高性能电力电子无功补偿系统将助力新型电力系统稳压控制

构建以新能源为主体的新型电力系统，是实现碳达峰碳中和最主要的举措之一。今年2月，国家发改委、国家能源局联合印发的《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》提出，加强新型电力系统顶层设计，鼓励各类企业等主体积极参与新型电力系统建设，支持行业龙头企业联合高等院校、科研院所和行业上下游企业共建国家能源领域研发创新平台。在落实“双碳”目标、积极参与新型电力系统建设、加快推进能源转型的背景下，广西电网新能源装机快速增长，可调节资源存量不断下降，电网电压控制难度不断增加。与此同时，“十四五”期间广西电力供应最大缺口530万千瓦，省内新能源装机规模仍将保持快速增长趋势，电网电压控制问题必将更加突出。

为什么电网电压控制问题会更加突出？随着新型电力系统发展，新型电力系统中新能源将逐步成为装机和电量主体，但新能源有功出力频繁波动，将导致电网有功无功潮流分布大幅度随机变化。电网潮流的多变与随机性增大了电网电压控制难度，会影响电能质量。稳态电压水平取决于无功功率的平衡水平，若在电力系统中难以保持无功平衡，将会使电力系统电压下降，进而造成设备损坏，而功率因数一旦出现下降，严重时电力系统中的整个电压会崩溃解裂，将进一步导致大面积停电。因此，若电网或电气设备无功容量明显缺乏，则应增加无功补偿设备，以提升设备功率因数，减少不良电力事故发生，避免对电能造成较大浪费。

目前，电压无功调控中存在一些问题，地区电网主要由无功补偿设备和有载调压变压器控制无功电压，而这些离散调压设备难以频繁调节动态跟踪随机变化的电网潮流，会导致电网无功分布不均衡、高/低电压问题严重。同时，现有的地区电网新能源电站、汇集站无功电压管理措施不足，甚至常发生轻载时新能源电站大量输出无功、重载时无功输出明显不足的严重问题，进一步恶化了地区电网的电压无功调控问题。

针对目前电压无功调控存在的问题，在高比例新能源、高比例电力电子设备“双高”的新型电力系统下，研发高性能电力电子器件的新型无功补偿技术十分重要。相较于传统无功补偿硅器件，碳化硅器件由于材料属性在电压等级、开关度等方面都有很大优势，将其应用于无功补偿设备可以简化拓扑、增加控制带宽、提升无功电压控制能力。但由于碳化硅器件开关速度更快，会造成碳化硅器件的工程应用存在电应力高、电磁干扰强等问题。同时，电力系统具强耦合的特点，新能源电站和新型负荷的大规模并网使电力系统面临宽频动态、低惯性、弱抗扰性、低过载能力等问题，进一步增加了基于碳化硅器件的新型无功补偿技术的应用难度。

面临新型电力系统稳压控制中的困难和挑战，结合我国电力电子技术的快速发展，应用高性能电力电子无功补偿系统对新型电力系统进行稳压控制，提高电能质量是重要趋势。在电力系统中合理应用电力电子技术不仅是未来电力系统发展的重要趋势，也是促进电力电子技术发展需要研究的重要问题。通过对电力电子技术及其特点进行分析，在此基础上探讨研究电力系统中对电力电子技术的应用有重要意义。

无功功率补偿技术和电力电子技术之间的发展与进步是相辅相成、相互促进、相互协调的。电力电子技术与无功功率补偿技术的结合不仅是保证电力系统能够稳定、持续运行的基础，而且是有效提升电能质量的重要基础。无功功率补偿技术可以弥补电力电子技术的不足，电力电子技术又可以反过来推动无功功率补偿技术的运用。两种技术之间存在着优势互补，针对无功补偿系统来说，高性能电力电子技术能够保证无功补偿水平实现有效提升，促使新型电力系统稳压控制能够实现更好的发展。同时，应用电力电子技术可以保证更加快速、精确地实现电力系统无功补偿，促使控制系统朝着自动化、智能化的方向进一步发展，进而提升无功补偿工作的效率。在我国电力技术快速发展的今天，电力电子技术被广泛应用在电力系统中，应用高性能电力电子无功补偿系统对新型电力系统进行稳压控制是大势所趋。

当前，广西电网公司相关研究人员立足于电力电子技术的发展，从多角度研究电力电子技术在电力系统中的应用，从而助力实现“双碳”目标，助推新型电力系统可持续发展，致力打造具有广西特色的原创技术。针对新能源高比例接入和高度电力电子化的新型电力系统特征，从新型源荷高比例接入的电力系统无功电压特性出发，研发基于SiC（碳化硅）电力电子器件的无功补偿装置，研究高性能电力电子无功补偿系统在新型电力系统稳压控制中的应用并作出展望，研究新型无功补偿装置自适应优化控制和管理方法，支撑新型源荷广泛接入。

广西电网公司研发基于SiC电力电子器件的无功补偿装置共设置了4个课题。课题一主要面对新型源荷高比例接入的无功补偿需求进行分析，课题二对基于SiC器件的新型无功补偿装置架构及模型进行研究，课题三对新型无功补偿装置自适应优化控制和管理方法进行研究，课题四对新型无功补偿装置样机方案设计、集成、测试。课题旨在揭示面向新型源荷高比例接入的电力系统无功电压机理，并确定无功补偿需求，通过分析无功补偿需求，建立基于SiC器件的新型无功补偿装置仿真模型，模型建立完成后，设计新型无功补偿装置自适应优化控制策略和管理方法，最后进行新型无功补偿装置样机方案设计、集成、测试。在此过程中，该公司争取发表或录用三大检索或核心期刊论文多篇，申请发明专利多项。

预计到2050年，我国将形成以可再生能源为主的能源体系，可再生能源在能源消费中的比例将达到60%以上，占总发电量的85%以上。但以新能源为主体的新型电力系统具有强不确定性、低惯性、弱抗扰性、强非线性，其快速动态响应的特性及系统规模庞大的特征给电网电压稳定又提出了新的挑战和迫切的改进需求。加之整个社会的发展速度由于能源的供应速度而不断提升，这些年的实际情况也反映了我国对于电能的需求量在不断提升，电力输送行业必须与不断发展的社会经济相匹配，所以整个电力系统的建设规模也在不断扩大。然而，在增加发电量的同时，也需要减少电能在运输时的消耗，降低电力部门的运营成本，所以构建功能更加强大、运行更加灵活、更加具有韧性的高性能电力电子无功补偿系统成为迫切需要。

在此背景下，广西电网公司加强顶层设计，适应新能源快速发展，不断提升对新型电力系统的特性认知能力、运行控制能力与故障防御能力。不断研发新技术、加强新设备等科研成果转化应用，切实解决新型电力系统实际问题，保障新型电力系统安全稳定运行。通过高性能电力电子无功补偿系统，为新型电力系统稳压控制出力，减少在运输过程中大量被损耗的电能，强化整个电网的运行速度，提升电网系统的整体运营安全和稳定性。

实现“双碳”目标是一个系统工程，关键路径是能源结构调整与节能降耗，能源是主战场，电力系统革新是核心，构建新型电力系统责无旁贷。由于新型电力系统所呈现的“双高”特性，且基于新能源发电具有随机性、波动性、分散性等特点，电源侧出力波动加大，负荷侧不确定性增加，电力系统功率平衡压力增加，电网电压控制问题更加突出，研究高性能电力电子无功补偿系统在新型电力系统稳压控制中的应用与展望十分重要。因此，推动相关成果应用于广西电网无功电压控制，将有利于促进广西新能源并网、提升供电水平，助力新型电力系统建设，助力实现“双碳”目标。