研究意義1

隨著20世紀末電力電子技術的興起以及直流輸電工程的大規模建設，直流配電領域開始逐漸受到關注，而分布式電源的發展、直流負荷比重的增加及直流配電的自身高效特性進一步推動了微網研究重心向直流微網的傾斜。歐盟、日本、美國和中國業已紛紛開展直流微網相關方面的研究與示范工程，但均屬于起步階段，且大多集中于低壓直流微網，其規劃、建設與運行標準尚為空白，標稱電壓等級也未統一。

直流微網一般以直流配網為基礎進行組網，即面向公用電網，其重要作用之一在于為敏感負荷提供高質量電能，因而電能質量問題必須在直流微網研究與規劃階段即予以考慮，是直流微網技術研究的一個重要方面。現有對直流微網的研究多集中于電壓控制、保護及能量管理等方面，而很少涉及直流微網電能質量具體問題。對于推動直流微網的建設普及，直流微網電能質量的研究也是不可忽視的重要力量。

直流微網特點2

1)系統的復雜性

直流微網屬于典型的多源、多變換復雜系統，變流裝置分布范圍卻遍布源、儲、網、荷各個環節，某些極端情況下系統可靠性問題會變得較為突出。

2)傳輸的高效性

微源與負荷的接入僅需要一級變換，從而降低成本，減小了損耗，且不需要考慮傳統輸配電線路的渦流損耗和線路吸收的無功能量，因而直流線路對絕緣強度的要求更低。

3)控制的解耦性

直流微網在控制上具有典型的底層復雜而上層簡化的物理特性，而直流配電形式又避免了交流系統有功、無功與頻率、電壓之間的相互耦合影響。

4)拓撲的靈活性

直流微網無需考慮無功功率以及相應的無功環流問題，從而可以環網運行。在不考慮直流保護設備約束前提下，其拓撲結構與組網方式可靈活地選擇環狀及多端結構。

5)配電的隔離性

變流器具有一定的隔離作用，會弱化直流饋線帶給負荷的電力擾動影響與負荷對饋線的電能質量干擾，并可實現故障隔離。

6)負荷的敏感性

直流負荷中有相當一部分含有精密電子器件，一般會接入相應電壓等級的直流母線，與傳統自身整流供電形式相比，易受同母線其他負荷以及上級線路電力擾動的影響。

直流微網典型電能質量現象3

直流微網除需關注微網內部用戶電能質量外，從電能質量追責的角度而言，直流微網接入導致公用交流配電系統產生的電能質量問題在原則上亦屬于直流微網電能質量關注范圍。因而，根據直流微網配電的隔離性與負荷對直流供電電能質量的敏感性，直流微網電能質量監測點應包括并網節點、直流配電節點以及用戶負荷母線三類不同區域，如圖1所示。

圖1 直流微網電能質量監測點示意

1)并網節點電能質量問題

并網點處電能質量受到交流配電系統與直流微網兩方面的耦合影響，直流微網接入公用交流配電系統易引起交流電壓波動、交流線路直流偏置與變壓器直流偏磁，而諧波與間歇波注入也可能導致波形畸變，以及并網變流器逆變運行下的本體諧振、局部諧振及全局諧振。

2)直流配電節點電能質量問題

直流配電節點受微源、負荷及交流側系統的共同影響，其典型電能質量現象主要有電壓暫降與暫升、電壓偏差、電壓波動、直流調制諧波等，屬于直流微網運營者重點關注區域。

3)用戶直流母線電能質量問題

用戶負荷母線直接面向負荷供電，典型的電能質量問題有電壓暫降與暫升、電壓中斷、電壓偏差、電壓波動和諧波等，其電能質量現象與直流配電線路類似。由于配電DC/DC變換器的隔離作用，用戶母線電能質量問題成因中受用戶級微源、負荷變流器及負荷影響的比重較之直流配電節點有所增加，屬于用戶直接關注的區域。

直流微網電能質量研究核心問題4

1)電能質量現象挖掘與分析

為了系統地分析、研究和識別直流微網電能質量現象，從中找出引起供、用電設備不能正常工作的機理以及可接受的兼容限制，分析產生電能質量問題的原因，從而采取針對性的解決辦法，因此需要借鑒交流系統電能質量問題分析的經驗，對直流微網電能質量現象進行監測、挖掘和分析，對直流微網電能質量擾動源進行辨識、定位及分類，以作為電能質量評估與控制乃至標準化的工作基礎。

2)直流微網電能質量評估

電能質量評估是基于對系統電氣運行參數的實際測量或通過建模仿真獲得基本數據后，對電能質量各項特性指標做出評價和對其是否滿足規范要求進行考查與推斷的過程，能夠為直流微網規劃、建設與運營提供重要的參考依據。此外，具有較高的供電可靠性一直是微網發展的重要推動力，但電力電子器件與裝置的大規模應用又使得直流微網面臨可靠性方面的嚴峻考驗，供電可靠性也應作為直流微網電能質量評估的一項重要內容。因此，借鑒交流系統電能質量評估的方法與經驗，建立適用于直流微網特點的運行與規劃階段電能質量評估方法十分必要。

3)直流微網電能質量控制

直流微網在提高分布式發電滲透率和新能源利用率前提下，應能為重要或敏感負荷提供高質量和可靠的電能，且不能影響所聯配公用交流配網的電能質量。現有可用于直流微網電能質量控制的方法和措施大致分為三類：①利用附加設備針對性治理，如無源濾波器、直流有源濾波器、有源電能質量調節器、電壓平衡器等;②利用微源參與功率平衡調節，如超級電容、飛輪儲能、超導儲能以及其他采用恒壓輸出的微源;③利用電力電子接口的控制算法改善微網運行環境。從控制成本來說，應以第三類為主，第一、二類為輔，但現有對于直流微網電能質量控制的研究由于直流微網自身發展水平的約束，尚屬于起步階段，均有待進一步研究與完善。

直流微網電能質量標準化5

1)電能質量標準化的需求

2014年11月IEC SMB東京會議成立了IEC/SEG6非傳統配電網/微網系統評估組，SEG6將會與IEC/SEG4低壓直流工作組緊密合作，逐步開展直流微網相關標準的建立工作。直流微網是電源與負荷的整合體，DG的直流并網標準與直流負荷的電氣傳導環境兼容標準是影響微網相關標準制定的重要因素，前者受到自身設備與控制技術的限制，而后者又涉及現有部分負荷的直流改造問題，兩者又同時歸屬于直流微網電能質量標準。因此，直流微網相關標準需要考慮的問題比單純的DG并網乃至交流微網要更多一些，牽扯范圍更廣，內容上也將更為豐富，更受到直流微網電能質量標準缺乏的制約。

圖2 直流微網電能質量研究框架

2)直流微網電能質量標準化工作

直流微網電能質量標準化依賴于對電能質量現象挖掘與分析、電能質量評估與控制研究的完備程度，是三者工程實際化的具體應用與凝練，并會進一步反作用規范并指導三者的工程實踐，從而逐步提高直流微網供電電能質量，其工作概括起來主要有以下幾個方面：①規定標稱環境;②定義技術名詞;③量化質量指標;④推薦檢測與評估方法;⑤制定微源及微網并網規程;⑥制定電能質量治理設備規范。

結語6

1)直流微網電能質量需作為直流微網研究的重要部分，應包括電能質量現象挖掘分析、評估與控制等內容。

2)需開展相應的電能質量標準化工作以作為直流微網相關標準的重要組成，以及對傳統電能質量體系在直流微網下的補充與拓展。

3)直流微網的規劃與建設應充分考慮其特殊性，應建立合適的規劃階段電能質量評估與供電可靠性評估方法。

4)研發適用于直流微網電能質量改善與控制的裝置、設備及相應控制算法，尤其針對多變流器下多種電能質量現象的協調治理問題。

本文引文信息

陳鵬偉,肖湘寧,陶順.直流微網電能質量問題探討[J].電力系統自動化,2016,40(10):148-158. DOI: 10.7500/AEPS20150602004.

CHEN Pengwei,XIAO Xiangning,TAO Shun.Discussion on Power Quality Problems for DC Microgrid[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(10):148-158. DOI: 10.7500/AEPS20150602004.

直流微網的電能質量問題

DOI: 10.7500/AEPS20150602004

陳鵬偉，肖湘寧，陶順

原文發表在《電力系統自動化》2016年第40卷第10期。