江苏电网电能质量分析及其改进对策.doc

江苏电网电能质量分析及其改进对策-作者：-日期：江苏电网电能质量分析与改进对策刘成民摘 要： 本文总结了近年来江苏电网及系统中大容量非线性用户的谐波等电能质量问题的现状，就包括频率在内的的各电能质量问题进行了分析，并对新形势下的电能质量问题，提出防止对策。为江苏电网进一步提高电能质量提供了技术支撑。关键词: 电网, 电能质量, 对策Power Quality Analysis And Improved Strategy for Jiangsu Power NetworkAbstract The present condition of power quality problems such as harmonic of nonlinear customer of large capacity in Jiangsu power network and system is concluded. Different power quality problems in Jiangsu Power Network are analyzed. According to new positions of power quality problems, some protection and strategy are presented, which provide technique support for increasing power quality in Jiangsu power network.Keywords power network，power quality，strategy 1 现代电能质量概念我国现有的电能质量方面的标准包括以下五个方面：（1）电力系统频率允许偏差；（2）供电电压允许偏差；（3）电压允许波动和闪变；（4）三相电压允许不平衡度；（5）公用电网谐波。目前国内电能质量方面的工作主要集中在电压(幅值)、频率和谐波方面，而随着国民经济的发展和技术的进步，一方面电网中各种非线性负荷及用户不断增长，增加了影响电能质量的不利来源；另一方面各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备使用也越来越多，对电能质量的要求更高，这两个方面的矛盾日益突出。为了确保有效控制电能质量，现实中不仅包括以上五个方面，更增添了新的内容：如电压凹陷、电压中断、电压瞬变、过电压、欠电压、间谐波等。从苏州、南京等地一批IT高新技术企业向供电公司提出供电电能质量和供电可靠性的要求，就鲜明的反映了电能质量的现实发展趋势。122 江苏电网电能质量现状2.1 频率指标2001年华东电网全网频率质量有所下降，江苏电网分摊的频率超出500.2HZ不合格时间为567.59秒，比2000年的267.7秒多299.89秒，合格率由2000年的99.999%下降到99.998%。不合格时间主要出现在6、7两个月，占全年不合格时间的68.2%。频率超出500.1HZ不合格时间为123337.05秒，比2000年的99203.06秒多24133.99秒，合格率由2000年的99.686%下降到99.608%。2.2 电压偏差指标2001年江苏220千伏主网电压监控点2:00和9:00平均电压分别为230千伏和228千伏, 比2000年2:00和9:00平均电压230.8千伏和227.4千伏分别下降了0.8千伏和上升了0.6千伏。2001年全省220千伏电压监控点电压合格率为99.49%, 比2000年的99.4%上升0.09个百分点。2.3 电网谐波情况（1）江苏500kV系统谐波数据为三峡第一回直流输电工程设计提供华东500kV系统谐波背景，对斗山和江都两个变电所进行了谐波测试，测试结果如表1所示（95概率值，以下表格同）。测试结果表明，斗山站三次谐波偏高，接近1.4%，而江都除3次外，5次谐波电压呈现了更高的数值，达1.6%。谐波电压畸变率与基波运行电压幅值高低有关，基波运行电压越高，谐波电压畸变率越大。表1 500kV谐波测试情况变电所名称相别3次5次THD备注斗山A1.1560.811.535B1.3890.8151.689C1.320.5221.518江都A0.8331.6161.861B1.5951.6032.383C1.2971.2821.91（3）阳城电厂并入华东电网后的谐波情况2000年5月，在山西阳城电厂1号机组首次并入华东电网前后，在三堡开关站进行了谐波测试，测试结果见表2，由测试结果可以看出，不同的运行方式下谐波电压畸变变化较大，以B相为例，三堡站在空载投入东三线时，电压总畸变率达到2.2，空载投入东三线和阳东二线后，电压总畸变率降为0.89，阳城电厂井网后，线路带6万负荷时，电压总畸变率为1.28，带10万负荷时，电压总畸变率为133，且三相间存在较大的差异。表2. 2000年阳城机组首次并网时东明、三堡谐波电压状况（）变电所名称相别3次5次THD备注东明A0.40.10.6东三II线空载B0.70.51.0C0.90.41.0东明A0.50.10.6东三II线、阳东二线空载B0.80.61.1C1.00.51.1三堡A1.320.171.36东三II线空载B2.170.242.20C2.360.152.38三堡A0.080.760.86东三II线、阳东二线空载B0.090.790.89C0.120.490.74三堡A0.140.820.926万负荷B0.860.981.28C0.610.591.03三堡A0.170.610.810万负荷B1.070.731.33C0.70.471.01220kV电网的谐波问题，主要集中在向大型炼钢企业供电的变电所，以及500kV变电所得220kV母线，其他220kv电压总谐波畸变率基本都小于l。2.4 大型电弧炉负荷用户的电能质量情况江苏电网中接于220kV系统的钢铁企业有十几家，主要采用交流电弧炉和直流电弧炉，其中部分企业安装了SVC装置(TCR+FC)，其它企业只采取了无功补偿措施或无功补偿兼滤波。如张家港沙钢集团、江阴兴澄钢铁公司等。2.5 配电网电能质量情况城市配网中部分地区，如写字楼、办公楼、大型商场集中的商业区和金融区，以及居民小区，由于大量的电力电子设备(调速电机、开关电源、计算机、微波炉、彩电、打印机、电子式和铁磁式镇流器、空调、节能灯、UPS系统等)的使用，用户负载电流中的谐波含量可占有很大的比重，由于多用户谐波注入电流的叠加，造成电压总谐波畸变率偏高；而且这类负荷产生大量的3次谐波电流，由于三次谐波的零序性，将在变压器中线中叠加造成变压器中性线过流；而目前低压系统采用的无功补偿装置通常没有考虑谐波的影响，常由于电容器对谐波的放大造成电容器的损坏。此外，以前配电网中采用的Y/YO接线的变压器也是造成YO集邮册侧(低压侧)谐波电压畸变率偏高的原因。如某大型购物中心的节能灯负荷，造成280kV母线电压畸变率14%，造成配变严重过热，使变电所10kV母线电压畸变率达3.5%，而且随着负荷的变化，有上升趋势。农村电网由于相对比较薄弱，小型的非线性用户如小电炉、小轧钢、中频炉，分布广，且在再考虑无功补偿时，较小考虑了谐波问题，因此，他们所带来的电能质量问题，就可能在局部对电网和其它用户造成比较严重的影响。3 电能质量现状分析3.1 频率超出500.2Hz的不合格时间增加的主要原因（1）葛沪直流跳闸造成华东电网低频，江苏分摊74.08秒。（2）夏季高峰负荷时江泰扬稳定控制装置动作切扬二厂60万千瓦机组造成华东电网低频,江苏分摊95.76秒。（3）天荒坪抽水蓄能机组低谷不能按时抽水或抽水时突然跳闸造成华东电网高频,江苏分摊161.97秒。（4）节假日低谷负荷较轻时钢厂冲击负荷突降来不及调整造成华东电网高频,江苏分摊55.32秒。以上四种原因共分摊387.13秒。3.2 频率超出500.1Hz的不合格时间增加的主要原因 下半年由于新安江来水较少，新安江电厂发电受限，特别是低谷时段失去调频能力。2001年天荒坪抽水蓄能机组参加华东电网峰谷差调节的台次较去年有大幅增加，非正常开停机的次数达78次，华东电网频率超出500.1Hz的不合格时间有很大的增加，江苏分摊的时间也相应增加。原A1、A2考核标准的本身缺陷，使得各省市为了追求ACE过零，在控制ACE时有过调行为，造成系统频率大幅波动。按照华东电网省（市）联络线电力、电量管理和考核办法，2001年10月1日起试行CPS考核标准，实施初期由于AGC调节策略受系统软件限制，无法适应新的考核标准，全网频率质量有所下降。3.3 2001年的电压情况主要特点（1）全省220千伏电网电压监控点合格率虽然达到了一流调度机构考核指标要求的99%, 但各监控点母线电压未能达到逆电压要求。（2）苏州地区负荷增长较快, 特别是苏州南部负荷较重,部分线路潮流较大, 导致用电高峰时庄田、狮山、金山等变电所电压偏低。（3）近年来苏北地区电网新机组较多, 但负荷发展较慢,远远低于当时的设计水平, 2001年夏季高峰期间苏北8市最大负荷仅占全省36%左右, 而该地区装机容量约占全省50%左右。其中徐州、连云港地区直接接入220千伏电网的发电厂容量就达247万千瓦左右, 220千伏供网最大负荷仅为150万千瓦左右, 南通地区装机容量达195万千瓦, 220千伏网供最大负荷约为120万千瓦左右。另外, 徐州地区接入110千伏系统的小机组较多, 部分220千伏变电所存在无功倒送的情况, 无功过剩矛盾突出。（4）根据无功平衡情况, 2001年江苏电网500千伏无功补偿度(不含阳城东明三堡)为0.928, 按新颁电力系统稳定导则1.0的要求计算，江苏境内500千伏部分(不含阳城东明三堡)缺16万千乏的感性无功补偿。阳城东明三堡段无功补偿度为0.863, 按新颁电力系统稳定导则1.0的要求, 仍缺19万千乏的感性无功补偿。节假日轻负荷时且阳城电厂双机运行时, 相应的500千伏线路又必须投运, 无功过剩的矛盾更加突出。目前，苏北500千伏变电所的低压电抗器全年都处于投运状态，仍不足以吸收500千伏电网无功，连检修都难以安排。3.4 谐波原因分析500kV电网谐波主要是和运行方式、500kV输电线路的长短、换位、输送潮流有关；22kV主要由于和大用量非线性用户的谐波有关，同时与500kV系统的谐波渗透密切相关；配网中谐波源主要来自变频设备、节能器具、照明、娱乐设施及计算机设备等，这些用电设备面广量大，另外配网中补偿电容器的设计大多为考虑谐波问题，使谐波处于难以控制的状态，使造成配网中谐波滋长的主要原因，若不是当加以控制，这种趋势处于增无减的状态。4 提高电能质量主要对策4.1 一次调频随着液调机组的减少，汽轮机组固有的一次调频功能逐渐失去，而新建大容量机组或经过控制系统技术改造机组的汽轮机控制系统普遍采用电液控制系统，其中的一次调频功能基本上都没有投入，从而电网缺乏快速调频的有效手段；同时，随着机组单机容量的增加，对电网频率的扰动也越来越强，周波的波动范围也越来越大，促使电网电能质量下降；另外，在用户方面，随着科学技术的发展，如计算机芯片制造业、高转速电动机等等大量使用，对电能质量的要求越来越高，电能周波的大幅度波动直接影响到其正常生产；而电网周波的大幅度波动，也使发电机组本身增加了不安全因素，尤其是对于已经参加了电网一次调频功能的机组，机组出力会生产大幅度的波动。综上所述，仅靠功率调度实现二次调频，已经无法克服电网频率的波动，要满足对电网快速响应的要求，只有机组本身对电网实现一次调频功能。以江苏为例，根据华东电力调度通信中心统计，江苏电网2001年频率500.1Hz的合格率由2000年99.686%下降为99.608%。为了改善频率品质，对全省125MW及以上40多台机组的AGC及一次调频功能进行了控制逻辑、调频功能试验及参数整定试验。通过一次调频联调试验，这些机组在一次调频投入后，电网的频率变化、考核指标CPS1、CPS2等大为改观，效果非常明显。根据华东电力调度通信中心统计，一次调频试验前，华东电网频率50正负0.1赫兹的合格率分别为：安徽：99.914%浙江：99.870%上海：99.790%江苏：99.686%可见，江苏电网的考核指标结果最差，月罚款高达600万元，不仅降低了电能质量，经济损失也很惨重。而进行了全网一次调频功能大联调试验试验后，根据江苏电力调度通信中心2002年第1期江苏电网调度生产信息的生产运行情况表统计：表3省份江苏上海浙江安徽全网电网频率月合格率99.989499.966899.975199.974899.8786CPS考核费用(万元)-175.10261.41125.23380.26江苏的合格率电网频率月合格率大大提高，改善了电能质量，该月的CPS考核费用为负值，即奖励175万元，降低了发电成本。4.2 发电机进相运行同步发电机进相运行是一种同步低励磁持续运行方式。利用发电机吸收无功功率，同时发出有功功率，是解决电网低谷运行期间无功功率过剩、电网电压过高的一种技术上简便可行、经济性较高的有效措施。江苏电网的电压在夜间和节假日偏高，为调节该值，同时也为电网提供简便有效的调压手段，开展发电机进相运行既经济又有效，不失为一种可行的调节手段。目前采用发电机进相运行的方式来吸收电网中过剩的无功，具有以下的优点：1、手段简洁有效：当电网电压过高、无功过剩时，只要调整一下发电机的励磁电流，将发电机由原来的发出无功负荷改为消耗无功负荷，让其无功进相运行，正负之差大幅度的减少了系统的无功功率，降低系统电压的效果较为明显。2、响应准确灵活：在发电机自动励磁调节器投入的情况下，当电网负荷峰谷变化时，根据系统电压的变化趋势，发电机的励磁系统将会自动增减励磁电流，从而增减发电机的无功输出甚至进入进相运行状态，使电网电压基本保持不变。4、节约设备投资：用发电机进相运行的方式来消耗系统的无功，可部分替代了电抗器的作用。一台600MW机组进相运行可以节省上千万元的电抗器及其附属设备的一次性投资，每年还可以节省几十万元的电抗器运行及维护费用。5、减少有功损耗：发电机进相运行后，可减少了电抗器的投运容量，同时也就降低了电力系统中的电抗器有功损耗。一台600MW机组在低谷时进相运行，每年可以减少电抗器有功损耗高达800万度电左右。6、降低厂用电率：发电机进相运行后，随着励磁电流的减少，励磁变的负荷也随之下降，一台600MW机组在低谷时进相运行，每年可以节约厂用电300万度电左右。综上所述，发电机进相运行既解决了电网无功过剩问题，又提高了系统的安全稳定性和电网运行的经济性，对改善电网电能质量具有重要作用。以扬州第二发电厂600MW发电机进相运行试验数据为例（见下表）： 表4有功MW定子电压kV定子电流kA功率因数无功Mvar发电机功角 220kV母线电压kV6kV母线电压kV60220.2817.950.96616037523.710.4360218.7618.88-0.984-121.8605109.7660218.4219.96-0.953-201.16850710.1445120.0713.310.98490.332.5520.510.3445518.8414.69-0.951-147.954.5514.09.845418.4915.63-0.909-2086251110.3430820.19.000.974712452010.4131118.9710.35-0.914-13844.5513.79.7930818.4612.4-0.786-24262509.410.35在发电机有功为602 MW，定子电压20 .28kV，功率因数0.966，发电机测量功角37，500 kV母线电压为523.7kV，10kV厂用母线电压10.43kV条件下进行进相试验，当进相达到功率因数为-0.980时，发电机定子电压降至其额定电压的94%，10kV厂用母线电压降至9.76kV，发电机无功为-121 .8Mvar，500 kV母线电压为510 kV。试验最终工况为发电机有功为602MW，定子电压18 .42kV，功率因数-0.953，无功为-201 .1Mvar，发电机测量功角68，500 kV母线电压为507kV。1、对于厂用电压，随着进相深度的增加，其电压随之下降。600MW负荷时，进相达到功率因数-0.984，发电机定子电压降至其额定电压的94%，10kV厂用母线电压降至9.76kV，发电机无功 -121 .8Mvar；450MW负荷时，进相达到功率因数-0.951，发电机定子电压降至其额定电压的94%，10kV厂用母线电压降至9.8kV，发电机无功-147 .9Mvar；300 MW负荷时，进相达到功率因数-0.914时，发电机定子电压降至其额定电压的94.9%，10kV厂用母线电压降至9.79kV，发电机无功-138Mvar。2、对500kV电网的调压作用明显。在发电机有功为600MW负荷试验中，无功从160Mvar变到-201.1 Mvar ，500 kV母线电压从试验开始时的523.7kV降到试验结束时的507kV；在发电机有功为450MW负荷试验中，无功从90.3Mvar变到-208 Mvar ，500 kV母线电压从试验开始时的520.5kV降到试验结束时的511kV；在发电机有功为300MW负荷试验中，无功从71Mvar变到-242 Mvar ，500 kV母线电压从试验开始时的520kV降到试验结束时的509.4kV，且电厂对侧江都变测得在试验的最后稳定阶段，江都变向扬州第二发电厂送无功120 Mvar，其500 kV母线电压为510kV。以上试验表明，发电机进相运行