菲利普·基布勒

隨著智能電網的全面發(fā)展，電力公司和他們的用戶都開始從事智能電網技術的研究項目，這些項目的資金投入高達數百萬美元?，F已有包括電力科學研究院(EPRI)在內的數十個科研機構對數以百計的以智能電網為主題的項目進行研究。對電力行業(yè)來說，電能質量(PQ)一直都是(現在仍是)具有重要意義的主要課題之一?？煽啃院图嫒菪允墙K端設備對電力性能的需求，在某種程度上，高質量電源的頻率分布在50Hz或60Hz～3kHz之間。在當今不斷變化的環(huán)境下，能夠與周圍超過3kHz(比如10GHz甚至更高)的電磁環(huán)境相兼容也是很有必要的。在用戶設備中的電子負載與電力系統(tǒng)或電網中的其他負載互相操作時，電磁兼容性(EMC)是最重要的。本文將會幫助讀者理解為什么在未來幾十年中，電磁兼容性(EMC)和電能質量(PQ)是在智能電網初具規(guī)模的過程中必須解決的課題。

電能質量(PQ)在IEEE1100電子設備供電和接地推薦操作規(guī)程中定義為：電子設備供電和接地的方式適合于該設備的操作，并與布線系統(tǒng)以及其他與之連接的系統(tǒng)相兼容。因為電能質量是保證電網中電子負載運行的可靠性和兼容性必不可少的因素，也受到了電力公司及客戶的高度重視。

電子設備的供電必須能與設備相兼容。因此，電壓的質量和電流的質量，總之電源的質量(即設備的電壓和電流)必須滿足電子設備運行的最低要求。當電源質量不理想(從來不會達到理想狀態(tài))時，電子設備的接地系統(tǒng)可以吸收設備意外的干擾電壓和電流，從而確保設備繼續(xù)運行而不被損壞和發(fā)生故障。當然，這些情況都是以設備的電源、接地系統(tǒng)及設備本身能相互兼容為前提的。

電力科學研究院(EPRI)的研究成果幫助電力公司了解為什么電力系統(tǒng)需要改進以及如何進行改進才能減少電子干擾的發(fā)生。然而，仍有大量的干擾是源自于配電水平，并隨著電源線傳入用戶設備。并非所有干擾對設備都有破壞性，如電壓驟降、電壓陷波及電壓畸變等并不會對設備造成損壞，而浪涌電壓、暫時過電壓及瞬變電壓對設備的干擾就是破壞性的。電力科學研究院(EPRI)的研究結果肯定了電力公司在過去的30多年中，對電能質量(從發(fā)電機組到電能表的電能質量)進行改善的過程中所涉及的設計方法的改進和最佳的實踐過程。電力科學研究院(EPRI)在過去30年的研究中也確定了設備電氣系統(tǒng)在控制電能質量(從電能表到終端設備的電能質量)的過程中發(fā)揮了關鍵的作用?；陔娏茖W研究院(EPRI)在對如何設計布線和接地系統(tǒng)的研究結果，電氣工程師能設計出幫助保持傳輸到用戶終端的電能質量的系統(tǒng)。而且，制造商的產品設計人員經了解改善電路設計的方式和原因，來提高設備性能，減少由于常見的設備干擾對經濟產生的影響。

科學研究院(EPRI)的研究成果在電網的電能質量領域、電網設備和設施中的應用，使得這些設施的擁有者、使用者以及廠商都降低了設備的運營和維護成本。電力公司在輸電、分銷、用戶級別等領域都開發(fā)了在動態(tài)的電氣環(huán)境中控制和保持電能質量的項目。設施的擁有者可以降低運營和維護成本，并且在降低生產力損耗的基礎上生產質量更高的產品。由于在原始設計中對電能質量的要求已經實現，在設備的電力系統(tǒng)設計中幾乎無需再做改動。制造商可以減少由于產品故障對客戶的賠償以及減少由于設備損壞和故障而進行的服務。產品設計師了解產品的需求并且知道如何在他們的產品中進行高效的功率設計使成本在進行兼容性測試的過程中降到最低。

科學研究院(EPRI)對電能質量的研究也是促進供電公司進行科學學習的一個重要方面。盡管電源質量可能與設備在低頻段(50Hz～3kHz)的干擾和性能有關，但是它并不限于這一狹窄的頻率范圍。例如，電壓驟降就不能用簡單的教科書來解釋。在實際的工程項目中，電氣干擾是由低頻率干擾和高頻率干擾共同疊加組成的。

其他的例子還包括當用戶設備的電路環(huán)路和分支上產生的組合波和環(huán)波存在電壓浪涌時產生的瞬間高壓對設備的威脅。

當今電網中的關于電子干擾和排放源的管理使得電力公司掌握了EMC在能源發(fā)電、輸電、輸送及使用中的概念和重要性。類似于EMC的傳統(tǒng)定義，電力公司將EMC定義為能夠使組成供電系統(tǒng)的各個裝置和設備在電磁環(huán)境中不產生任何電磁干擾的能力。當今的電力系統(tǒng)確實要依賴貫穿于整個系統(tǒng)中的某些電子設備。比如現在在許多變電站中都會使用基于微處理器的中繼設備現有的電網，無論是地上還是地下部分，其中大量用戶設備中的電子設備已達到飽和。通過解決出現在電網和排放源(電源線上的噪聲和電暈)中的干擾(其中典型的是出現在架空輸配電線路上的干擾)，電力公司解決了大量影響其客戶的電磁干擾(EMI)問題。

電力公司在過去30年中掌握的關于電能質量(PQ)和EMC的知識和經驗對其自身來說是至關重要的，這些知識和經驗也為他們即將面臨的新的智能電網領域中PQ和EMC的挑戰(zhàn)做好了準備。未來現代電力系統(tǒng)中集成的智能電網技術將面臨新的關于智能電網能力(抵擋周圍電磁環(huán)境的外部影響的能力，如閃電)和終端用戶負載的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)在頻譜的低頻段和高頻段中都會發(fā)生。

已經開始面臨的一個挑戰(zhàn)就是EMI關于固態(tài)儀表的問題。美國電網的許多用戶都已經遇到了這樣的問題。大量的案例報告中都涉及到了從遠處客戶電子設備的儀表干擾中產生的高頻、小功率輻射。一些電磁干擾情況會產生一些問題。在德國、意大利、瑞典和荷蘭的電力公司也經歷了關于固態(tài)儀表的雙向EMI問題。報告中涉及到了來自于光伏逆變器的低于200kHz的傳導發(fā)射會造成光伏逆變器安裝部位周邊的儀表產生精度問題的有關問題。除光伏逆變器之外的其他設備(如電子燈調光器)也會干擾儀表的工作。涉及到干擾終端用戶設備的其他問題還包括嬰兒監(jiān)視器和消費電子設備等。國際電工委員會(IEC)已經對案例中的儀表問題做出了回應，并致力于在制定可確定儀表抗干擾能力的新的標準方面取得快速進展。該標準草案中描述了一種在低頻段(即2kHz～150kHz)、不同模式下的傳導干擾的測試方法。正在開發(fā)的標準草案，IEC61000,4-19部分：試驗和測量技術-在2kHz～150kHz頻段中的不同模式下進行抗干擾度測試，并且基于IEC頒布的EMC標準61000系列中的EMC抗干擾標準將于2013年年中發(fā)布。在不久的將來它很有可能成為發(fā)展抗電磁干擾標準特定產品的催化劑，例如為固態(tài)回收儀表制造的特殊產品。

圖1 有意排放源示例

圖2 無意排放源示例

雖然在美國，光伏系統(tǒng)將是分布式能源(DER)的主要組成部分，同時也是智能電網可再生能源發(fā)電的關鍵技術，固態(tài)儀表仍然是智能電網和用戶設施中智能電子負載的智能接口。其他的DER技術，如微型渦輪機，風車，和燃料電池現在也使用逆變器將功率注入到電網中。隨著電力公司對DER技術的大力推廣和智能電網的初具規(guī)模，消費者將會看到越來越多的與電網相關的可再生能源技術。電力公司必須依靠可兼容的、可靠通信的系統(tǒng)和智能電網組件，如固態(tài)儀表。同樣重要的是，電力公司也必須依賴于終端用戶群—住宅、商業(yè)和工業(yè)等建筑中的用于節(jié)省能源的智能終端用戶負載的可預測響應。例如，當電力公司通過智能電網將命令發(fā)送到120 000個制冷機處于準備使用狀態(tài)的用戶來減少這些用戶的制冷機中壓縮機的功率時，他們希望住宅的負載減小。驗證負載減少的一些方式可以被集成到DR的功能中。

EMI問題涉及到有意或無意的能源排放。圖1和圖2中列出的各種設備案例會引起EMI問題或一些頻率問題。在圖1中，可以看到基于PQ問題發(fā)生的頻段(60Hz～3kHz)和PQ問題二次響應發(fā)生的頻段(3kHz～1GHz)。商業(yè)設施中可調速驅動的交流分支電路中的電壓開槽引起的電快速瞬變(EFTs)則是一個有關二次影響的例子。EFTs是可以損壞電子負載內部敏感電路的高頻事故。能夠影響固態(tài)儀表的來自于光伏逆變器的傳導干擾(2kHz～150kHz)將會落入二次影響的頻段。

智能電網技術的示范將會為電力公司和行業(yè)開始學習PQ和EMC提供一個平臺，可以了解電磁之間的交互技術、智能電網周邊的環(huán)境以及新的智能負載(如家用電器的需求響應能力)。了解PQ和EMC之間的互相影響是確定這些技術如何能夠共存于同一個環(huán)境的關鍵。

由美國國家標準協(xié)會(ANSI)內的EMC C63委員會和美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)學會內EMC社會與電力 ＆ 能源協(xié)會共同合作完成的標準、建議措施和準則解決了許多問題，如在許多關鍵行業(yè)中(如航空、太空旅行、醫(yī)療器械、電力和無線)對路徑的理解、識別、解決和防止電磁干擾問題。