【清华大学】面向新一代电网需求的电力电子技术与装备

清华大学电机工程与应用电子技术系近日发布了一份名为《面向新一代电网需求的电力电子技术与装备》的行业研究报告。该报告深入探讨了在全球能源与环境问题背景下，新能源广泛应用对电力电子技术和装备的需求，以及新一代电网的特点和发展方向。报告详细分析了电力电子变压器在提高系统容量、电压控制、电能质量、电网互联和新能源并网等方面的重要作用，并展望了电力电子技术在能源互联网中的未来发展。这份报告为理解电力电子技术在现代电网中的应用提供了宝贵的视角和深刻的见解，其中包含了丰富的技术细节和行业分析，对于电力行业的专业人士和研究者来说，无疑是一份极具价值的资料。

电力电子技术是新一代电网的心脏。随着全球能源和环境问题的日益严峻，新能源如风电和光伏等可再生能源在能源消费中的比重逐渐提高，预计到2030年左右，非化石能源将占一次能源消费的20%左右。这些新能源的广泛应用，使得电网面临新的挑战，需要更加灵活、高效的电力电子技术和装备来应对。

新一代电网的特点在于其随机性和分布式新能源应用。80%的一次能源转化为电能使用，这导致了电网结构和运行方式的巨大变化。电网中的电力电子装置设备大量增加，如统一潮流控制器UPFC、统一电能质量控制器UPQC、静止无功补偿器STATCOM等，它们成为现代电网的支撑技术之一。

电力电子变压器作为新一代电网中的核心装备，与传统电力变压器相比，具有更多的功能。它不仅能实现电压变换、电气隔离和能量传递，还能进行无功补偿、谐波治理、电网互联和新能源并网等。电力电子变压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，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，并能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。

电力电子变压器的电气结构发展经历了从1970年代的高频链式变换器到今日的模块化多端口的演变。这种发展反映了电力电子技术的进步和电网需求的变化。在新一代电网中，电力电子变压器的模块组合关系、半导体功率器件特性及其组合特性、系统建模仿真等方面都面临着新的挑战。

电力电子变压器的设计与运行对建模仿真提出了重大挑战。传统的仿真技术耗时长，难以实现精准设计。为了解决这些问题，研究者们开发了基于离散状态事件驱动(DSED)的仿真机制，这种机制通过离散的事件划分仿真进程，仿真时钟由事件驱动，能够显著提升仿真速度并增强收敛性。

DSED中采用的开关器件瞬态建模方法(PAT模型)能够反映器件瞬态中重要的开关特性，如能量、损耗、时延、频率等。这种模型的所有参数都可以从Datasheet直接获取，极大地简化了仿真过程。

电力电子变压器集群系统的建模与协调控制也是一个重要研究方向。多电力电子变压器集群系统需要分层协调控制，以实现组网、仿真分析和控制。这些研究对于电力电子变压器的设计和运行至关重要。

在实际应用方面，电力电子变压器在国家重点研发计划中发挥了重要作用。例如，多功能电力电子变压器的研发，它具备多端口、多级联、多流向、多形态的特点，显著提升了整机系统效率、可靠性及灵活组网能力。这些变压器能够在不同的电压和电流等级下运行，实现电能的灵活路由和控制。

展望未来，电力电子变压器将作为能源互联网中的关键技术，实现发、输、用电的完全解耦，成为电网的能量控制中心。技术层面上，电力电子技术将从传统的“理想开关、集中参数和信号PWM调制”转变为基于“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。应用层面上，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，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的发展提供更好的技术支撑。

这篇文章的灵感来自于《面向新一代电网需求的电力电子技术与装备》这份报告。除了这份报告，还有一些同类型的报告也非常有价值，推荐阅读，这些报告我们都收录在同名星球，可以自行获取。

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