隨著電力體制改革的有序推進，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)拓撲結(jié)構(gòu)和負荷構(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中游刃有余，實現(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，各路專家學者獻言獻策，提供電能質(zhì)量的測量、分析、評估技術(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)量治理新機遇
安徽大學教育部電能質(zhì)量工程中心教授級高工李令冬：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特征是安全、優(yōu)質(zhì)和低價，其中電能質(zhì)量是關(guān)鍵。
新一輪電力體制改革的重點是回歸電能的商品屬性、形成市場決定電價的機制、以電價為中心引導(dǎo)資源的有效開發(fā)和合理使用。最大亮點是面向社會資本有序放開配售電業(yè)務(wù)、有序放開發(fā)電業(yè)務(wù)。
事實上，新一輪電力體制改革給電能質(zhì)量技術(shù)與產(chǎn)業(yè)帶來了最大機遇。這些機遇表現(xiàn)在平等地參與電力需求側(cè)配售電、可再生能源與儲能的發(fā)電、負荷控制等業(yè)務(wù)的競爭。
同時，也迎來了挑戰(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)保的壓力等對配電技術(shù)創(chuàng)新的需求；產(chǎn)業(yè)鏈延伸、規(guī)模擴大和激烈的市場競爭使企業(yè)面臨著新的轉(zhuǎn)型升級。
此外，可再生能源發(fā)電高密度接入電網(wǎng)，帶來對儲能發(fā)電與負荷控制的技術(shù)和產(chǎn)品的巨大需求，這已經(jīng)成為當前電能質(zhì)量技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要關(guān)注點。
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)，儲能發(fā)電是實現(xiàn)有功控制的主要手段。在分布式電源接入電網(wǎng)和負荷終端對有功控制的需求、儲能技術(shù)進步使其成本下降和強大的政策支持三大驅(qū)動力下，儲能發(fā)電產(chǎn)業(yè)已開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢。在未來的幾年內(nèi)，儲能發(fā)電產(chǎn)業(yè)價值規(guī)模將在600億元/年左右，意味著龐大的市場下，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)。
濾波與無功補償技術(shù)同樣是電能質(zhì)量控制的關(guān)鍵支撐技術(shù)。2014年全社會平均用電功率約為6.3051億千瓦，設(shè)無源無功補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)其價格為80 元/千乏，壽命20年，維護費用為2%，同時考慮我國用電量年增長率在4%左右等因素，近幾年無功補償裝置價值規(guī)模約為60億元/年左右。
有源動態(tài)無功補償裝置SVG的安裝容量約為平均用電功率的20%，假設(shè)其價格為160元/千乏，壽命15年，維護費用為2%，同時考慮我國用電量年增長率在4%左右等因素，近幾年SVG產(chǎn)業(yè)價值規(guī)模約為20億元/年左右。
近年來，市場擴大的同時，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)，對電能質(zhì)量技術(shù)產(chǎn)生以下新的需求：負荷側(cè)同時也是電源側(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、損耗增大問題尤為嚴重。而解決上述問題關(guān)鍵技術(shù)是儲能技術(shù)和有功補償技術(shù)。
目前我國電能質(zhì)量產(chǎn)業(yè)發(fā)展整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，單個產(chǎn)業(yè)規(guī)模?。ǘ嘈∮?0億元）；設(shè)備制造能力較強，但系統(tǒng)服務(wù)能力較弱；建成工程多，優(yōu)質(zhì)運行工程較少；解決局部問題工程多，整體解決方案的大工程少；同質(zhì)化服務(wù)、低價競爭，利潤低下；技術(shù)上多局限于無功補償和諧波濾波。而以上六個問題歸結(jié)到一個問題就是系統(tǒng)服務(wù)能力弱。
那么如何解決這些問題？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企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。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、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)能力向同時擁有軟件開發(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。
主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生新問題
國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院電網(wǎng)技術(shù)中心系統(tǒng)分析室高工張逸：研究表明，對于目前的電網(wǎng)，當分布式能源（DER）滲透率達到15～20%時，必須增加系統(tǒng)的靈活性，通過對電網(wǎng)的實時管理，才能保證電力平衡和安全穩(wěn)定性。
近年來，分布式能源推動了配電網(wǎng)的形態(tài)轉(zhuǎn)變。目前，由于分布式電源等接入，被動配電網(wǎng)方面，可再生能源發(fā)電功率難以預(yù)測，電網(wǎng)無法協(xié)調(diào)，導(dǎo)致供電質(zhì)量下降。現(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)濟性差、強制棄風棄光等。為電能質(zhì)量帶來各種隱患。
新能源的發(fā)展推動了被動配電網(wǎng)向主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。
區(qū)別于被動配電網(wǎng)，主動配電網(wǎng)內(nèi)部具有分布式或分散式能源，且具有控制和運行能力。小規(guī)模分布式能源的接入只會影響配電網(wǎng)的單點或局部的運行，而大規(guī)模、高滲透率的分布式能源接入?yún)s會影響電力系統(tǒng)的全局運行，并對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來不容忽視的影響。
因此，主動配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變會對電能質(zhì)量帶來新的問題。在電壓波動方面，配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量與無功電壓控制密切相關(guān)。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)運行時是無源的，無功電壓控制模式相對簡單。當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、隨機性、非線性特征，這不但使得配電網(wǎng) 運行時的無功電壓控制模式相對復(fù)雜，而且還有可能導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)有功潮流反向和無功潮流的不確定性，進而影響電壓質(zhì)量。
在諧波方面，區(qū)別于使用旋轉(zhuǎn)電機的傳統(tǒng)電源，利用電力電子裝置的分布式電源具有很強的非線性特性，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)計不當，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)測治理方面，多點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荷之間又會相互影響。目前DFACTS設(shè)備多基于本地信息量進行控制，而且都是針對不同目標單獨設(shè)計和安裝的，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)對主動配電網(wǎng)建設(shè)帶來的電能質(zhì)量問題，迫切需要新的控制手段。
據(jù)張逸介紹，主動配網(wǎng)可以通過分布式電源等可控元件，實現(xiàn)更精準的的柔性主動電壓控制、集群需求響應(yīng)、實現(xiàn)系統(tǒng)級的主動功率控制、干擾源建模、諧波潮流計算、電壓暫降域分析、干擾源定位問題。
電力電子化給電能質(zhì)量帶來三重挑戰(zhàn)
清華大學教授姜齊榮：FACTS與大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用滿足電網(wǎng)發(fā)展，負荷增長以及對電能質(zhì)量的提出新需求。
近年來，電力系統(tǒng)電力電子化趨勢明顯。先進電力電子技術(shù)智能化是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵，也是今后世界各國電力系統(tǒng)電力電子技術(shù)發(fā)展的方向。從我國電網(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，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常用元件，用電力電子開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械開關(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并聯(lián)或串聯(lián)接入系統(tǒng)。
事實上，電力電子系統(tǒng)正在日益充斥于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)。例如，在發(fā)電領(lǐng)域，大量發(fā)電設(shè)備通過變換器接入分布式發(fā)電、使儲能調(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)，來進行控制調(diào)節(jié)。
電力系統(tǒng)日益電力電子化，也為電能質(zhì)量領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)電參量時間尺度過大，無法適應(yīng)電力系 統(tǒng)發(fā)展需求。相量、有效值、有功、無功理論面臨挑戰(zhàn)。其次，電磁暫態(tài)穩(wěn)定問題初步顯現(xiàn)，傳統(tǒng)機電暫態(tài)穩(wěn)定發(fā)生變化（發(fā)電機、負荷等特性發(fā)生大變化）、電磁暫態(tài)穩(wěn)定問題顯現(xiàn)，現(xiàn)有通信技術(shù)無法滿足電磁暫態(tài)穩(wěn)定控制要求。再次，電力電子設(shè)備保護動作速度快于線路保護，短路后模型差別大，分析難且保護選擇性實現(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。我國電能質(zhì)量問題造成損失也在逐年增大，傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域電能質(zhì)量問題仍突出。沖擊性非線性負荷多，電弧爐、變頻器、沖擊負荷等，電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用導(dǎo)致電能質(zhì)量問題嚴重。
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，有效抑制電壓波動與閃變，適應(yīng)能力強-各種場合與負荷配合不發(fā)生諧波放大的產(chǎn)品。因為，目前的SVC、STACOM均有弱系統(tǒng)振蕩問題。此外，產(chǎn)品要求占地面積小，因為大部分場地已固定，征地困難；電壓偏低與偏高時均具備強的無功補償能力，運行可靠穩(wěn)定，在系統(tǒng)沖擊、電壓暫降或升時均能運行；能同時治理諧波與不平衡等多種電能質(zhì)量問題，運行節(jié)能。
解決農(nóng)村配網(wǎng)低電壓應(yīng)從兩方面入手
中國電力科學研究院教授級高工侯義明：無功補償可以改善電壓質(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，無功電源先天不足，近年來,農(nóng)村用電負荷迅速增大,農(nóng)網(wǎng)無功需求及相應(yīng)的損耗也隨之加大。
隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(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，有時是單一原因作用，有時是多種原因組合作用形成。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成農(nóng)村低電壓的原因主要來自兩個方面：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、無功補償不足。現(xiàn)在運行的線路建設(shè)時間較早，當時的技術(shù)要求和建設(shè)標準不能滿足現(xiàn)在農(nóng)村的用電需求。雖然經(jīng)過幾次農(nóng)網(wǎng)改造，但相當一部分的線路還是比較陳舊、標準較低,亟須進行規(guī)劃建設(shè)。
變壓器布點不合理造成低電壓的問題不容忽視，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)村低電壓問題嚴 重的配電臺區(qū)內(nèi)均存在無功補償不到位的現(xiàn)象，線路內(nèi)就地分散隨器補償基本沒有，臺區(qū)集中補償裝置形同虛設(shè),要么電容器已經(jīng)損壞,要么就是沒有投運。
事實上，造成電壓低的原因除了設(shè)備的原因外,運行管理不到位也讓低電壓問題存在而得不到解決。主要表現(xiàn)為：三相負荷不平衡、高壓線路電壓偏低、需求側(cè)管理不到位。
以變壓器在三相負荷不平衡運行為例，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。
侯義明認為，解決因負荷不平衡而造成電壓低的問題，首先是加強管理。在高峰負荷期間或負荷變化較大時對線路進行實際測量，取得了現(xiàn)場資料后進行合理調(diào)整。其次是改造電網(wǎng)，增加低壓四線覆蓋密度，掌握三相負荷分布的動態(tài)，合理設(shè)計電網(wǎng)改造方案。
不難看出，配網(wǎng)低電壓問題是綜合性的。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載水平、配變臺區(qū)出口電壓、配變?nèi)萘考柏撦d水平、配變低壓三相負荷不平衡度、“低電壓”用戶數(shù)、低壓用戶最低電壓值、電壓越下限累計小時數(shù)等綜合分析問題產(chǎn)生原因，按照變電站、線路、配變臺區(qū)逐一制定整改措施。
