隨著分布式電源和柔性電力技術(shù)的發(fā)展、智能電網(wǎng)概念的提出,電源特性、電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷類型及其構(gòu)成正在發(fā)生著巨大變化。新能源多處接入主干網(wǎng)和分布式電源接入配電網(wǎng),使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)由被動的受端變?yōu)橛性聪到y(tǒng),功率由單向轉(zhuǎn)為雙向流動。
電力消耗形式的多樣性,使得電力電子技術(shù)廣泛使用,非線性設(shè)備比重增加,系統(tǒng)非線性越發(fā)明顯。單相電源和單相負(fù)荷的增加使得不平衡問題更加突出。各類負(fù)荷對電力品質(zhì)越發(fā)敏感,對質(zhì)量和可靠性要求進(jìn)一步提高。因此,在新一代電力系統(tǒng)中,電能質(zhì)量面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),電能質(zhì)量的監(jiān)測、評估與控制顯得尤為重要。
目前,對電壓質(zhì)量的研究較多,其相關(guān)內(nèi)容無論是從監(jiān)測對象、擾動類型,還是從評估方法上都相對完善,已形成體系,并逐步標(biāo)準(zhǔn)化,而現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,僅僅關(guān)注電壓質(zhì)量難以滿足對電能質(zhì)量的評估與控制要求,原因在于:
1)傳統(tǒng)基于強(qiáng)系統(tǒng)的假設(shè)條件不再普遍滿足,典型電流擾動負(fù)荷影響更加突出;而在弱系統(tǒng)中,電流質(zhì)量擾動的影響尤為明顯,需要予以關(guān)注。
2)電壓擾動對某一區(qū)域負(fù)荷的影響只需要針對該區(qū)域的PCC點電壓質(zhì)量進(jìn)行評估即可;而對于電流擾動,需要考慮到區(qū)域內(nèi)各個關(guān)鍵擾動源支路,其作用與影響機(jī)理相對于電壓擾動更為復(fù)雜,難以實施有效的監(jiān)測與評估手段。
3)電能質(zhì)量是由供電電壓質(zhì)量和負(fù)荷汲取的電流質(zhì)量綜合作用的結(jié)果,單獨考慮電壓質(zhì)量或電流質(zhì)量,并不能反映擾動的整體水平,而且難以將系統(tǒng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的擾動水平分離。當(dāng)考慮雙向潮流時,傳統(tǒng)系統(tǒng)和負(fù)荷的概念還需要重新定義。
4)電流有效做功部分所占比例決定了系統(tǒng)和設(shè)備的運行效率,對電流質(zhì)量進(jìn)行合理評估也是電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析的前提。
5)對電力擾動源支路或其集總支路上的電流質(zhì)量監(jiān)測與評估是電流質(zhì)量治理的前提,有害電流分量的提取是電能質(zhì)量治理裝置控制的基礎(chǔ)。
任何電力擾動的產(chǎn)生都需要能量的支撐,其傳播必然表現(xiàn)為擾動功率的流動。對電能傳輸效率的評估,必然要對電能消耗與計量進(jìn)行深入分析。
對電源和負(fù)荷的諧波發(fā)射水平進(jìn)行責(zé)任劃分需對諧波潮流進(jìn)行分析計算。因此,電流質(zhì)量評估依賴于對電路功率特性的理解與分析,并將電流擾動的物理現(xiàn)象與其功率分量相結(jié)合。由此可見,在非正弦和不對稱條件下的三相或單相電力系統(tǒng)中,電流質(zhì)量的評估需要以科學(xué)合理的功率理論為基礎(chǔ)。
選擇適合于電流質(zhì)量評估的功率理論需要從以下角度全面觀察:
1)使用條件。所選擇的功率理論應(yīng)對單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)、正弦和非正弦等電路條件同時適用。
2)能準(zhǔn)確描述電流的質(zhì)量特性。所定義的功率分量能夠與電力擾動物理現(xiàn)象相對應(yīng),而并不僅僅是數(shù)學(xué)上的描述。
3)定義方式。所定義的功率分量中應(yīng)有電流分量一一對應(yīng)。
4)具有應(yīng)用可操作性。所定義的功率或電流分量應(yīng)能易于實現(xiàn)準(zhǔn)確測量,并為電流質(zhì)量治理措施提供關(guān)鍵的信息。
文獻(xiàn)[20-21]對代表性功率理論作了詳細(xì)論述,其中,F(xiàn)BD理論、電流物理分量(Current Physical Components, CPC)理論、IEEE1459定義能夠全面描述電能質(zhì)量現(xiàn)象,且基本適用于各種條件。然而,IEEE1459并未定義相關(guān)的電流分量,不利于評估指標(biāo)的建立;CPC理論是在FBD理論基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法,對應(yīng)不同的物理現(xiàn)象實現(xiàn)了電流的正交分解,能夠很好地對各電流物理現(xiàn)象進(jìn)行描述,但CPC理論只適用于電壓對稱的情況,同時需要對電壓和電流各頻次下的各分量進(jìn)行逐一分解,計算量大,實際應(yīng)用困難。
據(jù)此,本文在原有CPC理論的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的電流物理分量理論。該方法適用于各種系統(tǒng)條件,并能夠全面地針對電流做功效率、不平衡及諧波等物理現(xiàn)象進(jìn)行量化。
圖1 基于時序化監(jiān)測的電流質(zhì)量評估框架及流程
圖2 物理實驗原理
本文首先分析了電流質(zhì)量評估的關(guān)鍵問題與理論基礎(chǔ)問題,然后在CPC理論基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實踐需求,對電流物理分量分解進(jìn)行了改進(jìn),并提出了一種全面的電流質(zhì)量評估指標(biāo)及方法。結(jié)論如下:
1)改進(jìn)的以基波為主導(dǎo)的電流物理分量分解適用于電源和/或負(fù)荷存在畸變/不對稱情況,且計算簡單,在電力擾動的評估中,突出了關(guān)鍵信息量。
2)由于各電流物理分量滿足正交關(guān)系,因此其余電流既可進(jìn)行集總有源補(bǔ)償,又可挑選關(guān)注分量進(jìn)行補(bǔ)償,為裝置參數(shù)設(shè)計提供了依據(jù)。
3)電流質(zhì)量評估指標(biāo)包括技術(shù)限制性指標(biāo)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。前者可對應(yīng)電壓質(zhì)量的限值約束,評估諧波/間諧波電流、三相不平衡負(fù)序電流等電流質(zhì)量擾動;后者能夠從運行效率、基波無功容占比和基波零序電流占有率指標(biāo)來衡量系統(tǒng)或設(shè)備的運行效率和容量利用率。
4)基于功率潮流方向提出的電源主導(dǎo)或負(fù)荷主導(dǎo)的諧波電流分量、基波負(fù)序電流分量及其技術(shù)限制性指標(biāo),諧波電流損耗分責(zé)比和不平衡電流損耗分責(zé)比等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),可實現(xiàn)從不同角度區(qū)分各擾動的主導(dǎo)責(zé)任。
物理實驗和工程應(yīng)用案例驗證了所提出方法的可行性和有效性,本研究豐富了現(xiàn)代電能質(zhì)量評估體系。當(dāng)然,準(zhǔn)確的相位測量是基于功率潮流方向判斷主導(dǎo)責(zé)任的基礎(chǔ),在電源與負(fù)荷同時存在畸變或不對稱時,主導(dǎo)電流分量還不能實現(xiàn)具體的責(zé)任分?jǐn)偅罄m(xù)有必要進(jìn)一步開展相關(guān)研究。