未來(lái)智能電網(wǎng)的嚙合電能質(zhì)量和電磁兼容性

菲利普·基布勒

隨著智能電網(wǎng)的全面發(fā)展，電力公司和他們的用戶都開始從事智能電網(wǎng)技術(shù)的研究項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的資金投入高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元?，F(xiàn)已有包括電力科學(xué)研究院(EPRI)在內(nèi)的數(shù)十個(gè)科研機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)以百計(jì)的以智能電網(wǎng)為主題的項(xiàng)目進(jìn)行研究。對(duì)電力行業(yè)來(lái)說(shuō)，電能質(zhì)量(PQ)一直都是(現(xiàn)在仍是)具有重要意義的主要課題之一?？煽啃院图嫒菪允墙K端設(shè)備對(duì)電力性能的需求，在某種程度上，高質(zhì)量電源的頻率分布在50Hz或60Hz～3kHz之間。在當(dāng)今不斷變化的環(huán)境下，能夠與周圍超過(guò)3kHz(比如10GHz甚至更高)的電磁環(huán)境相兼容也是很有必要的。在用戶設(shè)備中的電子負(fù)載與電力系統(tǒng)或電網(wǎng)中的其他負(fù)載互相操作時(shí)，電磁兼容性(EMC)是最重要的。本文將會(huì)幫助讀者理解為什么在未來(lái)幾十年中，電磁兼容性(EMC)和電能質(zhì)量(PQ)是在智能電網(wǎng)初具規(guī)模的過(guò)程中必須解決的課題。

電能質(zhì)量(PQ)在IEEE1100電子設(shè)備供電和接地推薦操作規(guī)程中定義為：電子設(shè)備供電和接地的方式適合于該設(shè)備的操作，并與布線系統(tǒng)以及其他與之連接的系統(tǒng)相兼容。因?yàn)殡娔苜|(zhì)量是保證電網(wǎng)中電子負(fù)載運(yùn)行的可靠性和兼容性必不可少的因素，也受到了電力公司及客戶的高度重視。

電子設(shè)備的供電必須能與設(shè)備相兼容。因此，電壓的質(zhì)量和電流的質(zhì)量，總之電源的質(zhì)量(即設(shè)備的電壓和電流)必須滿足電子設(shè)備運(yùn)行的最低要求。當(dāng)電源質(zhì)量不理想(從來(lái)不會(huì)達(dá)到理想狀態(tài))時(shí)，電子設(shè)備的接地系統(tǒng)可以吸收設(shè)備意外的干擾電壓和電流，從而確保設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行而不被損壞和發(fā)生故障。當(dāng)然，這些情況都是以設(shè)備的電源、接地系統(tǒng)及設(shè)備本身能相互兼容為前提的。

電力科學(xué)研究院(EPRI)的研究成果幫助電力公司了解為什么電力系統(tǒng)需要改進(jìn)以及如何進(jìn)行改進(jìn)才能減少電子干擾的發(fā)生。然而，仍有大量的干擾是源自于配電水平，并隨著電源線傳入用戶設(shè)備。并非所有干擾對(duì)設(shè)備都有破壞性，如電壓驟降、電壓陷波及電壓畸變等并不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，而浪涌電壓、暫時(shí)過(guò)電壓及瞬變電壓對(duì)設(shè)備的干擾就是破壞性的。電力科學(xué)研究院(EPRI)的研究結(jié)果肯定了電力公司在過(guò)去的30多年中，對(duì)電能質(zhì)量(從發(fā)電機(jī)組到電能表的電能質(zhì)量)進(jìn)行改善的過(guò)程中所涉及的設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)和最佳的實(shí)踐過(guò)程。電力科學(xué)研究院(EPRI)在過(guò)去30年的研究中也確定了設(shè)備電氣系統(tǒng)在控制電能質(zhì)量(從電能表到終端設(shè)備的電能質(zhì)量)的過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。基于電力科學(xué)研究院(EPRI)在對(duì)如何設(shè)計(jì)布線和接地系統(tǒng)的研究結(jié)果，電氣工程師能設(shè)計(jì)出幫助保持傳輸?shù)接脩艚K端的電能質(zhì)量的系統(tǒng)。而且，制造商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員經(jīng)了解改善電路設(shè)計(jì)的方式和原因，來(lái)提高設(shè)備性能，減少由于常見(jiàn)的設(shè)備干擾對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響。

科學(xué)研究院(EPRI)的研究成果在電網(wǎng)的電能質(zhì)量領(lǐng)域、電網(wǎng)設(shè)備和設(shè)施中的應(yīng)用，使得這些設(shè)施的擁有者、使用者以及廠商都降低了設(shè)備的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。電力公司在輸電、分銷、用戶級(jí)別等領(lǐng)域都開發(fā)了在動(dòng)態(tài)的電氣環(huán)境中控制和保持電能質(zhì)量的項(xiàng)目。設(shè)施的擁有者可以降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，并且在降低生產(chǎn)力損耗的基礎(chǔ)上生產(chǎn)質(zhì)量更高的產(chǎn)品。由于在原始設(shè)計(jì)中對(duì)電能質(zhì)量的要求已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)備的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾乎無(wú)需再做改動(dòng)。制造商可以減少由于產(chǎn)品故障對(duì)客戶的賠償以及減少由于設(shè)備損壞和故障而進(jìn)行的服務(wù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師了解產(chǎn)品的需求并且知道如何在他們的產(chǎn)品中進(jìn)行高效的功率設(shè)計(jì)使成本在進(jìn)行兼容性測(cè)試的過(guò)程中降到最低。

科學(xué)研究院(EPRI)對(duì)電能質(zhì)量的研究也是促進(jìn)供電公司進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)的一個(gè)重要方面。盡管電源質(zhì)量可能與設(shè)備在低頻段(50Hz～3kHz)的干擾和性能有關(guān)，但是它并不限于這一狹窄的頻率范圍。例如，電壓驟降就不能用簡(jiǎn)單的教科書來(lái)解釋。在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，電氣干擾是由低頻率干擾和高頻率干擾共同疊加組成的。

其他的例子還包括當(dāng)用戶設(shè)備的電路環(huán)路和分支上產(chǎn)生的組合波和環(huán)波存在電壓浪涌時(shí)產(chǎn)生的瞬間高壓對(duì)設(shè)備的威脅。

當(dāng)今電網(wǎng)中的關(guān)于電子干擾和排放源的管理使得電力公司掌握了EMC在能源發(fā)電、輸電、輸送及使用中的概念和重要性。類似于EMC的傳統(tǒng)定義，電力公司將EMC定義為能夠使組成供電系統(tǒng)的各個(gè)裝置和設(shè)備在電磁環(huán)境中不產(chǎn)生任何電磁干擾的能力。當(dāng)今的電力系統(tǒng)確實(shí)要依賴貫穿于整個(gè)系統(tǒng)中的某些電子設(shè)備。比如現(xiàn)在在許多變電站中都會(huì)使用基于微處理器的中繼設(shè)備現(xiàn)有的電網(wǎng)，無(wú)論是地上還是地下部分，其中大量用戶設(shè)備中的電子設(shè)備已達(dá)到飽和。通過(guò)解決出現(xiàn)在電網(wǎng)和排放源(電源線上的噪聲和電暈)中的干擾(其中典型的是出現(xiàn)在架空輸配電線路上的干擾)，電力公司解決了大量影響其客戶的電磁干擾(EMI)問(wèn)題。

電力公司在過(guò)去30年中掌握的關(guān)于電能質(zhì)量(PQ)和EMC的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)其自身來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)也為他們即將面臨的新的智能電網(wǎng)領(lǐng)域中PQ和EMC的挑戰(zhàn)做好了準(zhǔn)備。未來(lái)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中集成的智能電網(wǎng)技術(shù)將面臨新的關(guān)于智能電網(wǎng)能力(抵擋周圍電磁環(huán)境的外部影響的能力，如閃電)和終端用戶負(fù)載的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)在頻譜的低頻段和高頻段中都會(huì)發(fā)生。

已經(jīng)開始面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)就是EMI關(guān)于固態(tài)儀表的問(wèn)題。美國(guó)電網(wǎng)的許多用戶都已經(jīng)遇到了這樣的問(wèn)題。大量的案例報(bào)告中都涉及到了從遠(yuǎn)處客戶電子設(shè)備的儀表干擾中產(chǎn)生的高頻、小功率輻射。一些電磁干擾情況會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。在德國(guó)、意大利、瑞典和荷蘭的電力公司也經(jīng)歷了關(guān)于固態(tài)儀表的雙向EMI問(wèn)題。報(bào)告中涉及到了來(lái)自于光伏逆變器的低于200kHz的傳導(dǎo)發(fā)射會(huì)造成光伏逆變器安裝部位周邊的儀表產(chǎn)生精度問(wèn)題的有關(guān)問(wèn)題。除光伏逆變器之外的其他設(shè)備(如電子燈調(diào)光器)也會(huì)干擾儀表的工作。涉及到干擾終端用戶設(shè)備的其他問(wèn)題還包括嬰兒監(jiān)視器和消費(fèi)電子設(shè)備等。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)已經(jīng)對(duì)案例中的儀表問(wèn)題做出了回應(yīng)，并致力于在制定可確定儀表抗干擾能力的新的標(biāo)準(zhǔn)方面取得快速進(jìn)展。該標(biāo)準(zhǔn)草案中描述了一種在低頻段(即2kHz～150kHz)、不同模式下的傳導(dǎo)干擾的測(cè)試方法。正在開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)草案，IEC61000,4-19部分：試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)-在2kHz～150kHz頻段中的不同模式下進(jìn)行抗干擾度測(cè)試，并且基于IEC頒布的EMC標(biāo)準(zhǔn)61000系列中的EMC抗干擾標(biāo)準(zhǔn)將于2013年年中發(fā)布。在不久的將來(lái)它很有可能成為發(fā)展抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)特定產(chǎn)品的催化劑，例如為固態(tài)回收儀表制造的特殊產(chǎn)品。

圖1 有意排放源示例

圖2 無(wú)意排放源示例

雖然在美國(guó)，光伏系統(tǒng)將是分布式能源(DER)的主要組成部分，同時(shí)也是智能電網(wǎng)可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，固態(tài)儀表仍然是智能電網(wǎng)和用戶設(shè)施中智能電子負(fù)載的智能接口。其他的DER技術(shù)，如微型渦輪機(jī)，風(fēng)車，和燃料電池現(xiàn)在也使用逆變器將功率注入到電網(wǎng)中。隨著電力公司對(duì)DER技術(shù)的大力推廣和智能電網(wǎng)的初具規(guī)模，消費(fèi)者將會(huì)看到越來(lái)越多的與電網(wǎng)相關(guān)的可再生能源技術(shù)。電力公司必須依靠可兼容的、可靠通信的系統(tǒng)和智能電網(wǎng)組件，如固態(tài)儀表。同樣重要的是，電力公司也必須依賴于終端用戶群—住宅、商業(yè)和工業(yè)等建筑中的用于節(jié)省能源的智能終端用戶負(fù)載的可預(yù)測(cè)響應(yīng)。例如，當(dāng)電力公司通過(guò)智能電網(wǎng)將命令發(fā)送到120 000個(gè)制冷機(jī)處于準(zhǔn)備使用狀態(tài)的用戶來(lái)減少這些用戶的制冷機(jī)中壓縮機(jī)的功率時(shí)，他們希望住宅的負(fù)載減小。驗(yàn)證負(fù)載減少的一些方式可以被集成到DR的功能中。

EMI問(wèn)題涉及到有意或無(wú)意的能源排放。圖1和圖2中列出的各種設(shè)備案例會(huì)引起EMI問(wèn)題或一些頻率問(wèn)題。在圖1中，可以看到基于PQ問(wèn)題發(fā)生的頻段(60Hz～3kHz)和PQ問(wèn)題二次響應(yīng)發(fā)生的頻段(3kHz～1GHz)。商業(yè)設(shè)施中可調(diào)速驅(qū)動(dòng)的交流分支電路中的電壓開槽引起的電快速瞬變(EFTs)則是一個(gè)有關(guān)二次影響的例子。EFTs是可以損壞電子負(fù)載內(nèi)部敏感電路的高頻事故。能夠影響固態(tài)儀表的來(lái)自于光伏逆變器的傳導(dǎo)干擾(2kHz～150kHz)將會(huì)落入二次影響的頻段。

智能電網(wǎng)技術(shù)的示范將會(huì)為電力公司和行業(yè)開始學(xué)習(xí)PQ和EMC提供一個(gè)平臺(tái)，可以了解電磁之間的交互技術(shù)、智能電網(wǎng)周邊的環(huán)境以及新的智能負(fù)載(如家用電器的需求響應(yīng)能力)。了解PQ和EMC之間的互相影響是確定這些技術(shù)如何能夠共存于同一個(gè)環(huán)境的關(guān)鍵。

由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)內(nèi)的EMC C63委員會(huì)和美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)學(xué)會(huì)內(nèi)EMC社會(huì)與電力 ＆ 能源協(xié)會(huì)共同合作完成的標(biāo)準(zhǔn)、建議措施和準(zhǔn)則解決了許多問(wèn)題，如在許多關(guān)鍵行業(yè)中(如航空、太空旅行、醫(yī)療器械、電力和無(wú)線)對(duì)路徑的理解、識(shí)別、解決和防止電磁干擾問(wèn)題。