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配电网电力电子化的发展和超高次谐波新问题

新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员肖

湘宁、廖坤玉、唐松浩、范文杰，在2018年第4期《电工技术学报》

上撰文，结合功率半导体技术和智能配电网技术的发展与进步，探讨

电力电子化的科学内涵和四个方面的特点，分析了电力电子化的重大

需求。

电力电子技术的广泛应用改变了传统电力系统的源-网-荷电气参

数及特性，新一代智能配电网呈现出非线性、高敏感、快变化、冲击

性、多能调控的特征，给电网的优质电能保障和安全稳定运行带来了

重大挑战。

该文归纳总结衍生出的典型问题，指出应从理念视角、理论方法

和技术标准三方面体系化地研究和解决问题。其中超高次谐波是配电

网电力电子化发展背景下出现的新问题，国内外对此课题的研究刚刚

开始。

该文重点梳理了超高次谐波的起因、发生源的规律与特点、危害、

传播特性和标准的研究现状，然后从频域、时域、时-频域整理并介绍

了超高次谐波发射标准的一些建议指标，供读者参考。

配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，对实现智能电网和

能源互联网战略目标起着关键作用[1]。“十三五”成为我国配电网大

发展的重要时期，国家能源局于2015年8月31日发布“配电网建设

改造行动计划（2015—2020年）”[2]，明确提出2015～2020年投

资超过2万亿元、全面加快智能配电网建设。

从整体来看，源-网-荷的协调控制是新一代电力系统发展的重要

趋势和基本特征。2016年新增装机中风电、光伏占比已超过燃煤机组，

达到41.8%[3]，随着可再生能源利用的持续深化，电力电子并网装备

将显著改变电源的动态行为；在电网侧，特高压直流、柔性直流和柔

性交流输电技术广泛应用，输电网络的大功率电力电子变换器应用改

变了电源与负荷之间的相互作用规律；在负荷侧，分布式发电、直流

配电网和微电网技术蓬勃兴起，智能移动设备和电动运输工具（电动

汽车、高铁和电驱舰船）等越发普及，基于电力电子变换技术的整流

和逆变依然是灵活高效利用电能的重要需求，这势必造成负荷侧逐渐

走向高度电力电子化[4]。

此背景下，新能源发电和储能的大量接入以及用户对供电的多元

化需求，促使配电网加快了电力电子化的进程，给智能配电网的运行

控制和管理维护带来了一系列新的理论与技术的挑战[5]。

实践证明，电力电子变换技术在增强了配电网可控性、灵活性的

同时，已引起了许多局部振荡事件与电能质量问题。1995年，在苏黎

世发生了四象限电力机车与牵引网间的功率振荡现象，这是典型的多

个电力电子装置与供电系统之间出现的谐振激发现象。

2007年12月，大秦线的和谐号动车因投入电力机车数过多出现

了机网振荡问题[6]。在现代港口电力系统中，特别是基于电力变换技

术的能量回馈装置在桥吊、门机等港口设备上的大量配置，在特定运

行条件下，存在较大的冲击负荷，导致电网电压严重波动和不稳定、

设备损耗发热等问题。

洋山深水港区的供配电系统曾多次发生主导频率为12Hz的电压闪

变严重超标，电压幅值波动范围高达±9%，导致部分负荷退出运行，

以2006年12月、2008年9月和2009年1月的电能质量事件最为

严重[7]。

配电网电力电子化与半导体器件技术紧密关联。当前迅速发展的

第三代功率半导体主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌

（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（Eg＞2.3eV）半

导体材料为基础[8]。

由于第三代半导体材料具有非常显著的性能优势和巨大的产业带

动作用[9]，美、日、欧等发达国家已将其列入国家计划，而中国科技

部也于2013年在“863计划”新材料技术领域项目征集指南中明确将

第三代半导体材料及应用列为重要内容[8]。

新型半导体材料制成的器件，与Si半导体器件相比，具有开关损

耗低、开关频率高、耐高温、反向截止电压高的特点，在未来的配电

系统中有可能逐渐成为新一代高电压、低损耗、高功率密度电力电子

装置的主要组成器件[10]。

配电网电力电子化必然带来诸多电能质量新问题。随着接入电网

的半导体器件开关频率的提高，变换器注入电网的谐波向着高频化方

向延伸，其中2～150kHz的高频畸变[11]引起了国内外大学、研究机

构以及相关国际标准化组织的高度关注，在2