直流微網(wǎng)的電能質(zhì)量問題

研究意義1

隨著20世紀(jì)末電力電子技術(shù)的興起以及直流輸電工程的大規(guī)模建設(shè)，直流配電領(lǐng)域開始逐漸受到關(guān)注，而分布式電源的發(fā)展、直流負(fù)荷比重的增加及直流配電的自身高效特性進(jìn)一步推動了微網(wǎng)研究重心向直流微網(wǎng)的傾斜。歐盟、日本、美國和中國業(yè)已紛紛開展直流微網(wǎng)相關(guān)方面的研究與示范工程，但均屬于起步階段，且大多集中于低壓直流微網(wǎng)，其規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)尚為空白，標(biāo)稱電壓等級也未統(tǒng)一。

直流微網(wǎng)一般以直流配網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行組網(wǎng)，即面向公用電網(wǎng)，其重要作用之一在于為敏感負(fù)荷提供高質(zhì)量電能，因而電能質(zhì)量問題必須在直流微網(wǎng)研究與規(guī)劃階段即予以考慮，是直流微網(wǎng)技術(shù)研究的一個重要方面。現(xiàn)有對直流微網(wǎng)的研究多集中于電壓控制、保護(hù)及能量管理等方面，而很少涉及直流微網(wǎng)電能質(zhì)量具體問題。對于推動直流微網(wǎng)的建設(shè)普及，直流微網(wǎng)電能質(zhì)量的研究也是不可忽視的重要力量。

直流微網(wǎng)特點(diǎn)2

1)系統(tǒng)的復(fù)雜性

直流微網(wǎng)屬于典型的多源、多變換復(fù)雜系統(tǒng)，變流裝置分布范圍卻遍布源、儲、網(wǎng)、荷各個環(huán)節(jié)，某些極端情況下系統(tǒng)可靠性問題會變得較為突出。

2)傳輸?shù)母咝?/p>

微源與負(fù)荷的接入僅需要一級變換，從而降低成本，減小了損耗，且不需要考慮傳統(tǒng)輸配電線路的渦流損耗和線路吸收的無功能量，因而直流線路對絕緣強(qiáng)度的要求更低。

3)控制的解耦性

直流微網(wǎng)在控制上具有典型的底層復(fù)雜而上層簡化的物理特性，而直流配電形式又避免了交流系統(tǒng)有功、無功與頻率、電壓之間的相互耦合影響。

4)拓?fù)涞撵`活性

直流微網(wǎng)無需考慮無功功率以及相應(yīng)的無功環(huán)流問題，從而可以環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。在不考慮直流保護(hù)設(shè)備約束前提下，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與組網(wǎng)方式可靈活地選擇環(huán)狀及多端結(jié)構(gòu)。

5)配電的隔離性

變流器具有一定的隔離作用，會弱化直流饋線帶給負(fù)荷的電力擾動影響與負(fù)荷對饋線的電能質(zhì)量干擾，并可實(shí)現(xiàn)故障隔離。

6)負(fù)荷的敏感性

直流負(fù)荷中有相當(dāng)一部分含有精密電子器件，一般會接入相應(yīng)電壓等級的直流母線，與傳統(tǒng)自身整流供電形式相比，易受同母線其他負(fù)荷以及上級線路電力擾動的影響。

直流微網(wǎng)典型電能質(zhì)量現(xiàn)象3

直流微網(wǎng)除需關(guān)注微網(wǎng)內(nèi)部用戶電能質(zhì)量外，從電能質(zhì)量追責(zé)的角度而言，直流微網(wǎng)接入導(dǎo)致公用交流配電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題在原則上亦屬于直流微網(wǎng)電能質(zhì)量關(guān)注范圍。因而，根據(jù)直流微網(wǎng)配電的隔離性與負(fù)荷對直流供電電能質(zhì)量的敏感性，直流微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)包括并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、直流配電節(jié)點(diǎn)以及用戶負(fù)荷母線三類不同區(qū)域，如圖1所示。

圖1 直流微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)示意

1)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量問題

并網(wǎng)點(diǎn)處電能質(zhì)量受到交流配電系統(tǒng)與直流微網(wǎng)兩方面的耦合影響，直流微網(wǎng)接入公用交流配電系統(tǒng)易引起交流電壓波動、交流線路直流偏置與變壓器直流偏磁，而諧波與間歇波注入也可能導(dǎo)致波形畸變，以及并網(wǎng)變流器逆變運(yùn)行下的本體諧振、局部諧振及全局諧振。

2)直流配電節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量問題

直流配電節(jié)點(diǎn)受微源、負(fù)荷及交流側(cè)系統(tǒng)的共同影響，其典型電能質(zhì)量現(xiàn)象主要有電壓暫降與暫升、電壓偏差、電壓波動、直流調(diào)制諧波等，屬于直流微網(wǎng)運(yùn)營者重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

3)用戶直流母線電能質(zhì)量問題

用戶負(fù)荷母線直接面向負(fù)荷供電，典型的電能質(zhì)量問題有電壓暫降與暫升、電壓中斷、電壓偏差、電壓波動和諧波等，其電能質(zhì)量現(xiàn)象與直流配電線路類似。由于配電DC/DC變換器的隔離作用，用戶母線電能質(zhì)量問題成因中受用戶級微源、負(fù)荷變流器及負(fù)荷影響的比重較之直流配電節(jié)點(diǎn)有所增加，屬于用戶直接關(guān)注的區(qū)域。

直流微網(wǎng)電能質(zhì)量研究核心問題4

1)電能質(zhì)量現(xiàn)象挖掘與分析

為了系統(tǒng)地分析、研究和識別直流微網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)象，從中找出引起供、用電設(shè)備不能正常工作的機(jī)理以及可接受的兼容限制，分析產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原因，從而采取針對性的解決辦法，因此需要借鑒交流系統(tǒng)電能質(zhì)量問題分析的經(jīng)驗(yàn)，對直流微網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測、挖掘和分析，對直流微網(wǎng)電能質(zhì)量擾動源進(jìn)行辨識、定位及分類，以作為電能質(zhì)量評估與控制乃至標(biāo)準(zhǔn)化的工作基礎(chǔ)。

2)直流微網(wǎng)電能質(zhì)量評估

電能質(zhì)量評估是基于對系統(tǒng)電氣運(yùn)行參數(shù)的實(shí)際測量或通過建模仿真獲得基本數(shù)據(jù)后，對電能質(zhì)量各項(xiàng)特性指標(biāo)做出評價和對其是否滿足規(guī)范要求進(jìn)行考查與推斷的過程，能夠?yàn)橹绷魑⒕W(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)營提供重要的參考依據(jù)。此外，具有較高的供電可靠性一直是微網(wǎng)發(fā)展的重要推動力，但電力電子器件與裝置的大規(guī)模應(yīng)用又使得直流微網(wǎng)面臨可靠性方面的嚴(yán)峻考驗(yàn)，供電可靠性也應(yīng)作為直流微網(wǎng)電能質(zhì)量評估的一項(xiàng)重要內(nèi)容。因此，借鑒交流系統(tǒng)電能質(zhì)量評估的方法與經(jīng)驗(yàn)，建立適用于直流微網(wǎng)特點(diǎn)的運(yùn)行與規(guī)劃階段電能質(zhì)量評估方法十分必要。

3)直流微網(wǎng)電能質(zhì)量控制

直流微網(wǎng)在提高分布式發(fā)電滲透率和新能源利用率前提下，應(yīng)能為重要或敏感負(fù)荷提供高質(zhì)量和可靠的電能，且不能影響所聯(lián)配公用交流配網(wǎng)的電能質(zhì)量。現(xiàn)有可用于直流微網(wǎng)電能質(zhì)量控制的方法和措施大致分為三類：①利用附加設(shè)備針對性治理，如無源濾波器、直流有源濾波器、有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、電壓平衡器等;②利用微源參與功率平衡調(diào)節(jié)，如超級電容、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能以及其他采用恒壓輸出的微源;③利用電力電子接口的控制算法改善微網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。從控制成本來說，應(yīng)以第三類為主，第一、二類為輔，但現(xiàn)有對于直流微網(wǎng)電能質(zhì)量控制的研究由于直流微網(wǎng)自身發(fā)展水平的約束，尚屬于起步階段，均有待進(jìn)一步研究與完善。

直流微網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化5

1)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的需求

2014年11月IEC SMB東京會議成立了IEC/SEG6非傳統(tǒng)配電網(wǎng)/微網(wǎng)系統(tǒng)評估組，SEG6將會與IEC/SEG4低壓直流工作組緊密合作，逐步開展直流微網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立工作。直流微網(wǎng)是電源與負(fù)荷的整合體，DG的直流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與直流負(fù)荷的電氣傳導(dǎo)環(huán)境兼容標(biāo)準(zhǔn)是影響微網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的重要因素，前者受到自身設(shè)備與控制技術(shù)的限制，而后者又涉及現(xiàn)有部分負(fù)荷的直流改造問題，兩者又同時歸屬于直流微網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，直流微網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要考慮的問題比單純的DG并網(wǎng)乃至交流微網(wǎng)要更多一些，牽扯范圍更廣，內(nèi)容上也將更為豐富，更受到直流微網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)缺乏的制約。

圖2 直流微網(wǎng)電能質(zhì)量研究框架

2)直流微網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化工作

直流微網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化依賴于對電能質(zhì)量現(xiàn)象挖掘與分析、電能質(zhì)量評估與控制研究的完備程度，是三者工程實(shí)際化的具體應(yīng)用與凝練，并會進(jìn)一步反作用規(guī)范并指導(dǎo)三者的工程實(shí)踐，從而逐步提高直流微網(wǎng)供電電能質(zhì)量，其工作概括起來主要有以下幾個方面：①規(guī)定標(biāo)稱環(huán)境;②定義技術(shù)名詞;③量化質(zhì)量指標(biāo);④推薦檢測與評估方法;⑤制定微源及微網(wǎng)并網(wǎng)規(guī)程;⑥制定電能質(zhì)量治理設(shè)備規(guī)范。

結(jié)語6

1)直流微網(wǎng)電能質(zhì)量需作為直流微網(wǎng)研究的重要部分，應(yīng)包括電能質(zhì)量現(xiàn)象挖掘分析、評估與控制等內(nèi)容。

2)需開展相應(yīng)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化工作以作為直流微網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要組成，以及對傳統(tǒng)電能質(zhì)量體系在直流微網(wǎng)下的補(bǔ)充與拓展。

3)直流微網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè)應(yīng)充分考慮其特殊性，應(yīng)建立合適的規(guī)劃階段電能質(zhì)量評估與供電可靠性評估方法。

4)研發(fā)適用于直流微網(wǎng)電能質(zhì)量改善與控制的裝置、設(shè)備及相應(yīng)控制算法，尤其針對多變流器下多種電能質(zhì)量現(xiàn)象的協(xié)調(diào)治理問題。

本文引文信息

陳鵬偉,肖湘寧,陶順.直流微網(wǎng)電能質(zhì)量問題探討[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(10):148-158. DOI: 10.7500/AEPS20150602004.

CHEN Pengwei,XIAO Xiangning,TAO Shun.Discussion on Power Quality Problems for DC Microgrid[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(10):148-158. DOI: 10.7500/AEPS20150602004.

直流微網(wǎng)的電能質(zhì)量問題

DOI: 10.7500/AEPS20150602004

陳鵬偉，肖湘寧，陶順

原文發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動化》2016年第40卷第10期。