电流物理分量理论改进方法及其在电能质量评估中的应用
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、南方电网科学研究院有限责任公司、国网杭州供电公司的研究人员陶顺、罗超、肖湘宁、陈聪，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文指出，随着现代电力系统的不断发展，电源特性、电网络结构和负荷类型及其构成正在发生着巨大变化，电流引发的电能质量问题越来越突出，而已有方法难以对电流扰动量进行全面评估。
为此，该文提出了一种改进的电流物理分量理论，包括工作电流、基波主导无功电流、基波主导负序电流、基波主导零序电流以及谐波电流分量。该方法适用于各种系统条件，并能够全面地针对电流做功效率、不平衡及谐波等物理现象进行量化。
在分析电流质量评估关键问题与指标的基础上，研究了改进电流物理分量理论在电力扰动源支路或其集总支路上的电流质量评估中的应用，最后通过对物理实验与工程实测数据的评估验证了所提出方法的可行性与实用性。
随着分布式电源和柔性电力技术的发展、智能电网概念的提出，电源特性、电网络结构和负荷类型及其构成正在发生着巨大变化。新能源多处接入主干网和分布式电源接入配电网，使得传统配电网由被动的受端变为有源系统，功率由单向转为双向流动。
电力消耗形式的多样性，使得电力电子技术广泛使用，非线性设备比重增加，系统非线性越发明显。单相电源和单相负荷的增加使得不平衡问题更加突出。各类负荷对电力品质越发敏感，对质量和可靠性要求进一步提高。因此，在新一代电力系统中，电能质量面临更加严峻的挑战，电能质量的监测、评估与控制显得尤为重要。
目前，对电压质量的研究较多，其相关内容无论是从监测对象、扰动类型，还是从评估方法上都相对完善，已形成体系，并逐步标准化，而现代电力系统中，仅仅关注电压质量难以满足对电能质量的评估与控制要求，原因在于：
1）传统基于强系统的假设条件不再普遍满足，典型电流扰动负荷影响更加突出；而在弱系统中，电流质量扰动的影响尤为明显，需要予以关注。
2）电压扰动对某一区域负荷的影响只需要针对该区域的PCC点电压质量进行评估即可；而对于电流扰动，需要考虑到区域内各个关键扰动源支路，其作用与影响机理相对于电压扰动更为复杂，难以实施有效的监测与评估手段。
3）电能质量是由供电电压质量和负荷汲取的电流质量综合作用的结果，单独考虑电压质量或电流质量，并不能反映扰动的整体水平，而且难以将系统侧和负荷侧的扰动水平分离。当考虑双向潮流时，传统系统和负荷的概念还需要重新定义。
4）电流有效做功部分所占比例决定了系统和设备的运行效率，对电流质量进行合理评估也是电能质量经济性分析的前提。
5）对电力扰动源支路或其集总支路上的电流质量监测与评估是电流质量治理的前提，有害电流分量的提取是电能质量治理装置控制的基础。
任何电力扰动的产生都需要能量的支撑，其传播必然表现为扰动功率的流动。对电能传输效率的评估，必然要对电能消耗与计量进行深入分析。
对电源和负荷的谐波发射水平进行责任划分需对谐波潮流进行分析计算。因此，电流质量评估依赖于对电路功率特性的理解与分析，并将电流扰动的物理现象与其功率分量相结合。由此可见，在非正弦和不对称条件下的三相或单相电力系统中，电流质量的评估需要以科学合理的功率理论为基础。
选择适合于电流质量评估的功率理论需要从以下角度全面观察：
1）使用条件。所选择的功率理论应对单相系统和三相系统、正弦和非正弦等电路条件同时适用。
2）能准确描述电流的质量特性。所定义的功率分量能够与电力扰动物理现象相对应，而并不仅仅是数学上的描述。
3）定义方式。所定义的功率分量中应有电流分量一一对应。
4）具有应用可操作性。所定义的功率或电流分量应能易于实现准确测量，并为电流质量治理措施提供关键的信息。
文献[20-21]对代表性功率理论作了详细论述，其中，FBD理论、电流物理分量（Current Physical Components, CPC）理论、IEEE1459定义能够全面描述电能质量现象，且基本适用于各种条件。然而，IEEE1459并未定义相关的电流分量，不利于评估指标的建立；CPC理论是在FBD理论基础上的改进方法，对应不同的物理现象实现了电流的正交分解，能够很好地对各电流物理现象进行描述，但CPC理论只适用于电压对称的情况，同时需要对电压和电流各频次下的各分量进行逐一分解，计算量大，实际应用困难。
据此，本文在原有CPC理论的基础上，提出了一种改进的电流物理分量理论。该方法适用于各种系统条件，并能够全面地针对电流做功效率、不平衡及谐波等物理现象进行量化。
图1 基于时序化监测的电流质量评估框架及流程
图2 物理实验原理
本文首先分析了电流质量评估的关键问题与理论基础问题，然后在CPC理论基础上，结合工程实践需求，对电流物理分量分解进行了改进，并提出了一种全面的电流质量评估指标及方法。结论如下：
1）改进的以基波为主导的电流物理分量分解适用于电源和/或负荷存在畸变/不对称情况，且计算简单，在电力扰动的评估中，突出了关键信息量。
2）由于各电流物理分量满足正交关系，因此其余电流既可进行集总有源补偿，又可挑选关注分量进行补偿，为装置参数设计提供了依据。
3）电流质量评估指标包括技术限制性指标和技术经济性指标。前者可对应电压质量的限值约束，评估谐波/间谐波电流、三相不平衡负序电流等电流质量扰动；后者能够从运行效率、基波无功容占比和基波零序电流占有率指标来衡量系统或设备的运行效率和容量利用率。
4）基于功率潮流方向提出的电源主导或负荷主导的谐波电流分量、基波负序电流分量及其技术限制性指标，谐波电流损耗分责比和不平衡电流损耗分责比等经济性指标，可实现从不同角度区分各扰动的主导责任。
物理实验和工程应用案例验证了所提出方法的可行性和有效性，本研究丰富了现代电能质量评估体系。当然，准确的相位测量是基于功率潮流方向判断主导责任的基础，在电源与负荷同时存在畸变或不对称时，主导电流分量还不能实现具体的责任分摊，后续有必要进一步开展相关研究。