【推荐】一文通览未来电网电能质量挑战

NFT 阅读 175 2024-03-14 08:43:06

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。

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。