摘要：电能质量问题主要是通过配电系统体现的。交流配电系统的电能质量问题已得到较为充分的研究和认识，也形成系列标准及解决方案。本文从这些电能质量问题的产生机理，影响和危害，以及相应的改善措施等方面进行了较为详细的论述，并给出了直流配电网建设初期以及运行过程中如何应对有可能产生的电能质量问题的相关建议。以期对未来直流配电网电能质量标准的制定提供参考。
关键词：直流配电网；电能质量；电压偏差
1直流电压偏差问题
1.1直流电压偏差的定义
直流电压偏差主要与电能传输的导线线径、供电距离、潮流分布、负荷用电特性等因素有关。线路电压偏差产生的实质是电流流经直流配网传输线在其内电阻上产生的压降所致。与交流供电产生的电压降不同，直流线路压降仅与导线电阻相关。直流电压偏差按照下式进行计算：其中UN表示直流配网额定电压。
1.2直流配电网在电能质量优化方面的优点
1.2.1交流配电
电网的供电模式为三相供电，终端用电形式却多为单相供电，易产生三相不平衡，而直流配电则没有三相不平衡问题，电能质量得到提升。
1.2.2直流配
电系统中直接接入直流负载，不需要配置整流电路和功率因数补偿电路，有效简化了结构，提高了供电可靠性。另一方面，直流配电网中含有大量的随机性、波动性较大的分布式电源，作为电力系统中连接负荷的最后一个环节，其电能质量面临新的挑战。直流配电网无论是结构、设备还是控制、运行都有自身的特点，因此，其电能质量问题也有自身的特点。
1.3直流电压偏差限值标准
1.3.1维持系统正常运行的电磁兼容特性要求
系统正常运行的时候电压太高对器件、线路绝缘带来不利影响，甚至破坏，而电压太小又会导致稳态时电流过大，同时带来损耗、发热、效率等问题。
1.3.2维持电力负荷正常工作特性的要求
直流配网通过DC/AC变换器为交流负荷供电，以及通过DC/DC变换器为直流负荷供电，因此直流配网的电压水平应满足交直流负荷的供电需求。
1.3.3维持与交流电网并网能力的要求
直流配电网通过DC/AC换流器与交流电网连接而联合运行。直流电压维持在一定范围之内是并网逆变器稳定运行的必要条件。此外值得一提的是这种DC/AC换流器能在直流配电网运行时提供电压支撑，并且与系统中各类其他换流器进行协调控制。
2双极不平衡问题
2.1双极不平衡问题产生的原因和不平衡度的定义
直流配电网具有以下几种典型接线方式，包括单极接地，伪双极接线，大地回流方式的真双极接线，以及金属回流方式的真双极接地。当直流配网采用真双极的接地方式时，可以保证在发生单极接地故障时，非故障极正常运行，从而在一定程度上提高了供电的可靠性。已建成或在建的直流配网系统中倾向于采用真双极的接地方式。由于极参数无法做到完全的一致，以及每一极的换流器所产生电压的差异，并且当电源或者负荷采用单极接入直流系统的方式而在两极间分布不均衡时，将不可避免的造成双极电压的不对称问题。据此，分别定义电压不平衡度和电流不平衡度两个指标用以说明双极不平衡问题的严重程度。
2.2双极不平衡问题的危害和控制方法
当直流配网采用大地回流的真双极接地方式时，若双极由于前述的原因处于不平衡的状态，流过接地极的电流将不为零，其值大小与不平衡度的大小以及系统传输的功率水平相关。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该电流将在大地与并网逆变器交流侧变压器接地中性点构成的回路中流通，可能导致变压器产生直流偏磁，由此造成谐波、变压器发热、振动等一系列问题。为解决双极不平衡的问题，结合高压直流输电系统的运行经验，可以采用以下的措施：1）保持接入单极的电源和负荷尽可能平衡。在直流配网规划建造的初期，应使电源和负荷在两个极上合理的分布；对于后期接入的负荷，应根据当前系统的不平衡状况优化其布置；对于功率很大的负荷，单极接入时不平衡度超过限值，可以考虑双极接入。2）真双极采用金属回流的方式。采用这种接线方式时，不平衡电流通过金属回线而不进入大地，因此与交流系统的中性接地点间不存在回流的通道，可以有效的避免直流系统不平衡问题导致变压器直流偏磁。3）利用两个极换流器进行双极电流平衡控制。双极电流平衡控制是极控系统的基本功能之一。首先，通过对两个极的极控分别检测接地极引线电流，对两个电流求和。然后把该信号输入PI调节器中，并根据电流定义的正方向，将电流大的极减小电流参考值、电流小的极增大电流参考值，直到两极达到电流平衡状态[1]。事实上，由于直流配网中双极换流器均采用全控器件，其控制的灵活性和响应速度均优于传统高压直流输电的换流站，因此针对直流配电系统双极不平衡时的控制策略有待进一步的探究和优化。
3直流纹波问题
3.1直流纹波产生原因与纹波系数的定义
直流配电网连接有大量的基于电力电子器件实现的换流器，在控制这些电力电子器件的开断过程中，换流器不可避免会将一些谐波、脉冲、波动等理想直流成分以外的成分注入直流配网系统中，从而形成直流电压纹波。
3.2直流纹波危害和改善措施
直流纹波的主要危害与谐波类似，它会使线路损失加大、电缆过热以及绝缘老化；它还有可能严重干扰通信、计算机系统、高精度加工机械以及检测仪表等用电设备的使用；此外直流纹波的存在大大提高了系统发生谐振的可能；甚至在某些情况下，脉冲危害可能造成控制器误动。为减小直流配网系统中的直流纹波系数，可以考虑采取以下的措施[2]。1）并网逆变器采用电压源型换流器，直流侧存在较大的滤波电容，因此可以有效降低高频直流纹波的脉动幅度；2）提高DC/DC，DC/AC等类型电力电子变换器的开关频率。高频成分易于滤除，需要的滤波器的体积较小；3）采用合适的滤波电容。将电解电容与高频滤波（陶瓷）电容配合使用，发挥陶瓷电容在高频场合滤波的优势；4）调整电路参数。通过对线路参数以及平波电抗器等元件的合理选型使得谐振点尽量远离直流纹波的频率，避免谐振的发生。
4电压暂降问题
电能质量诸多问题中，电压暂降是影响最直接、危害最大的电能质量问题。电压暂降的评估与防范成为电能质量领域最关注的问题之一。直流配网的发展可以使这一状况得到本质性改善[3]。暂降为瞬时性的电压降低。统计表明，在发达的工业化国家，交流系统电压暂降的发生次数为10次-20次/年，持续时间为0.07-1秒左右。而停电为长时间的电压丧失，发生次数为0.2次/年，持续时间为1分钟到数小时。暂降发生次数多，而停电持续时间长。暂降发生的频度是停电发生频度的50到100倍。交流系统采用闭环设计，开环运行的方式。当系统中某一侧电源发生暂降时，靠着机械开关切换到另一侧电源供电耗费时间太久，暂降实质上已经发生甚至结束；而采用电力电子开关时又存在成本和控制复杂度的问题。而直流配网系统可以闭环运行[4]。敏感负荷通过DC/AC或DC/DC连接在直流母线上。当一个电源发生暂降时，将其退出系统不会影响对负荷的连续供电，可以有效的提高供电的电能质量。另外，直流配网通常配有支持系统独立运行的储能环节，进一步提升了供电的连续性。因此相较交流系统，直流配网有效解决了电压暂降问题。
结语
总之，直流配电技术还处于发展初期，对其电能质量问题还有待不断深化。直流配电网是近年来关注和研究的热点，目前中低压领域直流系统示范工程的开展主要集中在低压直流微电网以及专有直流配电场景如地铁、舰船等。因此，加强这方面的研究很有必要。
参考文献：
[1]周逢权，黄伟. 直流配电网系统关键技术探讨[J]. 电力系统保护与控制，2014，42（22）：62-67.
[2]章晋龙，史述青，杨海森，李志铿. 国内外直流配电网技术发展研究综述[J]. 南方能源建设，2016，3（S1）：93-98.
[3]孙鹏飞，贺春光，邵华，刘雪飞，安佳坤. 直流配电网研究现状与发展[J]. 电力自动化设备，2016，36（06）：64-73.
[4]冯寅，尹忠东. 直流配电网电能质量的综合评估[J]. 上海电气技术，2016，9（02）：1-5.
论文作者:潘立群
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/9
标签：电压论文; 电能论文; 系统论文; 电流论文; 负荷论文; 不平衡论文; 配电网论文; 《电力设备》2019年第7期论文;