电力那些事儿【1】- 变革中的电力系统（上篇）
作者简介：
孔华东，在广东电网系统工作20年，曾任职于抽水蓄能、主网和配网，历任500千伏变电站站长、变电专责、主管、供电所长、供电局副局长、技术研究中心主任等职。专注于售电、配网运营、智能配电网、设备状态监测，在专业期刊发表论文十余篇，拥有24项电力技术专利。是广东省首批从事市场化售电业务的经理人之一，在配电网规划运营、供用电管理和电力体制改革领域具有丰富的管理和咨询经验。现任珠海城建智慧能源有限公司（售电企业编号：SD47）总经理兼法人代表。
我们准备发起一个系列讨论：“变革中的电力系统”，今天是开篇。电力系统正经历着一百多年来最大的变革中。能源互联网、微网、IoT、IoE等新的概念和名词以信息爆炸的姿态不断冲击我们的眼球。就电力系统而言，有智能电网、智能配电网等传统的说法，也有信息物理融合的电力系统、源-网-荷充分交互作用的电力系统、超级电网的电力系统、分布式电网、电力市场、虚拟电厂等概念。因此，我们正处在一个“最好的时代”：技术日新月异、壁垒坚冰消融、市场机会无限；我们抑或正处在一个“最坏的时代”：“钱多事少离家近、位高权重责任轻”的大国企好日子不再。我们将试着从技术形态层面谈谈我们对变革中的电力系统新形态的认识，引发大家对这个既熟悉又陌生，同时又赖以生存发展的“电力系统”的思考。目的是有助于帮助大家澄清概念，直达究竟。我们引用的方便法门之一是：电力电子化的电力系统。需大家海涵的是，本系列文章并非专业论文，只是试图以大白话的方式还原艰深专业的技术分析，以俾读者茶后掂花闲读。说对的，请点赞转发；说错了，也请猛拍砖玉。
传统的电力系统是由发电机、变压器、输电线路和负荷直接连接而构成的电力网络，电网的连通由断路器开断控制。当前，越来越多的电力电子变换器加入电力系统。电源侧：风电、光伏、储能等几乎所有的新能源发电都是经过逆变器上网的；输电侧：高压直流输电HVDC、柔***流输电FACTS；负荷侧：变频调速；控制侧：发电机励磁、无功补偿等等。未来的电力系统发电机、变压器、线路和负荷不再会直接连接，中间总会有电力电子变换器连接。即：传统的电力系统正在成为“电力电子化的电力系统”。
电力系统的运行架构体系是由组成电力系统的各元件特性决定的。例如，传统电力系统动态过程及其时间框架大致分为：电磁暂态毫秒级（ms）主要决定于发电机变压器和线路的电磁物理本质；机电暂态秒级（s）取决于发电机转子运动方程的功率平衡；中长期动态（分钟乃至更长时间）取决于原动机、AGC、AVC等。不同物理过程的时序非常关键。
电力电子变换器的加入，导致未来电力系统动态特性将发生很大的变化。电力电子变换器具有两大特征：快速性和可控性。这将极大地改变当前的电力系统运行架构体系。因此，我们应该认识到，电力电子化的电力系统是应该被当作一个新型电力系统来看待，应当建立与其特征相适应的新的电力系统运行体系。为什么？因为电力系统是一个协同配合的体系，正如一部汽车一样，其动力系统、物理承载系统、刹车系统都要协同配合，孤军深入导致脱节失控，单个体系太过突出对于整体就是一场灾难，设想一下一部小QQ装上火箭发动机就知道了。
电力电子变换器对电力系统的关键影响主要体现在继电保护。电力电子变换器包括：AC-DC（整流）、DC-AC（逆变器）、AC-AC（变频）、DC-DC（隔离、直流变压器）及其它们的组合。电力电子变换器对保护的影响主要是电力电子控制改变了电网的故障特征，包括：通过电力电子控制减少了故障电流，隔离了交流序分量，使得目前基于交流工频量的几乎所有保护原理失效（电流、电压、距离、零序、负序等），甚至差动保护由于短路电流受电力电子控制减少也会失效。只有基于行波的暂态保护可以用。我们可以设想这样一个极端场景，所有电源都是经过逆变器并网。这个电网仍然是交流电网。但是当电网发生短路故障时，因为电力电子器件都是可控（IGBT）或半可控（SCR）的，其开断时间是微秒（µs）级的，因此当电网短路故障时，电力电子变换器电流也会增大，电力电子控制迅速动作，减少导通角乃至彻底关断电力电子器件，从而减小短路电流甚至到0。短路电流会因电力电子控制迅速降到零，现有的所有基于交流工频原理保护都用不了，那么故障怎么隔离呢？
具体来说，基于交流工频原理的保护基于纯电路分析，其将故障时刻的影响用非周期分量、用短路电流有效值的系数进行等效，而电力电子设备的快速控制，在电磁暂态时间框架上故障分析与计算必须考虑控制的作用，更具备离散性、不确定性、时空特性，本质上突破了现有的对原有故障特征、规律和趋势的分析基础和框架。或者说原纯交流电网故障分析的基础，故障电流只有一次突变（故障），其后暂态框架不考虑控制（s级），电气量连续可以用有效值来计算短路电流。这个在大功率电力电子设备广泛应用后受到了严重的挑战。这是工频量失效的根本原因。故障的时序特性是电力电子广泛应用后电网故障特性值得研究的新问题.现在国网直流影响最大的问题是单一特高压直流的大容量带来的功角稳定；南方电网直流影响最大的问题是ms级的无功快速吞吐带来的暂态电压稳定。电力电子设备引入带来的另外一个核心问题是谐波问题,源机理与特性、传递放大特性，是另一个新的研究方向。这些因素事实上也同时对以下章节的分析形成影响，为便于全面理解，依常用的专业逻辑拆分为几个部分。
电力电子变换器对电力系统稳定的影响：我们今天来看电力电子化电力系统的机电暂态过程。电力系统机电暂态过程的本质是发电机的转子运动方程，关键参量是发电机惯性和不平衡功率。电力电子变换器的影响主要体现在两方面：一是经电力电子变换器上网的发电机机械惯性减小（光伏和储能电源干脆就没有惯性一说），使得单位功率变化引起的发电机转子角偏差增大，一定程度上降低了电力系统抗击扰动的能力，可能出现“自激”振荡的稳定问题。另一方面，电力电子变换器的功率变化快且受电力电子控制影响大，从而使电力系统的稳定问题复杂化。尤其是电力电子变换器的无功机理和发电机变压器的不太相同，其特性也更加复杂，电力电子化电力系统的电压稳定问题可能比功角稳定问题更突出。
电力电子变换器的一大特点是它的多态性。用于常规直流输电的电流型换流器就有正常的周期性阀元件换相引起的导通状态切换、换相失败、直流闭锁等状态。这些状态的切换和触发和所接电网有关，而不同的状态下，变换器的功率传输特性也不一样。目前，电力系统主流机电暂态分析软件BPA等直流变换器的模型仍然很不理想，主要瓶颈就是缘于这点。因此，将电力电子变换器的模型、状态表征及分析方法纳入电力系统稳定的统一体系中，是一项极具挑战的基础性工作。这个问题不解决，我们就只能从电力电子变换器对电力系统稳定的影响角度去“打补丁”，而不是真正研究电力电子化电力系统的稳定问题。
电力电子快速性使得故障后功率扰动被抑制。发动机功率差额被限制在故障邻近区域，而不是全电网分配，可能会对发电设备造成巨大冲击。电网层面，故障属性和特征与常规电网迥异，目前电网的控制保护的适应性存疑。个人理解此时电网稳定层面的问题相对弱化。设备层面安全与控制、保护需求大大增加。
传统系统基于连续电量控制被打破，呈现ms级的状态变化（电力电子状态切换或控制动作）。目前电网中对开关量影响研究尚限于s级以上的开关抽头引发的变化，需要从理论层面上解决从电磁时间框架下非连续变量稳定与优化分析。从某个角度看，功率层面电力电子设备引入后，实行了交流互联电网的分块、弱化、去互联化。
从目前认识看，电网功率层面电力电子介入后打破和阻隔了故障后电气扰动特性，使得原本以故障为中心，以发电机暂态特性为约束的数学问题（可以理解为两层系统，单机无穷大最为典型），转为为三层系统：在故障与电源间增加电力电子阻隔。基于功率平衡的约束的电网稳定、优化问题，可能会需要考虑附加过电压与过电流的电力电子设备约束，这需要构造合适的场景去凸显现象与问题。上面说的主要是以直流为核心的直流电网（比如舰船的供电系统），这个跟我们目前以庞大交流电网为基础，在期间（直流）或末端（柔直）内嵌少量电力电子的电网还不太一样。
借由电力电子互联可实现电气稳态链接、暂态割裂的模式。我们对电力电子设备具有故障暂态过程隔离和去电网“互联度”功能是有一定认识的。其实，通过直流的异步互联就是去交流电网的暂态耦合的应用。因此，我们要做这方面的研究，就是要找到一个最具“电力电子化”特征的电力系统对象与场景。南网现在已实施云南电网的异步互联，广东电网也在论证东西部异步互联方案。这倒是一个电力电子变换器嵌入交流电网中间的场景。好处当然是：稳态互联、暂态隔离，但是又没有新的“坏处”呢？这是重点。起码，原来直流落点受端电网的问题应该还存在吧？
南方电网这种异步互联属于大功率高电压的电力电子设备目前全控器件没法支撑，只能依赖半控器件，因此换相失败问题应该仍然存在。这是电力电子本身不可控不可避免带来的问题。设备层面无法解决，只能从对应控制保护层面减少影响和危害。此时由于这种不可控性必然带来无法实现暂态隔离，反而有可能恶化暂态过程。从这个角度看，由于目前器件限制，主网电力电子引入最大的挑战是如何减少其关断不可控性带来的不利影响，才能考虑其发挥隔离的作用。
负荷电源终端，由于单个容量小电压低，目前技术可以实现经全可控器件电力电子隔离后上网。此时故障是隔离了，但隔离的特性受制于电力电子器件特性约束，可能也不能完全按照电力功率平衡或者稳定的要求去设计控制策略。两者之间的矛盾将可能是制约负荷电源终端上网的一个核心问题。