电能质量管理技术综述.doc

电能质量管理技术综述电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。随着科学技术的飞速发展，以电力电子装置为代表的各种非线性负荷在电力系统中得到了越来越广泛的应用，这在电网中产生了大量的谐波污染。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，在运行过程中不仅会产生大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等问题。同时，各种感性设备的不停的投运造成了电网的功率因数的不断降低。与此相反，随着各种复杂、高精密、对电能质量问题越来越敏感的用电设备的普及，人们对电能质量的要求也越来越高。和传统的电能质量控制及管理相比，现代电能质量控制与管理技术已不仅仅是对电力系统频率、电压偏差和可靠性的控制与管理，而是要求控制和降低诸如谐波、电压波动与闪变、三相不平衡、电压迭落(凹陷)、电压上升、瞬间过电压等电能质量扰动的危害。有效的电能质量控制和管理是保证电力系统安全稳定运行和用户设备可靠运行的关键，国家标准的制定有利于统一的、合理的衡量电能质量的好坏，电力电子技术在电能质量控制中的应用能够有效的增强电网的稳定性和改善电能质量，电能质量管理网络信息化能够共享电能质量数据，建立一套完整的区域电网电能质量分布图，有利于电网的维护与改造。电力系统是电能质量控制的对象，而电力电子技术则是现代电能质量控制的重要手段。电力电子技术在电力系统中的应用始于晶闸管投切电容器TSC与晶闸管控制电抗器TCR等静止无功补偿器SVC。前者解决了机械开关不能频繁投切的问题，后者与电容器(或滤波电容器)配合用于动态无功补偿，抑制电压波动与闪变、三相不平衡与谐波。在现代电能质量控制中，电力电子技术的应用主要体现在谐波治理、无功功率补偿和柔性交流输电等。1谐波治理近年来，大量非线性负荷投人电力系统运行引起的电能质量问题备受关注。在我国，许多大容量的非线性负荷直接通过配电网供电，非线性负荷的主要用电设备包括:大容量变流器、电解及电镀设备、电弧炉、电气化铁路、各类变频器、空调等。这些用电设备产生的电流不规则地急剧变换，使得电流波形发生严重的畸变，畸变电流在输电线路上传输将引起公共节点电压发生变化而引起电能质量降低。基于高频电力电子技术的有源电力滤波器(APF)被认为是消除谐波最具竞争力的设备之一。与传统的无源滤波器(Passive Filter，缩写为pF)相比，有源电力滤波器具有补偿各次谐波、抑制闪变、补偿无功、自动跟踪补偿变化的谐波等技术优势。目前，许多国家已将有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术和措施，在我国也有广阔的应用前景。按照与电网连接方式的不同，有源电力滤波器分为并联型、串联型和混合型，目前应用最广泛的是并联型有源电力滤波器。图1所示为并联型有源电力滤波器的基本原理框图。它通过实时检测电网中由非线性负载产生的电流波形，采用快速算法分离出谐波部分，将其反相，再通过先进的控制算法，产生控制信号使得电力电子(如IGBT)逆变器将反相电流注人到电网中，实现滤除谐波的功能。因此有源电力滤波器从理论上讲可以产生任意波形的电流。那么，根据不同的目的，在控制算法中加人不同功能模块，有源电力滤波器还可以提供超前或滞后的无功电流，用于改善电网的功率因数和实现动态无功补偿。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下显著特点:(l)可以同时治理各种影响电能质量的因素，如谐波、无功和负序等;(2)补偿特性不受系统阻抗和频率变化影响;(3)没有无源滤波器的串/并联谐振，并能有效抑制无源装置的谐振。同时当负载谐波电流较大时，可自动限制输出电流大小，仍能继续运行;(4)补偿效果完全取决于控制算法，对于谐波治理要求较高的场合，无需额外增加硬件资源;(5)价格相对昂贵、运行成本高，大容量补偿装置成本较高。2无功功率补偿无功功率如同有功功率一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。静止同步补偿器(STATCOM)主要是利用大功率电力电子器件(如IGBT、GTO)构成一个自换相变流器，通过电压源逆变技术提供超前和滞后的无功，实现无功补偿。作为无功动态调节技术的潮流和发展方向，STATCOM技术是目前国内外研究的热点，它具有体积小、容量大、调节连续、响应速度快、经济性能好等优点，对维持节点电压和抑制电压闪变、阻尼系统振荡以及提高系统暂态稳定性发挥着重要的作用。当H一桥级联式多电平功率变换器应用于sTATCOM时，在交流侧通过电抗器可直接连接到交流电网中，无需通过变压器连接，这样可减少装置的占地面积及成本。图1是链式STATCOM的等效电路图，从图1中可以看出，只要调节输出电压Vg的大小，就可以得到正的或负的无功功率。近年来，STATCOM在电力系统中的应用受到日益广泛的重视，美国、日本和德国已将其投人工业运行，我国自行研制的士ZOM var STATCOM工业样机装置已在河南电力公司朝阳变电站运行，士50MvarSTATCOM的装置也应用于上海电力系统中。与传统的调相机相比，STATCOM没有机械旋转部分带来的机械惯性，无功功率阶跃响应时间很短，因而响应速度快，见图1。图1 链式STATCOM等效电路图2.1SVC技术的特点SVC技术现在在无功补偿中已经有广泛的应用，它的特点体现在:(l)目前应用较多，应用较为成熟;(2)自身产生较大谐波，需无源滤波器配合;(3)TCR只提供感性无功，容性无功需FC或TSC电容器组提供;占地面积大;(4)响应速度慢(2一3个周期);(5)对决速的冲击负荷补偿效果较差。2.2STATCOM的特点与SVC相比，sTATCOM的特点体现在:(1)基于可控器件的VSC技术;(2)谐波性能好，不需无源滤波器;(3)可提供双向无功，占地较小;(4)响应速度快(20ms以内);(5)对快速的冲击负荷补偿效果好;(6)输出无功电流与系统电压无关。可以看出，STATCOM在电力系统无功补偿尤其是动态无功补偿中有广阔的应用前景，是未来无功补偿技术发展的趋势。3柔性交流输电柔性交流输电技术(FACTS)是基于现代电力电子技术改造交流输电的技术，它对交流电的无功(电压)、电抗和相角可以进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使传统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，以满足电力系统安全可靠和经济运行的目标。它可以用可靠性很高的电力电子器件代替传统元件中的机械式高压开关，以期实现输送功率的合理分配，电压的合理控制，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性，可靠性。此项技术是实现电力系统安全经济、综合控制的重要手段，被认为是21世纪初可以实施的技术改革措施，已成为当今先进国家电力界研究的热点。当前社会经济的发展促进了中国电力工业的发展，这使得一个能够保证可持续发展、能够保护环境的现代电力系统正在形成。未来的新的供电企业和新的电网的建设必须能够满足这一现代化的要求。作为一个解决方案，如何更有效的利用现有的设备和条件是摆在中国电力工业面前的一个极为重要的课题。FAcTs设备的一个目标就是在不牺牲系统安全性的前提下使现有设备得到最大的利用，即使在达到设备的热稳定极限的情况下也能保证系统的安全运行。使用FAcTs设备可以减少对新传输线路建设的要求，提高系统运行的有效性。4 电能质量控制技术的发展趋势电能质量控制是一个复杂的系统工程,它涉及到电力系统、电力电子、自动控制等多个方面。目前国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮,其内容包括所适用的功率理论的扩展,电能质量评价指标体系的建立,新的电能质量分析方法的提出,以及基于用户电力技术的电能质量控制装置的设计与实现。国际上比较知名的几家大公司都已经生产出了自己的电能质量调节器,如西门子的SIPCON-S, GE的SSVR (static series voltage regulator),ABB的DVR,以及Softswitching的DSC(dynamic sag corrector)。Westinghouse为美国电科院研制的世界上第1台DVR已于1996年8月投入工业运行;美国IGC和ASC的小型(1 MJ10 MJ)低温SMES(超导磁储能系统)已经商品化,日本、德国、法国和意大利等也都对低温SMES展开了深入的研究。我国在电能质量方面的研究总的来说才刚刚起步,大部分研究都局限在谐波和无功补偿的范围内,与国外还存在着很大的差距。各种APF,SVC,UPQC,DVR等电能质量补偿装置仍处在理论研究和实验研究阶段。西安交通大学已研制出120 kVA并联型有源电力滤波器,中国科学研究院电工所、清华大学电机系也已研制出小型SMES样机。结合目前国内外电能质量的研究现状以及社会发展对电能质量提出的新要求应在以下3个方面对电能质量控制技术进行研究和完善:a. 基础理论研究:电能质量评价指标的科学界定以及各项指标的合理计算方法,新的分析与控制方法的研究,新的电能质量控制装置并网运行对系统可能产生的影响(包括稳态与动态性能)等。b.积极采用其他领域的新技术,为电能质量控制技术带来新的活力:采用基于高速数字信号处理器(DSP)的数字化控制装置取代传统的用模拟量控制的电能质量控制装置,用固态电子开关取代常规高压开关以实现同步开断,利用燃料电池和微型燃汽轮机等分布式清洁能源提高供电可靠性和电能质量,计算机和通信技术的发展使得电能质量远程监测成为可能,大功率、可自关断电力电子器件与现代控制技术相结合研制出新型的电能质量调节装置,超导电力装置(SMES和SFCL(超导故障限流器)也将在提高供电质量方面发挥重要的作用。c.大力发展用户电力技术(custom power):这是一种应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制和为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。DVR和DSTA