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中国电科院:深化谐波研究治理 助力电网安全稳定运行

2022-01-18 11:12来源:国家电网报作者:许婧 刘有为 肖燕关键词:电网安全新型电力系统谐波收藏点赞

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随着新型电力系统建设不断推进,电能质量治理面临新的挑战。谐波是最突出的电能质量问题之一。什么是谐波?正常情况下,我国电网的电压或电流的波形是频率50赫兹的正弦波(又称基波),但由于电网存在非线性元件和负载,于是出现了与基波频率成整数倍频率的其他正弦波,这些正弦波被称为电网谐波。

谐波会影响各种电力设备正常工作,引发设备寿命缩短、网损增大、继电保护装置误动等诸多问题,一直是电力系统中影响电能质量的一大“公害”。当前,电力系统“双高”特征不仅对电网传统稳定性产生较大影响,也可能引发谐波谐振等新型稳定性问题,给电网安全稳定运行带来挑战。

新形势下电网谐波呈现新特征

新型电力系统的“双高”特征使电网中的谐波呈现新特征:谐波频率从以低频次为主扩展至高频次及超高频次,谐波源从用户侧为主蔓延至发输变配用各环节,谐波影响从影响电能质量扩展至影响电网安全稳定运行。

过去,谐波源以铁磁饱和型和电弧型为主,前者主要是各种带铁芯的电力设备,后者主要是各种炼钢炉、电焊机群等。这些谐波源产生的谐波主要是3、5、7次等低频次谐波,检测和治理技术相对成熟。近年来,以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的电力电子装置大量应用于光伏逆变器、开关电源、变频器和变频节能用电设备,其开关频率可达几百千赫兹甚至更高,可产生40~3000次的超高频谐波。电网谐波的频次低至10次以下,高至上千次,覆盖频率很宽,给谐波的检测和治理带来一定困难。

之前,谐波源主要集中分布在用户侧,而风电、光伏发电、储能、(柔性)直流输电的大规模应用使电源侧及输变电各环节的谐波问题开始凸显。另外,随着新能源汽车普及和直流配用电、变频节能用电技术快速发展,用电侧的谐波源也更加多样、复杂,分布更广。

新能源发电的广泛接入也使谐波治理形势日趋严峻。谐波对交直流保护装置和重要设备构成潜在风险。这一类敏感设备可能会在谐波含量超标时误动或拒动,导致可靠性下降。此外,谐波谐振引起宽频振荡,会导致风机脱网事故发生。这说明谐波不仅会影响负荷侧的电能质量,还可能给电网安全稳定运行带来挑战。

当前谐波治理仍存在难点

为了应对谐波给电网安全运行带来的挑战,需要从谐波监测、谐波溯源和谐波治理等方面采取措施。但目前,谐波治理仍存在一些难点。

针对电网电力电子化的宽频特征,国家电网有限公司已开展了相关宽频信号采集和测量技术研发并正在推广宽频测量装置,可实现0~2500赫兹谐波分量检测。在电网谐波监测方面,目前的技术手段仍存在较大盲区。现阶段,谐波监测主要在枢纽变电站、高压直流换流站及主要谐波源所在母线进行,监测点有限,监测数据基本为单点测量。由于无法保证测量时间同步,多点的采集数据缺乏同期性,很难用于预测或判断谐波的动态趋势。

谐波溯源是谐波评估和治理的前提和基础,也是谐波研究领域的热点和难点之一。现有谐波溯源方法一般是利用谐波源模型定位谐波源,但传统的谐波源建模需要充分了解谐波源内部结构及元件参数。分布式新能源电源、电力电子型负荷的大量接入使精确获取各类谐波源内部元件参数的工作量巨大。同时,由于谐波源彼此之间产生交互作用的现象非常普遍,建模对象可能是多种谐波源的复杂组合,而现有研究对谐波传导方式和规律、谐波交互影响方式的分析不够深入,难以全面准确分解谐波源组合。因此采用传统谐波建模方法实现谐波溯源难度极大。

目前,谐波抑制主要采取就地安装滤波器的方法,包括无源滤波器和有源滤波器两种。无源滤波器只能抑制预先设计规定的谐波成分,有源滤波器可动态滤除多次谐波,但是受器件带宽限制,不适用于高频及超高频、高压、大功率的场合。另外,由于滤波器一般为就地安装,其谐波治理效果局限在一定范围内,无法解决电网谐波耦合、谐波谐振等动态性、全局性问题。

三方面入手深化谐波研究和治理

随着经济社会的发展,人们对高质量高可靠性供电的需求进一步提升,抑制谐波造成的危害成为营造绿色电力环境,确保电网和设备安全、稳定、经济运行的基础。为此,应从加强谐波广域监测体系建设、推进谐波溯源研究、构建谐波综合防控治理体系三方面入手,开展谐波的深化研究和治理。

●加强谐波广域监测体系建设

新能源场站的入网工程等在设计阶段已有配套的谐波抑制措施。尽管如此,谐波仍然不可避免,滤波器故障、谐波谐振还可能将谐波放大。目前,电网谐波监测手段及监测方案的设计还不够成熟,亟待研发可用于电网谐波监测的宽频量测装置(0~150千赫兹),制定符合谐波宽频监测要求的技术标准。未来还应研究满足谐波广域监测需求的谐波监测点布局方案;同时基于谐波广域监测系统,研究广域谐波数据同步采集技术,加强并不断完善集硬件设备、软件平台、布局方案于一体的谐波广域监测体系。

●持续推进谐波溯源研究

谐波溯源需要深度掌握不同子系统间的耦合机制,建立广泛适用的谐波源模型。谐波建模研究既要针对具体场景,如光伏电站等,又要构建更具普适性的分析模型。未来基于广域和宽频的谐波监测系统,需进一步研究实时或准实时的谐波溯源方法,实现危险谐波源的快速定位、责任占比精准评定和适时有效的隔离或切除。

●构建谐波综合防控治理体系

推动谐波治理机制及技术进一步创新,也需要提升社会、企业和用户的综合防治意识。应建立政府、供电企业、用户等多方协同配合的机制,实施“源头提升、中间控制、末端防控”的系统性治理策略,共同推动电能质量提升。发电企业应进一步提高发电系统的稳定性,减少源头冲击;供电企业应持续构建高电能质量保障体系,进一步提升电网抗谐波干扰的能力;谐波敏感用户可结合所在区域谐波水平及用电特性评估情况,配备相应的谐波治理专用设备。应形成科学有效、联防联治的谐波综合防控治理体系,提升谐波治理水平,助力电力系统安全稳定运行。

(作者单位:中国电力科学研究院有限公司)


原标题:深化谐波研究治理 助力电网安全稳定运行
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