新型電力系統(tǒng)背景下高品質(zhì)供電關(guān)鍵技術(shù)問題初探

全中國正在推進一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，實現(xiàn)“雙碳”目標，即力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和最主要舉措之一。

一、對新型電力系統(tǒng)的認識

全中國正在推進一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，實現(xiàn)“雙碳”目標，即力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和最主要舉措之一。

在能源轉(zhuǎn)型中，我國在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的發(fā)展路徑中大體經(jīng)歷三個階段。第一代電力系統(tǒng)：從19世紀末至20世紀60年代，特點是小機組、低電壓、小電網(wǎng)和小規(guī)模，電網(wǎng)安全和供電可靠性較低，此時的電源和電網(wǎng)處于初級發(fā)展模式。第二代電力系統(tǒng)：從20世紀70年代至21世紀初，特點是大機組、超高壓和大電網(wǎng)，安全性和可靠性得以提高，但大電網(wǎng)停電風(fēng)險依然存在，且仍然高度依賴化石能源，是一種不可持續(xù)的發(fā)展模式。第三代電力系統(tǒng)：從21世紀初至21世紀中葉，以可再生能源和清潔能源發(fā)電為主，骨干電源與分布式電源結(jié)合，主干電網(wǎng)與局域配電網(wǎng)、微電網(wǎng)相結(jié)合。在這期間，供電可靠性大幅提高，是以非化石能源為主的綜合能源電力系統(tǒng)，是一種可持續(xù)的發(fā)展模式。

新型電力系統(tǒng)的主要特征是依托信息化、數(shù)字化、智能化等現(xiàn)代科技手段，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的顯著特征是風(fēng)電、光伏等新能源在電源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，由于新能源具有隨機性、波動性、間歇性等特點，電網(wǎng)在持續(xù)可靠供電、安全穩(wěn)定等方面面臨重大挑戰(zhàn)。

總而言之，新型電力系統(tǒng)的核心特征是能充分應(yīng)對電源變化、電網(wǎng)變化、負荷變化，從而構(gòu)建高比例可再生能源，高比例電力電子裝備，含綜合能源且具備多能互補，實現(xiàn)物理信息深度融合的智能電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)。

                                 圖 1 能源轉(zhuǎn)型中我國新一代電力系統(tǒng)的技術(shù)特征

二、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的電能質(zhì)量問題與挑戰(zhàn)

新能源發(fā)電具有隨機性、波動性、間歇性，并且新能源發(fā)電的滲透率將不斷提高，這些特性會造成嚴重的電能質(zhì)量問題。新能源產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題主要有以下三個方面：

1. 電壓暫降、波動和閃變等問題

電壓暫降問題已成為全世界電網(wǎng)經(jīng)濟損失最大和社會影響最嚴重的電能質(zhì)量問題。大規(guī)模新能源發(fā)電替代常規(guī)機組可能導(dǎo)致電網(wǎng)短路容量下降，使故障概率增大，電壓暫降嚴重程度增加。另外，高比例新能源電力系統(tǒng)的故障的影響范圍將增大，故障引起的暫降域增大，受影響的負荷數(shù)量增多。

電壓暫降特征由電力系統(tǒng)繼電保護特性決定，而用電設(shè)備抗擾水平?jīng)Q定了電壓暫降影響的程度，敏感負荷須在規(guī)劃設(shè)計階段考慮電壓暫降的影響，系統(tǒng)、負荷和設(shè)備側(cè)的電壓暫降解決方案均須較大的資金投入。以安全性、經(jīng)濟性和有效性為約束條件，提升設(shè)備耐受特性，優(yōu)化電網(wǎng)保護策略，多維度協(xié)同暫降治理裝置補償?shù)?，從點—層—面系統(tǒng)削弱電壓暫降影響，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)。

                                   圖 2 10kV和0.38kV系統(tǒng)故障電壓暫降事件

電壓波動和閃變是連續(xù)型電能質(zhì)量指標，電壓事件將引起閃變測量值的異常。隨著新型電力系統(tǒng)中用電設(shè)備類型的變化，閃變的產(chǎn)生機理發(fā)生了變化，閃變的標準如何適應(yīng)閃變機理的演變是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。比如，伴隨燈具變革，造成閃變現(xiàn)象的機理已經(jīng)發(fā)生變化，閃變的標準內(nèi)容需要更新；沖擊性負荷引起的快速電壓變化是值得關(guān)注的新問題；有源型電能質(zhì)量裝置對波動和閃變治理能力須提升。

圖 3 瞬時擾動對相位繼電器的影響

圖 4 內(nèi)置電子鎮(zhèn)流器的緊湊型熒光燈間諧波閃變特性

圖 5 110kV以上系統(tǒng)有載調(diào)壓對快速電壓變化和閃變的影響

電壓偏差問題因高比例分布式新能源發(fā)電而越發(fā)突出，如南方富含小水電地區(qū)的農(nóng)村電網(wǎng)長期飽受電壓合格率問題困擾。當(dāng)分布式新能源發(fā)電達到一定占比時，低壓系統(tǒng)、中壓系統(tǒng)，將會出現(xiàn)雙向潮流，甚至在高壓系統(tǒng)中也會出現(xiàn)雙向潮流。

目前，電力系統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器主要集中在110kV和220kV電壓等級，而中低壓配電變壓器幾乎沒有調(diào)壓功能，傳統(tǒng)無功補償裝置在中低壓系統(tǒng)中調(diào)壓效果并不顯著。隨著電力電纜中高壓化及比例增大，費蘭梯效應(yīng)(Ferranti effect)將造成城市配電網(wǎng)的輕（空）載運行時電壓升高情況增多。

因此，在經(jīng)濟性、安全性、有效性等多目標約束條件下，構(gòu)建協(xié)同的輸配電網(wǎng)，具備就地靈活消納能力，治理裝置相互配合，優(yōu)化輸配電網(wǎng)運行方式及功率潮流的系統(tǒng)級解決方案，是解決高滲透率新能源發(fā)電并網(wǎng)電壓偏差問題的關(guān)鍵。

圖 6農(nóng)網(wǎng)光伏扶貧接入造成的電壓偏差越限問題

2. 頻率越限問題

由于新型電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)性矛盾突出，高比例波動性，直流換相失敗，間歇性光伏發(fā)電和風(fēng)電等變流器電源造成系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和頻率調(diào)節(jié)能力持續(xù)下降，使電網(wǎng)頻率越限風(fēng)險顯著增加。另外，新型電網(wǎng)中將會出現(xiàn)大電網(wǎng)、微電網(wǎng)和孤網(wǎng)并存情況。微網(wǎng)、孤網(wǎng)運行方式，沖擊性負荷應(yīng)用場景下，頻率控制難度將加大。

提升新型電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力及頻率越限后電網(wǎng)和設(shè)備的設(shè)計和保護能力，是高比例新能源下電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)問題的重大挑戰(zhàn)。頻率變化范圍增大，對電力系統(tǒng)廣泛使用的并聯(lián)電容器無功補償裝置的串聯(lián)電抗率設(shè)計、電力用戶中大量的中壓無源濾波裝置的調(diào)諧點設(shè)計，以及這些補償裝置的安全穩(wěn)定運行帶來了一定挑戰(zhàn)。

圖 7 某鋼鐵廠10kV母線監(jiān)測到的頻率越限事件

3. 高電壓等級和高頻次諧波問題

隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用，高壓直流輸電換流閥、風(fēng)電變流器、光伏逆變器、充電樁、LED照明等各類電力電子裝置的規(guī)模化應(yīng)用，電網(wǎng)中諧波運行水平逐漸惡化，呈現(xiàn)出高電壓等級、高諧波頻率、高耦合諧振風(fēng)險的“三高”特點。新型電力系統(tǒng)中，背景諧波含量顯著增加、諧波源交互影響加劇、諧波檢測手段不夠完善、諧波測試數(shù)據(jù)可靠性偏低，這些問題給諧波污染源的潮流辨識、責(zé)任劃分、綜合評估及優(yōu)化治理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)直流輸電換流站交流濾波系統(tǒng)造成5次諧波放大，并通過1000kV省級電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線傳輸，造成地區(qū)電網(wǎng)5次背景諧波電壓偏高或超標，對地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成影響，傳統(tǒng)的高壓直流濾波器設(shè)計需考慮寬頻帶諧振和諧波放大問題。

各類新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，開關(guān)頻率逐漸提升，電力電子器件產(chǎn)生的高次或超高次諧波頻率顯著增加，電網(wǎng)中的高次或超高次諧波含量逐漸增加，使新型電力系統(tǒng)諧波呈現(xiàn)高頻化特征。目前，超高次諧波檢測手段和方法不完善、系統(tǒng)等效模型不確定性，給超高次諧波研究帶來了較大挑戰(zhàn)；超高次諧波的研究尚處于起步階段，超高次諧波的產(chǎn)生機理及傳遞規(guī)律還存在不確定性，相關(guān)標準不夠完善，治理手段欠缺。

電力電子設(shè)備規(guī)?；⒕W(wǎng)后，變流器群間會產(chǎn)生交互影響，變流器的入口濾波器或電纜之間會產(chǎn)生諧振問題。諧振頻率及諧振峰值主要受逆變器數(shù)量、系統(tǒng)短路容量、電纜長度的影響，當(dāng)逆變器數(shù)量越多，低頻段并聯(lián)諧振點越低，高頻段并聯(lián)諧振點越高，導(dǎo)致諧振風(fēng)險越高。

圖 8 高電壓等級諧波來源

圖 9 高頻次諧波事件

圖 10 電氣化鐵路產(chǎn)生的超高次諧波及其傳遞規(guī)律

三、總結(jié)與展望

實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)高品質(zhì)供電，其核心目標是要讓提供給敏感設(shè)備的電能，以及為敏感設(shè)備配置的接地系統(tǒng)均確保設(shè)備正常工作。而導(dǎo)致用電設(shè)備故障或誤動作的任何電力問題都屬于電能質(zhì)量問題范疇，其表現(xiàn)形式就是電壓、電流或頻率的偏差以及諧波。解決電能質(zhì)量問題可從三個方面入手，降低干擾源設(shè)備發(fā)射水平，提高電網(wǎng)對干擾源的接納能力，和提高敏感性設(shè)備抗干擾水平。

實現(xiàn)高品質(zhì)供電不僅需要技術(shù)的革新，靈活的機制，跨領(lǐng)域的協(xié)作，以及科學(xué)的規(guī)劃和設(shè)計步驟。首先基于電能質(zhì)量的一系列標準，對電能質(zhì)量的電壓電流、頻率和諧波表現(xiàn)進行評估，然后根據(jù)電能質(zhì)量評估結(jié)果實現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)計，以及電能質(zhì)量本身的監(jiān)測和治理方案設(shè)計。

圖 11 考慮電能質(zhì)量約束的新型電力系統(tǒng)配電設(shè)計步驟

電能質(zhì)量監(jiān)測是開展電能質(zhì)量評估、干擾定位、責(zé)任劃分等其他分析的基石，是電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督工作不可或缺的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。未來，電能質(zhì)量監(jiān)測需解決三方面問題。一是海量數(shù)據(jù)的管理與高級應(yīng)用，即保障海量數(shù)據(jù)的同步性，深度挖掘海量數(shù)據(jù)信息，提升多源數(shù)據(jù)共享能力和兼容性。二是數(shù)據(jù)的可靠性分析與應(yīng)對策略，由于硬件設(shè)備和算法能力的不足無法滿足新型電力系統(tǒng)復(fù)雜的電能質(zhì)量參數(shù)測量和指標評估。三是監(jiān)測點最優(yōu)化布局策略，即在有限的監(jiān)測點數(shù)量上你，進行空間上的最優(yōu)化布置，拓寬利用價值，實現(xiàn)電能質(zhì)量干擾源定位、責(zé)任劃分、治理等復(fù)雜應(yīng)用場景。

在電能質(zhì)量綜合評估與治理方面，首要因素是要解決測試數(shù)據(jù)的準確性及完備性。其次，由于電能質(zhì)量問題交互耦合，給電能質(zhì)量污染源潮流辨識、責(zé)任劃分、綜合評估及治理優(yōu)化帶來了極大挑戰(zhàn)，需要新技術(shù)、新理論、新框架，構(gòu)建適應(yīng)未來新型電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量綜合評估的體系、指標及方法。最后，電能質(zhì)量治理裝置需在新材料、控制功能和電壓等級等多維度不斷尋求突破，提升經(jīng)濟效益，完善電能質(zhì)量治理效果的方法。

總之，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)高品質(zhì)供電要跨學(xué)科、寬領(lǐng)域，充分發(fā)揮數(shù)字化、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興科技手段對現(xiàn)代電力技術(shù)的支撐作用。加強供電企業(yè)同設(shè)備廠商、科研機構(gòu)、電力用戶、政府等之間的溝通與合作，多點突破，全面發(fā)展，最終實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)這一偉大的能源技術(shù)變革，為用戶高品質(zhì)供電保駕護航。

作者：張華贏 深圳供電局