荐文 | 新型电力系统建设背景下电能质量面临的形势与对策

新能源快速发展的背景下，电力系统电源与负荷结构正在发生质的变化，高比例新能源并网、高比例电力电子装置接入的“双高”特征，导致电力系统电源与负荷的非线性、波动性、以及不平衡性显著增大，使得电网电压波形发生畸变，引起谐波畸变、电压波动以及三相不平衡等问题越来越严重，给电网的电能质量及电网控制保护的稳定性造成影响。

来源：北极星输配电网  作者：李锐海，刘桓瑞 （南方电网生产技术支持中心）

2020年我国提出了“碳达峰、碳中和”的目标，随着新型电力系统建设高速推进，预期未来高比例电力电子设备会持续接入电网，给电网的电能质量带来的“污染”愈加严重，成为电力系统未来面临的新问题。对此，应提前谋划，加强管控，研究谐波畸变等关键因素对系统的影响及治理措施等，以减小对电能质量及系统安全稳定运行的冲击。

（一）电能质量超标的危害及南方电网电能质量现状

电力系统电能质量降低会引起广泛的能效及安全影响，如降低电力设备的运行性能，增大电力系统损耗，降低生产工效和工件质量，干扰继电保护和自动装置正常工作，增加和放大电网谐振，诱发谐波过电压或过电流的危害。严重时可能影响引起敏感制造业设备故障、新能源发电机组脱网、常规发电机组异常、电容器组设备烧损等电能质量事件。

南方电网公司近年来组织开展了多次全网电能质量普查，发现电能质量超标的问题在网、源、荷侧均普遍存在。根据谐波普测，变电站谐波电压超标率约6.0%；开展了谐波源用户排查，用户谐波超标率约19.9%；开展了174个新能源场站排查，共发现18个站谐波超标。

随着电网设备电力电子化增加，电网谐波引发的电能质量事件也增加，如因5次谐波超限导致柔直单元停运，交流电网背景谐波含量较高引起直流滤波器等设备过负荷告警等，部分敏感用户由于电压暂降造成生产线停运也有发生。

（二）新型电力系统建设背景下电能质量面临的形势

随着传统电力系统向新型电力系统发展，“双高”特性将更为显著，新型电力系统建设背景下电能质量面临的形势主要有两方面：

一是新能源发电的快速发展使得电源结构发生根本变化。“双碳”目标对能源行业提出了更高的要求，电源结构也将发生根本性变革，新能源装机占比逐年上升，预计到2030年，新能源发电装机容量将达到15亿千瓦。新能源发电出力随机性、波动性显著，规模接入区域可能出现次同步或超同步功率振荡、谐波放大或谐波谐振、电压越限等问题，造成临近新能源场站和分布式光伏脱网、临近用户电动机跳闸、发电机轴系扭振等影响。

二是电力系统负荷侧呈现电力电子化趋势。交通行业、冶炼化工、高端制造等行业领域新型电力电子设备大量接入，负荷形态更加多样化，负荷特性发生较大变化，负荷侧有源化发展趋势显著。

交通行业方面，电气化水平持续提升，铁路网规模到2025年将达到17.5万公里，电气化率将达到89%；城市轨道交通，“十四五”期间总里程达1.3万公里；新能源汽车，2030年预测我国新能源汽车销售将占比40%~50%，“十四五”末，全社会新能源汽车的年充电量将达到1029亿千瓦时。电气化铁路对电能质量的挑战主要是负序、谐波等问题，轨道交通则主要是谐波问题，曾引发高次谐波放大，造成变电站保护误动，影响临近用户供电。新能源汽车用户集中充电造成供电设备重载或过载、电压越下限等问题。

冶炼化工行业方面，冶金化工等高耗能行业将重点推进电能替代工作，提高电能在终端用能的占比，未来直流电弧炉、精炼炉、中频炉、轧钢机、电解整流装置、电石炉等电力电子化生产设备的应用规模将持续增长。冶金化工行业未来主要特征是产业集中化、设备重型化，高压大功率用电设备运行时产生较大的功率冲击，引起电压波动、谐波等问题，并向下一级电网传播，影响范围大。

高端制造等行业方面，呈现快速电力电子化趋势。为提高用电能效，加工制造、信息通信、商业用电设备广泛使用变频器、直流传动设备和直流通讯电源、UPS、空调系统等设备，同时随着设备智能化水平的提升，全控型电力电子器件的应用程度提高，用电设备的谐波呈现宽频化、随机波动等特征，设备之间的相互影响增强，对配电网电能质量控制提出新的挑战。

（三）新型电力系统建设背景下强化电能质量管控的建议

一是完善电能质量监测系统，扩大监测范围。目前电能质量监测技术领域，主要使用电能质量在线监测终端开展变电站、新能源场站实时监控，受投资规模限制，目前覆盖面较低，难以满足新型电力系统建设的需要。建议扩大系统数据来源及数据深度分析应用，研究接入用户专变负荷控制终端、变电站智能录波器、PMU装置等现有监测数据，实现数据的高效利用，以较低的投入实现关键变电站、大用户、新能源场站电能质量监测全覆盖。

二是强化电能质量技术监督。加强干扰性用户的全过程管理，推进《电网电能质量技术监督管理规定》修订，指导电能质量技术监督管理工作。各级电网企业应建立健全干扰性用户管理机制，规范开展用户入网电能质量评估，加强用户监测分析，保障技术监督管理措施落实。建议构建电能质量监管的技术支撑体系，组建各级电能质量检验测试中心等。

三是加强电能质量管理的顶层设计。建议优化我国现有的电能质量管理体系，完善法律法规电能质量条款，明确市场各方责任与义务，完善行业监管机制，建立纠纷鉴定调解机制。探索制定电能质量污染奖惩政策，建立电能质量改善的电价激励机制，逐步实施“优质优价”的电能治理市场机制。

四是健全电能质量标准化管理与支撑体系。完善电能质量国家、行业标准技术体系，组织修订现行国标GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》等关键标准规范，完善干扰性用户接入电网、电能质量治理设备等相关技术标准，持续提升电能质量标准化水平。