤控制，在此基礎(chǔ)上將具備控制電網(wǎng)電壓、頻率的能力。另外，當(dāng)電網(wǎng)因故障停電，在故障排除后，構(gòu)網(wǎng)型變流器將不必等待電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)來(lái)恢復(fù)電網(wǎng)電壓，其自身將具備恢復(fù)電網(wǎng)電壓的能力。需要強(qiáng)調(diào)的是，受變流器載流能力，以及天氣因素對(duì)當(dāng)前新能源變流器最大功率的限制，新能源變流器的構(gòu)網(wǎng)能力比較有限。所以實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)型變流器需要采用高級(jí)的控制方法，但為了讓新能源變流器有可觀的構(gòu)網(wǎng)能力，需要給新能源發(fā)電廠搭配儲(chǔ)能系統(tǒng)。