电磁|中国工程院院士马伟明：关于电工学科前沿技术发展的若干思考( 五 )

3双碳目标推动了多能源电力系统的深化研究
随着双碳目标的实施，以风、光等为代表的新能源发电将迎来爆发式增长和高比例接入，为适应新能源发电的随机性、波动性、间歇性等特征，储能也会大规模接入。
在此背景下，未来电力系统将呈现出多元能源结构体系、强电力电子化、非线性、柔性互联等特点，给系统的运行调控带来挑战。
双碳目标和构建以新能源为主体的新型电力系统将推动多能源电力系统的深化研究，主要涉及互联耦合多能源电力系统虚拟同步特性及其控制，多能源电力系统源-网-荷-储协同控制与调配，多能源电力系统安全可靠运行与主动防御，多能源电力系统智能调度控制与优化运行，多能源电力系统高效储能等问题。多能源电力系统中，新能源电源将取代同步机成为系统主导电源。
同步机电源能够提供电压、频率动态支撑，对系统具有天然友好的优势，为使新能源电源具备和传统同步机相似的对系统主动支撑能力，实现多能源电力系统的构建与安全可靠运行，系统虚拟同步特性及其控制问题十分重要，因此，互联耦合多能源发电系统虚拟同步特性及其控制问题是基础。
3.1需求分析
电力电子变换装备作为新能源电源的并网接口，其本身惯量/阻尼低，常规以最大功率跟踪模式运行的新能源发电机组对系统表现为功率源，不具备调频、调压特性，对系统主动支撑能力弱，系统电压、频率的稳定性面临挑战。互联耦合多能源电力系统如图9所示。
该系统不同开关频率、不同工作频率的多样化电力电子装备间非线性耦合强，系统动力学行为复杂，运行过程中易出现奇异的、不规则的非线性振荡现象，系统安全可靠运行面临挑战。

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3.2关键科学问题
1）电力电子装备与同步机装备数学等效/物理等价能力边界分析
同步机装备作为传统电力系统的重要装备，其基于定转子绕组间的电磁感应定律，通过旋转的转子运动，实现能量变换，能够给电力系统提供惯量、阻尼、调频、调压等主动支撑功能，具有对电网天然友好的优势。
与同步机装备不同，紧耦合多能源电力系统中，作为风、光等新能源电源并网接口的电力电子装备为静止设备，本身不具备惯量、阻尼等动力学行为特性，常规以最大功率跟踪模式运行的新能源发电机组对系统表现为功率源，也不具备调频、调压特性。随着紧耦合多能源电力系统中新能源电源占比的提高，传统同步机占比下降，将导致系统总的惯量、阻尼下降，调频、调压能力降低，给系统安全稳定运行带来严峻挑战。
虚拟同步机技术以电力电子装备的强可控性为依托，在外加硬件的能量支撑下，实现虚拟同步机功能，具备给系统提供惯量、阻尼、调频、调压等主动支撑的能力，能够增强系统安全稳定运行性能，是增强电力电子装备组网性能的关键举措。
但是虚拟同步发电机的本体是电力电子装备，物理上与同步发电机相差较大，厘清二者的数学等效/物理等价性是虚拟同步机技术亟需攻克的关键所在。因此，研究虚拟同步机与真实同步机的物理等价性，探索虚拟同步发电机模拟真实同步发电机的能力边界，对虚拟同步机技术的工程应用、增强多能源电力系统运行性能具有重要意义。
2）多样化电力电子装备非线性耦合机理与奇异振荡特性分析
高比例电力电子装备接入是紧耦合多能源电力系统区别于传统电力系统的主要特征之一。为满足不同用户的不同电制需求，紧耦合多能源电力系统中存在不同开关频率、不同工作频率的多样化电力电子装备。基于不同的电路拓扑，通过复杂控制驱动电力电子开关器件的高频开关动作，实现所需的电能变换，其动态特性由其自身复杂的控制和电路动态所主导，具有多时间尺度、强非线性特征。