隨著電力體制改革的有序推進(jìn)，新能源的接入以及電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使電力系統(tǒng)中的電源類型與特性，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷構(gòu)成發(fā)生深刻變化，電力領(lǐng)域?qū)﹄娔苜|(zhì)量的重視程度與日俱增。企業(yè)如何在電能治理市場(chǎng)中游刃有余，實(shí)現(xiàn)向整體設(shè)備制造和服務(wù)提供商的轉(zhuǎn)變，亟待思考。4月22日～24日“第九屆電能質(zhì)量高峰論壇”在北京召開(kāi)，各路專家學(xué)者獻(xiàn)言獻(xiàn)策，提供電能質(zhì)量的測(cè)量、分析、評(píng)估技術(shù)與方法，為電能質(zhì)量治理企業(yè)指明方向。
電力體制改革催生電能質(zhì)量治理新機(jī)遇
安徽大學(xué)教育部電能質(zhì)量工程中心教授級(jí)高工李令冬：新一輪電力體制改革將使電能回歸其商品的屬性，理想商品的基本市場(chǎng)特征是安全、優(yōu)質(zhì)和低價(jià)，其中電能質(zhì)量是關(guān)鍵。
新一輪電力體制改革的重點(diǎn)是回歸電能的商品屬性、形成市場(chǎng)決定電價(jià)的機(jī)制、以電價(jià)為中心引導(dǎo)資源的有效開(kāi)發(fā)和合理使用。最大亮點(diǎn)是面向社會(huì)資本有序放開(kāi)配售電業(yè)務(wù)、有序放開(kāi)發(fā)電業(yè)務(wù)。
事實(shí)上，新一輪電力體制改革給電能質(zhì)量技術(shù)與產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了最大機(jī)遇。這些機(jī)遇表現(xiàn)在平等地參與電力需求側(cè)配售電、可再生能源與儲(chǔ)能的發(fā)電、負(fù)荷控制等業(yè)務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)。
同時(shí)，也迎來(lái)了挑戰(zhàn)。電能質(zhì)量技術(shù)與產(chǎn)業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)是電力需求側(cè)結(jié)構(gòu)變化、節(jié)能環(huán)保的壓力等對(duì)配電技術(shù)創(chuàng)新的需求;產(chǎn)業(yè)鏈延伸、規(guī)模擴(kuò)大和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使企業(yè)面臨著新的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
此外，可再生能源發(fā)電高密度接入電網(wǎng)，帶來(lái)對(duì)儲(chǔ)能發(fā)電與負(fù)荷控制的技術(shù)和產(chǎn)品的巨大需求，這已經(jīng)成為當(dāng)前電能質(zhì)量技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要關(guān)注點(diǎn)。
據(jù)介紹，有功控制技術(shù)是電能質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)，儲(chǔ)能發(fā)電是實(shí)現(xiàn)有功控制的主要手段。在分布式電源接入電網(wǎng)和負(fù)荷終端對(duì)有功控制的需求、儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步使其成本下降和強(qiáng)大的政策支持三大驅(qū)動(dòng)力下，儲(chǔ)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)已開(kāi)始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。在未來(lái)的幾年內(nèi)，儲(chǔ)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)價(jià)值規(guī)模將在600億元/年左右，意味著龐大的市場(chǎng)下，有功控制技術(shù)將成為電能質(zhì)量產(chǎn)業(yè)最重要的支撐技術(shù)。
濾波與無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)同樣是電能質(zhì)量控制的關(guān)鍵支撐技術(shù)。2014年全社會(huì)平均用電功率約為6.3051億千瓦，設(shè)無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償與濾波裝置安裝容量約為平均用電功率的1.4倍，假設(shè)其價(jià)格為80 元/千乏，壽命20年，維護(hù)費(fèi)用為2%，同時(shí)考慮我國(guó)用電量年增長(zhǎng)率在4%左右等因素，近幾年無(wú)功補(bǔ)償裝置價(jià)值規(guī)模約為60億元/年左右。
有源動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG的安裝容量約為平均用電功率的20%，假設(shè)其價(jià)格為160元/千乏，壽命15年，維護(hù)費(fèi)用為2%，同時(shí)考慮我國(guó)用電量年增長(zhǎng)率在4%左右等因素，近幾年SVG產(chǎn)業(yè)價(jià)值規(guī)模約為20億元/年左右。
近年來(lái)，市場(chǎng)擴(kuò)大的同時(shí)，電力系統(tǒng)的改變，特別是分布式電源高密度地接入電網(wǎng)，對(duì)電能質(zhì)量技術(shù)產(chǎn)生以下新的需求：負(fù)荷側(cè)同時(shí)也是電源側(cè)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和分布式電源的不確定性，使供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題惡化，其中有功不平衡引起的電壓穩(wěn)定、低頻振蕩、損耗增大問(wèn)題尤為嚴(yán)重。而解決上述問(wèn)題關(guān)鍵技術(shù)是儲(chǔ)能技術(shù)和有功補(bǔ)償技術(shù)。
目前我國(guó)電能質(zhì)量產(chǎn)業(yè)發(fā)展整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，單個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小(多小于10億元);設(shè)備制造能力較強(qiáng)，但系統(tǒng)服務(wù)能力較弱;建成工程多，優(yōu)質(zhì)運(yùn)行工程較少;解決局部問(wèn)題工程多，整體解決方案的大工程少;同質(zhì)化服務(wù)、低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，利潤(rùn)低下;技術(shù)上多局限于無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波。而以上六個(gè)問(wèn)題歸結(jié)到一個(gè)問(wèn)題就是系統(tǒng)服務(wù)能力弱。
那么如何解決這些問(wèn)題?李令冬表示，電能質(zhì)量技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的突破口是推進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。由單一的電能質(zhì)量治理向電能質(zhì)量治理、節(jié)電控制、提高供電可靠性、電網(wǎng)重構(gòu)、故障診斷與預(yù)測(cè)、分布式電源并網(wǎng)控制等綜合控制發(fā)展。企業(yè)核心技術(shù)能力由擁有設(shè)備制造技術(shù)能力向同時(shí)擁有軟件開(kāi)發(fā)能力和系統(tǒng)集成技術(shù)能力發(fā)展。
此外，企業(yè)需提高服務(wù)能力。即根據(jù)用戶具體個(gè)性化需求定制電能質(zhì)量產(chǎn)品或解決方案，避免同質(zhì)化大規(guī)模制造和服務(wù)，以降低用戶設(shè)備制造和服務(wù)成本并提高服務(wù)質(zhì)量。
主動(dòng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生新問(wèn)題
國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心系統(tǒng)分析室高工張逸：研究表明，對(duì)于目前的電網(wǎng)，當(dāng)分布式能源(DER)滲透率達(dá)到15～20%時(shí)，必須增加系統(tǒng)的靈活性，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)管理，才能保證電力平衡和安全穩(wěn)定性。
近年來(lái)，分布式能源推動(dòng)了配電網(wǎng)的形態(tài)轉(zhuǎn)變。目前，由于分布式電源等接入，被動(dòng)配電網(wǎng)方面，可再生能源發(fā)電功率難以預(yù)測(cè)，電網(wǎng)無(wú)法協(xié)調(diào)，導(dǎo)致供電質(zhì)量下降?，F(xiàn)有的措施只能靠提升變電容量，限制分布式電源的容量和出力。但是結(jié)果仍然是設(shè)備利用率低、供電經(jīng)濟(jì)性差、強(qiáng)制棄風(fēng)棄光等。為電能質(zhì)量帶來(lái)各種隱患。
新能源的發(fā)展推動(dòng)了被動(dòng)配電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。
區(qū)別于被動(dòng)配電網(wǎng)，主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)部具有分布式或分散式能源，且具有控制和運(yùn)行能力。小規(guī)模分布式能源的接入只會(huì)影響配電網(wǎng)的單點(diǎn)或局部的運(yùn)行，而大規(guī)模、高滲透率的分布式能源接入?yún)s會(huì)影響電力系統(tǒng)的全局運(yùn)行，并對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來(lái)不容忽視的影響。
因此，主動(dòng)配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變會(huì)對(duì)電能質(zhì)量帶來(lái)新的問(wèn)題。在電壓波動(dòng)方面，配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量與無(wú)功電壓控制密切相關(guān)。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)是無(wú)源的，無(wú)功電壓控制模式相對(duì)簡(jiǎn)單。當(dāng)分布式能源接入配電網(wǎng)后，由于分布式能源設(shè)備具有間歇性、隨機(jī)性、非線性特征，這不但使得配電網(wǎng) 運(yùn)行時(shí)的無(wú)功電壓控制模式相對(duì)復(fù)雜，而且還有可能導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)有功潮流反向和無(wú)功潮流的不確定性，進(jìn)而影響電壓質(zhì)量。
在諧波方面，區(qū)別于使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的傳統(tǒng)電源，利用電力電子裝置的分布式電源具有很強(qiáng)的非線性特性，其輸出電量波形包含較寬頻譜，若控制方式或出口濾波器設(shè)計(jì)不當(dāng)，易造成電網(wǎng)的諧波污染。逆變器所使用的出口濾波電路易與電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生諧振。高滲透率下光伏發(fā)電系統(tǒng)所有并聯(lián)運(yùn)行的光伏微源須保持同步，否則各逆變光伏微源之間將存在很大的環(huán)流。
此外，在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)治理方面，多點(diǎn)多類型分布式電源接入的環(huán)境中，各分布式電源之間、分布式電源與非線性負(fù)荷之間又會(huì)相互影響。目前DFACTS設(shè)備多基于本地信息量進(jìn)行控制，而且都是針對(duì)不同目標(biāo)單獨(dú)設(shè)計(jì)和安裝的，設(shè)備之間缺乏協(xié)調(diào)配合各DFACTS設(shè)備可能與分布式電源之間相互作用。
為應(yīng)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題，迫切需要新的控制手段。
據(jù)張逸介紹，主動(dòng)配網(wǎng)可以通過(guò)分布式電源等可控元件，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的的柔性主動(dòng)電壓控制、集群需求響應(yīng)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的主動(dòng)功率控制、干擾源建模、諧波潮流計(jì)算、電壓暫降域分析、干擾源定位問(wèn)題。
電力電子化給電能質(zhì)量帶來(lái)三重挑戰(zhàn)
清華大學(xué)教授姜齊榮：FACTS與大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用滿足電網(wǎng)發(fā)展，負(fù)荷增長(zhǎng)以及對(duì)電能質(zhì)量的提出新需求。
近年來(lái)，電力系統(tǒng)電力電子化趨勢(shì)明顯。先進(jìn)電力電子技術(shù)智能化是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵，也是今后世界各國(guó)電力系統(tǒng)電力電子技術(shù)發(fā)展的方向。從我國(guó)電網(wǎng)的基本情況考慮，各種基于電力電子器件的系統(tǒng)控制器將得到更廣泛的應(yīng)用，柔性直流輸電技術(shù)和FACTS技術(shù)的日趨成熟，能在不增加輸電走廊的前提下充分利用現(xiàn)有輸電線路，提高傳輸容量和穩(wěn)定性。
近年來(lái)，電力系統(tǒng)中的大功率電力電子技術(shù)正在逐步發(fā)展。電力電子技術(shù)正在上演著各種替代，電力電子器件成為一個(gè)常用元件，用電力電子開(kāi)關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)。此外，電力電子變流器作為整體工作，電力電子變流器可以通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)接入系統(tǒng)。
事實(shí)上，電力電子系統(tǒng)正在日益充斥于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用各個(gè)環(huán)節(jié)。例如，在發(fā)電領(lǐng)域，大量發(fā)電設(shè)備通過(guò)變換器接入分布式發(fā)電、使儲(chǔ)能調(diào)節(jié)特性發(fā)生大的變化。輸電方面，柔性交、直流輸電，傳統(tǒng)直流都需要更多的電力電子技術(shù)，來(lái)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。
電力系統(tǒng)日益電力電子化，也為電能質(zhì)量領(lǐng)域帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)電參量時(shí)間尺度過(guò)大，無(wú)法適應(yīng)電力系 統(tǒng)發(fā)展需求。相量、有效值、有功、無(wú)功理論面臨挑戰(zhàn)。其次，電磁暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題初步顯現(xiàn)，傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定發(fā)生變化(發(fā)電機(jī)、負(fù)荷等特性發(fā)生大變化)、電磁暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題顯現(xiàn)，現(xiàn)有通信技術(shù)無(wú)法滿足電磁暫態(tài)穩(wěn)定控制要求。再次，電力電子設(shè)備保護(hù)動(dòng)作速度快于線路保護(hù)，短路后模型差別大，分析難且保護(hù)選擇性實(shí)現(xiàn)難度大。
姜齊榮表示，正是基于以上新的挑戰(zhàn)，電能質(zhì)量正在引起廣泛關(guān)注。歐美電能質(zhì)量問(wèn)題每年造成巨大的損失，由于電壓暫降等，導(dǎo)致歐美每年各損失1200億美元以上。我國(guó)電能質(zhì)量問(wèn)題造成損失也在逐年增大，傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域電能質(zhì)量問(wèn)題仍突出。沖擊性非線性負(fù)荷多，電弧爐、變頻器、沖擊負(fù)荷等，電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用導(dǎo)致電能質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重。
新能源、分布式發(fā)電惡化電能質(zhì)量，微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題等。
因此，迫切需要廠家生產(chǎn)出響應(yīng)速度快，有效抑制電壓波動(dòng)與閃變，適應(yīng)能力強(qiáng)-各種場(chǎng)合與負(fù)荷配合不發(fā)生諧波放大的產(chǎn)品。因?yàn)?，目前的SVC、STACOM均有弱系統(tǒng)振蕩問(wèn)題。此外，產(chǎn)品要求占地面積小，因?yàn)榇蟛糠謭?chǎng)地已固定，征地困難;電壓偏低與偏高時(shí)均具備強(qiáng)的無(wú)功補(bǔ)償能力，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，在系統(tǒng)沖擊、電壓暫降或升時(shí)均能運(yùn)行;能同時(shí)治理諧波與不平衡等多種電能質(zhì)量問(wèn)題，運(yùn)行節(jié)能。
解決農(nóng)村配網(wǎng)低電壓應(yīng)從兩方面入手
中國(guó)電力科學(xué)研究院教授級(jí)高工侯義明：無(wú)功補(bǔ)償可以改善電壓質(zhì)量，提高功率因數(shù)，是電網(wǎng)節(jié)能措施。但農(nóng)村電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，無(wú)功電源先天不足，近年來(lái),農(nóng)村用電負(fù)荷迅速增大,農(nóng)網(wǎng)無(wú)功需求及相應(yīng)的損耗也隨之加大。
隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展,造成部分農(nóng)村電網(wǎng)低電壓。在農(nóng)村電網(wǎng)造成低電壓的原因比較多，有時(shí)是單一原因作用，有時(shí)是多種原因組合作用形成。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成農(nóng)村低電壓的原因主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是屬于硬件設(shè)施方面,即線路設(shè)備等原因產(chǎn)生的;二是屬于軟件方面,即運(yùn)行管理方面不到位產(chǎn)生的。
據(jù)侯義明深入介紹，線路設(shè)備原因主要表現(xiàn)在，目前農(nóng)村電網(wǎng)的現(xiàn)狀不能滿足農(nóng)村發(fā)展的需要，設(shè)備狀況差、導(dǎo)線截面小、供電半徑大、無(wú)功補(bǔ)償不足。現(xiàn)在運(yùn)行的線路建設(shè)時(shí)間較早，當(dāng)時(shí)的技術(shù)要求和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不能滿足現(xiàn)在農(nóng)村的用電需求。雖然經(jīng)過(guò)幾次農(nóng)網(wǎng)改造，但相當(dāng)一部分的線路還是比較陳舊、標(biāo)準(zhǔn)較低,亟須進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。
變壓器布點(diǎn)不合理造成低電壓的問(wèn)題不容忽視，主要是方案制定合理性影響或由于改造資金等原因而造成的。形成高壓不能深入負(fù)荷中心，低壓供電線路呈單方向放射狀,從而造成末端電壓偏低。
此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村低電壓?jiǎn)栴}嚴(yán) 重的配電臺(tái)區(qū)內(nèi)均存在無(wú)功補(bǔ)償不到位的現(xiàn)象，線路內(nèi)就地分散隨器補(bǔ)償基本沒(méi)有，臺(tái)區(qū)集中補(bǔ)償裝置形同虛設(shè),要么電容器已經(jīng)損壞,要么就是沒(méi)有投運(yùn)。
事實(shí)上，造成電壓低的原因除了設(shè)備的原因外,運(yùn)行管理不到位也讓低電壓?jiǎn)栴}存在而得不到解決。主要表現(xiàn)為：三相負(fù)荷不平衡、高壓線路電壓偏低、需求側(cè)管理不到位。
以變壓器在三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行為例，由于變壓器繞組壓降不同,出口電壓不均衡，用戶端電壓更是三相偏差較大，電壓質(zhì)量得不到保障。
侯義明認(rèn)為，解決因負(fù)荷不平衡而造成電壓低的問(wèn)題，首先是加強(qiáng)管理。在高峰負(fù)荷期間或負(fù)荷變化較大時(shí)對(duì)線路進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，取得了現(xiàn)場(chǎng)資料后進(jìn)行合理調(diào)整。其次是改造電網(wǎng)，增加低壓四線覆蓋密度，掌握三相負(fù)荷分布的動(dòng)態(tài)，合理設(shè)計(jì)電網(wǎng)改造方案。
不難看出，配網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}是綜合性的。侯義明表示，應(yīng)從硬件和軟件兩方面入手。“低電壓”治理應(yīng)根據(jù)變電站母線電壓、中低壓線路供電半徑及負(fù)載水平、配變臺(tái)區(qū)出口電壓、配變?nèi)萘考柏?fù)載水平、配變低壓三相負(fù)荷不平衡度、“低電壓”用戶數(shù)、低壓用戶最低電壓值、電壓用戶最低電壓值、電壓越下限累計(jì)小時(shí)數(shù)等綜合分析問(wèn)題產(chǎn)生原因，按照變電站、線路、配變臺(tái)區(qū)逐一制定整改措施。
