當前電能質量的主要問題以及對策

隨著電力電子技術的發展, 調速電機、整流電源等非線性電力電子裝置在現代工業中得到了廣泛應用; 同時, 為了解決電力系統自身發展存在的問題, 直流輸電、FACTS 技術不斷投入實際工程應用。這些設備的運行使得電網中電壓和電流波形畸變越來越嚴重, 諧波水平不斷上升, 另外, 沖擊性、波動性負載的使用還會產生電壓波動與閃變、三相不平衡等電能質量問題。但另一方面, 隨著電網中精密電能用戶的增多, 要求電網必須提供與用戶所要求的質量指標相適應的電能。因而精密電能用戶和電能質量問題這對矛盾已逐步上升為主要矛盾, 電能質量也成為了目前研究的重點。先闡述了電能質量的基本涵義, 分析了現代電能質量的主要問題, 最后提出了解決電能質量主要問題的方法。

1電能質量的基本涵義

1. 1電能質量的基本概念

目前, 世界各國對電能質量的定義都不完全相同。從不同的角度來看, 對電能質量會有不同的理解。從供電角度看, 電能質量是指供電的參數符合標準及供電的可靠性; 從用電設備生產商的角度看, 電能質量是指提供設備所要求的電能特性; 從用戶角度看,電能質量問題是指一切會引起用電設備運行故障的供電電壓、電流及頻率的異常擾動。通常, 電能質量問題主要反映為電壓質量問題。

1. 2電能質量問題產生的原因

產生電能質量問題的原因主要有以下幾個。(1)非線性負載。在工業和生活用電負載中, 非線性負載占很大比例, 這是電力系統諧波問題的主要來源。如電弧燈、熒光燈的使用會引起電壓波形發生嚴重畸變, 大功率整流或變頻裝置的使用不僅會對電網造成嚴重污染, 同時也會使得功率因數降低。(2) 電力系統的非線性特性。同步發電機是公用電網的電源, 但在實際運行中, 它的感應電動勢不是理想的正弦波, 因而它的輸出電壓中含有一定的諧波。電力變壓器勵磁回路的非線性特性也會使它產生諧波電流。(3) 電力系統故障。電力系統運行的內外故障也會造成電能質量問題, 如短路故障、雷擊、誤操作、電網故障時發電機及勵磁系統工作狀態的改變、故障保護電路中的電力電子設備的啟動等。

1. 3電能質量擾動分類

電能質量擾動可分為穩態和暫態兩類。

穩態擾動主要類型: (1) 過電壓(O vervo ltage) :持續時間大于1m in, 電壓幅值為1. 1～ 1. 2 (標幺值) ,系統頻率仍為額定值。(2) 欠電壓(U ndervo ltage) :持續時間大于1m in, 電壓幅值為0. 8～ 0. 9 (標幺值) ,系統頻率仍為額定值。(3) 電壓不平衡(Vo ltage U n2balance) : 電壓的最大偏差與三相電壓的平均值的比值超過標準的規定值。(4) 諧波(Harmon ics) : 頻率為基波整數倍的正弦電壓或電流稱為諧波, 諧波是由于電力系統和電力負荷的非線性特性造成的。

暫態擾動主要類型: (1) 電壓暫升(Sw ell)。持續時間為0. 5 周期～ 1m in, 電壓幅值為1. 1～ 1. 8 (標幺值) , 系統頻率仍為額定值。(2) 電壓暫降(Sag)。持續時間為0. 5 周期～ 1m in, 電壓幅值為0. 1～ 0. 9 (標幺值) , 系統頻率仍為額定值。(3) 電壓波動(F lunctua2t ion) 與閃變(F licker) : 電壓波動是在包絡線內的電壓的有規則變動, 或是電壓幅值通常不超出0. 9～ 1.1 (標幺值) 范圍的一系列電壓隨機變化。閃變問題則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。(4) 電壓中斷( In terrup t ion,O u tage)。在一定時間內, 一相或多相完全失去電壓(低于0. 8 (標幺值) ) 稱為斷電。按持續時間長短, 分為瞬時斷電(0. 5 周期～ 3s)、暫時斷電(3 s～ 60 s) 和持續斷電(大于60 s)。(5) 電壓切痕(No tch)。電壓切痕是一種持續時間小于0. 5 周期的周期性電壓擾動。電壓切痕主要由于電力電子裝置的電流從一相轉換到另一相時產生的。

2電能質量的主要問題

相關資料顯示, 在電能質量問題的投訴中, 90%以上是由電壓暫降引起的[5 ]。由此可見, 電能質量的首要問題是電壓暫降問題。

電壓暫降是指供電電壓有效值短暫降低, 隨后恢復正常的供電現象。根據歐洲標準EN 50160 以及美國國際電氣電子工程師協會推薦標準IEEE Std.519- 1992, 電壓暫降(Vo ltage D ip 或Vo ltage Sag)定義為: 供電電壓有效值突然降至額定電壓的90%～ 10% (0. 9 p. u. ～ 0. 1 p. u. ) , 然后又恢復至正常電壓, 這一過程的持續時間為10 m s 至1 m in。隨著經濟的發展, 高科技設備獲得了廣泛的應用。這些設備對電壓變化很敏感, 短時的供電中斷或電壓有效值下降往往會造成設備不正常運行, 發生停機等事故。電壓暫降就是針對這一問題而提出的。引起電壓暫降的主要原因是電網或用電設備發生雷擊、外力短路故障, 一些用電設備(如電動機) 啟動或突然加負荷也會造成電網電壓瞬時下降。與長時間供電中斷事故相比, 電壓暫降有發生頻率高、事故原因不易覺察的特點, 處理起來比較困難。電壓暫降會引起敏感控制器不必要的動作(引起跳閘) , 造成包括計算機系統失靈、自動化裝置停頓或誤動、變頻調速器停頓等; 引起接觸器脫扣或低壓保護啟動, 造成電動機、電梯等停頓; 引起高溫光源(碘鎢燈) 熄滅, 造成公共場所失去照明。

表1 給出了國外有關資料所提供的電壓暫降對一些電力設備的影響[6 ]。從表1 中可進一步看出解決電能質量問題的重要性, 尤其是電壓暫降而引起的電能質量方面的問題。但長期以來, 對電能質量的研究主要集中在電壓偏移、諧波、閃變、三相不平衡等方面, 對電壓暫降問題重視不夠。

3解決電壓暫降問題的對策

電力電子技術的應用給解決電壓暫降問題開拓了廣闊的前景。用戶電力技術(Cu stom Pow er) 將電力電子、計算機和現代控制理論等高新技術運用于供電、配電系統, 形成了一系列的電能質量控制技術和設備, 可較好地解決穩態、暫態電能質量問題, 從而大大提高了電網的電能質量。

3. 1動態電壓恢復器

動態電壓恢復器(Dynam ic Vo ltage Resto rer——DVR ) 結構如圖1 所示。DVR 通過串聯變壓器在饋線上以電壓疊加的方式向電力系統注入補償電壓, 用于消除系統電壓變化(尤其是電壓暫降) 對負荷的不利影響。DVR 使用IGBT 或IGCT 等大功率可關斷器件。系統正常供電時, 它處于低耗備用狀態。當系統電壓出現突然變化時,DVR 能快速反應, 通過串聯變壓器向系統注入3 個與系統同頻的單相交流電壓分量以抵消系統電壓的改變, 其瞬時值為正常電壓瞬時值與故障電壓瞬時值之差。DVR 的響應速度在幾毫秒之內。根據電壓相位的不同,DVR 控制分為同相電壓補償控制和最小能量補償控制。由于出現電壓暫降時, 相電壓的相位也會出現很大的變化, 這給補償參考信號的檢測、計算造成了困難。因此, 快速可靠的補償電壓參考信號檢測技術是DVR 的關鍵。決定DVR 容量的是補償電壓最大值和負載電流值。當最大補償電壓是負載額定電壓的30% 時, 大約可消除95% 以上的電壓擾動。目前,DVR 容量可達幾十MVA , 反應速度在1 m s 以內。

圖2U PQC 原理圖

3. 2統一電能質量控制器

統一電能質量控制器(U n iversal Pow er Q ualityCon t ro ller ——U PQC) 的主電路由一串聯逆變器和一并聯逆變器組成, 兩者通過電容耦合, 如圖2 所示。

并聯逆變器采用PWM 電流控制技術, 進行非線性負載諧波電流及無功補償, 并起調節電容直流電壓作用。串聯逆變器采用PWM 電壓控制技術, 通過控制其輸出電壓達到抑制電源電壓諧波, 減少電源電壓波動對敏感負荷的影響。因此, 該裝置綜合了串聯和并聯補償器的優點, 是一種綜合電能質量補償器, 能解決絕大多數的暫態電能質量問題。

4結論

傳統電能質量控制方法, 例如柔性輸電系統(FACTS) 技術, 主要用于解決無功功率、諧波、三相不平衡等靜態電能質量問題, 不能很好的解決電壓暫降這個暫態電能質量問題。然而, 隨著電力電子器件制造水平及設備控制水平的提高,DVR、U PQC 等設備可以快速、動態地補償電網中的電壓暫降。借助于用戶電力技術, 可望將電力系統改造成無電壓波動、無不對稱以及無諧波的理想網絡, 滿足電力負荷對電能質量(尤其是電壓暫降) 日益提高的需求。

參考文獻

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