法国电网电能质量承诺和电能质量评估

1法国电网电能质量承诺和电能质量评估杨显军（法国电力公司研究与开发部，92141卡拉马特，法国）摘要：介绍法国电网的电能质量承诺，包括输电运营商（TSO）的质量承诺和配电运营商（DSO）的质量承诺。TSO和DSO在作出电能质量承诺的同时，还利用入网规则以协议的方式来考虑和限制每个用户的负荷和分布式电源对电能质量的影响。这些协议的实施表明，只有遵守承诺，加上电网运营商与用户双方共同作出努力，才能获得全面良好的电能质量。对于电网扰动评估，建议使用基波潮流计算与多相谐波注入相结合的方法。这个方法利用很短的计算时间就能对非线性负荷建模情形给出可接受的结果。所提议的频域方法的要点在于，将每个谐波源逐一地同时作为扰动源和受扰者来观察，以便计及扰动源之间的相互作用。研发了一个即插即用的HVDC组件并将其用在文章昀后部分实例研究中。关键词：电能质量承诺；频域建模；谐波；电力电子设备；高压直流（HVDC）1电能质量承诺1.1电能质量协议和承诺EN50160标准*给出了正常运行条件下公用低压和中压配电系统中公共连接点（PCC）的主要电压参数及其允许的偏差范围。在法国，基于EN50160和法国前电能质量协议Emeraude，两个新的电网电能输送协议已经在电网运营商和用户间使用：CART用于输电用户，CARD用于配电用户，见图1。这些协议对电网运营商和用户扰动发射水平都规定了电能质量承诺。电网运营商：配电或输电电能销售商用户协议：CARD或CART电能协议图1CARD和CART中的电能质量承诺*EN50160：VoltageCharacteristicsofElectricitySuppliedinPublicDistributionSystems,即《公用配电系统中供电电压特性》，是欧洲标准——译者2电网电能输送协议中涉及谐波、不平衡、闪变、中断和电压暂降等扰动。在这些扰动中，电能质量承诺仅考虑中断的次数，其他参数只作为指示值。1.2输电运营商（TSO）的电能质量承诺对于以下指标，法国输电运营商和用户间有标准和个性化协议承诺：1）长期中断（每年1次，每3年2次，每3年1次）；2）短期中断（每年1～5次，每3年1～2次）；3）电压暂降（每年3～5次，可选）；4）电压有效值（±8%）；5）频率（±1%）；6）电压不平衡（2%）；7）谐波；8）快速电压波动，闪变（Plt1）。表1给出了输电电源电压的谐波限值。对于单次谐波电压（谐波次数h≤25）和总谐波畸变率（THD，谐波次数h≤40），这些限值是用10分钟测量值的平均值，历时100%时间。对于接入输电网的用户，电流谐波发射水平也要限制，如表2所示，这些限值是相对于协议中额定电流的百分数。表1输电电压谐波承诺奇次非3的倍数3的倍数偶次hHRUlim/%hHRUlim/%hHRUlim/%THDlim/%5，72.032.021.56.011，131.591.041.06.0171.015，210.540.56.0191.06.023，250.76.0表2输电用户电流谐波承诺奇次hHRIlim/%偶次hHRIlim/%34.0225，75.041.092.040.511，133.0132.01.3配电运营商（DSO）的电能质量承诺3表3给出了四个地理区域的协议电压中断次数。通过电网运营商和用户间签订个性化合同，可以在电网运营商承诺的供电质量中包含一些电压暂降次数。表3DSO承诺的每年电压中断次数中断持续时间区域1区域2区域3区域4≥3min63321s和3min301032配电电源电压设置了谐波限值做为电网承诺（见表4）。对于单次谐波电压（谐波次数h≤25）和总谐波畸变率（THD，谐波次数h≤40），这些限值是用10分钟测量值的平均值，历时100%时间。对于接入配电网的用户，电流谐波发射水平也要限制，如表5所列，这些限值是相对于协议中额定电流的百分数。表4配电电压谐波承诺奇次非3的倍数3的倍数偶次hHRUlim/%hHRUlim/%hHRUlim/%THDlim/%56.035.022.08.075.091.541.58.0113.515，210.540.58.0133.08.0172.08.019，23，251.58.0表5配电用户电流谐波承诺奇次hHRIlim/%偶次hHRIlim/%34.0225，75.041.092.040.511，133.0132.0有关TSO和DSO电能质量承诺的更多细节，请见以下网址：用户负荷接入为了满足其电能质量承诺，TSO和DSO用入网规则来考虑和限制每个用户的负荷或分布式电源对电能质量的影响。DSO为负荷接入已建立了许多技术参考文件和研究工具。为了预测可能由入网设备引发的的扰动和确定昀合适的公共连接点，在负荷或分布式电源接入前，4DSO采取基于标准和现场测量的三个层次研究。通过这些研究，DSO能够确保所有用户获得昀优电网电能质量。第一个层次研究包括鉴定接入装置的主要特性和完成全局分析。第二个层次进行扰动的特别评价。第三个层次是对所鉴定的扰动做详细研究。在风电接入中，这个研究基于标准IEC61400-21，从电能质量角度评价风电接入对电网的影响[1]。1.5电能质量指标和承诺的变化为了衡量电能质量的变化，DSO根据电网参数计算了大量判据。这些判据可以用来评价电网基本结构改善的需求。规定了下列数值作为电能质量判据：1）SAIDI或法国的B-准则，低压用户的平均中断持续时间指标；2）用供电容量加权的中压用户SAIDI；3）SAIFI，电网的平均中断次数的指标，适用于长期中断（tid3min），短时中断（1s≤tid≤3min）和非常短中断（tid1s）。2谐波源建模和电网扰动评估2.1仿真方法频域分析使用的系统导纳矩阵模型是单个元件模型根据系统拓扑结构组合而成。导纳矩阵模型的研发基于多端口网络理论。线性电网元件是由多端口导纳参数近似开发出来的。在频域仿真中，通常用电流源来模拟谐波发生装置，采用定频率步长或变频率步长计算整个系统的自起始频率到终止频率的导纳矩阵。通过使用称为‘谐波潮流’的技术，可以部分克服电流源方法中的缺点。通常，在基波潮流计算中，所有的输电设备和负荷采用线性模型。由其导出的基频负荷端电压可以用来自动地‘调整’非线性负荷的谐波电流向量，不需要使用者进行额外的操作。然而，在频域仿真中，仍然要求每个非线性负载的初始谐波电流波形是已知的。2.2谐波源建模图2（a）是一个基于恒流源的谐波模型，但不能很好地模拟因电力电子设备接入实际电网而产生的谐波电流的特性。5L1L2L3N-+-+-+J(f)L1L2L3N-+-+-+J(f)Z(f)频域扰动源建模（a）恒流源（b）被控电流源图2三相谐波源模型的一般结构由于电气设备的实际谐波电流总是和电网结构紧密相关的，方法（a）过于简单。为了克服这个缺点，我们开发了一个包括电压向量控制的电流源和随频率变化阻抗的多相谐波模型来模拟实际的谐波源，见图2（b）。在方法（b）中，J(f)是一个被控电流源，由随频率变化的阻抗Z(f)两端的基波电压来控制。Z(f)模拟了电力电子设备在电网谐波干扰下的工作特性。下文对方法（b）进行了详细解释。非线性负荷的等效谐波电流源模型主要由两个步骤来建立：初始电流J0(f)和通过潮流计算矫正的电流源J(f)。在仿真前的参数设置中，初始电流J0(f)由预设计的波形，负荷的额定功率和额定电压决定。在频域中，J0(f)的数学表达式为：00()2()cos()kkJfJkktωφ=⋅⋅+∑预设计的波形包括昀常见的扰动源产生的电流波形，例如6脉波和12脉波整流器，调光器，电弧炉等。下述步骤总结了方法（b）的建模方法：1）选择一个可以模拟目标电流谐波畸变的预设计波形（利用数据库，公式，由EXCEL数据表产生的波形，经验数据表，现场测量等）；2）通过设备的特别工作状态来改进波形。例如，通过整流器的触发角和上游电网的短路容量；3）使用快速傅立叶变换进行改进波形的频谱分析；4）根据设备的额定电压，额定有功功率P和额定无功功率Q计算设计的基波电流和电压电流之间的相角；5）额定电流的谐波频谱预设计，并生成一个为频域仿真用的电压控制电流源模型6J0(f)，图3是实测的12脉波整流器的电流波形。图3实测12脉波整流器的电流波形和谐波频谱谐波源阻抗Z(f)是一个频率函数，它模拟了设备对来自电源侧扰动的运行特性。对于特别案例，在所研究的频率范围内规定Z(f)值是非常重要的。例如，在过去进行的间谐波研究中，静止变流器的阻抗设置为无穷大。但是，这对于许多静止变流器都是错误的。一些工业界的案例表明，在变速传动中，如果整流器中有电容滤波器，175Hz的纹波控制信号就能够被部分吸收[2]。方法（b）的谐波源模型特性如下：当电流源J（f）被激活，由于设备以电流源的特性运行，阻抗Z（f）自然地被设置为无穷大值。当电流源J（f）没有被激活，Z（f）必须加入系统导纳矩阵中。在这种情况下，这个设备按照一个无源元件来运行。Z（f）的值根据不同条件下的具体问题来确定：在基频下，Z（f）根据被仿真设备的额定电压和功率P，Q来计算。当所研究的谐波或间谐波来自电源侧时，Z（f）可以根据设备在这些频率的真实响应来规定。Z（f）取决于设备结构，它可以是串联（或并联）RL、RC电路、CIGRE36.05的混合模型或根据一个不规则案例的数据表来建模。规定一个适用于全部所研究频率的通用Z（f）的分析表达式是困难的。为了研究某一特定频率下，一个简单的解决方法就是对电力电子设备进行一个时域仿真来获得阻抗响应。例如，对于175Hz的纹波控制频率，整流器的输入端的等效阻抗会随着整流器结构类型，DC母线滤波器，AC滤波器和整流器控制技术的改变而改变。时域仿真证明，在一个变速传动中使用的一个400V，250kVA二极管整流器，在175Hz时的阻抗（Z175），主要由DC母线类型决定：对于一个容性直流滤波器Z175=（0.1～0.9）Z50，对于一个感性直流滤波器Z175=（0.8～3）Z50（Z50是额定基波等效阻抗）[2]。72.3HVDC联接的频域模型开发了一个频域中的高压直流（HVDC）联接模型。通过使用开发的谐波源模型，得到了一个即插即用的HVDC组件。一个通用的HVDC联接由两个电力电子设备（换流站）组成：一个作为整流器来工作，另一个作为逆变器(或者发电机)来工作，见图4。图4两个电网间的HVDC联接结构所开发的HVDC组件在图5中被分解。HVDC的每侧由一个有74次谐波的三相被控谐波电流源，一个阻抗和一个功率调节器组成。两个电流源是独立的。每个电流源与基波潮流相关的基波电压同步。这个模型能够独立地模拟HVDC联接每侧的电能质量和机电瞬变现象，例如谐波，无功功率，电压波动等。3.1中给出的案例说明了这个HVDC联接模型的实际应用。直流联接（功率为P，Q）L1L2L3N-+-+-+L1L2L3N输入调节器输出调节器等效模型：ExpertEC中的HVDC模型：-+-+-+图5频域HVDC模型的结构2.4电能质量监测仪建模对于一个电能质量软件，电能质量监测仪的算法也是要考虑的关键要素。一个仅仅给出谐波频谱的通用电能质量软件，对于一个现场工程师在短期内完成电网扰动评估是不够的。实际上，软件要花费大量时间来处理已有数据，以获得必要的电能质量值，例如间谐波，谐波组，闪变，不平衡，电压暂降等。在大多数商业化时域软件中，都没有集成电能质量监8测仪。用户不得不在已有数据处理中花费大量时间创建工具箱来实现电网电能质量评估。电网电能质量评估的仿真工具应该至少包括一个内置的总谐波畸变率和单次谐波的计算单元。一个高级的电能质量仿真工具必须集成其他的干扰测量，例如间谐波，谐波组，IEC闪变仪等[4，5]。表6给出了一些被集成进电能质量仿真工具的电气测量值。表6电能质量相关的电气测量基本电能质量值高级电能质量值总谐波畸变率间谐波水平单次谐波幅值谐波组谐波角谐波功率电压暂降不平衡闪变水平（Pst和Plt）在我们的