高性能電力电子無功補償系統將助力新型電力系統穩壓控制

構建以新能源為主體的新型電力系統，是實現碳達峰碳中和最主要的舉措之一。今年2月，國家發改委、國家能源局聯合印發的《關於完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》提出，加強新型電力系統頂層設計，鼓勵各類企業等主體積極參與新型電力系統建設，支持行業龍頭企業聯合高等院校、科研院所和行業上下游企業共建國家能源領域研發創新平台。在落實“雙碳”目標、積極參與新型電力系統建設、加快推進能源轉型的背景下，廣西電網新能源裝機快速增長，可調節資源存量不斷下降，電網電壓控制難度不斷增加。與此同時，“十四五”期間廣西電力供應最大缺口530萬千瓦，省內新能源裝機規模仍將保持快速增長趨勢，電網電壓控制問題必將更加突出。

為什麼電網電壓控制問題會更加突出？隨着新型電力系統發展，新型電力系統中新能源將逐步成為裝機和電量主體，但新能源有功出力頻繁波動，將導致電網有功無功潮流分佈大幅度隨機變化。電網潮流的多變與隨機性增大了電網電壓控制難度，會影響電能質量。穩態電壓水平取決於無功功率的平衡水平，若在電力系統中難以保持無功平衡，將會使電力系統電壓下降，進而造成設備損壞，而功率因數一旦出現下降，嚴重時電力系統中的整個電壓會崩潰解裂，將進一步導致大面積停電。因此，若電網或電氣設備無功容量明顯缺乏，則應增加無功補償設備，以提升設備功率因數，減少不良電力事故發生，避免對電能造成較大浪費。

目前，電壓無功調控中存在一些問題，地區電網主要由無功補償設備和有載調壓變壓器控制無功電壓，而這些離散調壓設備難以頻繁調節動態跟蹤隨機變化的電網潮流，會導致電網無功分佈不均衡、高/低電壓問題嚴重。同時，現有的地區電網新能源電站、彙集站無功電壓管理措施不足，甚至常發生輕載時新能源電站大量輸出無功、重載時無功輸出明顯不足的嚴重問題，進一步惡化了地區電網的電壓無功調控問題。

針對目前電壓無功調控存在的問題，在高比例新能源、高比例電力电子設備“雙高”的新型電力系統下，研發高性能電力电子器件的新型無功補償技術十分重要。相較於傳統無功補償硅器件，碳化硅器件由於材料屬性在電壓等級、開關度等方面都有很大優勢，將其應用於無功補償設備可以簡化拓撲、增加控制帶寬、提升無功電壓控制能力。但由於碳化硅器件開關速度更快，會造成碳化硅器件的工程應用存在電應力高、電磁干擾強等問題。同時，電力系統具強耦合的特點，新能源電站和新型負荷的大規模併網使電力系統面臨寬頻動態、低慣性、弱抗擾性、低過載能力等問題，進一步增加了基於碳化硅器件的新型無功補償技術的應用難度。

面臨新型電力系統穩壓控制中的困難和挑戰，結合我國電力电子技術的快速發展，應用高性能電力电子無功補償系統對新型電力系統進行穩壓控制，提高電能質量是重要趨勢。在電力系統中合理應用電力电子技術不僅是未來電力系統發展的重要趨勢，也是促進電力电子技術發展需要研究的重要問題。通過對電力电子技術及其特點進行分析，在此基礎上探討研究電力系統中對電力电子技術的應用有重要意義。

無功功率補償技術和電力电子技術之間的發展與進步是相輔相成、相互促進、相互協調的。電力电子技術與無功功率補償技術的結合不僅是保證電力系統能夠穩定、持續運行的基礎，而且是有效提升電能質量的重要基礎。無功功率補償技術可以彌補電力电子技術的不足，電力电子技術又可以反過來推動無功功率補償技術的運用。兩種技術之間存在着優勢互補，針對無功補償系統來說，高性能電力电子技術能夠保證無功補償水平實現有效提升，促使新型電力系統穩壓控制能夠實現更好的發展。同時，應用電力电子技術可以保證更加快速、精確地實現電力系統無功補償，促使控制系統朝着自動化、智能化的方向進一步發展，進而提升無功補償工作的效率。在我國電力技術快速發展的今天，電力电子技術被廣泛應用在電力系統中，應用高性能電力电子無功補償系統對新型電力系統進行穩壓控制是大勢所趨。

當前，廣西電網公司相關研究人員立足於電力电子技術的發展，從多角度研究電力电子技術在電力系統中的應用，從而助力實現“雙碳”目標，助推新型電力系統可持續發展，致力打造具有廣西特色的原創技術。針對新能源高比例接入和高度電力电子化的新型電力系統特徵，從新型源荷高比例接入的電力系統無功電壓特性出發，研發基於SiC（碳化硅）電力电子器件的無功補償裝置，研究高性能電力电子無功補償系統在新型電力系統穩壓控制中的應用並作出展望，研究新型無功補償裝置自適應優化控制和管理方法，支撐新型源荷廣泛接入。

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廣西電網公司研發基於SiC電力电子器件的無功補償裝置共設置了4個課題。課題一主要面對新型源荷高比例接入的無功補償需求進行分析，課題二對基於SiC器件的新型無功補償裝置架構及模型進行研究，課題三對新型無功補償裝置自適應優化控制和管理方法進行研究，課題四對新型無功補償裝置樣機方案設計、集成、測試。課題旨在揭示面向新型源荷高比例接入的電力系統無功電壓機理，並確定無功補償需求，通過分析無功補償需求，建立基於SiC器件的新型無功補償裝置仿真模型，模型建立完成后，設計新型無功補償裝置自適應優化控制策略和管理方法，最後進行新型無功補償裝置樣機方案設計、集成、測試。在此過程中，該公司爭取發表或錄用三大檢索或核心期刊論文多篇，申請發明專利多項。

預計到2050年，我國將形成以可再生能源為主的能源體系，可再生能源在能源消費中的比例將達到60%以上，佔總發電量的85%以上。但以新能源為主體的新型電力系統具有強不確定性、低慣性、弱抗擾性、強非線性，其快速動態響應的特性及系統規模龐大的特徵給電網電壓穩定又提出了新的挑戰和迫切的改進需求。加之整個社會的發展速度由於能源的供應速度而不斷提升，這些年的實際情況也反映了我國對於電能的需求量在不斷提升，電力輸送行業必須與不斷髮展的社會經濟相匹配，所以整個電力系統的建設規模也在不斷擴大。然而，在增加發電量的同時，也需要減少電能在運輸時的消耗，降低電力部門的運營成本，所以構建功能更加強大、運行更加靈活、更加具有韌性的高性能電力电子無功補償系統成為迫切需要。

在此背景下，廣西電網公司加強頂層設計，適應新能源快速發展，不斷提升對新型電力系統的特性認知能力、運行控制能力與故障防禦能力。不斷研發新技術、加強新設備等科研成果轉化應用，切實解決新型電力系統實際問題，保障新型電力系統安全穩定運行。通過高性能電力电子無功補償系統，為新型電力系統穩壓控制出力，減少在運輸過程中大量被損耗的電能，強化整個電網的運行速度，提升電網系統的整體運營安全和穩定性。

實現“雙碳”目標是一個系統工程，關鍵路徑是能源結構調整與節能降耗，能源是主戰場，電力系統革新是核心，構建新型電力系統責無旁貸。由於新型電力系統所呈現的“雙高”特性，且基於新能源發電具有隨機性、波動性、分散性等特點，電源側出力波動加大，負荷側不確定性增加，電力系統功率平衡壓力增加，電網電壓控制問題更加突出，研究高性能電力电子無功補償系統在新型電力系統穩壓控制中的應用與展望十分重要。因此，推動相關成果應用於廣西電網無功電壓控制，將有利於促進廣西新能源併網、提升供電水平，助力新型電力系統建設，助力實現“雙碳”目標。