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一文通览未来电网电能质量挑战
摘要:本文介绍了CIGRE/CIRED联合工作组JWGC4.24的活动情况。文中包括的研究问题及内容有:引言,报告范围和术语;电力电子的新发展;干扰概率的变化;微电网和电能质量;电压无功控制和电能质量;馈线重构和电能质量;需求侧管理和电能质量;测量新技术;治理新技术。本文转载自“亚洲电能质量联盟”作者:范文杰,转载请注明来源及作者。1.引言联合工作组-JWGC4.24承担的“与未来电力网络相关的PQ和EMC问题”项目,与已经建立的IEEE工作组“现代化电网电能质量问题”主题相近。2013年JWGC4.24获得工作组授权,开展了以下几个方面的研究:连接到带有分布式发电或者带有耗能负载的配电网中的新型设备,特别是含有有源电力电子接口,包括连接到低压的设备和连接到更高电压等级的装备等,将向电网发射(谐波和不平衡)干扰。在新近推行的智能配电应用中存在着积极和消极两方面影响,例如,配电系统的电压和无功控制,针对电能质量(电压不对称和谐波潮流等)的馈线重新配置。在配电层面的电能质量问题是如何影响到输电系统的。2.电力电子技术的新发展电力电子技术是基于半导体器件的、用来进行电能有效转换、控制和调节的技术。电力电子技术所表现的广泛可用性,使其在几乎所有领域都扮演着重要角色。电力电子变换器是一种重要的波形畸变源,但当技术采用恰当,它也是缓解波形畸变的主要手段。电力电子装置的应用也带动了电压和电流处理能力以及功率半导体器件开关速度的改善。然而,电力电子装置在注入电网的低频范围的发射量下降的同时,在许多情况下也导致了超高频谐波(2—150kHz)发射量的增加。具有高阻断电压和高工作频率(>5kHz)的电力电子装置是高功率固态变换器成功运行的关键。需要有高额定电压的装置用以简化系统结构配置,从而最小化大量使用功率器件和换流组件带来的不利影响,例如,开展在效率、装置尺寸和可靠性的综合研究等。通过把半导体器件作为开关使用,电力电子电路运行在通断模式,从而实现对电压和电流的控制与调节。电力电子装置的效率可以达到99%,大多数电力电子装置连接在电网上,用作接口设备。联合工作组对各种各样现代设备,主要包括逆变器、电动汽车和照明技术中使用的电力电子拓扑结构进行了总结。在未来电网中,光伏(PV)电力电子接口将被推荐采用,因为它不仅提供有功电力供应,而且也将在其公共连接处(PCC)提供无功功率支撑以及有功电压调节。这也就引入了所有连接到配电网中的有源电力电子装置之间控制相互作用的能力,工作者对控制系统做详细设计时要考虑到这一点。电力电子装置及其拓扑结构的选择决定了一台装置是如何受到电能质量的影响,以及它又如何影响到电能质量的。在这方面仍然需要继续调研。有一个例子是LED灯与光照度的调节问题。最近的文献表明,有些LED灯容易遭受间谐波对光照度调节的影响,而另外的一些LED灯对同样的间谐波却有回弹(抵制)作用。其差别可能和所采用的拓扑结构有关。3.干扰概率的变化电力系统进一步的改变,既会对发射水平和免疫能力产生不利影响,也会影响到扰动的传递和转移。所有这些也将对电磁干扰的发生概率产生影响。为了和IEC标准术语保持一致,JWG4.24工作组对扰动(disturbances,任何与理想电压或电流的偏离)和干扰(interference,终端设备的损害或故障失效)加以区别。最终,各种设备之间或者设备与电网之间的兼容性是最重要的。对于持续变化范围内的知识体系做了详细的评论,其中最有价值的信息可以分别从以下四个特殊的方面加以讨论:新型发电生产;电力电子装置的总量正在不断增长;过热导线被电缆所取代;白炽灯正在被紧凑型日光灯CFL和LED灯所取代。需要研究在扰动发射之间的区别与变化;在抵制扰动的免疫力方面的变化;以及在扰动转移方面的变化。由于大量有源电力电子装置的接入,预期的扰动变化会增大,包括间谐波、直流分量和低频次谐波、2kHz以上的超高频谐波分量。一些期望的扰动变化量会导致低频谐振偏移,这将影响到谐波分布和开关瞬态。而低频段的谐振可能会补偿掉部分增加的高频段发射量。因此,扰动转移就将不可预测,可能要对谐波传播和电压质量的限制范围提出新的观点。从非电子和无源电力电子技术到有源电力电子接口技术,不仅带来新型发射特性,也使得设备抵抗扰动的免疫能力几乎不可预见。新型设备抵抗所有电压扰动的免疫力都需要研究,也需要提出新的标准。特别是带有CFL和LED灯的灯光闪烁,必须要有新的标准加以关注解决。也需要通过研究来解释试验和仿真模拟之间的差异,所关注的谐波畸变对大量CFL和LED灯的影响。新型(特别是有源电力电子接口)设备抵抗不同类型扰动的免疫能力应当加以研究,并且提出改进和应当关注的免疫标准。4.微电网与电能质量微电网可以按照其配电特点分为若干类型:工频交流(LFAC),直流(DC),高频交流(HFAC)以及交直流混合式(AC+DC)。工频交流(LFAC)是较常见的形式,但是为了确保向负载高等级高质量连续供电,以及更加便于分布式电源相互连接,低压直流配电系统(DC微电网)的高品质电力需求已被商业化设施、建筑和重要用户所看重。当工频交流微电网接入主网时,主网的功率强度决定其向两个系统提供参考电压和频率。虽然在微电网内部由于分布式电源水平的影响,电能质量可能成为问题,但是当微电网在孤岛模式下运行时,电压和频率的稳定性就成为微电网内部问题。微网和主网连接点、大污染负荷公共连接处(PCC)周边的短路容量变化将使微网的特征阻抗也发生变化。这会导致某些频率的系统谐振发生,而这些谐振在并网模式下基本不会存在。在孤岛模式下,微电网与可用小容量或中等规模的分布式电源之间有较大动态变化与宽范围相互影响,这会引起更加明显的、更频繁和长时间的电压与频率的变动。在孤岛运行模式下,由于大量基于逆变器的发生装置接入和基于机械旋转式设备的退出,PCC处的总谐波(包括电压和电流的)会增大。缓解微电网中诸多电能质量现象的关键措施,是在电力电子器件与分布式电源接口采用先进的控制策略。这样的逆变器将采用虚拟阻抗、先进的电压和电流控制策略,并且很有可能要求通讯基础设施来协调解决电能质量相关问题。直流系统并非没有电能质量问题。例如,与交流电网中的扰动相对应表现在直流系统中有电压调节、谐波、纹波频率和电压暂降与暂升等现象。[$NewPage$]最棘手的问题是,要了解微电网如何组态以逐渐形成未来电网结构。现如今提供的许多关于谐振最小化和缓解谐波的解决方案成本太高,甚至是远离现实的方法,或牵涉到复杂的逆变器控制策略和当前并不使用的技术配置。随着微电网的逐步形成,可能会有新旧技术的混合体,也可能需要新装置来补偿诸多旧技术,除非在微电网的管理上给予适当的投资。因此,微电网发展就从技术问题转变成了经济问题。除了这些关键参数之外,大污染负荷连接处(PCC)的短路容量变化,将意味着原本达成一致的发射水平就不再适用了。5.电压无功控制与电能质量电压无功控制(Volt-VAR)经历了长时间的发展,已经不是简单的电容器组和抽头变换器的协调切换问题。JWG4.24工作组对于电压无功控制的关注重点在文献[7]中有详细讨论。电压无功控制的一些潜在负面影响有:短时间欠电压和浅度电压暂降事件的数量增多(个体的)快速电压变化事件的数量增多,以及与之相关的电压闪变严重性增加可能导致更严重的谐波频率下的附加谐振电压无功控制使用的一些设备会发射谐波和高频谐波更多的开关瞬变,包括由于背靠背换流器导致的更高频率通断变化,和由于多个谐振频率被激发而造成的更高过电压。需要开展关于量化不同控制算法对电能质量的不利影响的研究,制定指南来规定配网中可接受的电压阶跃的数量和程度,需要有标准化方法来测量和分析快速电压变化。还应开展调查研究的是,使用了电力电子转换器的部分终端用户设备对谐波频率的阻尼作用,以及反复的开关瞬变对终端用户设备造成的影响。一个需要被提出的最主要的、也是亟待解决的问题是,是否存在某些情况下电压无功控制的负面影响大于正面影响。认清这些情况,可向计划引入电压无功控制新方式的电网运营商提供基本建议。为了更有效地跟踪和研究新类型的干扰,或者比过去发生更频繁的干扰类型,可能需要引入额外的指标。而另一方面,需要使用更少量的指标来简化电能质量报告。对于这一两难的问题,工作组内正在进行讨论。使用已经连接到配电网络的设备中的电力电子控制器可以实现快速和精确的电压控制。可以保证非常平滑和恒定的电压,以及在一定场景和时间尺度上提高电压质量。然而,这将需要对现有电压无功控制原理进行全面改进,并且还将要求电网运营商计划采用超出其控制范围的设备。许多快速控制器之间存在的不利互作用问题也必须解决。6.馈线重构与电能质量馈线重构对电能质量参数造成影响的情况主要有两种,即电网故障和正常的电网操作。对于故障发生后的馈线重构,最重要的任务是定位故障点,使电力公司可以在最短时间内为受影响的用户重新供电。近年来,随着配电系统中引入通信技术以及自动开关和重合闸技术,已经可以快速地识别和隔离网络的故障部分。自动恢复过程有助于提高可靠性指标(如SAIDI,SAIFI,CAIDI和MAIFI),并使得供电公司可以在5分钟内恢复对正常馈线部分用户的供电。然而,应用这种技术来提高可靠性指数的同时,也引入了额外的电能质量问题:正常线路的连续电压暂降事件增加;对谐波畸变的影响。由于故障变化(尤其是中压等级),或由于接入的负载可能使谐波畸变得以改善,或者导致谐波畸变加剧;中压和低压网络中的快速电压变化;由于开关或重合闸的次数过多,以及由于电网从故障中恢复时电压值的显着阶跃变化,而导致的灯光闪烁;由于开关状态配置的变化和负载重新配置而造成稳态电压方均根值变化和三相不平衡;在具有分布式电源高渗透率的电网中系统频率产生偏差;中低压电网中谐振频率变化;变压器充电数量过多对于在非故障情况下,正常电网操作的馈线重构,其主要作用是平衡负载和减少网络损耗。由于配电等级的光电系统的随机性,要求注意控制电网中的有功和无功功率分布,使得电能质量参数保持在限制范围内。具有馈线重构配置能力的好处是提高可靠性,并且可以向分布电网服务商提供操作建议。然而,网络运行的总体目标必须包括使客户在特定时间窗上经历的干扰的数量最小化。为此,需要使用新指标作为监测配电网的电能质量和可靠性(PQR)的度量。除了故障情况外,馈线重构的同时应保证电能质量;在故障清除过程中,可以允许电能质量参数短时偏离正常值。[$NewPage$]在先进的自动化配置电网中,提高电能质量和可靠性指标需要解决的问题:在短时间或长时间内出现多个电压暂降不平衡电流过大由变压器充电引起的二次谐波过高馈线重构操作导致的电压水平变化由于大量分布式电源断开而导致的短时频率变化7.需求侧管理与电能质量在未来的智能电网中,能源供应和需求之间的相互作用会改变,进而可能使系统现有的运行条件和负载特性超过假定的限制和物理约束。由此会引起功率双向流动,、更高水平谐波发射、DC偏移和不平衡、更高的瞬变发生率,以及电压暂降、暂升和短时中断,进一步可能导致未来智能电网中的功率输送能力退化。需求侧管理(DSM)可以分为能效和节能需求侧管理项目(效率较低的设备正在被低耗电设备替代),以及电气设备的直接DSM控制(峰值调整,负载转移以减小最大功率需求或损耗)。特定类型负载的连接/断开将改变网络特性,并影响公共连接点(PCC)处的系统性能,进而影响电网中的不平衡和谐波发射。逐渐增多的高能效设备对电能质量扰动将更加敏感。在未来的智能电网中,大规模实施需求侧管理将可能改变集中供电系统负载的结构。这将对负载和电网的电能质量性能的变化具有潜在的严重影响,尤其是在PCC处。应用的需求侧管理方案会引起电网中额外的交互作用和影响,例如,电压无功控制,电容器切换和有源/无源滤波,这将对电网中电能质量性能造成复杂且不容易量化的影响。未来智能电网中,重要的挑战将来自于电动汽车和分布式电源。在供电侧引入典型非线性电力电子负载-电动汽车充电设施,参与到需求侧管理中,可能对电能质量产生影响。小型分布式能源(分布式发电机,存储系统),作为需求侧管理的一部分,或者说,接入到有需求侧管理的电力系统中,可能对电能质量和可靠性产生影响。此外,对于基于电力电子技术的可控负载,其接入与断开的状态取决于电价,这些器件的更多使用会对配电网的电能质量影响提出新的挑战。8.新的测量技术新的电能质量现象和新的实用技术推动了新型智能电子设备和传感器的引入。JWG4.24关于新测量技术的进一步考虑在文献[8]中有讨论。后续的技术发展使得新的电能质量监测设备可以在较高频率下对电压和电流波形进行采样,分析速度更快,使用全球卫星定位技术更准确地记录事件的时间,以标准格式保存数据(PQDIF/IEEE标准1159.3和COMTRADE/IEEE标准C37.111),并使用无线通信。[$NewPage$]在未来电网中,有用传统电能质量分析仪的电能质量监测系统、有用于日常电网运行的传统设备(如继电器和控制器),以及包括具有电能质量测量功能的高级计量基础设施(AMI)等,需在他们之间找到平衡。这使电能质量相关投资和成本保持在可接受的水平。研究新的或比以往更频繁发生的干扰类型,可能需要额外的指标。另一方面,需要简化对电能质量的报告,使用较少的指标。可能还需要新的关于三相不平衡、间谐波、闪变和电压暂降指标。关于这个问题的讨论应尽快在工作组内开始。9.治理新技术如果干扰发生的概率高到不可接受的水平,也就是说电磁兼容能力严重不足,则通常需要采取治理措施。发生这种现象的原因可能是由于存在免疫性能较差的设备,或电网中的发射水平过高。引入治理措施通常使电磁兼容能力达到可接受的水平。可以通过下面三种不同方式引入治理装置:降低发射水平(设备或装置)提高电网性能/降低电网中的传输电压等级提高抗扰免疫力(设备或装置)一般来说,治理可以基于附加设备(增强免疫力或减少发射)和电网改造(减少干扰现象中的传输阻抗)。新型设备(特别是有源电力电子接口)抵抗不同类型扰动的免疫能力应当加以研究,并且提出改进和应当关注的免疫标准。附加设备可以集中配置,可能影响到多个客户,或分布式配置(通常作为用户装置的一部分),这仅影响单个用户装置或其中一部分。电网改造和附加设备这两种方法之间存在一定的重叠,例如,集中配置的谐波滤波器也会影响传输阻抗大小。加装治理装置,或提高设备本身的鲁棒性(例如加装EMI滤波器或改变电路拓扑结构),可以增加设备的免疫力。为了减少低次谐波发射水平并提高能量效率,越来越多的电子设备使用具有较高开关频率的电路拓扑。这种发展趋势将使发射从低频移向高频,因此对“传统”谐波的积极影响也会随之产生超谐波问题的负面影响。减轻一种电能质量问题的同时可能会导致另一种问题的加剧;因此,当试图优化一种情况时,应从“总体”去考虑。任何有源前端都能够用作有源谐波滤波器(例如光伏逆变器)。除了积极的方面,这种方法也可能引起一些问题,例如,当治理设备归用户所有,或者由于控制数量增加使低压电网的鲁棒性降低,都会对配电系统运行的合理性造成影响。治理措施的积极和消极方面,都必须仔细考虑。将单相设备(例如,EV充电器和PV逆变器)合理地分配到三相系统中的某一相,可以减少它们对不平衡的影响,而不需要额外的治理设备。通常,会有多个解决方案用于治理不同的现象。除了技术层面,在决定采取一种治理方案时要考虑到其他的方面,如鲁棒性,简单化和治理成本。10.结论向未来电网的过渡与电能质量之间的多层关系大致概括如下:可以用新的技术、法规和市场规则来提高电能质量。近年来的主要发展是采用专用电力电子控制器。其他的发展,如高级电压控制(取用来自多个位置的数据)和电能质量市场问题也不应被忽视。电能质量是电网发展暴露出来的一系列新挑战之一。例如:连接到低压电网的高渗透率的太阳能电池板,可能导致过电压;风机中换流器的开关频率导致谐波和不平衡发射;EV充电器产生谐波;热泵的反复启动导致可见光闪烁。从研究与实际应用的角度来看,最重要的问题是,随着新型设备连接到电网,可能引发出现新的干扰类型。当电网中的一些限制,如过载或稳定性极限得以满足时,电能质量可能产生出新的限制。因此,即使电能质量现在不是问题,在未来电网中它很可能会成为一个重要的问题。为此,设备制造商、电力公司、立法者和研究人员需要共同努力,以确保从当前电网有序地过渡到未来电网。(编译:新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学))
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