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法國電網電能質量承諾和電能質量評估

文檔作者：楊顯軍文檔來源：法國電力公司研究與開發(fā)部		點擊數：	更新時間： 2021年06月21日
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1
法國電網電能質量承諾和電能質量評估
楊顯軍
（法國電力公司研究與開發(fā)部，92141 卡拉馬特，法國）
摘要：介紹法國電網的電能質量承諾，包括輸電運營商（TSO）的質量承諾和配電運營商（DSO）
的質量承諾。TSO 和DSO 在作出電能質量承諾的同時，還利用入網規(guī)則以協議的方式來考慮
和限制每個用戶的負荷和分布式電源對電能質量的影響。這些協議的實施表明，只有遵守承
諾，加上電網運營商與用戶雙方共同作出努力，才能獲得全面良好的電能質量。對于電網擾
動評估，建議使用基波潮流計算與多相諧波注入相結合的方法。這個方法利用很短的計算時
間就能對非線性負荷建模情形給出可接受的結果。所提議的頻域方法的要點在于，將每個諧
波源逐一地同時作為擾動源和受擾者來觀察，以便計及擾動源之間的相互作用。研發(fā)了一個
即插即用的HVDC 組件并將其用在文章最后部分實例研究中。
關鍵詞：電能質量承諾；頻域建模；諧波；電力電子設備；高壓直流（HVDC）
1 電能質量承諾
1.1 電能質量協議和承諾
EN50160 標準*給出了正常運行條件下公用低壓和中壓配電系統中公共連接點（PCC）的
主要電壓參數及其允許的偏差范圍。
在法國，基于EN50160 和法國前電能質量協議Emeraude，兩個新的電網電能輸送協議
已經在電網運營商和用戶間使用：CART 用于輸電用戶，CARD 用于配電用戶，見圖1。這些
協議對電網運營商和用戶擾動發(fā)射水平都規(guī)定了電能質量承諾。
電網運營商：配電或
輸電
電能銷售商
用戶
協議：CARD或
CART
電能協議
圖1 CARD 和CART 中的電能質量承諾
* EN50160：Voltage Characteristics of Electricity Supplied in Public Distribution Systems, 即《公用配電系統中
供電電壓特性》，是歐洲標準 —— 譯者
2
電網電能輸送協議中涉及諧波、不平衡、閃變、中斷和電壓暫降等擾動。在這些擾動
中，電能質量承諾僅考慮中斷的次數，其他參數只作為指示值。
1.2 輸電運營商（TSO）的電能質量承諾
對于以下指標，法國輸電運營商和用戶間有標準和個性化協議承諾：
1） 長期中斷（每年 1 次，每3 年2 次，每3 年1 次）；
2） 短期中斷（每年 1～5 次，每3 年1～2 次）；
3） 電壓暫降（每年 3～5 次，可選）；
4） 電壓有效值（±8%）；
5） 頻率（±1%）；
6） 電壓不平衡（<2%）；
7） 諧波；
8） 快速電壓波動，閃變（Plt<1）。
表1 給出了輸電電源電壓的諧波限值。對于單次諧波電壓（諧波次數h≤25）和總諧波
畸變率（THD，諧波次數h≤40），這些限值是用10 分鐘測量值的平均值，歷時100%時間。
對于接入輸電網的用戶，電流諧波發(fā)射水平也要限制，如表2 所示，這些限值是相對于協議
中額定電流的百分數。
表1 輸電電壓諧波承諾
奇次
非3 的倍數 3 的倍數
偶次
h HRUlim/% h HRUlim/% h HRUlim/%
THDlim/%
5，7 2.0 3 2.0 2 1.5 6.0
11，13 1.5 9 1.0 4 1.0 6.0
17 1.0 15，21 0.5 >4 0.5 6.0
19 1.0 6.0
23，25 0.7 6.0
表2 輸電用戶電流諧波承諾
奇次h HRIlim/% 偶次h HRIlim/%
3 4.0 2 2
5，7 5.0 4 1.0
9 2.0 >4 0.5
11，13 3.0
>13 2.0
1.3 配電運營商（DSO）的電能質量承諾
3
表3 給出了四個地理區(qū)域的協議電壓中斷次數。
通過電網運營商和用戶間簽訂個性化合同，可以在電網運營商承諾的供電質量中包含一
些電壓暫降次數。
表 3 DSO 承諾的每年電壓中斷次數
中斷持續(xù)時間 區(qū)域1 區(qū)域2 區(qū)域3 區(qū)域4
≥3min 6 3 3 2
>1s 和<3min 30 10 3 2
配電電源電壓設置了諧波限值做為電網承諾（見表4）。對于單次諧波電壓（諧波次數h
≤25）和總諧波畸變率（THD，諧波次數h≤40），這些限值是用10 分鐘測量值的平均值，
歷時100%時間。對于接入配電網的用戶，電流諧波發(fā)射水平也要限制，如表5 所列，這些
限值是相對于協議中額定電流的百分數。
表4 配電電壓諧波承諾
奇次
非3 的倍數 3 的倍數
偶次
h HRUlim/% h HRUlim/% h HRUlim/%
THDlim/%
5 6.0 3 5.0 2 2.0 8.0
7 5.0 9 1.5 4 1.5 8.0
11 3.5 15，21 0.5 >4 0.5 8.0
13 3.0 8.0
17 2.0 8.0
19，23，25 1.5 8.0
表5 配電用戶電流諧波承諾
奇次h HRIlim/% 偶次h HRIlim/%
3 4.0 2 2
5，7 5.0 4 1.0
9 2.0 >4 0.5
11，13 3.0
>13 2.0
有關TSO 和DSO 電能質量承諾的更多細節(jié)， 請見以下網址：
http://www.rte-france.com/.
1.4 用戶負荷接入
為了滿足其電能質量承諾，TSO 和DSO 用入網規(guī)則來考慮和限制每個用戶的負荷或分布
式電源對電能質量的影響。DSO 為負荷接入已建立了許多技術參考文件和研究工具。為了預
測可能由入網設備引發(fā)的的擾動和確定最合適的公共連接點，在負荷或分布式電源接入前，
4
DSO 采取基于標準和現場測量的三個層次研究。通過這些研究，DSO 能夠確保所有用戶獲得
最優(yōu)電網電能質量。
第一個層次研究包括鑒定接入裝置的主要特性和完成全局分析。第二個層次進行擾動
的特別評價。第三個層次是對所鑒定的擾動做詳細研究。在風電接入中，這個研究基于標準
IEC61400-21，從電能質量角度評價風電接入對電網的影響[1]。
1.5 電能質量指標和承諾的變化
為了衡量電能質量的變化，DSO 根據電網參數計算了大量判據。這些判據可以用來評價
電網基本結構改善的需求。規(guī)定了下列數值作為電能質量判據：
1）SAIDI 或法國的B-準則，低壓用戶的平均中斷持續(xù)時間指標；
2）用供電容量加權的中壓用戶SAIDI；
3）SAIFI，電網的平均中斷次數的指標，適用于長期中斷（tid>3min），短時中斷（1s
≤tid≤3min）和非常短中斷（tid<1s）。
2 諧波源建模和電網擾動評估
2.1 仿真方法
頻域分析使用的系統導納矩陣模型是單個元件模型根據系統拓撲結構組合而成。導納矩
陣模型的研發(fā)基于多端口網絡理論。線性電網元件是由多端口導納參數近似開發(fā)出來的。
在頻域仿真中，通常用電流源來模擬諧波發(fā)生裝置，采用定頻率步長或變頻率步長計算
整個系統的自起始頻率到終止頻率的導納矩陣。通過使用稱為 ‘諧波潮流’的技術，可以
部分克服電流源方法中的缺點。通常，在基波潮流計算中，所有的輸電設備和負荷采用線性
模型。由其導出的基頻負荷端電壓可以用來自動地‘調整’非線性負荷的諧波電流向量，不
需要使用者進行額外的操作。然而，在頻域仿真中，仍然要求每個非線性負載的初始諧波電
流波形是已知的。
2.2 諧波源建模
圖2（a）是一個基于恒流源的諧波模型，但不能很好地模擬因電力電子設備接入實際
電網而產生的諧波電流的特性。
5
L1
L2
L3
N
- +
- +
- +
J(f)
L1
L2
L3
N
- +
- +
- +
J(f)
Z(f)
頻域擾動源建模
（a）恒流源（b）被控電流源
圖2 三相諧波源模型的一般結構
由于電氣設備的實際諧波電流總是和電網結構緊密相關的，方法（a）過于簡單。為
了克服這個缺點，我們開發(fā)了一個包括電壓向量控制的電流源和隨頻率變化阻抗的多相諧波
模型來模擬實際的諧波源，見圖2（b）。在方法（b）中，J(f)是一個被控電流源，由隨頻
率變化的阻抗Z(f)兩端的基波電壓來控制。Z(f)模擬了電力電子設備在電網諧波干擾下的
工作特性。
下文對方法（b）進行了詳細解釋。
非線性負荷的等效諧波電流源模型主要由兩個步驟來建立：初始電流J0(f)和通過潮
流計算矯正的電流源J(f)。在仿真前的參數設置中，初始電流J0(f)由預設計的波形，負荷
的額定功率和額定電壓決定。在頻域中，J0(f)的數學表達式為：
0 0 ( ) 2 ( ) cos( ) k
k
J f =Σ ? J k ? kωt +φ
預設計的波形包括最常見的擾動源產生的電流波形，例如6 脈波和12 脈波整流器，
調光器，電弧爐等。下述步驟總結了方法（b）的建模方法：
1） 選擇一個可以模擬目標電流諧波畸變的預設計波形（利用數據庫，公式，由EXCEL
數據表產生的波形，經驗數據表，現場測量等）；
2） 通過設備的特別工作狀態(tài)來改進波形。例如，通過整流器的觸發(fā)角和上游電網的
短路容量；
3） 使用快速傅立葉變換進行改進波形的頻譜分析；
4） 根據設備的額定電壓，額定有功功率 P 和額定無功功率Q 計算設計的基波電流和
電壓電流之間的相角；
5） 額定電流的諧波頻譜預設計，并生成一個為頻域仿真用的電壓控制電流源模型
6
J0(f)，圖3 是實測的12 脈波整流器的電流波形。
圖3 實測12 脈波整流器的電流波形和諧波頻譜
諧波源阻抗Z(f)是一個頻率函數，它模擬了設備對來自電源側擾動的運行特性。
對于特別案例，在所研究的頻率范圍內規(guī)定Z(f)值是非常重要的。例如，在過去進行
的間諧波研究中，靜止變流器的阻抗設置為無窮大。但是，這對于許多靜止變流器都是錯誤
的。一些工業(yè)界的案例表明，在變速傳動中，如果整流器中有電容濾波器，175Hz 的紋波控
制信號就能夠被部分吸收[2]。
方法（b）的諧波源模型特性如下：當電流源J（f）被激活，由于設備以電流源的特性
運行，阻抗Z（f）自然地被設置為無窮大值。當電流源J（f）沒有被激活，Z（f）必須加
入系統導納矩陣中。在這種情況下，這個設備按照一個無源元件來運行。Z（f）的值根據不
同條件下的具體問題來確定：
在基頻下，Z（f）根據被仿真設備的額定電壓和功率P，Q 來計算。
當所研究的諧波或間諧波來自電源側時，Z（f）可以根據設備在這些頻率的真實響應來
規(guī)定。Z（f）取決于設備結構，它可以是串聯（或并聯）RL、RC 電路、CIGRE36.05 的混合
模型或根據一個不規(guī)則案例的數據表來建模。
規(guī)定一個適用于全部所研究頻率的通用Z（f）的分析表達式是困難的。為了研究某一
特定頻率下，一個簡單的解決方法就是對電力電子設備進行一個時域仿真來獲得阻抗響應。
例如，對于175Hz 的紋波控制頻率，整流器的輸入端的等效阻抗會隨著整流器結構類型，DC
母線濾波器，AC 濾波器和整流器控制技術的改變而改變。時域仿真證明，在一個變速傳動
中使用的一個400V，250kVA 二極管整流器，在175Hz 時的阻抗（Z175），主要由DC 母線類型
決定：對于一個容性直流濾波器Z175=（0.1～0.9） Z50，對于一個感性直流濾波器Z175=（0.8～
3）Z50（Z50 是額定基波等效阻抗）[2]。
7
2.3 HVDC 聯接的頻域模型
開發(fā)了一個頻域中的高壓直流（HVDC）聯接模型。通過使用開發(fā)的諧波源模型，得到
了一個即插即用的HVDC 組件。一個通用的HVDC 聯接由兩個電力電子設備（換流站）組成：
一個作為整流器來工作，另一個作為逆變器(或者發(fā)電機)來工作，見圖4。
圖4 兩個電網間的HVDC 聯接結構
所開發(fā)的HVDC 組件在圖5 中被分解。HVDC 的每側由一個有74 次諧波的三相被控諧波
電流源，一個阻抗和一個功率調節(jié)器組成。兩個電流源是獨立的。每個電流源與基波潮流相
關的基波電壓同步。這個模型能夠獨立地模擬HVDC 聯接每側的電能質量和機電瞬變現象，
例如諧波，無功功率，電壓波動等。3.1 中給出的案例說明了這個HVDC 聯接模型的實際應
用。
直流聯接（功
率為P，Q）
L1
L2
L3
N
- +
- +
- +
L1
L2
L3
N
輸入調節(jié)器輸出調節(jié)器
等效模型：
ExpertEC中的HVDC模
型：
- +
- +
- +
圖 5 頻域HVDC 模型的結構
2.4 電能質量監(jiān)測儀建模
對于一個電能質量軟件，電能質量監(jiān)測儀的算法也是要考慮的關鍵要素。一個僅僅給
出諧波頻譜的通用電能質量軟件，對于一個現場工程師在短期內完成電網擾動評估是不夠
的。實際上，軟件要花費大量時間來處理已有數據，以獲得必要的電能質量值，例如間諧波，
諧波組，閃變，不平衡，電壓暫降等。在大多數商業(yè)化時域軟件中，都沒有集成電能質量監(jiān)
8
測儀。用戶不得不在已有數據處理中花費大量時間創(chuàng)建工具箱來實現電網電能質量評估。
電網電能質量評估的仿真工具應該至少包括一個內置的總諧波畸變率和單次諧波的
計算單元。一個高級的電能質量仿真工具必須集成其他的干擾測量，例如間諧波，諧波組，
IEC 閃變儀等[4，5]。表6 給出了一些被集成進電能質量仿真工具的電氣測量值。
表 6 電能質量相關的電氣測量
基本電能質量值 高級電能質量值
總諧波畸變率 間諧波水平
單次諧波幅值 諧波組
諧波角 諧波功率
電壓暫降 不平衡
閃變水平（Pst和Plt）
在我們的電能質量軟件中，一種先進的電能質量監(jiān)測的算法已經研究并得到應用[6，7]。
圖6 是一個諧波和閃變評估的實例，有嵌入的擾動分析儀以及有機電瞬變分析頻域軟件的
IEC 閃變儀。諧波畸變和閃變水平Pst 在電源仿真中直接地顯示。
V
V
Pst
1=0.47817
2=0.90739
架空線
架空線
諧波分析儀
諧波分析儀地下電纜
400kV
400kV/
225kV
225kV/
20kV
Var
變速傳動裝置
電弧爐
圖6 仿真工具中嵌入電能質量監(jiān)測儀的擾動評估
3 實例研究：應用和驗證
所開發(fā)的諧波源模型和電能質量監(jiān)測儀集成在一個電能質量仿真工具中。該模型已經在
電網和用戶電能質量分析中得到廣泛使用。下文介紹其中兩個案例。
9
3.1 案例1：HVDC 聯接集成
這是一個未來的HVDC 聯接兩個現存電網，研究其諧波水平評估和電壓改善的案例。這
個研究中使用了嵌入已開發(fā)的數字HVDC 模型和電能質量監(jiān)測儀的軟件ExpertEC[8，9]（一個
有機電瞬變分析的頻域軟件）。這個軟件直接讀取變電站數據庫，然后把相關的電網數據轉
換為電路模型(圖7)。每個HVDC 換流站的電流諧波波形都通過簡化的理論數據和制造商提
供的現場測量結果來建模。在電網1 和電網2 之間插入被研究的HVDC 聯接，該電網根據下
面的參數建模：
1）電網1 - 短路容量5GVA，全部節(jié)點數1100；
2）電網2 – 短路容量1GVA，全部節(jié)點數320；
3）從電網1 到電網2 的HVDC 潮流是200MW；
4）頻域仿真：50～3150Hz
5) 電壓調節(jié)的時間步長是20ms。
圖 7 兩個電網中的仿真諧波水平
HVDC 選項1：基于晶閘管的HVDC。換流站由12 脈波整流器和簡化的諧波濾波器組成，
諧波電流總畸變率THD=3.2%（圖8）。
HVDC 選項2：在同樣的電網條件下，這兩個換流站由基于IGBT 的換流器和諧波濾波器
替換。在這個案例中，電流諧波總畸變率THD 將低于1.2%（圖9）。
對于這兩個HVDC 選項，從50 到3150Hz，對兩個電網的全部節(jié)點都作了電壓諧波評估。
仿真結果顯示，在插入HVDC 選項1（基于晶閘管的HVDC 和簡化的交流濾波器）后，兩個電
網中的電壓總諧波畸變率，THD>3.79%，遠高于標準IEC61000-3-6 中規(guī)定的規(guī)劃水平THD<3%。
10
在這個案例中，這個簡化的濾波器不足以減小電流諧波。HVDC 選項2（基于IGBT 的HVDC）
給出了滿意的結果：電網1 的電壓諧波水平是0.35%，電網2 的電壓諧波水平是0.71%。該
結果意味著這個HVDC 聯接的集成將不會顯著惡化兩個電網的諧波水平。因此，可以考慮該
解決方案。
圖 8 基于晶閘管的HVDC 換流站輸入端的電流波形和諧波頻譜
圖9 基于IGBT 的HVDC 換流站輸入端的電流波形和諧波頻譜
表7 電壓總諧波畸變率 （225kV 等級）
電網名稱 選項1，THD 選項2，THD
電網1 3.79% 0.35%
電網2 5.91% 0.71%
3.2 案例2：PCC 的諧波電流評估
另一個案例研究是在兩個工業(yè)現場的公共連接點進行的?，F場1 有一個重要的諧波源
（3MW，電力電子設備）?，F場2 主要是線性負荷（工頻加熱的電感），沒有重要的諧波源，
但是有一個非常重要的用于無功補償的電容器組（見圖10）。
現場工程師的第一個假設通過一些仿真來確認：盡管在公共連接點處，測量的饋線1
諧波電流比饋線2 小，但是，550Hz 諧波源在現場1。先前的測量顯示，如果這兩個現場被
切除，在公共連接點上游的背景諧波電壓是可以忽略的。仿真結果顯示，饋線1 的全部諧波
潮流來自下游，因為諧波功率是負的（圖10）。在饋線2 的全部諧波潮流來自上游（諧波功
率是正的）。
11
圖10 550Hz 諧波諧振的仿真
這個現象由電容器組和上游阻抗間的諧波諧振造成。圖11 顯示了公共連接點的諧波阻
抗幅值。
圖11 公共連接點的諧波阻抗幅值
4 結論
本文綜述了電網和用戶雙方的電能質量承諾。在法國，供電公司和用戶間有兩個電網電
能輸送協議。這些協議對電網運營商和用戶擾動發(fā)射水平都規(guī)定了電能質量承諾。
通常，在做電能質量評估時，頻域軟件比時域軟件更合適。在電能質量仿真工具中，應
考慮兩個關鍵點：擾動負荷模型和用來減少計算和已有數據處理時間的電能質量監(jiān)測儀模
型。
開發(fā)了電能質量監(jiān)測儀模型和三相諧波源模型。通過高級的內置非線性元件把非線性負
荷處理成擾動源或受擾者，可以研究電網電能質量評估。已構造一個HVDC 組件作為介紹過
的通用諧波源模型的延伸。該組件由兩個獨立的諧波源和兩個調節(jié)器組成。
開發(fā)了大量多相諧波源模型，而且集成進了電能質量軟件。該軟件已在電網諧波分析中
12
使用。兩個案例研究演示了在實際電網電能質量評估中諧波源和電能質量監(jiān)測儀的應用。
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(注：本文引自《南方電網技術》2009，Vol.3，No.3，原文為英文，由中國電力科學研
究院蔡蓉譯，林海雪校)

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