摘要：本文介紹了CIGRE/CIRED聯(lián)合工作組JWGC4.24的活動情況。文中包括的研究問題及內(nèi)容有：引言，報告范圍和術(shù)語;電力電子的新發(fā)展;干擾概率的變化;微電網(wǎng)和電能質(zhì)量;電壓無功控制和電能質(zhì)量;饋線重構(gòu)和電能質(zhì)量;需求側(cè)管理和電能質(zhì)量;測量新技術(shù);治理新技術(shù)。
本文轉(zhuǎn)載自“亞洲電能質(zhì)量聯(lián)盟”作者：范文杰，轉(zhuǎn)載請注明來源及作者。
1.引言
聯(lián)合工作組-JWGC4.24承擔(dān)的“與未來電力網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的PQ和EMC問題”項目，與已經(jīng)建立的IEEE工作組“現(xiàn)代化電網(wǎng)電能質(zhì)量問題”主題相近。2013年JWGC4.24獲得工作組授權(quán)，開展了以下幾個方面的研究：
連接到帶有分布式發(fā)電或者帶有耗能負載的配電網(wǎng)中的新型設(shè)備，特別是含有有源電力電子接口，包括連接到低壓的設(shè)備和連接到更高電壓等級的裝備等，將向電網(wǎng)發(fā)射（諧波和不平衡）干擾。
在新近推行的智能配電應(yīng)用中存在著積極和消極兩方面影響，例如，配電系統(tǒng)的電壓和無功控制，針對電能質(zhì)量（電壓不對稱和諧波潮流等）的饋線重新配置。
在配電層面的電能質(zhì)量問題是如何影響到輸電系統(tǒng)的。
2.電力電子技術(shù)的新發(fā)展
電力電子技術(shù)是基于半導(dǎo)體器件的、用來進行電能有效轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)的技術(shù)。
電力電子技術(shù)所表現(xiàn)的廣泛可用性，使其在幾乎所有領(lǐng)域都扮演著重要角色。電力電子變換器是一種重要的波形畸變源，但當(dāng)技術(shù)采用恰當(dāng)，它也是緩解波形畸變的主要手段。電力電子裝置的應(yīng)用也帶動了電壓和電流處理能力以及功率半導(dǎo)體器件開關(guān)速度的改善。然而，電力電子裝置在注入電網(wǎng)的低頻范圍的發(fā)射量下降的同時，在許多情況下也導(dǎo)致了超高頻諧波（2—150kHz）發(fā)射量的增加。
具有高阻斷電壓和高工作頻率（>5kHz）的電力電子裝置是高功率固態(tài)變換器成功運行的關(guān)鍵。需要有高額定電壓的裝置用以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置，從而最小化大量使用功率器件和換流組件帶來的不利影響，例如，開展在效率、裝置尺寸和可靠性的綜合研究等。
通過把半導(dǎo)體器件作為開關(guān)使用，電力電子電路運行在通斷模式，從而實現(xiàn)對電壓和電流的控制與調(diào)節(jié)。電力電子裝置的效率可以達到99%，大多數(shù)電力電子裝置連接在電網(wǎng)上，用作接口設(shè)備。聯(lián)合工作組對各種各樣現(xiàn)代設(shè)備，主要包括逆變器、電動汽車和照明技術(shù)中使用的電力電子拓撲結(jié)構(gòu)進行了總結(jié)。
在未來電網(wǎng)中，光伏（PV）電力電子接口將被推薦采用，因為它不僅提供有功電力供應(yīng)，而且也將在其公共連接處（PCC）提供無功功率支撐以及有功電壓調(diào)節(jié)。這也就引入了所有連接到配電網(wǎng)中的有源電力電子裝置之間控制相互作用的能力，工作者對控制系統(tǒng)做詳細設(shè)計時要考慮到這一點。
電力電子裝置及其拓撲結(jié)構(gòu)的選擇決定了一臺裝置是如何受到電能質(zhì)量的影響，以及它又如何影響到電能質(zhì)量的。在這方面仍然需要繼續(xù)調(diào)研。有一個例子是LED燈與光照度的調(diào)節(jié)問題。最近的文獻表明，有些LED燈容易遭受間諧波對光照度調(diào)節(jié)的影響，而另外的一些LED燈對同樣的間諧波卻有回彈（抵制）作用。其差別可能和所采用的拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)。
3.干擾概率的變化
電力系統(tǒng)進一步的改變，既會對發(fā)射水平和免疫能力產(chǎn)生不利影響，也會影響到擾動的傳遞和轉(zhuǎn)移。所有這些也將對電磁干擾的發(fā)生概率產(chǎn)生影響。為了和IEC標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語保持一致，JWG4.24工作組對擾動（disturbances，任何與理想電壓或電流的偏離）和干擾（interference，終端設(shè)備的損害或故障失效）加以區(qū)別。最終，各種設(shè)備之間或者設(shè)備與電網(wǎng)之間的兼容性是最重要的。
對于持續(xù)變化范圍內(nèi)的知識體系做了詳細的評論，其中最有價值的信息可以分別從以下四個特殊的方面加以討論：新型發(fā)電生產(chǎn)；電力電子裝置的總量正在不斷增長；過熱導(dǎo)線被電纜所取代；白熾燈正在被緊湊型日光燈CFL和LED燈所取代。需要研究在擾動發(fā)射之間的區(qū)別與變化；在抵制擾動的免疫力方面的變化；以及在擾動轉(zhuǎn)移方面的變化。
由于大量有源電力電子裝置的接入，預(yù)期的擾動變化會增大，包括間諧波、直流分量和低頻次諧波、2kHz以上的超高頻諧波分量。
一些期望的擾動變化量會導(dǎo)致低頻諧振偏移，這將影響到諧波分布和開關(guān)瞬態(tài)。而低頻段的諧振可能會補償?shù)舨糠衷黾拥母哳l段發(fā)射量。因此，擾動轉(zhuǎn)移就將不可預(yù)測，可能要對諧波傳播和電壓質(zhì)量的限制范圍提出新的觀點。從非電子和無源電力電子技術(shù)到有源電力電子接口技術(shù)，不僅帶來新型發(fā)射特性，也使得設(shè)備抵抗擾動的免疫能力幾乎不可預(yù)見。
新型設(shè)備抵抗所有電壓擾動的免疫力都需要研究，也需要提出新的標(biāo)準(zhǔn)。特別是帶有CFL和LED燈的燈光閃爍，必須要有新的標(biāo)準(zhǔn)加以關(guān)注解決。也需要通過研究來解釋試驗和仿真模擬之間的差異，所關(guān)注的諧波畸變對大量CFL和LED燈的影響。新型（特別是有源電力電子接口）設(shè)備抵抗不同類型擾動的免疫能力應(yīng)當(dāng)加以研究，并且提出改進和應(yīng)當(dāng)關(guān)注的免疫標(biāo)準(zhǔn)。
4.微電網(wǎng)與電能質(zhì)量
微電網(wǎng)可以按照其配電特點分為若干類型：工頻交流（LFAC），直流（DC），高頻交流（HFAC）以及交直流混合式（AC+DC）。工頻交流（LFAC）是較常見的形式，但是為了確保向負載高等級高質(zhì)量連續(xù)供電，以及更加便于分布式電源相互連接，低壓直流配電系統(tǒng)（DC微電網(wǎng)）的高品質(zhì)電力需求已被商業(yè)化設(shè)施、建筑和重要用戶所看重。
當(dāng)工頻交流微電網(wǎng)接入主網(wǎng)時，主網(wǎng)的功率強度決定其向兩個系統(tǒng)提供參考電壓和頻率。雖然在微電網(wǎng)內(nèi)部由于分布式電源水平的影響，電能質(zhì)量可能成為問題，但是當(dāng)微電網(wǎng)在孤島模式下運行時，電壓和頻率的穩(wěn)定性就成為微電網(wǎng)內(nèi)部問題。微網(wǎng)和主網(wǎng)連接點、大污染負荷公共連接處（PCC）周邊的短路容量變化將使微網(wǎng)的特征阻抗也發(fā)生變化。這會導(dǎo)致某些頻率的系統(tǒng)諧振發(fā)生，而這些諧振在并網(wǎng)模式下基本不會存在。在孤島模式下，微電網(wǎng)與可用小容量或中等規(guī)模的分布式電源之間有較大動態(tài)變化與寬范圍相互影響，這會引起更加明顯的、更頻繁和長時間的電壓與頻率的變動。在孤島運行模式下，由于大量基于逆變器的發(fā)生裝置接入和基于機械旋轉(zhuǎn)式設(shè)備的退出，PCC處的總諧波（包括電壓和電流的）會增大。
緩解微電網(wǎng)中諸多電能質(zhì)量現(xiàn)象的關(guān)鍵措施，是在電力電子器件與分布式電源接口采用先進的控制策略。這樣的逆變器將采用虛擬阻抗、先進的電壓和電流控制策略，并且很有可能要求通訊基礎(chǔ)設(shè)施來協(xié)調(diào)解決電能質(zhì)量相關(guān)問題。
直流系統(tǒng)并非沒有電能質(zhì)量問題。例如，與交流電網(wǎng)中的擾動相對應(yīng)表現(xiàn)在直流系統(tǒng)中有電壓調(diào)節(jié)、諧波、紋波頻率和電壓暫降與暫升等現(xiàn)象。
最棘手的問題是，要了解微電網(wǎng)如何組態(tài)以逐漸形成未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)如今提供的許多關(guān)于諧振最小化和緩解諧波的解決方案成本太高，甚至是遠離現(xiàn)實的方法，或牽涉到復(fù)雜的逆變器控制策略和當(dāng)前并不使用的技術(shù)配置。
隨著微電網(wǎng)的逐步形成，可能會有新舊技術(shù)的混合體，也可能需要新裝置來補償諸多舊技術(shù)，除非在微電網(wǎng)的管理上給予適當(dāng)?shù)耐顿Y。因此，微電網(wǎng)發(fā)展就從技術(shù)問題轉(zhuǎn)變成了經(jīng)濟問題。除了這些關(guān)鍵參數(shù)之外，大污染負荷連接處（PCC）的短路容量變化，將意味著原本達成一致的發(fā)射水平就不再適用了。
5.電壓無功控制與電能質(zhì)量
電壓無功控制（Volt-VAR）經(jīng)歷了長時間的發(fā)展，已經(jīng)不是簡單的電容器組和抽頭變換器的協(xié)調(diào)切換問題。JWG4.24工作組對于電壓無功控制的關(guān)注重點在文獻[7]中有詳細討論。
電壓無功控制的一些潛在負面影響有：
短時間欠電壓和淺度電壓暫降事件的數(shù)量增多
（個體的）快速電壓變化事件的數(shù)量增多，以及與之相關(guān)的電壓閃變嚴(yán)重性增加
可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的諧波頻率下的附加諧振
電壓無功控制使用的一些設(shè)備會發(fā)射諧波和高頻諧波
更多的開關(guān)瞬變，包括由于背靠背換流器導(dǎo)致的更高頻率通斷變化，和由于多個諧振頻率被激發(fā)而造成的更高過電壓。
需要開展關(guān)于量化不同控制算法對電能質(zhì)量的不利影響的研究，制定指南來規(guī)定配網(wǎng)中可接受的電壓階躍的數(shù)量和程度，需要有標(biāo)準(zhǔn)化方法來測量和分析快速電壓變化。還應(yīng)開展調(diào)查研究的是，使用了電力電子轉(zhuǎn)換器的部分終端用戶設(shè)備對諧波頻率的阻尼作用，以及反復(fù)的開關(guān)瞬變對終端用戶設(shè)備造成的影響。
一個需要被提出的最主要的、也是亟待解決的問題是，是否存在某些情況下電壓無功控制的負面影響大于正面影響。認清這些情況，可向計劃引入電壓無功控制新方式的電網(wǎng)運營商提供基本建議。
為了更有效地跟蹤和研究新類型的干擾，或者比過去發(fā)生更頻繁的干擾類型，可能需要引入額外的指標(biāo)。而另一方面，需要使用更少量的指標(biāo)來簡化電能質(zhì)量報告。對于這一兩難的問題，工作組內(nèi)正在進行討論。
使用已經(jīng)連接到配電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備中的電力電子控制器可以實現(xiàn)快速和精確的電壓控制。可以保證非常平滑和恒定的電壓，以及在一定場景和時間尺度上提高電壓質(zhì)量。然而，這將需要對現(xiàn)有電壓無功控制原理進行全面改進，并且還將要求電網(wǎng)運營商計劃采用超出其控制范圍的設(shè)備。許多快速控制器之間存在的不利互作用問題也必須解決。
6.饋線重構(gòu)與電能質(zhì)量
饋線重構(gòu)對電能質(zhì)量參數(shù)造成影響的情況主要有兩種，即電網(wǎng)故障和正常的電網(wǎng)操作。
對于故障發(fā)生后的饋線重構(gòu)，最重要的任務(wù)是定位故障點，使電力公司可以在最短時間內(nèi)為受影響的用戶重新供電。近年來，隨著配電系統(tǒng)中引入通信技術(shù)以及自動開關(guān)和重合閘技術(shù)，已經(jīng)可以快速地識別和隔離網(wǎng)絡(luò)的故障部分。自動恢復(fù)過程有助于提高可靠性指標(biāo)（如SAIDI，SAIFI，CAIDI和MAIFI），并使得供電公司可以在5分鐘內(nèi)恢復(fù)對正常饋線部分用戶的供電。然而，應(yīng)用這種技術(shù)來提高可靠性指數(shù)的同時，也引入了額外的電能質(zhì)量問題：
正常線路的連續(xù)電壓暫降事件增加；
對諧波畸變的影響。由于故障變化（尤其是中壓等級），或由于接入的負載可能使諧波畸變得以改善，或者導(dǎo)致諧波畸變加劇；
中壓和低壓網(wǎng)絡(luò)中的快速電壓變化；
由于開關(guān)或重合閘的次數(shù)過多，以及由于電網(wǎng)從故障中恢復(fù)時電壓值的顯著階躍變化，而導(dǎo)致的燈光閃爍；
由于開關(guān)狀態(tài)配置的變化和負載重新配置而造成穩(wěn)態(tài)電壓方均根值變化和三相不平衡；
在具有分布式電源高滲透率的電網(wǎng)中系統(tǒng)頻率產(chǎn)生偏差；
中低壓電網(wǎng)中諧振頻率變化；
變壓器充電數(shù)量過多
對于在非故障情況下，正常電網(wǎng)操作的饋線重構(gòu)，其主要作用是平衡負載和減少網(wǎng)絡(luò)損耗。由于配電等級的光電系統(tǒng)的隨機性，要求注意控制電網(wǎng)中的有功和無功功率分布，使得電能質(zhì)量參數(shù)保持在限制范圍內(nèi)。
具有饋線重構(gòu)配置能力的好處是提高可靠性，并且可以向分布電網(wǎng)服務(wù)商提供操作建議。然而，網(wǎng)絡(luò)運行的總體目標(biāo)必須包括使客戶在特定時間窗上經(jīng)歷的干擾的數(shù)量最小化。為此，需要使用新指標(biāo)作為監(jiān)測配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和可靠性（PQR）的度量。
除了故障情況外，饋線重構(gòu)的同時應(yīng)保證電能質(zhì)量；在故障清除過程中，可以允許電能質(zhì)量參數(shù)短時偏離正常值。
在先進的自動化配置電網(wǎng)中，提高電能質(zhì)量和可靠性指標(biāo)需要解決的問題：
在短時間或長時間內(nèi)出現(xiàn)多個電壓暫降
不平衡電流過大
由變壓器充電引起的二次諧波過高
饋線重構(gòu)操作導(dǎo)致的電壓水平變化
由于大量分布式電源斷開而導(dǎo)致的短時頻率變化
7.需求側(cè)管理與電能質(zhì)量
在未來的智能電網(wǎng)中，能源供應(yīng)和需求之間的相互作用會改變，進而可能使系統(tǒng)現(xiàn)有的運行條件和負載特性超過假定的限制和物理約束。由此會引起功率雙向流動，、更高水平諧波發(fā)射、DC偏移和不平衡、更高的瞬變發(fā)生率，以及電壓暫降、暫升和短時中斷，進一步可能導(dǎo)致未來智能電網(wǎng)中的功率輸送能力退化。需求側(cè)管理（DSM）可以分為能效和節(jié)能需求側(cè)管理項目（效率較低的設(shè)備正在被低耗電設(shè)備替代），以及電氣設(shè)備的直接DSM控制（峰值調(diào)整，負載轉(zhuǎn)移以減小最大功率需求或損耗）。
特定類型負載的連接/斷開將改變網(wǎng)絡(luò)特性，并影響公共連接點（PCC）處的系統(tǒng)性能，進而影響電網(wǎng)中的不平衡和諧波發(fā)射。逐漸增多的高能效設(shè)備對電能質(zhì)量擾動將更加敏感。
在未來的智能電網(wǎng)中，大規(guī)模實施需求側(cè)管理將可能改變集中供電系統(tǒng)負載的結(jié)構(gòu)。這將對負載和電網(wǎng)的電能質(zhì)量性能的變化具有潛在的嚴(yán)重影響，尤其是在PCC處。應(yīng)用的需求側(cè)管理方案會引起電網(wǎng)中額外的交互作用和影響，例如，電壓無功控制，電容器切換和有源/無源濾波，這將對電網(wǎng)中電能質(zhì)量性能造成復(fù)雜且不容易量化的影響。
未來智能電網(wǎng)中，重要的挑戰(zhàn)將來自于電動汽車和分布式電源。在供電側(cè)引入典型非線性電力電子負載-電動汽車充電設(shè)施，參與到需求側(cè)管理中，可能對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。小型分布式能源（分布式發(fā)電機，存儲系統(tǒng)），作為需求側(cè)管理的一部分，或者說，接入到有需求側(cè)管理的電力系統(tǒng)中，可能對電能質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生影響。此外，對于基于電力電子技術(shù)的可控負載，其接入與斷開的狀態(tài)取決于電價，這些器件的更多使用會對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響提出新的挑戰(zhàn)。
8.新的測量技術(shù)
新的電能質(zhì)量現(xiàn)象和新的實用技術(shù)推動了新型智能電子設(shè)備和傳感器的引入。JWG4.24關(guān)于新測量技術(shù)的進一步考慮在文獻[8]中有討論。
后續(xù)的技術(shù)發(fā)展使得新的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備可以在較高頻率下對電壓和電流波形進行采樣，分析速度更快，使用全球衛(wèi)星定位技術(shù)更準(zhǔn)確地記錄事件的時間，以標(biāo)準(zhǔn)格式保存數(shù)據(jù)（PQDIF/IEEE標(biāo)準(zhǔn)1159.3和COMTRADE/IEEE標(biāo)準(zhǔn)C37.111），并使用無線通信。
在未來電網(wǎng)中，有用傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析儀的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)、有用于日常電網(wǎng)運行的傳統(tǒng)設(shè)備（如繼電器和控制器），以及包括具有電能質(zhì)量測量功能的高級計量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）等，需在他們之間找到平衡。這使電能質(zhì)量相關(guān)投資和成本保持在可接受的水平。
研究新的或比以往更頻繁發(fā)生的干擾類型，可能需要額外的指標(biāo)。另一方面，需要簡化對電能質(zhì)量的報告，使用較少的指標(biāo)。可能還需要新的關(guān)于三相不平衡、間諧波、閃變和電壓暫降指標(biāo)。關(guān)于這個問題的討論應(yīng)盡快在工作組內(nèi)開始。
9.治理新技術(shù)
如果干擾發(fā)生的概率高到不可接受的水平，也就是說電磁兼容能力嚴(yán)重不足，則通常需要采取治理措施。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于存在免疫性能較差的設(shè)備，或電網(wǎng)中的發(fā)射水平過高。引入治理措施通常使電磁兼容能力達到可接受的水平。
可以通過下面三種不同方式引入治理裝置：
降低發(fā)射水平（設(shè)備或裝置）
提高電網(wǎng)性能/降低電網(wǎng)中的傳輸電壓等級
提高抗擾免疫力（設(shè)備或裝置）
一般來說，治理可以基于附加設(shè)備（增強免疫力或減少發(fā)射）和電網(wǎng)改造（減少干擾現(xiàn)象中的傳輸阻抗）。新型設(shè)備（特別是有源電力電子接口）抵抗不同類型擾動的免疫能力應(yīng)當(dāng)加以研究，并且提出改進和應(yīng)當(dāng)關(guān)注的免疫標(biāo)準(zhǔn)。
附加設(shè)備可以集中配置，可能影響到多個客戶，或分布式配置（通常作為用戶裝置的一部分），這僅影響單個用戶裝置或其中一部分。電網(wǎng)改造和附加設(shè)備這兩種方法之間存在一定的重疊，例如，集中配置的諧波濾波器也會影響傳輸阻抗大小。加裝治理裝置，或提高設(shè)備本身的魯棒性（例如加裝EMI濾波器或改變電路拓撲結(jié)構(gòu)），可以增加設(shè)備的免疫力。
為了減少低次諧波發(fā)射水平并提高能量效率，越來越多的電子設(shè)備使用具有較高開關(guān)頻率的電路拓撲。這種發(fā)展趨勢將使發(fā)射從低頻移向高頻，因此對“傳統(tǒng)”諧波的積極影響也會隨之產(chǎn)生超諧波問題的負面影響。減輕一種電能質(zhì)量問題的同時可能會導(dǎo)致另一種問題的加劇;因此，當(dāng)試圖優(yōu)化一種情況時，應(yīng)從“總體”去考慮。
任何有源前端都能夠用作有源諧波濾波器（例如光伏逆變器）。除了積極的方面，這種方法也可能引起一些問題，例如，當(dāng)治理設(shè)備歸用戶所有，或者由于控制數(shù)量增加使低壓電網(wǎng)的魯棒性降低，都會對配電系統(tǒng)運行的合理性造成影響。治理措施的積極和消極方面，都必須仔細考慮。
將單相設(shè)備（例如，EV充電器和PV逆變器）合理地分配到三相系統(tǒng)中的某一相，可以減少它們對不平衡的影響，而不需要額外的治理設(shè)備。通常，會有多個解決方案用于治理不同的現(xiàn)象。除了技術(shù)層面，在決定采取一種治理方案時要考慮到其他的方面，如魯棒性，簡單化和治理成本。
10.結(jié)論
向未來電網(wǎng)的過渡與電能質(zhì)量之間的多層關(guān)系大致概括如下：
可以用新的技術(shù)、法規(guī)和市場規(guī)則來提高電能質(zhì)量。近年來的主要發(fā)展是采用專用電力電子控制器。其他的發(fā)展，如高級電壓控制（取用來自多個位置的數(shù)據(jù)）和電能質(zhì)量市場問題也不應(yīng)被忽視。
電能質(zhì)量是電網(wǎng)發(fā)展暴露出來的一系列新挑戰(zhàn)之一。例如：連接到低壓電網(wǎng)的高滲透率的太陽能電池板，可能導(dǎo)致過電壓;風(fēng)機中換流器的開關(guān)頻率導(dǎo)致諧波和不平衡發(fā)射;EV充電器產(chǎn)生諧波;熱泵的反復(fù)啟動導(dǎo)致可見光閃爍。從研究與實際應(yīng)用的角度來看，最重要的問題是，隨著新型設(shè)備連接到電網(wǎng)，可能引發(fā)出現(xiàn)新的干擾類型。
當(dāng)電網(wǎng)中的一些限制，如過載或穩(wěn)定性極限得以滿足時，電能質(zhì)量可能產(chǎn)生出新的限制。因此，即使電能質(zhì)量現(xiàn)在不是問題，在未來電網(wǎng)中它很可能會成為一個重要的問題。
為此，設(shè)備制造商、電力公司、立法者和研究人員需要共同努力，以確保從當(dāng)前電網(wǎng)有序地過渡到未來電網(wǎng)。（編譯：新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))）
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