未来智能电网的啮合电能质量和电磁兼容性

菲利普·基布勒

随着智能电网的全面发展，电力公司和他们的用户都开始从事智能电网技术的研究项目，这些项目的资金投入高达数百万美元。现已有包括电力科学研究院(EPRI)在内的数十个科研机构对数以百计的以智能电网为主题的项目进行研究。对电力行业来说，电能质量(PQ)一直都是(现在仍是)具有重要意义的主要课题之一。可靠性和兼容性是终端设备对电力性能的需求，在某种程度上，高质量电源的频率分布在50Hz或60Hz～3kHz之间。在当今不断变化的环境下，能够与周围超过3kHz(比如10GHz甚至更高)的电磁环境相兼容也是很有必要的。在用户设备中的电子负载与电力系统或电网中的其他负载互相操作时，电磁兼容性(EMC)是最重要的。本文将会帮助读者理解为什么在未来几十年中，电磁兼容性(EMC)和电能质量(PQ)是在智能电网初具规模的过程中必须解决的课题。

电能质量(PQ)在IEEE1100电子设备供电和接地推荐操作规程中定义为：电子设备供电和接地的方式适合于该设备的操作，并与布线系统以及其他与之连接的系统相兼容。因为电能质量是保证电网中电子负载运行的可靠性和兼容性必不可少的因素，也受到了电力公司及客户的高度重视。

电子设备的供电必须能与设备相兼容。因此，电压的质量和电流的质量，总之电源的质量(即设备的电压和电流)必须满足电子设备运行的最低要求。当电源质量不理想(从来不会达到理想状态)时，电子设备的接地系统可以吸收设备意外的干扰电压和电流，从而确保设备继续运行而不被损坏和发生故障。当然，这些情况都是以设备的电源、接地系统及设备本身能相互兼容为前提的。

电力科学研究院(EPRI)的研究成果帮助电力公司了解为什么电力系统需要改进以及如何进行改进才能减少电子干扰的发生。然而，仍有大量的干扰是源自于配电水平，并随着电源线传入用户设备。并非所有干扰对设备都有破坏性，如电压骤降、电压陷波及电压畸变等并不会对设备造成损坏，而浪涌电压、暂时过电压及瞬变电压对设备的干扰就是破坏性的。电力科学研究院(EPRI)的研究结果肯定了电力公司在过去的30多年中，对电能质量(从发电机组到电能表的电能质量)进行改善的过程中所涉及的设计方法的改进和最佳的实践过程。电力科学研究院(EPRI)在过去30年的研究中也确定了设备电气系统在控制电能质量(从电能表到终端设备的电能质量)的过程中发挥了关键的作用。基于电力科学研究院(EPRI)在对如何设计布线和接地系统的研究结果，电气工程师能设计出帮助保持传输到用户终端的电能质量的系统。而且，制造商的产品设计人员经了解改善电路设计的方式和原因，来提高设备性能，减少由于常见的设备干扰对经济产生的影响。

科学研究院(EPRI)的研究成果在电网的电能质量领域、电网设备和设施中的应用，使得这些设施的拥有者、使用者以及厂商都降低了设备的运营和维护成本。电力公司在输电、分销、用户级别等领域都开发了在动态的电气环境中控制和保持电能质量的项目。设施的拥有者可以降低运营和维护成本，并且在降低生产力损耗的基础上生产质量更高的产品。由于在原始设计中对电能质量的要求已经实现，在设备的电力系统设计中几乎无需再做改动。制造商可以减少由于产品故障对客户的赔偿以及减少由于设备损坏和故障而进行的服务。产品设计师了解产品的需求并且知道如何在他们的产品中进行高效的功率设计使成本在进行兼容性测试的过程中降到最低。

科学研究院(EPRI)对电能质量的研究也是促进供电公司进行科学学习的一个重要方面。尽管电源质量可能与设备在低频段(50Hz～3kHz)的干扰和性能有关，但是它并不限于这一狭窄的频率范围。例如，电压骤降就不能用简单的教科书来解释。在实际的工程项目中，电气干扰是由低频率干扰和高频率干扰共同叠加组成的。

其他的例子还包括当用户设备的电路环路和分支上产生的组合波和环波存在电压浪涌时产生的瞬间高压对设备的威胁。

当今电网中的关于电子干扰和排放源的管理使得电力公司掌握了EMC在能源发电、输电、输送及使用中的概念和重要性。类似于EMC的传统定义，电力公司将EMC定义为能够使组成供电系统的各个装置和设备在电磁环境中不产生任何电磁干扰的能力。当今的电力系统确实要依赖贯穿于整个系统中的某些电子设备。比如现在在许多变电站中都会使用基于微处理器的中继设备现有的电网，无论是地上还是地下部分，其中大量用户设备中的电子设备已达到饱和。通过解决出现在电网和排放源(电源线上的噪声和电晕)中的干扰(其中典型的是出现在架空输配电线路上的干扰)，电力公司解决了大量影响其客户的电磁干扰(EMI)问题。

电力公司在过去30年中掌握的关于电能质量(PQ)和EMC的知识和经验对其自身来说是至关重要的，这些知识和经验也为他们即将面临的新的智能电网领域中PQ和EMC的挑战做好了准备。未来现代电力系统中集成的智能电网技术将面临新的关于智能电网能力(抵挡周围电磁环境的外部影响的能力，如闪电)和终端用户负载的挑战。这些挑战在频谱的低频段和高频段中都会发生。

已经开始面临的一个挑战就是EMI关于固态仪表的问题。美国电网的许多用户都已经遇到了这样的问题。大量的案例报告中都涉及到了从远处客户电子设备的仪表干扰中产生的高频、小功率辐射。一些电磁干扰情况会产生一些问题。在德国、意大利、瑞典和荷兰的电力公司也经历了关于固态仪表的双向EMI问题。报告中涉及到了来自于光伏逆变器的低于200kHz的传导发射会造成光伏逆变器安装部位周边的仪表产生精度问题的有关问题。除光伏逆变器之外的其他设备(如电子灯调光器)也会干扰仪表的工作。涉及到干扰终端用户设备的其他问题还包括婴儿监视器和消费电子设备等。国际电工委员会(IEC)已经对案例中的仪表问题做出了回应，并致力于在制定可确定仪表抗干扰能力的新的标准方面取得快速进展。该标准草案中描述了一种在低频段(即2kHz～150kHz)、不同模式下的传导干扰的测试方法。正在开发的标准草案，IEC61000,4-19部分：试验和测量技术-在2kHz～150kHz频段中的不同模式下进行抗干扰度测试，并且基于IEC颁布的EMC标准61000系列中的EMC抗干扰标准将于2013年年中发布。在不久的将来它很有可能成为发展抗电磁干扰标准特定产品的催化剂，例如为固态回收仪表制造的特殊产品。

图1 有意排放源示例

图2 无意排放源示例

虽然在美国，光伏系统将是分布式能源(DER)的主要组成部分，同时也是智能电网可再生能源发电的关键技术，固态仪表仍然是智能电网和用户设施中智能电子负载的智能接口。其他的DER技术，如微型涡轮机，风车，和燃料电池现在也使用逆变器将功率注入到电网中。随着电力公司对DER技术的大力推广和智能电网的初具规模，消费者将会看到越来越多的与电网相关的可再生能源技术。电力公司必须依靠可兼容的、可靠通信的系统和智能电网组件，如固态仪表。同样重要的是，电力公司也必须依赖于终端用户群—住宅、商业和工业等建筑中的用于节省能源的智能终端用户负载的可预测响应。例如，当电力公司通过智能电网将命令发送到120 000个制冷机处于准备使用状态的用户来减少这些用户的制冷机中压缩机的功率时，他们希望住宅的负载减小。验证负载减少的一些方式可以被集成到DR的功能中。

EMI问题涉及到有意或无意的能源排放。图1和图2中列出的各种设备案例会引起EMI问题或一些频率问题。在图1中，可以看到基于PQ问题发生的频段(60Hz～3kHz)和PQ问题二次响应发生的频段(3kHz～1GHz)。商业设施中可调速驱动的交流分支电路中的电压开槽引起的电快速瞬变(EFTs)则是一个有关二次影响的例子。EFTs是可以损坏电子负载内部敏感电路的高频事故。能够影响固态仪表的来自于光伏逆变器的传导干扰(2kHz～150kHz)将会落入二次影响的频段。

智能电网技术的示范将会为电力公司和行业开始学习PQ和EMC提供一个平台，可以了解电磁之间的交互技术、智能电网周边的环境以及新的智能负载(如家用电器的需求响应能力)。了解PQ和EMC之间的互相影响是确定这些技术如何能够共存于同一个环境的关键。

由美国国家标准协会(ANSI)内的EMC C63委员会和美国电气和电子工程师协会(IEEE)学会内EMC社会与电力 ＆ 能源协会共同合作完成的标准、建议措施和准则解决了许多问题，如在许多关键行业中(如航空、太空旅行、医疗器械、电力和无线)对路径的理解、识别、解决和防止电磁干扰问题。