配电网电力电子化的发展和超高次谐波新问题
发布时间：2021-12-15
摘要 结合功率半导体技术和智能配电网技术的发展与进步，探讨电力电子化的科学内涵和四个方面的特点，分析了电力电子化的重大需求。电力电子技术的广泛应用改变了传统电力系统的源-网-荷电气参数及特性，新一代智能配电网呈现出非线性、高敏感、快变化、冲击性、多能调控的特征，给电网的优质电能保障和安全稳定运行带来了重大挑战。该文归纳总结衍生出的典型问题，指出应从理念视角、理论方法和技术标准三方面体系化地研究和解决问题。其中超高次谐波是配电网电力电子化发展背景下出现的新问题，国内外对此课题的研究刚刚开始。该文重点梳理了超高次谐波的起因、发生源的规律与特点、危害、传播特性和标准的研究现状，然后从频域、时域、时-频域整理并介绍了超高次谐波发射标准的一些建议指标，供读者参考。
关键词：智能配电网 电力电子化 电能质量新问题 超高次谐波
0 引言
配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，对实现智能电网和能源互联网战略目标起着关键作用[1]。“十三五”成为我国配电网大发展的重要时期，国家能源局于 2015 年 8 月 31 日发布“配电网建设改造行动计划(2015—2020 年)”[2]，明确提出 2015～2020 年投资超过 2 万亿元、全面加快智能配电网建设。
从整体来看，源-网-荷的协调控制是新一代电力系统发展的重要趋势和基本特征。2016 年新增装机中风电、光伏占比已超过燃煤机组，达到 41.8%[3]，随着可再生能源利用的持续深化，电力电子并网装备将显著改变电源的动态行为;在电网侧，特高压直流、柔性直流和柔性交流输电技术广泛应用，输电网络的大功率电力电子变换器应用改变了电源与负荷之间的相互作用规律;在负荷侧，分布式发电、直流配电网和微电网技术蓬勃兴起，智能移动设备和电动运输工具(电动汽车、高铁和电驱舰船)等越发普及，基于电力电子变换技术的整流和逆变依然是灵活高效利用电能的重要需求，这势必造成负荷侧逐渐走向高度电力电子化[4]。此背景下，新能源发电和储能的大量接入以及用户对供电的多元化需求，促使配电网加快了电力电子化的进程，给智能配电网的运行控制和管理维护带来了一系列新的理论与技术的挑战[5]。
实践证明，电力电子变换技术在增强了配电网可控性、灵活性的同时，已引起了许多局部振荡事件与电能质量问题。1995 年，在苏黎世发生了四象限电力机车与牵引网间的功率振荡现象，这是典型的多个电力电子装置与供电系统之间出现的谐振激发现象。2007 年 12 月，大秦线的和谐号动车因投入电力机车数过多出现了机网振荡问题[6]。在现代港口电力系统中，特别是基于电力变换技术的能量回馈装置在桥吊、门机等港口设备上的大量配置，在特定运行条件下，存在较大的冲击负荷，导致电网电压严重波动和不稳定、设备损耗发热等问题。洋山深水港区的供配电系统曾多次发生主导频率为 12Hz 的电压闪变严重超标，电压幅值波动范围高达 ±9%，导致部分负荷退出运行，以 2006 年 12 月、2008 年 9 月和 2009 年 1 月的电能质量事件最为严重[7]。
配电网电力电子化与半导体器件技术紧密关联。当前迅速发展的第三代功率半导体主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(Eg>2.3eV)半导体材料为基础[8]。由于第三代半导体材料具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用[9]，美、日、欧等发达国家已将其列入国家计划，而中国科技部也于 2013 年在“863 计划”新材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及应用列为重要内容[8]。新型半导体材料制成的器件，与 Si 半导体器件相比，具有开关损耗低、开关频率高、耐高温、反向截止电压高的特点，在未来的配电系统中有可能逐渐成为新一代高电压、低损耗、高功率密度电力电子装置的主要组成器件[10]。
配电网电力电子化必然带来诸多电能质量新问题。随着接入电网的半导体器件开关频率的提高，变换器注入电网的谐波向着高频化方向延伸，其中 2～150kHz 的高频畸变[11]引起了国内外大学、研究机构以及相关国际标准化组织的高度关注，在 2013 年的 IEEE 电力与能源国际会议上，电能质量标准工作组主席 Emanuel 首次将电力系统电压、电流中的这部分高频成分定义为超高次谐波(supraharmonics)[12]。瑞典吕勒奥科技大学研究超高次谐波的课题组，通过大量的测量和分析，初步归纳出了低压电网中超高次谐波的产生机理和传播特性[13]。然而，国内外对超高次谐波这一新问题的产生机理、危害影响、传播特性、测量分析、标准制定等，均处于起步阶段。随着新能源的推广，风电变换器、光伏逆变器、电动汽车充电桩等电气设备在电网中的渗透率越来越高，超高次谐波引起的电能质量问题将越来越多，其危害无疑会越来越严重。超高次谐波频谱跨度宽、起因多样、传播交互作用复杂，随着半导体技术的发展，正迅速衍生成为新型电能质量问题，极具挑战性和紧迫性，需引起电能质量领域研究学者的广泛重视并及时跟进，深入研究超高次谐波的产生机理、传播规律、测量方法和标准。
本文结合智能配电网的科技发展，探讨了电力电子化的科学内涵和四个方面的特点，分析了电力电子技术应用的重大需求，重点归纳总结了由此衍生出的超高次谐波新问题的研究动态，梳理了超高次谐波的起因、发生源的规律与特点、危害、传播特性和指标标准的研究现状。针对现有研究工作中存在的局限性和就事论事等问题，指出应从理念视角、理论方法和技术标准三方面体系化地思考和解决电力电子化带来的挑战和问题，并从频域、时域、时-频域整理并介绍了超高次谐波发射标准的一些建议指标，供读者参考。
1 电力电子化的必然趋势与重大需求
自电力系统建立以来，对电能的灵活控制、特性调节和有效储存一直是人们在解决的重大科学技术难题。电子集成工艺及技术与电能量流控制的成功结合，新兴的电力电子技术开始在电力系统发挥出越来越大的作用，并逐渐使电力系统走向智慧可控这一重大需求得以实现。这一重要突破使得在智能电网中电力电子技术以其独有的特长和功效表现出不可替代的作用。它不仅以不同时间尺度的快速固态通断替代了传统电路中的机械开关，而且通过各类拓扑结构的变换改变着电力系统的运行功能和电气性能，使其从基本不可控转变为可控、自动可控到智慧可控。其中，半导体技术是电力电子化的关键技术与实现基础，反过来电力电子化的发展有力推动了功率半导体制造技术的开拓与进步。
1.1 功率半导体技术的发展与应用
以 SiC 和 GaN 为主的第三代半导体，具有前景广阔的市场，经过政策推动和应用牵引，产业已经孕育成形。它有三大应用领域：光电子、电力电子和微波射频[8]，如图 1 所示，其中新能源电网是重要的应用平台。以电力电子装置为载体，第三代半导体在电力系统的各环节都有广泛的应用场景：①发电环节，如光伏逆变器和风电变换器;②输电环节，如柔性直流输电装备和灵活交流输电装备;③配电环节，如固态断路器、固态变压器(Solid-State Transformer, SST)、电能质量控制器和储能设备等; ④用电环节，如大数据信息中心、生产线智能机器人、电动汽车、轨道交通、舰船驱动、全电飞机等。而在中低压电网，第三代半导体功率器件已经取得突破性应用，如 SST。SST 是新能源互联网中实现能量转换的核心部件，它具备开关频率高(几十 kHz 以上)、双向输入输出、压降损耗小的技术特点，因而有灵活电压转换、功率密度高，变换器体积小、质量轻等众多优点[14]。
采用第三代功率半导体的电力电子设备能显著地节能降损、提高开关频率和功率密度，例如，罗姆公司研制的全 SiC 器件的电动汽车逆变电路(1 200V/230A)，开关损耗仅有 Si IGBTs 的 1/4，但开关频率高达 80kHz[15]。
(1)节能降损。据统计，电机类负荷约占全社会用电的 60%，应用变频技术可节约用电约 30%;照明用电约占全社会用电的 20%，应用电力电子技术可节约用电约 25%[16]。而在新能源并网中，采用 SiC 功率器件的产品，其电力损耗削减到 30%～ 60%，相同体积下的电力容量扩大了约 2 倍。根据全球能源互联网研究院提供的数据，采用 SiC 的 30kW 光伏逆变器的最大效率为 99.1%。
(2)提高开关频率。SiC 关断过程中不存在电流拖尾现象，可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于 Si);而 GaN 高压 MOSFET 的工作频率可达 1～ 2MHz。
(3)提高功率密度。SiC 功率器件理论上可在 175℃结温下工作，可显著减小散热器的体积，同时由于器件电流密度高(如 Infineon 产品可达 700 A/cm²)，全 SiC 比 Si 基功率模块的封装尺寸可减小设备大小/ 质量的 15%～20%[17];GaN 材料的临界击穿电场高达 3.4MV/cm，10 倍于 Si，同时 GaN 器件利用二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG)工作，电流密度很高，因此可以获得更大的功率密度。
1.2 电力电子化的重要特征与需求
随着智能电网的建设和新能源的接入，电力系统已发展成为一个融合了通信系统和人造物理系统的信息物理能量系统(Cyber-Physical Energy System, CPES)，电力电子化的电力系统，是多类型电源、多电能变换、多电力形态经柔性互联的源网荷协调系统，功率在多层复杂网络间双向流动，具备强非线性、高敏感、快变化、冲击性、多能调控特征。图 2 是未来电力电子化配电网的框架示意。
新能源发电在世界范围内的超高速增长和能源互联网的兴起，对智能电力电子设备的发展提出了新的需求。能源互联网以大量分布式可再生能源为能源生产主体，终端对象是具备产生电能和使用电能双重身份的用户，这两个因素决定了配电系统是能源互联网建设的关键。从事物发展的基础条件和规律来看，在没有革命性技术与装备产生之前，智能配电网的可靠性和可控性将仍然充分依赖高度电力电子化的基础设施。主要表现在以下四个方面：
(1)功率适用范围宽，应用广泛。图 3 为电力电子半导体器件的应用功率等级分布，从规模化新能源发电、分布式发电、特高压输电、低压配电到智能楼宇和家居用电等无处不在;涵盖了从特高压到中低压等宽泛的电压等级。
(2)电力电子变换器占有率越来越高。大量新颖的电力电子设备接入电网，约有 90%的电力需要经过相连的变换接口后并网或使用。在能源互联网中，电力系统是各类能源转换的枢纽，承担着核心的能源转换作用，需要实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，最大限度地接受新能源的接入和智能终端设备的即插即用[18]，利用电力电子变换器可实现这一功能定位，其在能源路由器的应用和能源互联网的构建中扮演着关键的基础角色。
(3)低压电网电力电子化尤为突出。早期电力电子器件的电压耐受等级小于 1kV，电力电子设备最先在低压电网中应用，经过近 60 年的发展，无论从数量还是类型来讲，低压电网的电力电子化程度都是最高的，尤其是交流微电网的提出与开展催化了近十年来最为活跃的电力电子化进程。电力电子化开始改变传统配用电固有的特性，电网是理想电压源的情景已经不复存在了，出现电压快速波动、谐波发射和电压畸变等。这一进程还在示范推广和发展之中，目前还算不上真正的高度电力电子化配用电系统。
(4)电力电子产业正处在增长上升时期，其科技创新最为活跃，前沿课题不断涌现。电源和电网，尤其是配用电系统中变换器数量越来越多，电网与装置之间的互作用严重，开始明显改变传统电网的运行特性。因此，以电网安全稳定、可靠、优质、高效为目标的系统如何分析、设计、控制、信息传递和系统集成是摆在电力电子、电力系统等学科工作者面前的世纪难题。
2 电力电子化面临的诸多挑战
电力电子化改变了传统电力系统的源、网、荷的电气参数及特性，新能源发电成为主导能源的进程加快，分散式合作平面化微网群逐渐兴起，高技术、多样性强非线性负荷比例增加，功率变换系统高级技术成为关键，电能输送与信息传递技术正相互融合[19]。最新研究指出，器-网(变换器-电网)，器-器，网-网之间的交互作用强烈、频繁和复杂。电力电子化已经给配电网的分析设计、稳定运行和电能质量带来重大挑战，需要人们从理念和视角、理论和方法以及技术和标准三方面体系化的思考和解决问题。
2.1 新理念和新视角
大规模接纳可再生能源和智能化是电网发展的趋势和方向，而能源互联网则是未来的电能利用形态。其中，源网荷协同是未来电网的突出特征，实现灵活快速的功率控制与调节，实现可控电网自趋优运行的能力是其核心内容。在目前及可预见的时间范围内，能实现上述功能的主要是电力电子技术和装置。因此，智能配电网的实质就是融合先进信息技术的电力系统的电力电子化。
而当前阶段，电力电子还仅仅被认为是辅助技术和手段，认识的错位掩盖了对其理论体系的认知和研究。实际上，人们对其内特性和物理本质的认识欠缺，其外在表现与接口系统之间在极小时间尺度下的电气参量和由此出现的新现象、新规律尚待探索。
为适应电力电子化发展的大趋势，必须瞄准供用电系统的基本物理特征与要求，改变以往孤立地研究个别电力电子装置局部问题的状况。要有兼顾配电系统与装置、装置和装置之间上下贯通的整体系统视角。敢于突破和颠覆，以新理念和新视角，寻求新理论，找到新方法。
2.2 新理论和新方法
(1)非线性条件下的新功率理论。电力电子设备的强非线性使平均值概念和传统电功率理论面临挑战，传统的功率定义在新的工况下已产生较大的误差或不再适用[20]。以平均功率进行控制，基本能满足当前的功率、能量控制需求，其与外部系统接口表现为连续的电气参量，但其物理解释并不明确。目前描述非线性条件下和不同时间尺度下的广义功率理论尚未统一，电能消耗与计量的功率流与物理机制需要重新认识[21]，需要建立完备的功率理论新体系作为基础支撑，从能量流的物理机制进行多维度分析[22]。
(2)非线性时变系统的新稳定性分析方法。电力系统惯量参数被削弱，短路容量被隔离，网-网(系统间)稳定条件与稳定性理论分析发生变化，多变换器及新特性设备下的稳定分析方法不清。常用的稳定性判据有奈奎斯特稳定判据和李雅普诺夫第一法，近年来还出现了新兴的基于阻抗法的稳定性判据[23]，均需对电力系统进行线性化处理。而李雅普诺夫第二法能同时适用于分析线性系统和非线性系统、定常系统和时变系统的稳定性，但构造李雅普诺夫候选函数十分困难。目前基于平衡点线性化的分析方法不能完全揭示电力电子化系统的稳定机理，还需深入研究其非线性动力学特性[24]，挖掘李雅普诺夫稳定性判据在非线性时变系统的应用潜能，甚至需要建立物理意义更明确、操作更简单、具有普适性的新稳定性理论。
(3)多系统变量间的新定量交互评估方法。考虑到不同发电特性的多类型电源、大量不同形态变换的电力电子设备(有源并网无源并联，网-器，器器)连接，分析其电磁交互作用及影响机理与传播，需要多输入输出变量间交互影响的定量评估方法，如引入奇异值分解法、相对增益原理。
(4)不确定性风险及经济评估新方法。电力电子化系统的可靠性、热损耗设计、体积/质量、不确定性风险以及经济评估是首要问题。经济效益的评估涉及的因素较多，且对改善电能质量措施的选择起关键作用，目前这方面发表的文献较少，特别是经济效益的量化分析，缺少相关的参考资料[25]，需要研究填补空白。概率性方法、不确定理论及相关智能化算法[26]可作为借鉴。
2.3 新技术和新标准
在电力电子化系统方面建立新技术和新标准，需要重点关注以下七个方面：①新的建模技术、研究平台和数学模型;②标准规范跟不上技术发展的速度，建立并网的规范标准十分重要;③可控性增强，负荷的特性变化显著，动态过程多;④面对双向功率流，原有的继电保护势必演变为控制与保护的大概念;⑤智能电网的通信信息系统与电网自动化的协调、协同关系;⑥电力输送、配送以及电压电流固有特性发生大的变化;⑦变换器的故障分析和新型保护技术成为障碍。
3 电力电子化带来的电能质量新问题
随着电力电子技术日趋复杂化和多样化，大量具有冲击性、非线性、不平衡性特征的电力电子装置造成配电网电能质量的持续恶化。而 21 世纪的电力电子化进程下的电能质量扰动更加错综复杂，扰动源具有不确定性，且产生的扰动之间相互作用，这些扰动对电磁干扰的发生概率产生影响，引起了诸多电能质量新问题：如电压快速变化，三相不平衡更频繁，间谐波、低频次谐波和 2kHz 以上的超高频谐波分量问题大幅度增加，非工频分量向次同步频段和高频段两端转移。
3.1 电能质量扰动概率变化
配电网中的基于间歇性可再生能源发电的分布式电源易受外界环境影响，具有随机性和波动性，从而引起馈入点注入功率的波动;同时配电系统中还接有大量的单相负荷、冲击性负荷和实时变化的非线性负荷。电源和负荷的波动性具有统计规律，可通过概率分布来描述。由此产生的电能质量扰动也呈现出概率式变化的特性，例如，由分布式电源与非线性负荷引起的电压质量变化、谐波畸变，由分布式电源与单相负荷、冲击性负荷引起的三相不平衡等[27]。
因此，只依靠原有的确定性的方法已经不能够准确并且全面地评估电力电子化电力系统的电能质量水平，标准 IEEE 519 建议应给出概率曲线来比较评估谐波畸变率等级与所规定限值之间的差距。
3.2 扰动的互作用
常用的电力电子装置互作用的理论分析方法有规范形方法、奇异值分解方法和相对增益矩阵方法等。一些文献研究了无功装置、新能源电网和逆变器的互作用[28,29]。文献[28]采用基于频率的相对增益矩阵与 NI(niederlinski index)指数相结合的方法，指出多逆变器并网时会通过公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)耦合从而令控制通道发生交互作用，并网台数会影响逆变器并网电流中的各频次谐波含量，二者关系如图 4 所示。文献[29] 的研究表明，逆变器的自谐振和并联谐振有固定和非固定两个谐振点，而串联谐振只有一个非固定谐振点。随并网逆变器数量的增多，固定谐振峰值频率不变，非固定谐振峰值频率向低频段迁移。
但是如何认识多扰动装置的发射水平、背景现状和相邻扰动设备的互作用，目前仍然缺少系统性的机理探索，需要科学定义，例如，原生发射(primaryemission)、次生发射(secondary-emission)等新问题。此外，配电网电力电子化的进一步发展，将对设备发射水平和免疫能力产生不利影响，进一步影响到电力扰动的传递和转移。需要重点研究新型(特别是有源电力电子接口)设备抵抗不同类型扰动的免疫能力，以及相关免疫标准的制定，对制造业起到引领作用。
3.3 快速电压变化
快速电压变动相对于传统的电压波动在定义上有所延伸，还包含了发生间隔时间较长的事件型的电压变动。它主要是由大容量、具有冲击性功率的负荷引起的，如变频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和大型轧钢机等[30]。虽然现有快速电压变动标准从电磁兼容水平、规划水平和设备等方面给出了相应限值，但其准确测量一直是检测的难点。最新出版的 IEC 61000−4−30 中重新从测量角度给出了快速电压变动的定义，并推荐了相应的测量方法。确定统一科学的测量方法有利于保证快速电压变动测量的有效性，也为进一步的分析、评估与治理提供了基础。在分布式能源广泛接入的情况下，为了确保电力系统正常运行，需要将快速电压波动幅值限制在更严格的范围内，并需要建立合适的检测算法，以便对此类事件进行记录与分析[31]。
3.4 三相不平衡频繁发生
尽管大部分分布式发电机是三相机组，但是家用热电混合系统和光伏系统正变得越来越普遍，其导致的低压配电系统不平衡问题越来越频繁且不容忽视[32]。同时，微电网中的负载大部分都含有不平衡或非线性的成分。不平衡的三相线性负载将给逆变器引入基波的负序和零序扰动。而三相非线性负载也将给逆变器引入谐波的正序、负序和零序扰 动[33]。此外，在交直流混合型输配电中，电网故障时由于电网负序分量的存在也会导致系统三相电流不平衡[34]。
3.5 谐波畸变仍在恶化
换流和变频技术正在广泛的应用。冶金、化工、矿山部门大量使用晶闸管整流电源;工业中大量使用变频调速装置;电气化铁路中采用单相交流整流供电的机车;高压大容量直流输电中的换流站;家用电器(电视机、电冰箱、空调、电子节能灯)等[35]。大量的非线性变换器和负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网更高水平的谐波畸变。电力电子化极大地改变了交流微电网和主网连接点及重污染负荷 PCC 处的短路容量与特征阻抗，从而引起某些频率的系统谐振;孤岛运行下，大量逆变器接入和旋转设备退出，也会导致总谐波(包括电压和电流)增大。
3.6 扰动频率发生转移
电力电子化的背景下，随着风电和光伏等可再生能源的增多和开关频率的升高，配电网呈现多时空尺度、宽频域和低惯性的特征，机电电磁耦合复杂，导致非工频扰动的频率发生转移，主要集中在次同步频段和高频段，并出现了突出的次同步间谐波(subsynchronous interharmonics)问题和新型的超高次谐波现象，相关焦点问题如图 5 所示。——论文作者：肖湘宁 廖坤玉 唐松浩 范文杰
相关期刊推荐：《电工技术学报》(双月刊)创刊于1986年，由中国电工技术学会主办，机械工业出版社出版的综合性学术期刊。主要涉及：电机与控制、电器、电力电子技术、电力系统、工业自动控制、电工测试、理论电工、电气绝缘、材料、信息化技术等。
