配电网电力电子化的发展和超高次谐波新问题

分类：电力论文发表 时间：2018-08-30 14:02 关注：(1)

　　肖湘宁廖坤玉唐松浩范文杰

　　(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)北京102206)

　　摘要结合功率半导体技术和智能配电网技术的发展与进步，探讨电力电子化的科学内涵和四个方面的特点，分析了电力电子化的重大需求。电力电子技术的广泛应用改变了传统电力系统的源-网-荷电气参数及特性，新一代智能配电网呈现出非线性、高敏感、快变化、冲击性、多能调控的特征，给电网的优质电能保障和安全稳定运行带来了重大挑战。该文归纳总结衍生出的典型问题，指出应从理念视角、理论方法和技术标准三方面体系化地研究和解决问题。其中超高次谐波是配电网电力电子化发展背景下出现的新问题，国内外对此课题的研究刚刚开始。该文重点梳理了超高次谐波的起因、发生源的规律与特点、危害、传播特性和标准的研究现状，然后从频域、时域、时-频域整理并介绍了超高次谐波发射标准的一些建议指标，供读者参考。

　　关键词：智能配电网电力电子化电能质量新问题超高次谐波中图分类号：TM712

　　DevelopmentofPower-ElectronizedDistributionGridsandtheNewSupraharmonicsIssuesXiaoXiangningLiaoKunyuTangSonghaoFanWenjie(StateKeyLaboratoryforAlternateElectricalPowerSystemwithRenewableEnergySourcesNorthChinaElectricPowerUniversityBeijing102206China)AbstractCombiningwiththedevelopmentandapplicationofsemiconductortechnologyandsmartdistributiongrids,thispaperdiscussesthepower-electronizedsystemanditscharacteristicsoffouraspects,andalsoanalyzesitsmajordemands.Thepower-electronizationhaschangedthesource-grid-loadparametersandcharacteristicsoftraditionalpowersystems.Anewgenerationofpowersystempresentsthefeaturesofnonlinearity,highlysensibility,fastvariation,impactandmulti-energyregulation,whichbringsgreatchallengestohighpowerqualityandstableoperationofpowersystem.Thispapersummarizedthetypicalproblems,andpointedoutthatnewconcepts,newtheories,newmethodsandnewtechnicalstandardsshouldbetakenasawholetosolveproblems.Supraharmonicisanewissueunderthepower-electronizedbackgroundofdistributiongrids.Thispaperfocusesontheorigin,characteristics,hazards,propagationandelectromagneticcompatibilitystandardofsupraharmonics.Thenfromtheaspectsoffrequencydomain,timedomainandtime-frequencydomain,thispaperalsointroducessomesuggestedindexesforreference.

　　Keywords：Smartdistributiongrids,power-electronized,newpowerqualityissues,supraharmonics

　　0引言

　　配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，对实现智能电网和能源互联网战略目标起着关键作用[1]。“十三五”成为我国配电网大发展的重要时期，国家能源局于2015年8月31日发布“配电网建设改造行动计划(2015—2020年)”[2]，明确提出2015～2020年投资超过2万亿元、全面加快智能配电网建设。

　　从整体来看，源-网-荷的协调控制是新一代电力系统发展的重要趋势和基本特征。2016年新增装机中风电、光伏占比已超过燃煤机组，达到41.8%[3]，随着可再生能源利用的持续深化，电力电子并网装备将显著改变电源的动态行为;在电网侧，特高压直流、柔性直流和柔性交流输电技术广泛应用，输电网络的大功率电力电子变换器应用改变了电源与负荷之间的相互作用规律;在负荷侧，分布式发电、直流配电网和微电网技术蓬勃兴起，智能移动设备和电动运输工具(电动汽车、高铁和电驱舰船)等越发普及，基于电力电子变换技术的整流和逆变依然是灵活高效利用电能的重要需求，这势必造成负荷侧逐渐走向高度电力电子化[4]。此背景下，新能源发电和储能的大量接入以及用户对供电的多元化需求，促使配电网加快了电力电子化的进程，给智能配电网的运行控制和管理维护带来了一系列新的理论与技术的挑战[5]。

　　实践证明，电力电子变换技术在增强了配电网可控性、灵活性的同时，已引起了许多局部振荡事件与电能质量问题。1995年，在苏黎世发生了四象限电力机车与牵引网间的功率振荡现象，这是典型的多个电力电子装置与供电系统之间出现的谐振激发现象。2007年12月，大秦线的和谐号动车因投入电力机车数过多出现了机网振荡问题[6]。在现代港口电力系统中，特别是基于电力变换技术的能量回馈装置在桥吊、门机等港口设备上的大量配置，在特定运行条件下，存在较大的冲击负荷，导致电网电压严重波动和不稳定、设备损耗发热等问题。洋山深水港区的供配电系统曾多次发生主导频率为12Hz的电压闪变严重超标，电压幅值波动范围高达±9%，导致部分负荷退出运行，以2006年12月、2008年9月和2009年1月的电能质量事件最为严重[7]。配电网电力电子化与半导体器件技术紧密关联。当前迅速发展的第三代功率半导体主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(Eg>2.3eV)半导体材料为基础[8]。由于第三代半导体材料具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用[9]，美、日、欧等发达国家已将其列入国家计划，而中国科技部也于2013年在“863计划”新材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及应用列为重要内容[8]。新型半导体材料制成的器件，与Si半导体器件相比，具有开关损耗低、开关频率高、耐高温、反向截止电压高的特点，在未来的配电系统中有可能逐渐成为新一代高电压、低损耗、高功率密度电力电子装置的主要组成器件[10]。配电网电力电子化必然带来诸多电能质量新问题。随着接入电网的半导体器件开关频率的提高，变换器注入电网的谐波向着高频化方向延伸，其中2～150kHz的高频畸变[11]引起了国内外大学、研究机构以及相关国际标准化组织的高度关注，在2013年的IEEE电力与能源国际会议上，电能质量标准工作组主席Emanuel首次将电力系统电压、电流中的这部分高频成分定义为超高次谐波(supraharmonics)[12]。

　　瑞典吕勒奥科技大学研究超高次谐波的课题组，通过大量的测量和分析，初步归纳出了低压电网中超高次谐波的产生机理和传播特性[13]。然而，国内外对超高次谐波这一新问题的产生机理、危害影响、传播特性、测量分析、标准制定等，均处于起步阶段。随着新能源的推广，风电变换器、光伏逆变器、电动汽车充电桩等电气设备在电网中的渗透率越来越高，超高次谐波引起的电能质量问题将越来越多，其危害无疑会越来越严重。超高次谐波频谱跨度宽、起因多样、传播交互作用复杂，随着半导体技术的发展，正迅速衍生成为新型电能质量问题，极具挑战性和紧迫性，需引起电能质量领域研究学者的广泛重视并及时跟进，深入研究超高次谐波的产生机理、传播规律、测量方法和标准。

　　本文结合智能配电网的科技发展，探讨了电力电子化的科学内涵和四个方面的特点，分析了电力电子技术应用的重大需求，重点归纳总结了由此衍生出的超高次谐波新问题的研究动态，梳理了超高次谐波的起因、发生源的规律与特点、危害、传播特性和指标标准的研究现状。针对现有研究工作中存在的局限性和就事论事等问题，指出应从理念视角、理论方法和技术标准三方面体系化地思考和解决电力电子化带来的挑战和问题，并从频域、时域、时-频域整理并介绍了超高次谐波发射标准的一些建议指标，供读者参考。

　　1电力电子化的必然趋势与重大需求

　　自电力系统建立以来，对电能的灵活控制、特性调节和有效储存一直是人们在解决的重大科学技术难题。电子集成工艺及技术与电能量流控制的成功结合，新兴的电力电子技术开始在电力系统发挥出越来越大的作用，并逐渐使电力系统走向智慧可控这一重大需求得以实现。这一重要突破使得在智能电网中电力电子技术以其独有的特长和功效表现出不可替代的作用。它不仅以不同时间尺度的快速固态通断替代了传统电路中的机械开关，而且通过各类拓扑结构的变换改变着电力系统的运行功能和电气性能，使其从基本不可控转变为可控、自动可控到智慧可控。其中，半导体技术是电力电子化的关键技术与实现基础，反过来电力电子化的发展有力推动了功率半导体制造技术的开拓与进步。

　　2电力电子化面临的诸多挑战

　　电力电子化改变了传统电力系统的源、网、荷的电气参数及特性，新能源发电成为主导能源的进程加快，分散式合作平面化微网群逐渐兴起，高技术、多样性强非线性负荷比例增加，功率变换系统高级技术成为关键，电能输送与信息传递技术正相互融合[19]。最新研究指出，器-网(变换器-电网)，器-器，网-网之间的交互作用强烈、频繁和复杂。电力电子化已经给配电网的分析设计、稳定运行和电能质量带来重大挑战，需要人们从理念和视角、理论和方法以及技术和标准三方面体系化的思考和解决问题。

　　3电力电子化带来的电能质量新问题

　　随着电力电子技术日趋复杂化和多样化，大量具有冲击性、非线性、不平衡性特征的电力电子装置造成配电网电能质量的持续恶化。而21世纪的电力电子化进程下的电能质量扰动更加错综复杂，扰动源具有不确定性，且产生的扰动之间相互作用，这些扰动对电磁干扰的发生概率产生影响，引起了诸多电能质量新问题：如电压快速变化，三相不平衡更频繁，间谐波、低频次谐波和2kHz以上的超高频谐波分量问题大幅度增加，非工频分量向次同步频段和高频段两端转移。

　　4超高次谐波的认识与研究

　　2～150kHz的超高次谐波是电能质量领域中随着电力系统的智能化发展和器件技术进步衍生出的极具挑战的新课题。特别是受到可再生能源的电网逆变器和开关电源的影响，这类谐波大量引入配电网。引发了不少电能质量新问题，迫切需要深入探讨。

　　5结论

　　智能配电网的实质是融合先进信息技术的电力系统的电力电子化。本文探讨了它的科学内涵和四个方面的特点，归纳总结了衍生出的典型电能质量问题。主要结论如下：

　　(1)第三代半导体材料的开关频率和功率密度极大提高，为配电网的电力电子化提供物质和技术基础的同时，也使其具有了显著的非线性、高敏感、快变化、冲击性和多能调控的特征。

　　(2)电力电子化配电网的电力扰动现象和交互影响机理错综复杂，出现许多电能质量新问题，电能质量扰动的概率变化和扰动频率发生转移尤其须引起注意。

　　(3)2～150kHz的超高次谐波将迅速发展成为新型电能质量专题，研究学者应广泛重视并及时跟进，深入研究其产生机理、传播规律、测量方法和标准。(4)需要从新理念和新视角、新理论和新方法以及新技术和新标准三方面体系化的思考和解决配电网电力电子化带来的问题

　　参考文献

　　[1]马钊,周孝信,尚宇炜,等.未来配电系统形态及发展趋势[J].中国电机工程学报,2015,35(6):1289-1298.MaZhao,ZhouXiaoxin,ShangYuwei,etal.Formanddevelopmenttrendoffuturedistributionsystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2015,35(6):1289-1298.

　　[2]国家能源局.配电网建设改造行动计划(2015-202年)[EB/OL].(2015-08-31).http://www.nea.gov.cn/2015-09/08/c_134600984.htm.

　　[3]中电联、2016年全国电力工业统计快报一览表,2017,1.

　　[4]马钊,安婷,尚宇炜.国内外配电前沿技术动态及发展[J].中国电机工程学报,2016,36(6):1552-1567.MaZhao,AnTing,ShangYuwei.Stateoftheartanddevelopmenttrendsofpowerdistributiontechnologies[J].ProceedingsoftheCSEE,2016,36(6):1552-1567.

　　[5]赵敏,李顺昕,岳云力,等.配电网电力电子化的表现形态及影响分析[J].中国高新技术企业,2017(1):149-150.ZhaoMin,LiShunxin,YueYunli,etal.Analysisonthemanifestationandinfluenceofpower-electronizationindistributiongrids[J].ChinaHighTechEnterprises,2017(1):149-150.