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      1. 內容詳情

        新型電力系統背景下高品質供電關鍵技術問題初探

        關鍵詞:新型電力系統 電能質量 南網新型電力系統研究

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

        一、對新型電力系統的認識

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

        在能源轉型中,我國在構建新型電力系統的發展路徑中大體經歷三個階段。第一代電力系統:從19世紀末至20世紀60年代,特點是小機組、低電壓、小電網和小規模,電網安全和供電可靠性較低,此時的電源和電網處于初級發展模式。第二代電力系統: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,安全性和可靠性得以提高,但大電網停電風險依然存在,且仍然高度依賴化石能源,是一種不可持續的發展模式。第三代電力系統:從21世紀初至21世紀中葉,以可再生能源和清潔能源發電為主,骨干電源與分布式電源結合,主干電網與局域配電網、微電網相結合。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,是一種可持續的發展模式。

        新型電力系統的主要特征是依托信息化、數字化、智能化等現代科技手段,構建以新能源為主體的新型電力系統。新型電力系統的顯著特征是風電、光伏等新能源在電源結構中占據主導地位,由于新能源具有隨機性、波動性、間歇性等特點,電網在持續可靠供電、安全穩定等方面面臨重大挑戰。

        總而言之,新型電力系統的核心特征是能充分應對電源變化、電網變化、負荷變化,從而構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,實現物理信息深度融合的智能電力系統和能源互聯網。

        1 能源轉型中我國新一代電力系統的技術特征

        二、構建新型電力系統面臨的電能質量問題與挑戰

        新能源發電具有隨機性、波動性、間歇性,并且新能源發電的滲透率將不斷提高,這些特性會造成嚴重的電能質量問題。新能源產生的電能質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經濟損失最大和社會影響最嚴重的電能質量問題。大規模新能源發電替代常規機組可能導致電網短路容量下降,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,受影響的負荷數量增多。

        電壓暫降特征由電力系統繼電保護特性決定,而用電設備抗擾水平決定了電壓暫降影響的程度,敏感負荷須在規劃設計階段考慮電壓暫降的影響,系統、負荷和設備側的電壓暫降解決方案均須較大的資金投入。以安全性、經濟性和有效性為約束條件,提升設備耐受特性,優化電網保護策略,多維度協同暫降治理裝置補償等,從點—層—面系統削弱電壓暫降影響,是構建新型電力系統面臨的重大挑戰。 

                   

        2 10kV和0.38kV系統故障電壓暫降事件

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

        3 瞬時擾動對相位繼電器的影響

        4 內置電子鎮流器的緊湊型熒光燈間諧波閃變特性

        5 110kV以上系統有載調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電而越發突出,如南方富含小水電地區的農村電網長期飽受電壓合格率問題困擾。當分布式新能源發電達到一定占比時,低壓系統、中壓系統,將會出現雙向潮流,甚至在高壓系統中也會出現雙向潮流。

        目前,電力系統有載調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壓功能,傳統無功補償裝置在中低壓系統中調壓效果并不顯著。隨著電力電纜中高壓化及比例增大,費蘭梯效應(Ferranti effect)將造成城市配電網的輕(空)載運行時電壓升高情況增多。

        因此,在經濟性、安全性、有效性等多目標約束條件下,構建協同的輸配電網,具備就地靈活消納能力,治理裝置相互配合,優化輸配電網運行方式及功率潮流的系統級解決方案,是解決高滲透率新能源發電并網電壓偏差問題關鍵。

          

                                  圖 6農網光伏扶貧接入造成的電壓偏差越限問題

        2. 頻率越限問題

        由于新型電力系統電源結構性矛盾突出,高比例波動性,直流換相失敗,間歇性光伏發電和風電等變流器電源造成系統轉動慣量和頻率調節能力持續下降,使電網頻率越限風險顯著增加。另外,新型電網中將會出現大電網、微電網和孤網并存情況。微網、孤網運行方式,沖擊性負荷應用場景下,頻率控制難度將加大。

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

        7 某鋼鐵廠10kV母線監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用,高壓直流輸電換流閥、風電變流器、光伏逆變器、充電樁、LED照明等各類電力電子裝置的規?;瘧?,電網中諧波運行水平逐漸惡化,呈現出高電壓等級、高諧波頻率、高耦合諧振風險的“三高”特點。新型電力系統中,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、諧波測試數據可靠性偏低,這些問題給諧波污染源的潮流辨識、責任劃分、綜合評估及優化治理帶來了巨大的挑戰。

        傳統直流輸電換流站交流濾波系統造成5次諧波放大,并通過1000kV省級電網聯絡線傳輸,造成地區電網5次背景諧波電壓偏高或超標,對地區電網的安全穩定運行造成影響,傳統的高壓直流濾波器設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,開關頻率逐漸提升,電力電子器件產生的高次或超高次諧波頻率顯著增加,電網中的高次或超高次諧波含量逐漸增加,使新型電力系統諧波呈現高頻化特征。目前,超高次諧波檢測手段和方法不完善、系統等效模型不確定性,給超高次諧波研究帶來了較大挑戰;超高次諧波的研究尚處于起步階段,超高次諧波的產生機理及傳遞規律還存在不確定性,相關標準不夠完善,治理手段欠缺。

        電力電子設備規?;⒕W后,變流器群間會產生交互影響,變流器的入口濾波器或電纜之間會產生諧振問題。諧振頻率及諧振峰值主要受逆變器數量、系統短路容量、電纜長度的影響,當逆變器數量越多,低頻段并聯諧振點越低,高頻段并聯諧振點越高,導致諧振風險越高。

         

        8 高電壓等級諧波來源

        9 高頻次諧波事件

        10 電氣化鐵路產生的超高次諧波及其傳遞規律

        三、總結與展望

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

        實現高品質供電不僅需要技術的革新,靈活的機制,跨領域的協作,以及科學的規劃和設計步驟。首先基于電能質量的一系列標準,對電能質量的電壓電流、頻率和諧波表現進行評估,然后根據電能質量評估結果實現電力系統設計,以及電能質量本身的監測和治理方案設計。

        11 考慮電能質量約束的新型電力系統配電設計步驟

        電能質量監測是開展電能質量評估、干擾定位、責任劃分等其他分析的基石,是電能質量技術監督工作不可或缺的基礎環節。未來,電能質量監測需解決三方面問題。一是海量數據的管理與高級應用,即保障海量數據的同步性,深度挖掘海量數據信息,提升多源數據共享能力和兼容性。二是數據的可靠性分析與應對策略,由于硬件設備和算法能力的不足無法滿足新型電力系統復雜的電能質量參數測量和指標評估。三是監測點最優化布局策略,即在有限的監測點數量上你,進行空間上的最優化布置,拓寬利用價值,實現電能質量干擾源定位、責任劃分、治理等復雜應用場景。

        在電能質量綜合評估與治理方面,首要因素是要解決測試數據的準確性及完備性。其次,由于電能質量問題交互耦合,給電能質量污染源潮流辨識、責任劃分、綜合評估及治理優化帶來了極大挑戰,需要新技術、新理論、新框架,構建適應未來新型電力系統的電能質量綜合評估的體系、指標及方法。最后,電能質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,提升經濟效益,完善電能質量治理效果的方法。

        總之,實現新型電力系統高品質供電要跨學科、寬領域,充分發揮數字化、人工智能、物聯網等新興科技手段對現代電力技術的支撐作用。加強供電企業同設備廠商、科研機構、電力用戶、政府等之間的溝通與合作,多點突破,全面發展,最終實現新型電力系統這一偉大的能源技術變革,為用戶高品質供電保駕護航。

         


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