- 頭條電流物理分量理論改進方法及其在電能質量評估中的應用2020-09-09 作者：陶順、羅超、肖湘寧、陳聰 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、南方電網科學研究院有限責任公司、國網杭州供電公司的研究人員陶順、羅超、肖湘寧、陳聰，在2019年第9期《電工技術學報》上撰文指出，隨著現代電力系統的不斷發展，電源特性、電網絡結構和負荷類型及其構成正在發生著巨大變化，電流引發的電能質量問題越來越突出，而已有方法難以對電流擾動量進行全面評估。 為此，該文提出了一種改進的電流物理分量理論，包括工作電流、基波主導無功電流、基波主導負序電流、基波主導零序電流以及諧波電流分量。該方法適用于各種系統條件，并能夠全面地針對電流做功效率、不平衡及諧波等物理現象進行量化。 在分析電流質量評估關鍵問題與指標的基礎上，研究了改進電流物理分量理論在電力擾動源支路或其集總支路上的電流質量評估中的應用，最后通過對物理實驗與工程實測數據的評估驗證了所提出方法的可行性與實用性。
隨著分布式電源和柔性電力技術的發展、智能電網概念的提出，電源特性、電網絡結構和負荷類型及其構成正在發生著巨大變化。新能源多處接入主干網和分布式電源接入配電網，使得傳統配電網由被動的受端變為有源系統，功率由單向轉為雙向流動。
電力消耗形式的多樣性，使得電力電子技術廣泛使用，非線性設備比重增加，系統非線性越發明顯。單相電源和單相負荷的增加使得不平衡問題更加突出。各類負荷對電力品質越發敏感，對質量和可靠性要求進一步提高。因此，在新一代電力系統中，電能質量面臨更加嚴峻的挑戰，電能質量的監測、評估與控制顯得尤為重要。
目前，對電壓質量的研究較多，其相關內容無論是從監測對象、擾動類型，還是從評估方法上都相對完善，已形成體系，并逐步標準化，而現代電力系統中，僅僅關注電壓質量難以滿足對電能質量的評估與控制要求，原因在于：
1）傳統基于強系統的假設條件不再普遍滿足，典型電流擾動負荷影響更加突出；而在弱系統中，電流質量擾動的影響尤為明顯，需要予以關注。
2）電壓擾動對某一區域負荷的影響只需要針對該區域的PCC點電壓質量進行評估即可；而對于電流擾動，需要考慮到區域內各個關鍵擾動源支路，其作用與影響機理相對于電壓擾動更為復雜，難以實施有效的監測與評估手段。
3）電能質量是由供電電壓質量和負荷汲取的電流質量綜合作用的結果，單獨考慮電壓質量或電流質量，并不能反映擾動的整體水平，而且難以將系統側和負荷側的擾動水平分離。當考慮雙向潮流時，傳統系統和負荷的概念還需要重新定義。
4）電流有效做功部分所占比例決定了系統和設備的運行效率，對電流質量進行合理評估也是電能質量經濟性分析的前提。
5）對電力擾動源支路或其集總支路上的電流質量監測與評估是電流質量治理的前提，有害電流分量的提取是電能質量治理裝置控制的基礎。
任何電力擾動的產生都需要能量的支撐，其傳播必然表現為擾動功率的流動。對電能傳輸效率的評估，必然要對電能消耗與計量進行深入分析。
對電源和負荷的諧波發射水平進行責任劃分需對諧波潮流進行分析計算。因此，電流質量評估依賴于對電路功率特性的理解與分析，并將電流擾動的物理現象與其功率分量相結合。由此可見，在非正弦和不對稱條件下的三相或單相電力系統中，電流質量的評估需要以科學合理的功率理論為基礎。
選擇適合于電流質量評估的功率理論需要從以下角度全面觀察：
1）使用條件。所選擇的功率理論應對單相系統和三相系統、正弦和非正弦等電路條件同時適用。
2）能準確描述電流的質量特性。所定義的功率分量能夠與電力擾動物理現象相對應，而并不僅僅是數學上的描述。
3）定義方式。所定義的功率分量中應有電流分量一一對應。
4）具有應用可操作性。所定義的功率或電流分量應能易于實現準確測量，并為電流質量治理措施提供關鍵的信息。
文獻[20-21]對代表性功率理論作了詳細論述，其中，FBD理論、電流物理分量（Current Physical Components, CPC）理論、IEEE1459定義能夠全面描述電能質量現象，且基本適用于各種條件。然而，IEEE1459并未定義相關的電流分量，不利于評估指標的建立；CPC理論是在FBD理論基礎上的改進方法，對應不同的物理現象實現了電流的正交分解，能夠很好地對各電流物理現象進行描述，但CPC理論只適用于電壓對稱的情況，同時需要對電壓和電流各頻次下的各分量進行逐一分解，計算量大，實際應用困難。
據此，本文在原有CPC理論的基礎上，提出了一種改進的電流物理分量理論。該方法適用于各種系統條件，并能夠全面地針對電流做功效率、不平衡及諧波等物理現象進行量化。
圖1 基于時序化監測的電流質量評估框架及流程
圖2 物理實驗原理
結論
本文首先分析了電流質量評估的關鍵問題與理論基礎問題，然后在CPC理論基礎上，結合工程實踐需求，對電流物理分量分解進行了改進，并提出了一種全面的電流質量評估指標及方法。結論如下：
1）改進的以基波為主導的電流物理分量分解適用于電源和/或負荷存在畸變/不對稱情況，且計算簡單，在電力擾動的評估中，突出了關鍵信息量。
2）由于各電流物理分量滿足正交關系，因此其余電流既可進行集總有源補償，又可挑選關注分量進行補償，為裝置參數設計提供了依據。
3）電流質量評估指標包括技術限制性指標和技術經濟性指標。前者可對應電壓質量的限值約束，評估諧波/間諧波電流、三相不平衡負序電流等電流質量擾動；后者能夠從運行效率、基波無功容占比和基波零序電流占有率指標來衡量系統或設備的運行效率和容量利用率。
4）基于功率潮流方向提出的電源主導或負荷主導的諧波電流分量、基波負序電流分量及其技術限制性指標，諧波電流損耗分責比和不平衡電流損耗分責比等經濟性指標，可實現從不同角度區分各擾動的主導責任。
物理實驗和工程應用案例驗證了所提出方法的可行性和有效性，本研究豐富了現代電能質量評估體系。當然，準確的相位測量是基于功率潮流方向判斷主導責任的基礎，在電源與負荷同時存在畸變或不對稱時，主導電流分量還不能實現具體的責任分攤，后續有必要進一步開展相關研究。
