直流微网的电能质量问题

 

随着20世纪末电力电子技术的兴起以及直流输电工程的大规模建设，直流配电领域开始逐渐受到关注，而分布式电源的发展、直流负荷比重的增加及直流配电的自身高效特性进一步推动了微网研究重心向直流微网的倾斜。欧盟、日本、美国和中国业已纷纷开展直流微网相关方面的研究与示范工程，但均属于起步阶段，且大多集中于低压直流微网，其规划、建设与运行标准尚为空白，标称电压等级也未统一。

 

直流微网一般以直流配网为基础进行组网，即面向公用电网，其重要作用之一在于为敏感负荷提供高质量电能，因而电能质量问题必须在直流微网研究与规划阶段即予以考虑，是直流微网技术研究的一个重要方面。现有对直流微网的研究多集中于电压控制、保护及能量管理等方面，而很少涉及直流微网电能质量具体问题。对于推动直流微网的建设普及，直流微网电能质量的研究也是不可忽视的重要力量。

 

2 直流微网特点

 

1）系统的复杂性

 

直流微网属于典型的多源、多变换复杂系统，变流装置分布范围却遍布源、储、网、荷各个环节，某些极端情况下系统可靠性问题会变得较为突出。

 

2）传输的高效性

 

微源与负荷的接入仅需要一级变换，从而降低成本，减小了损耗，且不需要考虑传统输配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功能量，因而直流线路对绝缘强度的要求更低。

 

3）控制的解耦性

 

直流微网在控制上具有典型的底层复杂而上层简化的物理特性，而直流配电形式又避免了交流系统有功、无功与频率、电压之间的相互耦合影响。

 

4）拓扑的灵活性

 

直流微网无需考虑无功功率以及相应的无功环流问题，从而可以环网运行。在不考虑直流保护设备约束前提下，其拓扑结构与组网方式可灵活地选择环状及多端结构。

 

5）配电的隔离性

 

变流器具有一定的隔离作用，会弱化直流馈线带给负荷的电力扰动影响与负荷对馈线的电能质量干扰，并可实现故障隔离。

 

6）负荷的敏感性

 

直流负荷中有相当一部分含有精密电子器件，一般会接入相应电压等级的直流母线，与传统自身整流供电形式相比，易受同母线其他负荷以及上级线路电力扰动的影响。

 

3 直流微网典型电能质量现象

 

直流微网除需关注微网内部用户电能质量外，从电能质量追责的角度而言，直流微网接入导致公用交流配电系统产生的电能质量问题在原则上亦属于直流微网电能质量关注范围。因而，根据直流微网配电的隔离性与负荷对直流供电电能质量的敏感性，直流微网电能质量监测点应包括并网节点、直流配电节点以及用户负荷母线三类不同区域，如图1所示。

 

图1  直流微网电能质量监测点示意

 

1）并网节点电能质量问题

 

并网点处电能质量受到交流配电系统与直流微网两方面的耦合影响，直流微网接入公用交流配电系统易引起交流电压波动、交流线路直流偏置与变压器直流偏磁，而谐波与间歇波注入也可能导致波形畸变，以及并网变流器逆变运行下的本体谐振、局部谐振及全局谐振。

 

2）直流配电节点电能质量问题

 

直流配电节点受微源、负荷及交流侧系统的共同影响，其典型电能质量现象主要有电压暂降与暂升、电压偏差、电压波动、直流调制谐波等，属于直流微网运营者重点关注区域。

 

3）用户直流母线电能质量问题

 

用户负荷母线直接面向负荷供电，典型的电能质量问题有电压暂降与暂升、电压中断、电压偏差、电压波动和谐波等，其电能质量现象与直流配电线路类似。由于配电DC/DC变换器的隔离作用，用户母线电能质量问题成因中受用户级微源、负荷变流器及负荷影响的比重较之直流配电节点有所增加，属于用户直接关注的区域。

 

4 直流微网电能质量研究核心问题

 

1）电能质量现象挖掘与分析

 

为了系统地分析、研究和识别直流微网电能质量现象，从中找出引起供、用电设备不能正常工作的机理以及可接受的兼容限制，分析产生电能质量问题的原因，从而采取针对性的解决办法，因此需要借鉴交流系统电能质量问题分析的经验，对直流微网电能质量现象进行监测、挖掘和分析，对直流微网电能质量扰动源进行辨识、定位及分类，以作为电能质量评估与控制乃至标准化的工作基础。

 

2）直流微网电能质量评估

 

电能质量评估是基于对系统电气运行参数的实际测量或通过建模仿真获得基本数据后，对电能质量各项特性指标做出评价和对其是否满足规范要求进行考查与推断的过程，能够为直流微网规划、建设与运营提供重要的参考依据。此外，具有较高的供电可靠性一直是微网发展的重要推动力，但电力电子器件与装置的大规模应用又使得直流微网面临可靠性方面的严峻考验，供电可靠性也应作为直流微网电能质量评估的一项重要内容。因此，借鉴交流系统电能质量评估的方法与经验，建立适用于直流微网特点的运行与规划阶段电能质量评估方法十分必要。

 

3）直流微网电能质量控制

 

直流微网在提高分布式发电渗透率和新能源利用率前提下，应能为重要或敏感负荷提供高质量和可靠的电能，且不能影响所联配公用交流配网的电能质量。现有可用于直流微网电能质量控制的方法和措施大致分为三类：①利用附加设备针对性治理，如无源滤波器、直流有源滤波器、有源电能质量调节器、电压平衡器等；②利用微源参与功率平衡调节，如超级电容、飞轮储能、超导储能以及其他采用恒压输出的微源；③利用电力电子接口的控制算法改善微网运行环境。从控制成本来说，应以第三类为主，第一、二类为辅，但现有对于直流微网电能质量控制的研究由于直流微网自身发展水平的约束，尚属于起步阶段，均有待进一步研究与完善。

 

5 直流微网电能质量标准化

 

1）电能质量标准化的需求

 

2014年11月IEC SMB东京会议成立了IEC/SEG6非传统配电网/微网系统评估组，SEG6将会与IEC/SEG4低压直流工作组紧密合作，逐步开展直流微网相关标准的建立工作。直流微网是电源与负荷的整合体，DG的直流并网标准与直流负荷的电气传导环境兼容标准是影响微网相关标准制定的重要因素，前者受到自身设备与控制技术的限制，而后者又涉及现有部分负荷的直流改造问题，两者又同时归属于直流微网电能质量标准。因此，直流微网相关标准需要考虑的问题比单纯的DG并网乃至交流微网要更多一些，牵扯范围更广，内容上也将更为丰富，更受到直流微网电能质量标准缺乏的制约。

 

图2  直流微网电能质量研究框架

 

2）直流微网电能质量标准化工作

 

直流微网电能质量标准化依赖于对电能质量现象挖掘与分析、电能质量评估与控制研究的完备程度，是三者工程实际化的具体应用与凝练，并会进一步反作用规范并指导三者的工程实践，从而逐步提高直流微网供电电能质量，其工作概括起来主要有以下几个方面：①规定标称环境；②定义技术名词；③量化质量指标；④推荐检测与评估方法；⑤制定微源及微网并网规程；⑥制定电能质量治理设备规范。

 

6 结语

 

1）直流微网电能质量需作为直流微网研究的重要部分，应包括电能质量现象挖掘分析、评估与控制等内容。

 

2）需开展相应的电能质量标准化工作以作为直流微网相关标准的重要组成，以及对传统电能质量体系在直流微网下的补充与拓展。

 

3）直流微网的规划与建设应充分考虑其特殊性，应建立合适的规划阶段电能质量评估与供电可靠性评估方法。

 

4）研发适用于直流微网电能质量改善与控制的装置、设备及相应控制算法，尤其针对多变流器下多种电能质量现象的协调治理问题。