输变电过程中电能质量的影响因素与控制方法 电力展

电能质量包括电压质量(Voltagequality)、电流质量、供电质量(qualityofsupply)等相关术语和概念,包含技术含义和非技术含义两个方面:技术含义有电压质量和供电可靠性。非技术含义是指服务质量(qualityofservice),包括供电企业对用户投诉的反应速度和电力价格等;用电质量(qualityofc***umptionI)包括电流质量和非技术含义,如用户是否按时、如数缴纳电费等。

一般地说,电能质量的定义是:导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。随着基于计算机系统的控制设备与电子装置的广泛应用,电力系统中用电负荷结构发生改变,尤其是变配电过程中对电能也会造成冲击和***;另外,笔者所在的江西新余是江西省的重要钢铁基地,变频装置、电弧炉炼钢、电气化铁道等非线性、冲击性负荷对电能质量也会造成很大***;而电能作为商品,人们会对电能质量提出更高的要求,电能质量已逐渐成为全社会共同关注的问题。所以有必要对其相关指标与改善措施作讨论和分析。

一、输变电过程中可能出现的电能质量问题

随着电力系统规模的不断扩大,输变电过程中电能质量问题的产生主要有以下几个原因。

(一)电力系统元件存在的非线性问题

电力系统元件的非线性问题主要包括:发电机产生的谐波;变压器产生的谐波;直流输电产生的谐波;输电线路(特别是超高压输电线路)对谐波的放大作用。此外,还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。其中,直流输电是目前电力系统***大的谐波源。

(二)非线性负荷

大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流,对电能质量造成严重影响,同时也使功率因数降低。在工业和生活用电负载中,非线性负载占很大比例,这是电力系统谐波问题的主要来源。电弧炉(包括交流电弧炉和直流电弧炉)是主要的非线性负载,它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。居民生活用电负荷中,荧光灯的伏安特性是严重非线性的,也会引起严重的谐波电流,其中3次谐波的含量***高。

(三)电力系统故障

电力系统运行的内外故障也会造成电能质量问题,如各种短路故障、自然现象灾害、人为误操作、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等,都会造成各种电能质量问题。

二、电能质量标准

综合新颁布的电磁兼容***标准和发达***的相关标准,中低压电能质量标准分5大类13个指标。

(1)频率偏差:包括在互联电网和孤立电网中的两种。

(2)电压幅值:慢速电压变化(即电压偏差);快速电压变化(电压波动和闪变);电压暂降(是由于系统故障或干扰造成用户电压短时间(10ms~1min)内下降到90%的额定值以下,然后又***到正常水平,会使用户的次品率增大或生产停顿);短时断电(又称电压中断),是由于系统故障跳闸后造成用户电压完全丧失(3min,电压中断使用户生产停顿,甚至混乱);长时断电;暂时工频过电压;瞬态过电压。

(3)电压不平衡。

(4)电压波形:谐波电压;间谐波电压(由较大的波动或冲击性非线性负荷引起,如大功率的交—交变频,间谐波的频率不是工频的整数倍,但其危害等同于整数次谐波)。

(5)信号电压(在电力传输线上的高频信号,用于通信和控制)。

三、输变电过程中电能质量问题的控制策略与技术

(一)做好电能质量问题的控制的基础性工作可以大大降低电能质量的问题

首先要掌握供电网络运行状态,对电能质量开展实时监测,以掌握其动态;其次是分析诊断其变化,即在详细分析电能质量数据的基础上,利用仿真软件对电网结构的固有谐振特性进行计算与分析,排除虚***谐波干扰;再次是开展系统的合理设计和改造。变电站的设计和投运以及新的电力用户投运之前都要进行谐波源负荷及电能质量要求等方面的技术咨询,线路网络改造和建设也要结合运行负荷的特点和措施,以降低线损,降低设备损失事故。***后是开展滤波装置或无功补偿装置的研制、调试和现场测试,以了解治理后的效果,并总结经验。

二)可以用SVC装置保持系统电压的恒定

近些年来发展起来的SVC装置是一种快速调节无功功率的装置,已成功地运用于电力、冶金、***和电气化铁道等冲击性负荷的补偿,它可使所需无功功率作随机调整,从而保持在非线性、冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。

Qi=QD+QL-Qc(1)

式(1)中Qi、QD、QL、Qc分别为:系统公共连接点的无功功率、负荷所需的无功功率、可调(可控)电抗器吸收的无功功率、电容器补偿装置发出的无功功率,单位均为kvar。

当负荷产生冲击无功△QD时,将引起

△Qi=△QD+△QL+△Qc(2)

其中△Qc=0,欲保持△QC不变,即△Qi=0,则△QD=-△QL,即SVC装置中***无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整,此时电压水平能保持恒定不变。

SVC由可控支路和固定(或可变)电容器支路并联而成,主要有四种型式:

1、可控硅阀控制空芯电抗器型(称TCR型)SVC:它用可控硅阀控制线性电抗器实珊陕速连续的无功功率调节,具有反应时间快(5~20ms)、运行可靠、无级补偿、分相调节、能平衡有功、适用范围广、价格便宜等优点。TCR装置还能实现分相控制,有较好的***不对称负荷的能力,因而在电弧炉系统中采用***广泛。这种装置采用了***的电子和光导纤维技术,对维护人员要专门培训提高维护水平。

2、可控硅阀控制高阻抗变压器型(TCT型):其优点与TCR型差不多,但高阻抗变压器制造复杂,谐波分量也略大一些。由于有油,要求一级防火,只宜布置在一层平面或户外,容量在30Mvar以上时价格较贵,不能得到广泛采用。

3、可控硅开关控制电容器型(TSC):分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波、损耗小,但是它是有级调节,综合价格比较高。

4、自饱和电抗器型(SSR型):维护较简单、运行可靠、过载能力强、响应速度快、降低闪变效果好,但其噪音大、原材料消耗大,补偿不对称电炉 负荷自身产生较大谐波电流,无平衡有功负荷的能力。

(三)可以用无源滤波装置来***高次谐波

该装置由电容器、电抗器,有时还包括电阻器等无源元件组成,以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路,以达到***高次谐波的作用;由于SVC的调节范围要由***区扩大到容性区,所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联。这样既满足无功补偿、改善功率因数,又能消除高次谐波的影响。

国际上广泛使用的滤波器种类有:各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

1、单调谐滤波器:一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好,结构简单;缺点是电能损耗比较大。且随着品质因数的提高而减少,同时又随谐波次数的减少而增加,而电炉正好是低次谐波,主要是2~7次,因此,基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时,基波损耗可减少20%~50%,属节能型,滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗***小的滤波器,但组成复杂些,***也高些。用于电弧炉系统中,2次滤波器选用三阶滤波器为好,其他次选用二阶单调谐滤波器。

2、高通(宽频带)滤波器,一般用于某次及以上次的谐波***。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时,对5次以上起滤波作用时,通过参数调整,可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。

(四)可以用有源滤波器***闪变,补偿无功功率

虽然无源滤波器具有***少、效率高、结构简单及维护方便等优点,在现阶段广泛用于配电网中。但由于滤波器特性受系统参数影响大,只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用,甚至谐振现象等因素。随着电力电子技术的发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(Active Power Fliter,缩写为APF)。

APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比,有以下特点:

1、不仅能补偿各次谐波,还可***闪变,补偿无功功率,有一机多能的特点,在性价比上较为合理。

2、滤波特性不受系统阻抗等的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的***。

3、具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,即具有高度可控性和快速响应性等特点。目前主要配置晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器等静止无功补偿设备,其调节速度可达到100ms以下。

(五)系统化综合补偿技术可以解决电能质量问题的“治本”途径

近段时间提出的系统化综合补偿技术是解决电能质量问题的“治本”途径。对于稳态时的电压质量问题有许多成熟的措施加以解决;但对于动态电能质量问题,依靠传统的无功补偿和常规的滤波装置则不能有效地解决。因为诸如电压跌落(sags)、浪涌(surge)、电压脉冲(impulse)与瞬时供电中断(outage)这类电能质量问题持续的时间很短、变化很快,并且有的电能质量问题还伴随着部分甚至全部的有功损失等情形。

作为FACTS(基于电力电子技术的灵活交流输电系统)技术与配电系统应用的延伸——DFACTS技术(Y-称Custompower技术)已成为改善电能质量的有力工具。该技术的核心器件IGCT,它比GTO具有更快的开关频率,并且关断容量已达到一定规模,因此DFACTS装置具有更快的响应特性。目前DFACTS装置主要有:动态电压***器(DVR)、配电系统用静止无功补偿器(D-STATCOM)、固态切换开关(SSTS)等。

STATCOM在SVC装置基础上,克服了由于呈恒阻抗特性,使得在电压低时无法提供所需的无功支持,应付突发事件的能力较弱,而且占地面积大,过多的SVC易引发系统振荡的弊端。STATCOM的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定,在电压低时仍能提供较强的无功支撑,并且可从***到容性全范围内连续调节,使得其无功输出相当于同容量SVC的1.4~2倍;因STATCOM的灵活调压,还可以大大减少变压器分接头的切换次数,从而减少分接头故障次数。另外,STAT-COM还可以***电压闪变,提高系统暂态稳定水平。结合我国的国情和已有的技术,发展STAT-COM应是解决我国电压稳定问题的有效手段,并且也是DFACTS技术发展的主要方向。

DVR则是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置,因为它通过自身的储能单元,能在ms级内将电压跌落补偿至正常值,因此是***动态电压干扰的有效补偿装置。它主要由储能单元、DC/AC逆变器模块、连接变压器等部分组成。储能容量可根据用户电压跌落统计数据确定,逆变器的模块一般采用由IGBT构成三相全桥结构,采用PWM调制方式,这种结构控制灵活,便于分相补偿。因而DVR与消除电压跌落,提高大型综合***工业负荷的供电质量方面有显著的效果。

SSTS一般与D-STATCOM配合使用,用于保障由多回***馈线对重要负荷的供电质量。当馈线发生故障或电压跌落时,利用SSTS的快速切换特性(切换速度不到半个周期)将重要负荷切换到由另一条馈线供电,切换期间D-STATCOM可向重要负荷提供1~2个周期的电能支撑。

四、结语

输变电过程中,各个变压器、变频器以及大量的用电器会产生大量的电能污染,但是电力电子技术的应用可以大大提高电网的电能质量,FACTS、CusPow等新技术更是为解决电能质量问题开拓了广阔的前景。同时一些非电力电子技术的发展也很迅猛,将这些技术融合发展,并合理使用、大力推广,必然会逐步满足电力负荷对电能质量日益提高的要求。　电力电工展　　　　智能电网展

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