新型电力系统背景下高品质供电关键技术问题初探

                       

全中国正在推进一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,实现“双碳”目标,即力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。构建以新能源为主体的新型电力系统,是实现碳达峰、碳中和最主要举措之一。

一、对新型电力系统的认识

全中国正在推进一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,实现“双碳”目标,即力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。构建以新能源为主体的新型电力系统,是实现碳达峰、碳中和最主要举措之一。

在能源转型中,我国在构建新型电力系统的发展路径中大体经历三个阶段。第一代电力系统:从19世纪末至20世纪60年代,特点是小机组、低电压、小电网和小规模,电网安全和供电可靠性较低,此时的电源和电网处于初级发展模式。第二代电力系统:从20世纪70年代至21世纪初,特点是大机组、超高压和大电网,安全性和可靠性得以提高,但大电网停电风险依然存在,且仍然高度依赖化石能源,是一种不可持续的发展模式。第三代电力系统:从21世纪初至21世纪中叶,以可再生能源和清洁能源发电为主,骨干电源与分布式电源结合,主干电网与局域配电网、微电网相结合。在这期间,供电可靠性大幅提高,是以非化石能源为主的综合能源电力系统,是一种可持续的发展模式。

新型电力系统的主要特征是依托信息化、数字化、智能化等现代科技手段,构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统的显著特征是风电、光伏等新能源在电源结构中占据主导地位,由于新能源具有随机性、波动性、间歇性等特点,电网在持续可靠供电、安全稳定等方面面临重大挑战。

总而言之,新型电力系统的核心特征是能充分应对电源变化、电网变化、负荷变化,从而构建高比例可再生能源,高比例电力电子装备,含综合能源且具备多能互补,实现物理信息深度融合的智能电力系统和能源互联网。

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图 1 能源转型中我国新一代电力系统的技术特征

二、构建新型电力系统面临的电能质量问题与挑战

新能源发电具有随机性、波动性、间歇性,并且新能源发电的渗透率将不断提高,这些特性会造成严重的电能质量问题。新能源产生的电能质量问题主要有以下三个方面:

1. 电压暂降、波动和闪变等问题

电压暂降问题已成为全世界电网经济损失最大和社会影响最严重的电能质量问题。大规模新能源发电替代常规机组可能导致电网短路容量下降,使故障概率增大,电压暂降严重程度增加。另外,高比例新能源电力系统的故障的影响范围将增大,故障引起的暂降域增大,受影响的负荷数量增多。

电压暂降特征由电力系统继电保护特性决定,而用电设备抗扰水平决定了电压暂降影响的程度,敏感负荷须在规划设计阶段考虑电压暂降的影响,系统、负荷和设备侧的电压暂降解决方案均须较大的资金投入。以安全性、经济性和有效性为约束条件,提升设备耐受特性,优化电网保护策略,多维度协同暂降治理装置补偿等,从点—层—面系统削弱电压暂降影响,是构建新型电力系统面临的重大挑战。

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图 2 10kV和0.38kV系统故障电压暂降事件

电压波动和闪变是连续型电能质量指标,电压事件将引起闪变测量值的异常。随着新型电力系统中用电设备类型的变化,闪变的产生机理发生了变化,闪变的标准如何适应闪变机理的演变是当前面临的挑战。比如,伴随灯具变革,造成闪变现象的机理已经发生变化,闪变的标准内容需要更新;冲击性负荷引起的快速电压变化是值得关注的新问题;有源型电能质量装置对波动和闪变治理能力须提升。

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图 3 瞬时扰动对相位继电器的影响

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图 4 内置电子镇流器的紧凑型荧光灯间谐波闪变特性

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图 5 110kV以上系统有载调压对快速电压变化和闪变的影响

电压偏差问题因高比例分布式新能源发电而越发突出,如南方富含小水电地区的农村电网长期饱受电压合格率问题困扰。当分布式新能源发电达到一定占比时,低压系统、中压系统,将会出现双向潮流,甚至在高压系统中也会出现双向潮流。

目前,电力系统有载调压变压器主要集中在110kV和220kV电压等级,而中低压配电变压器几乎没有调压功能,传统无功补偿装置在中低压系统中调压效果并不显著。随着电力电缆中高压化及比例增大,费兰梯效应(Ferranti effect)将造成城市配电网的轻(空)载运行时电压升高情况增多。

因此,在经济性、安全性、有效性等多目标约束条件下,构建协同的输配电网,具备就地灵活消纳能力,治理装置相互配合,优化输配电网运行方式及功率潮流的系统级解决方案,是解决高渗透率新能源发电并网电压偏差问题的关键。

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图 6农网光伏扶贫接入造成的电压偏差越限问题

2. 频率越限问题

由于新型电力系统电源结构性矛盾突出,高比例波动性,直流换相失败,间歇性光伏发电和风电等变流器电源造成系统转动惯量和频率调节能力持续下降,使电网频率越限风险显著增加。另外,新型电网中将会出现大电网、微电网和孤网并存情况。微网、孤网运行方式,冲击性负荷应用场景下,频率控制难度将加大。

提升新型电力系统的频率调节能力及频率越限后电网和设备的设计和保护能力,是高比例新能源下电力系统频率调节问题的重大挑战。频率变化范围增大,对电力系统广泛使用的并联电容器无功补偿装置的串联电抗率设计、电力用户中大量的中压无源滤波装置的调谐点设计,以及这些补偿装置的安全稳定运行带来了一定挑战。

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图 7 某钢铁厂10kV母线监测到的频率越限事件

3. 高电压等级和高频次谐波问题

随着电力电子器件的广泛应用,高压直流输电换流阀、风电变流器、光伏逆变器、充电桩、LED照明等各类电力电子装置的规模化应用,电网中谐波运行水平逐渐恶化,呈现出高电压等级、高谐波频率、高耦合谐振风险的“三高”特点。新型电力系统中,背景谐波含量显著增加、谐波源交互影响加剧、谐波检测手段不够完善、谐波测试数据可靠性偏低,这些问题给谐波污染源的潮流辨识、责任划分、综合评估及优化治理带来了巨大的挑战。

传统直流输电换流站交流滤波系统造成5次谐波放大,并通过1000kV省级电网联络线传输,造成地区电网5次背景谐波电压偏高或超标,对地区电网的安全稳定运行造成影响,传统的高压直流滤波器设计需考虑宽频带谐振和谐波放大问题。

各类新型电力电子器件不断涌现,开关频率逐渐提升,电力电子器件产生的高次或超高次谐波频率显著增加,电网中的高次或超高次谐波含量逐渐增加,使新型电力系统谐波呈现高频化特征。目前,超高次谐波检测手段和方法不完善、系统等效模型不确定性,给超高次谐波研究带来了较大挑战;超高次谐波的研究尚处于起步阶段,超高次谐波的产生机理及传递规律还存在不确定性,相关标准不够完善,治理手段欠缺。

电力电子设备规模化并网后,变流器群间会产生交互影响,变流器的入口滤波器或电缆之间会产生谐振问题。谐振频率及谐振峰值主要受逆变器数量、系统短路容量、电缆长度的影响,当逆变器数量越多,低频段并联谐振点越低,高频段并联谐振点越高,导致谐振风险越高。

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图 8 高电压等级谐波来源

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图 9 高频次谐波事件

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图 10 电气化铁路产生的超高次谐波及其传递规律

三、总结与展望

实现新型电力系统高品质供电,其核心目标是要让提供给敏感设备的电能,以及为敏感设备配置的接地系统均确保设备正常工作。而导致用电设备故障或误动作的任何电力问题都属于电能质量问题范畴,其表现形式就是电压、电流或频率的偏差以及谐波。解决电能质量问题可从三个方面入手,降低干扰源设备发射水平,提高电网对干扰源的接纳能力,和提高敏感性设备抗干扰水平。

实现高品质供电不仅需要技术的革新,灵活的机制,跨领域的协作,以及科学的规划和设计步骤。首先基于电能质量的一系列标准,对电能质量的电压电流、频率和谐波表现进行评估,然后根据电能质量评估结果实现电力系统设计,以及电能质量本身的监测和治理方案设计。

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图 11 考虑电能质量约束的新型电力系统配电设计步骤

电能质量监测是开展电能质量评估、干扰定位、责任划分等其他分析的基石,是电能质量技术监督工作不可或缺的基础环节。未来,电能质量监测需解决三方面问题。一是海量数据的管理与高级应用,即保障海量数据的同步性,深度挖掘海量数据信息,提升多源数据共享能力和兼容性。二是数据的可靠性分析与应对策略,由于硬件设备和算法能力的不足无法满足新型电力系统复杂的电能质量参数测量和指标评估。三是监测点最优化布局策略,即在有限的监测点数量上你,进行空间上的最优化布置,拓宽利用价值,实现电能质量干扰源定位、责任划分、治理等复杂应用场景。

在电能质量综合评估与治理方面,首要因素是要解决测试数据的准确性及完备性。其次,由于电能质量问题交互耦合,给电能质量污染源潮流辨识、责任划分、综合评估及治理优化带来了极大挑战,需要新技术、新理论、新框架,构建适应未来新型电力系统的电能质量综合评估的体系、指标及方法。最后,电能质量治理装置需在新材料、控制功能和电压等级等多维度不断寻求突破,提升经济效益,完善电能质量治理效果的方法。

总之,实现新型电力系统高品质供电要跨学科、宽领域,充分发挥数字化、人工智能、物联网等新兴科技手段对现代电力技术的支撑作用。加强供电企业同设备厂商、科研机构、电力用户、政府等之间的沟通与合作,多点突破,全面发展,最终实现新型电力系统这一伟大的能源技术变革,为用户高品质供电保驾护航。

作者:张华赢 深圳供电局

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