电能质量控制基础及其的发展方向.ppt

1、电能质量控制基础及其的发展方向,讲座主要内容,电能质量问题的重要性 电能质量的基本概念 电能质量相关国家标准 改善电能质量问题的装置和技术手段 一些实际应用案例 电能质量监测技术的发展趋势,电能质量问题的重要性,电能即是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能量形态，又是电力部门向电力用户提供，由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。如今，电能作为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。,电能质量问题的重要性,(1)现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高。许多新的电器和装置都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件,它们对各种电磁干扰都极为敏感。 (2)对电力系统运行总效率的重

2、视程度不断加强,特别在用电设备方面表现突出。但这些设备的使用又会导致电网谐波污染(更广义的称为电气环境污染),致使供电电压干扰水平加重,对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。例如,高效率电机变速驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器,以及大量的用户电子设备等。 (3)电力用户已提高了对电能质量的认识,正在了解如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的需要,维护用电设备的正常运行,越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求,甚至通过签定供电合同和质量协议的方式以获得保证。 (4)电力网的各个部分都是相互联系的,因此综合协调处理至关重要。任何

3、一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响,甚至是重大损失。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时,还需极力避免遭受用电设备产生的电力干扰,维护电网安全运行。因此电能质量已经成为一项系统工程问题。,供电可靠性问题对美国工业每年造成损失为250500亿美元。如惠普公司集成电路工厂停电20分钟将引起3000万美元损失。 大量电力电子装置的使用、电容投切等造成负荷不对称并引起严重的电能质量问题。 电压低于0.9额定值时，某些电动机将不能正常工作。 高次谐波会导致对精密电子设备工作的干扰和电器设备的异常发热，造成设备的永久性损坏。 供电电压的闪变和三相不对称，则直接影响各种电气设备正常运行。,

4、电能质量问题影响的严重性,一次电源波动可能造成的巨大经济损失,半导体工业,具有特殊过程工业,玻璃工业,光学工业,纺织工业,$M=百万美元,包括一些化工生产过程,IBM的研究结果,电压跌落对一些设备的危害,芯片测试 当电压低于85时，测试仪停止工作，芯片、主板可能被毁； PLC 早期的产品，当电压低于10时，仍能持续工作15个周波 （可编程控制器） 新版产 品，当电压低于(5060)时，PLC停止工作；而2 年后的另一篇文献11介绍，当电压低于81时，PLC停止 工作；一些I/O设备，当电压低于90、持续时间仅几个周 波，就会被切除。 机器人 由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工

5、 具，为保证产品质量和安全，工作电压槛值一般设为90， 当电压低于此值、持续时间超过23个周波时，被跳闸。 直流马达 当电压低于80时，直流电机被跳闸。 变频调速 当电压低于70，持续时间超过6个周波时，VSD被切除。 而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于90、持续时 间超过3个周波时，电机就会被跳闸而退出运行。 马达 有的研究表明当电压低于50、持续时间超过1个周波，接触器 接触器 就 会脱扣，而有的研究表明当电压低于70、甚至更高， 接触器就会脱扣。 计算机当电压低于60，持续时间超过12个周波时，计算工作将受到影响，如数据丢失。,我国电网电能质量问题更大,故障率与供电可靠性差 据19

6、95年203个供电局/电业局统计，平均供电可靠率仅为99.075%； 电压波动大。我国部分城网电压合格率仅为82%86%； 供电网谐波污染严重。变流电源、家用电器、冶金、化工企业大型冲击电源、电气化牵引设备等都是主要的谐波源，造成电压波形畸变、电压波动、闪变和三相不平衡。,电能质量问题危害实例,1984年，大同第二发电厂中的发电机负序电流过负荷保护受到电气铁道所产生的过大负序电流和谐波电流而动作切机，造成大面积停电。 陕西安康110kv电网由于电气铁道供电使电网中多种保护和自动装置受到负序电流影响而频繁误动，每天达100余次。,电能质量的基本概念,电能质量：从普遍意义讲，电能质量是指优质供电，

7、但是迄今为止，人们对电能质量的技术含义却存在着不同的认识，还不可能给出一个准确同一的定义。这是因为人们看问题的角度不同所致。 例如，电力部门可能把电能质量定义为：电压与频率的合格率，并且用统计数字来说明电力系统99.9%是安全可靠运行的； 电力用户把电能质量简单定义为：是否向负正常供电。 设备铸造厂家把电能质量定义为：电源特性应当完全满足电气设备的正常工作需要。 IEEE标准化委员会给出的定义为：合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的。,IT用户对电能质量的要求,20世纪80年代,美国计算机和商用设备制造商协会 Computer and Busi

8、ness Equipment anufacturer association CBEMA) (现已改称Information Technology dustry Council ITIC信息技术工业协会) 出于大型计算对电能质量的要求曾提出了电压容限曲线及相关的4种典型电压扰动,以防止电压扰动造成计算机及其控制装置误动和损坏。容限曲线见下图,绿色部分为合格电压。,周波(60Hz),运行电压,持续时间,计算机安全运行电压图（by CBEMA 1996）,计算机及信息设备 对电力供应提出一系列新挑战,电能质量评价指标,电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠性3个方面。对频率质量的要求全网相同

9、，不因用户而改变。决定电压质量的指标很多，IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会最新采用11种专用术语来说明电压质量的主要扰动：,电能质量扰动问题的名称和定义（1）,(1)断电(Interruptions) 在一定时间内,一相或多相完全失去电压(低于0.1p.u.)称为断电。断电按持续时间分为三类: 瞬时断电0.5周波至3s; 暂时断电3s至60s; 持续断电60s (2)频率偏差(FrequencyDeviations) 各国均已作出具体规定。 (3)电压下跌(Sags) 持续时间为0.5周波1min,幅值为0.1p.u.至0.9p.u.(标幺值),系统频率仍为标称值。,电能质量扰动问

10、题的名称和定义（2）,(4)电压上升(Swells) 电压(或电流)暂时性超过标称值10%者称为电压上升。系统频率仍为标称值。持续时间为0.5周波1min,幅值为1.1p.u.至1.8p.u.(标幺值)。 (5)瞬时脉冲或突波(Transients) 瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲,也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。 (6)电压波动(VoltageFluctuations) 电压波动是在包络线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出0.9p.u.至1.1p.u.电压范围的一系列电压随机变化。这种电压变化往往

11、称作闪变(flicker)。闪变这个专用术语是来自电压波动对照明灯的视觉影响。对输配电系统产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。,电能质量扰动问题的名称和定义（3）,(7)电压切痕(Notches) 电压切痕是一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率会非常高,因此用常规的谐波分析设备是很难测量出电压切痕的。这就是过去从未有过此项电压扰动内容,直到最近才正式列入的原因。 (8)谐波(Harmonics) 含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐波。产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波之和。谐波

12、是由于电力系统和电力负荷中设备的非线性特性造成的。谐波有奇次(又可分为3的倍数和非3的倍数)和偶次之分。随着用电装置对谐波敏感性的日益增加,高次谐波越来越受到注意并规定了限额。,电能质量扰动问题的名称和定义（4）,(9)间谐波(Interharmonics) 含有基波的非整倍数频率的电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数谐波(fractionalharmonics)亦属于此类。间谐波的主要来源是静止变频器(static frequency converter)、循环换流器(cycloconverter)、感应电动机和电弧发生装置等。间谐波会使显示装置引发视觉闪变。 (10)过电压(Overv

13、oltages) 过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于1min。过电压的幅值为1.1p.u.至1.2p.u.。 (11)欠电压(Undervoltages) 欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间大于1min。欠电压的幅值为0.8p.u.至0.9p.u.。,用户分类,(1)普通负荷(或用户) 电能质量不良一般对普通负荷影响不显著。只有持续断电过长和电压下跌过多或上升过多才会“感受”到影响。 (2)敏感负荷(sensitive load) 此类负荷对电能质量不良相当敏感并会受到损害,因此对电能质量有一定要求且必须采取一定的对策以确保达到此要求。但不同类型敏感负荷的敏感程度不同,因此,要

14、在进行费用/收益比分析并作出最佳缓解程度的决策后,才提出电能质量要求及其相应措施。 (3)要求严格的负荷(critical load)此类负荷在电能质量不良时会产生严重后果,有的会造成巨大经济损失,有的会发生不可挽回的损害,因此必须要确保所提出的电能质量要求。例如医院中用计算机进行的心脏外科、脑外科、心血管外科、眼科手术等,又如用大型计算机网络操作的证券交易所、银行等金融机构,再如生产精密度要求特别高的信息工业芯片、微电子元件以至纳米级元件的制造,更如大多数的军事工业制造及军事设施等等。,保证供电质量的方法,保证供电质量的方法无非是两个方面： 进行负荷调整，就是使负荷减少敏感程度，这不易做到。

15、如遇该负荷的电能质量要求特别高而单靠电力企业确实无法在短时期满足其要求时，就必须和用户共同采取必要措施，以降低负荷敏感程度和降低电能质量不良程度双管齐下克服困难。 进行电力网改进，既由电力企业安装必要的设备以抑制或抵消电力扰动。目前主要采用的是第种方法。,国外电能质量标准,1989年,欧洲共同体决定制订电能质量的全面标准。1992年7月欧洲电工标准化委员会(CENELEC)正式颁布公用配电系统供电特性文件(CENELEC CLC/BTTF68-6(sec)15),作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准,并已为国际电工委员会(IEC)采用。标准共分5大类13个标准：,国外电能质量标准,1. 频率(

16、取配电系统基频10秒的平均值) (1)互联电网 低压50 Hz1%(即500.5 Hz)一年中占99% 50 Hz6%(即503 Hz)一年中占1% 中压 50 Hz1%(即500.5 Hz)一年中占99% 50 Hz6%(即503 Hz)一年中占1% (2)孤立电网(如岛屿供电等) 低压50 Hz2%(即501 Hz)一年中占95% 50 Hz15%(即507.5 Hz)一年中占5% 中压50 Hz2%(即501 Hz)一年中占95% 50 Hz15%(即507.5 Hz)一年中占5%,国外电能质量标准,2.电压幅值(共分7种情况) (1)慢速电压变化 低压 UN10%。每周期间供电电压10

17、分钟均 方根值取95%概率大值。 中压 公布电压的变化为10%UN,公布电压由 电力部门规定。 上述UN在2003年前,UN=230 V,三相三线制的相间电压UN=230 V。三相四线制的相间电压UN=400 V相对中性点UN=230 V。2003年后标准将变动。,国外电能质量标准,(2).电压波动(快速电压变化) 低压：每周期间取95%概率大值 (a)不发生闪变的电压波动幅值不超过5%UN (b)发生闪变的电压波动 短期烈度(severity)Pst=1 长期烈度Plt=0.8 中压：每周期间取95%概率大值 (a)不发生闪变的电压波动幅值不超过4%UN (b)发生闪变的电压波动: 短期烈度

18、Pst=1 长期烈度Plt=0.8 电压波动由电力系统故障和用电负荷变化引起。,国外电能质量标准,（3）电压突波(dip) 低压 一年中预期次数10100次 突波持续时间小于0.5秒 突波幅度小于60% 中压 一年中预期次数10100次 突波持续时间小于0.5秒 突波幅度小于60% （4）短时断电(电压降至零或接近零称为断电) 低压 每年短期断电次数 几十次至几百次 持续时间 70%的次数小于1秒 中压 每年短期断电次数 几十次至几百次 持续时间 70%的次数小于1秒 （5）长时断电 低压 每年长时断电限制在1050次 断电持续时间超过3分钟者称为长时断电 中压 每年长时断电限制在1050次

19、断电持续时间超过3分钟者称为长时断电,国外电能质量标准,（6）暂时工频过电压 低压 不超过1.5 kV 中压 暂时工频过电压预期值为:相对地电压接地故 障因素 其中:接地故障因数(Earth Fault Factor)为: 直接接地或经阻抗接地系统:1.7 不接地或消弧线圈接地系统:1.72 （7）瞬态过电压 低压 不超过6 kV 中压 一般操作过电压低于雷电过电压,国外电能质量标准,3. 电压不平衡 低压及中压:负序分量10分钟均方根值不超过相关正序分量的2%。电压不平衡是由单相或两相负荷引起的。 4.电压波形 谐波电压 ：每个周期内取95%概率10分钟平均值,不超过下列限值,且总畸变率(T

20、HD)不超过8%。 谐间波(Interhar monics)：出现在谐波之间的基波非整数倍数(也可分数倍数,即小于基波)的谐波,低压和中压限值相同,均规定为:谐间波电压水平应低于邻近谐波水平,IEC规定为0.51%UN。,国外电能质量标准,5.主母线上传输信号电压 在工频波上叠加一个正弦波传输信号电压或在电 网电压回路上加入某种调制过的信号电压。低压 及中压均规定为信号电平每日3秒平均值不超过图 1的规定值。,我国电能质量的标准,五个方面: 电力系统频率允许偏差; 供电电压允许偏差; 电压允许波动和闪变; 三相电压允许不平衡度; 公用电网谐波。,我国电能质量的标准,我国电能质量的标准,改善电能

21、质量问题的装置和技术手段,改善电能质量的装置和措施很多: 以大功率电力电子器件为核心的新型装置可以用来有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰动; 而常规措施则很好地适用于稳态电压调整。 电能质量控制装置按功能可分为以下三大类: (1)无功补偿装置; (2) 滤波器; (3) 着重于解决暂态电能质量问题的统一电能质量调节器(UPQC)。,扰动信号的提取,对于电压波动和闪变、谐波、三相不平衡这些变化相对较缓慢、持续时间较长的电能质量问题,对称分量法、谐波分析法是最常用的时域分析方法。 时域仿真法的优点：数学表达式简单,物理概念明确。 时域仿真法的缺点：计算量大、耗时长,不能实现实时、在线

22、控制, 因此必须采用变换的方法,快速、准确地得到所需的控制信号。傅里叶变换作为最经典的信号处理手段在电能质量检测中发挥了重要作用。目前,各种算法的离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)已经成为频谱分析和谐波分析的基础。,扰动信号的提取,对于电压下跌、电压上升、瞬时脉冲以及电压瞬时中断等这类电能质量扰动,由于它持续时间短,发生时间具有很大的随机性,傅里叶变换已不能满足要求,因此必须采用新的信号分析方法,如加窗傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换等。另外,将传统的分析方法与新兴的智能方法相结合也是分析电能质量问题的一个趋势。,扰动信号的提取,谐波电流的检测与分析是电能质量分析的另一个重

23、要方面。现有的谐波电流检测方法有基于Fryze功率定义的检测方法、模拟带通滤波器检测方法、基于频域分析的FFT检测方法、同步测定法、自适应检测法、基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测法等,此外还有基于小波变换的时变谐波检测法、基于鉴相原理的谐波电流检测法、基于人工神经网络的谐波检测法等。其中,根据1984年由H.Akagi等人提出的瞬时无功功率理论的谐波电流检测法实时性强,在有源滤波方面得到了广泛的应用。但这一方法忽略了零序分量的影响,在电压有畸变的情况下求出的谐波电流与实际值是有差别的,采用基于广义瞬时无功功率理论的dq0变换则能更精确地实时检测出谐波电流。,控制策略,一旦检测、分析出存在

24、的有关电能质量问题的信息,就必须采用有效的控制方法消除或抑制这些信息。采用何种控制方法与电能质量问题类型以及控制装置密切相关。 传统方法：一些用于稳态电压调整的装置,如并联电容器、并联电抗器、变压器分接头等都是机械式的,它们对电能质量问题反应速度慢、控制不精确、调节能力有限,过去一般采用手动控制的方法。 现代方法：现在有一部分装置采用了自动投切的方法,其控制策略既有非常简单的开环控制,也有采用模糊控制、智能控制等现代控制策略的。,目前常用的控制方法,基于电力电子技术、通过变流器与电力系统相连接的电能质量控制装置,例如SVG(静止无功发生器)、APF(有源电力滤波器)、DVR(动态电压恢复器)、

25、DSTATCOM(即并联型DVR)、UPQC等的控制方法更多。对变流器PWM控制技术是目前最常用的控制方法,通过调节导通角和调制脉宽可以四象限控制能量存储装置与电网间的有功或和无功交换,而且可以有效地抑制交流侧的谐波。,控制方法的分类,根据提取出的电能质量扰动信号来确定最终变流器的触发信号,目前研究及应用比较广泛的控制方法有以下几种: a. PID控制 h.模糊逻辑控制 b.滞环比较控制 i.人工神经网络(ANN) c.空间矢量控制 d.无差拍控制 e.反馈线性化 f.非线性鲁棒控制 g.自适应控制,PID控制,a. PID控制:这是电力系统中最常用的方法,其理论完善、鲁棒性强、稳定性好、稳态

26、精度高,易于在工程中实现。经典PID控制采用比例、积分、微分等典型的控制模块,加上几种校正网络,能改善系统动态、稳态性能。 但PID控制也存在响应有超调、对系统参数摄动和抗负载扰动能力差等缺点,因此出现了变参数PID控制、将PID与变结构控制相结合等控制方法。,滞环比较控制,b.滞环比较控制:目前在跟踪谐波电流方面应用最广泛的控制方法是滞环比较控制。滞环比较控制的原理是将被控制量与它的给定值在给定范围内进行比较以确定电能变换器开关元件的开关时序。滞环比较控制具有反应速度快、控制精度高、容易实现和不需要了解负载特性等优点; 主要缺点是开关频率不固定,用于三相三线系统时有严重的相间干扰,在负载换路

27、时被控制量往往不能得到有效控制等。与矢量控制等方法相结合可以有效地克服上述缺点。,空间矢量控制,c.空间矢量控制:空间矢量控制的原理是将测量得到的基于三相静止坐标系的交流量(abc)经过Park变换得到基于两相旋转坐标系的直流量(dq),实现解耦控制,具有良好的稳态性能与暂态性能。常规的矢量控制方法需要进行复杂的正弦、反正切函数运算,一般采用DSP进行处理;为了缩短实时运算时间和降低对硬件的要求,可以采用一些简化算法。,无差拍控制,d.无差拍控制:K. P. Gokhale等人在1987年首先提出逆变器无差拍控制方法,它的主要思想是根据系统的状态方程和当前的状态信息推算出下一周期的开关控制量,

28、最终达到使输出量跟踪输入量的目的。采用无差拍控制可以消除稳态误差,并在最短的时间内结束过渡过程;但它也存在鲁棒性较差、瞬态响应超调量大、计算实时性强因而对硬件要求很高等缺点。采用带扰动状态观测器的无差拍控制或最优预见控制技术都可以大大改善无差拍控制的性能。,反馈线性化和非线性鲁棒控制,e.反馈线性化:直接反馈线性化(DFLdirect feedback linearization)方法即通过对系统非线性因素的精确补偿,将原系统转换为线性系统,即可用线性控制理论加以控制。 f.非线性鲁棒控制:考虑SMES(超导储能装置)实际运行时会受到各种不确定性的影响,因此可通过对SMES的确定性模型引入干扰

29、,得到非线性二阶鲁棒模型。对此非线性模型,既可应用反馈线性化方法使之全局线性化,再利用所有线性系统的控制规律进行控制;也可直接采用鲁棒控制理论设计控制器。以某种性能指标的优化为设计依据的鲁棒控制理论最典型的代表就是加拿大学者G. Zames于1981年开创的H控制理论。该理论目前已经发展得比较成熟,成为分析和设计不确定系统的有力工具。,自适应控制,g.自适应控制:实际的SMES系统在运行过程中必然会受到负载扰动及其他环境因素变化的影响。采用常规的控制器,以一组不变的控制器参数去适应各种变化显然难以取得满意的结果。自适应控制方法可以在线辨识系统模型,然后根据系统模型和控制指标及时整定控制器参数,

30、实现高精度控制。,模糊逻辑控制,h.模糊逻辑控制:用经典控制理论的“频域法”和现代控制理论的“时域法”设计控制器时,必须知道被控对象精确的数学模型。自适应控制、自校正控制虽然在很大程度上降低了对建模精度的要求,但需要使用大量的先验数据,而且要对模型进行在线辨识,算法复杂、计算量大,限制了其应用范围。模糊控制作为一种智能控制方法,不需要对系统建立精确的数学模型,通过对系统特征的模糊描述,可以大大降低获取系统动态和静态特征量付出的代价。模糊控制有较强的鲁棒性,对外来干扰、过程参数变化和非线性因素均不敏感。但模糊控制存在稳态误差,在工作点附近容易引起小范围振荡。可以将其他控制方法与模糊控制相结合,如

31、变结构控制、人工神经网络等,从而改善模糊控制的性能。,人工神经网络,i.人工神经网络(ANN):人工神经网络具有自适应和自组织能力,可以根据输入、输出学会它们之间的非线性关系,而不需要系统的数学模型;ANN的容错性和自适应性可以应付复杂系统在运行过程中的众多不确定因素,提高系统的抗干扰能力;ANN固有的并行结构和并行处理能力使它可以快速处理系统的大量数据。,改善电能质量的装置,改善电能质量的16种装置 (1)有源电力滤波器或调谐滤波器APF(TF) (9)避雷器(SA) (2)蓄电池储能系统(BESS) (10)超导磁能系统(SMES) (3)配电静止同步补偿器(DSTA-TCOM) (11)

32、静止电子分接开关(SETC) (4)配电串联电容器(DSC) (12)固态断路器(SSCB) (5)动态不间断电源(DUPS) (13)固态切换开关(SSTS) (6)动态电压恢复器(DVR) (14)静止无功补偿器(SVC) (7)机械切换开关(MTS) (15)可控硅操作的电容器(TSC) (8)功率因素控制器(PFC) (16)不间断电源(UPS),16种装置的功能,16中设施的作用各不相同，对前述11种电能质量扰动，除频率偏差，谐波外，可分别予以解决，见下图：,改善电能质量的装置,固态断路器(SSCB) 固态断路器的主要功能是可在少于0.5周波内将电源侧故障馈线快速断开,但可通过涌流和

33、故障电流几个周波(此即负荷侧的下游故障),且能对下游故障电流进行限流。,固态断路器(SSCB) 原理图,固态断路器(SSCB) 原理,SSCB由可控硅整流器(silicon controlled rectifier SCR)元件和可关断晶闸管(Gate Turn Off GTO)元件以及限流电抗器和ZnO避雷器等组成。SSCB的容量取决于所用的SCR及GTO的额定容量和运行特性。GTO可在控制侧施加一个关断脉冲后立即断开电流,因此可在小于0.5周波内完成断路动作。,SSCB配置接线图,GTO开关中的GTO元件是组装在反向并联(背对背并联)的空气冷却模件中。要得到能用于配电系统中SSCB所需的电

34、压和容量,就要将模件串并联,成为SSCB的各相组件。SSCB在配电系统中的配置是和常规的机械断路器配合使用的,以节约投资, 其接线示意图如下：,SSCB的用途,固态断路器SSCB的用途很广泛, (a)可用作带STATCOM的断路器以保证要求严格的负荷的可靠供电; (b)可以两台联动成为快速切换开关; (c)可以和限流器并联使用; (d)可以用作大电动机的软起动器; (e)也可用作配电系统的母联开关。 目前,SSCB的用途还在发展中。,固态切换开关SSTS是用来替代常规机械断路器,以便将电力负荷快速地从一条馈线切换到另一条馈线上当然也可切换到一个不间断电源系统上。,固态切换开关(SSTS),为了

35、使切换开关能有效发挥作用,相关的配电系统必须满足下列要求: (1)两条馈线要来自不同的变电站; (2)后备馈线要有备用配电容量; (3)变电站要有备用配电容量; (4)要有优质电能的可靠输送。,图为SSTS的负荷侧电压在切换前、切换中和切换后的变化曲线。可以清楚地看到切换过程只有10 ms(图中的0.01 s),故对负荷不会有影响。,DSTATCOM是采用脉宽调制(pulse-width modulation PWM)技术的与电力系统并联的电压源变换器。DSTATCOM能替代常规的电压和无功控制元件、有载分接开关、电压调整器和自动投切电容器。,配电静止同步补偿器(DSTATCOM),动态不间断

36、电源(DUPS),DSTATCOM如和SSCB及一个储能装置(例如BESS)联用,SSCB安装在系统电源和敏感负荷之间,而DSTATCOM及BESS则和敏感负荷并联安装,这样的综合装置称为动态不间断电源(DUPS)。当发生断电时, SSCB立即将敏感负荷和电力系统隔离,而DSTATCOM则从BESS将电能供给敏感负荷。发生断电到重新供应电力的间隔时间极短,可使敏感负荷“感受”不到曾瞬时断过电,因而成为名副其实的不间断电源。,动态电压恢复器(DVR),DVR就像一台DSTATCOM,也有一台变压器,一个由SCR和GTO组合起来的变流器和一个储能装置,但变压器是串接在线路上向敏感负荷供电。补偿是双

37、向的, 既能提高已下跌的电压,也能降低已升高的电压,其响应时间极短,完全可使要求严格的负荷和敏感负荷“感受”不到电压波动。,功率因素控制器(PFC),用于校正工厂功率因素的无功功率补偿是使用获得生产过程高效率和避免不良功率因数罚款的必要条件。迄今的常规装置是按无功功率要求进行投切的并联电容器。这种投切操作会对电力系统导致快速操作突破而造成用户的工序中断(或数据损失)和设备损坏(例如电路板)特别是会影响目前常用的电子设备的寿命。所以常规功率因数校正设备虽提供了功率因数的解决办法但又对用户形成为一个电能质量的干扰源。 近年开发的功率因数控制器(PFC)可重点解决常规设备的这种缺陷并提供了一个革新的

38、综合解决办法。,功率因素控制器(PFC),超导磁场储能系统(SMES),SMES一般由4个部分组成,它包括超导线圈和对电网连接的电力调节系统(power conditioning system，PCS)两个主要部分以及冷却系统和控制管理系统两个辅助部分。 电力调节系统PCS是SMES与公用电力网或专用用户的接口。PCS将输入的交流电变换成直流电送给SME储存起来,再根据需要将直流电逆变为交流电送给电力网或用户。PCS装置是由可控硅整流器(SCR)和可关断晶闸管(GTO)混合配置的换流器.,大型SMES的储能功能主要用作电力网的可调发电电源,对电力网进行控制和调节,如频率控制、增加旋转备用容量、

39、动态快速响应和削峰填谷调平负荷以及防止系统解列和瓦解等。大型 SMES的功率可高至1000MW及以上、储能容量可达1000MWh左右,以至最终可和抽水蓄能电站相竞争。SMES和抽水蓄能电站相比有其优点,如不受地形限制, 可建造于负荷中心等。但因费用过高、尚有若干应用技术问题有待解决以及超导材料的不断发现改进和成材问 题,目前大型SMES尚未实现。 中型SMES主要适用于大功率远距离输变电系统,其主要功能有:(1)提高输电稳定性,可瞬时吸收过剩能量,避免系统解列,与现有大电网稳定装置(如电气制动等)相比,有响应速度快、过剩能量能回收等优点。(2)进行电压/无功支持,可使电压水平极为稳定,波动很少

40、。 (3)调节负荷,将负荷曲线调平。中型SMES的储存能量并不大但应有相当大的功率容量例如200MVA。中型SMES已在有的发达国家中投入使用。 小型SMES一般为0.510MVA,其作用主要是改善电能质量和提高供电可靠性。SMES可同时控制和调节有功和无功,且有功和无功可完全互不相关地控制。,装置的分类,有源电力滤波器(APF),消除谐波影响的常规装置是L-C滤波器,近年来,已开发出以大功率电力电子元件为基础的有源电力滤波器,用来解决谐波问题。有源电力滤波器APF的基本原理是利用电力电子技术动态地产生一个与谐波源相反的谐波,从而有效地消除其影响。 APF的结构与DSTATCOM类似,主要是一

41、台逆变器(Inverter),其动作原理也相似,当系统出现谐波时能作出快速响应,立即向电力系统注入具有适当幅值、相角和频率的电流,使系统电压立即恢复正常。APF的一个重要特性是能针对谐波源的第13次及以下各次谐波同时发 出相应于各次谐波的电流,从而可全面消除第13次及以下各次谐波的影响。对于第13次以上谐波,则需与L-C 装置联用器(APF),APF与常规的L-C的比较,(1) APF可瞬时检测出各次谐波(根据傅里叶分析),并瞬时检测出p和q。L-C滤波器需事先测定无功电力的分配和发生共振的技术条件和严重程度,而事先测定的数据往往和实际运行情况有差别,从而影响其准确性。 (2)APF能大范围补

42、偿第13次及以下的任意频率的谐波,13次以上的高次谐波则需与L-C滤波器联用,通常其幅值(即L-C滤波器容量)都很小。常规L-C滤波器则完全不同,需要事先测定各次谐波的分量并分别设置各次谐波的调谐装置,不仅数量多、费用大而且往往不能完全符合实际运行工况,因而影响滤波效果。 (3)APF可不受温度影响,而L-C装置会因温度变化而影响其调谐效果。 (4)APF能动态地适应谐波源的各次谐波,因此不会发生过负荷。L-C装置则是以固定容量应付变化的谐波量,因此有发生过负荷的可能性。 (5)APF能动态地发出(或吸收)无功电力,以补偿系统无功电力的需要。L-C装置则以固定无功容量对系统补偿,不可能保持无功

43、电力的完全平衡。,江苏电网电能质量管理工作现状,江苏省开展电能质量的管理工作较早,1986年省电力试验研究所就开展了普测工作,如较有代表的是对苏州供电局6个变电站的普测。1990年至1994年开展了全省范围内的谐波普查,先后对苏州、无锡、南京、南通、镇江、淮阴、徐州等地进行了全面或针对性的调查,调查了40个变电站和30个用户的100多条母线、200多条线路,对500kV至380V进行普查,基本覆盖了所有电压等级,为全面了解江苏电网的谐波污染情况积累了宝贵资料。 从1991年张家港第一台超大功率电弧炉投产以来,江苏省先后有15台大功率电弧炉投产,其供电容量达1500MW左右,加上其他类型的谐波源

44、, 这些大型电弧炉负荷均接入系统220kV等级,给江苏电网的供电质量带来极大影响。 计算机的普及、电力电子技术的应用,加之城市地铁工程的发展,电能质量问题在城市配电网中显得愈来愈突出。今后电气化铁路的发展也是要关注的问题之一,苏州电网电能质量监测系统,计划在苏州供电公司所属的七个变电所, 安装电能质量在线监测装置, 选择安装电能质量监测装置的变电所共分两类, 即苏州工业园区和高新开发区变电所、及给大型冲击性负载(张家港钢厂、苏州钢厂)供电的变电所,并基于苏州电力局域网,构建电能质量在线监测网络,形成变电所在线监测、苏州供电公司电能质量监测数据管理系统、江苏省电能质量监测中心数据管理系统的分层、

45、分级监测管理网络。,云南电网电能质量在线监测系统,本方案是通过应用相关的测量、网络和通信技术,构建电网电能质量监测网络,对电网的谐波、电压波动和闪变、电压不平衡、频率和电压偏差等电能质量参数进行实时的在线监测、分析和处理。因为系统是建立在网络平台上,可以对被测区域内各变电站所有测量点的数据进行收集汇总处理,以分析电网谐波的潮流和规律,为预先解决电网电能质量故障隐患,事后分析事故原因和电能质量问题综合治理提供可靠保证。,系统结构,该系统结构为三层分布式网络结构,第一层为测量单元;第二层为主控单元,第三层为后台数据库和数据发布系统,主要由服务器和终端组成。第一层和第二层之间采用Rs485 (232

46、)总线通讯,第二层和第三层之间通过网络通讯,见图。,湖南电网电能质量分析,湖南电网存在以下几个方面的问题 电力供需矛盾严重地影响了电网的电能质量。在缺电局面下,由于用户争相超计划用电,既容易导致电网频率降低,又容易造成电压偏低;而在电力供需相对平衡时,各投资方的发电厂为了抢占发电市场份额而抢发电量,易造成频率过高。,湖南电网电能质量分析,电网结构的缺陷影响了电能质量。湖南电网500kV与220kV环网运行下为保证系统的稳定运行,对500kV下网功率(正常方式下为1500MW)和220kV反送500kV功率(正常方式下为200MW)都作了一定限制,但会经常出现这种情况,即在系统高周波运行的情况下

47、,500kV下网功率超过了稳定极限,因而只好加大220kV电网出力,这样更加抬高了系统频率;而在系统低频率运行的情况下,由于受上网极限的限制,又不能加大220kV电网出力,因而对系统低频率状态无法干预。同样地为了保证系统电压合格,在低谷时段被迫开断部分线路运行,这样就打破了系统的正常结构和运行方式,对系统的安全稳定运行造成了较大的危险。,湖南电网电能质量分析,发电厂的产权关系影响了电能质量。在发电机组利用小时普遍偏低而系统频率普遍偏高的大环境下,各种不同产权关系的电厂为了追求自己的最大利益,抢占发电市场份额,经常利用有关规章制度的漏洞抢发有功电量,而对不计费的无功出力的调整不积极,只考虑本厂的

48、厂用电压合格,不顾系统电压的调整。,湖南电网电能质量分析,发电厂的调节性能较大地影响了电能质量。湖南电网内峰谷差一直比较大,而火电机组调峰幅度有限、高温高压的火电机组还不能做到启停调峰;水库调节性能较差且来水时间比较集中,同时承担了华中主网较大的调峰任务,还要承受小水电和小火电的冲击,所以湖南电网的调峰任务非常重,每年水电都要被迫弃水调峰。在丰水季节,远离负荷中心的水电开机方式大、而火电开机方式(主要在负荷中心)较小,这样受端地区的电压就普遍偏低,电压稳定性问题较为突出,而由于大部分水电机组不能进相运行,因而造成了送端电压普遍偏高。,湖南电网电能质量分析,调度关系影响了电能质量。湖南电网内装机

49、容量最大的五强溪电厂和水库调节性能最好的东江电厂均归华中网调直接调度,其容量就占了湖南总容量的25.6%,极大地影响了湖南电网的调频和调压,尤其是电压调整。在湘南开机方式较大的情况下,网调有时为了调整系统频率加大东江电厂的出力,就经常造成湖南电网内220kV东鲤线、鲤酃线等线路过载,给湖南电网的安全、优质、经济运行造成了极大的危害。为保证系统稳定,被迫降低鲤渔江、欧阳海等湘南电厂的出力,从而被迫承担系统低频率责任。五强溪电厂对湖南500kV电网的电压和有关220kV变电所的电压、东江电厂对整个湘南电压的调节都是至关重要,但运行中对这两个厂的无功出力调整不够,未发挥这两个电厂的无功调节能力,给湖

50、南电网的电压调整带来了较大困难。当天气等因素造成全网负荷波动很大时,华中网调直接调度的发电厂的发电计划又不作相应调整,这种突变的负荷(有时高达400500MW)全部要靠湖南电网调度的发电厂来承担,因而调整任务相当大,有时不可避免地要承担频率波动的责任。,湖南电网电能质量分析,负荷侧的管理水平影响了电能质量。随着国家产业结构的调整,人民生活水平的提高,负荷构成、性质、特点和规律等都发生了较大的变化,对这些情况不熟悉,则加大了提高电能质量的难度。加强对这些情况的调查和研究,作好负荷预计工作,对提高电能质量有着至关重要的意义。,湖南电网电能质量分析,其他方面的原因。如过去采用的力率电价政策,现在就对

51、电能质量的提高造成了一定的负面影响。并网运行的小水电、小火电的电价、上网电量、无功出力的管理措施,对电能质量的影响也非常大。,改善湖南电能质量的措施(1),(1)加大宣传力度,各方面人员都要高度重视电能质量。电力既是商品,就应该遵循商品的基本规律:质量是商品的生命。应向社会各方面广泛宣传重视电能质量,请广大用户监督电能质量。在电力系统内部,则应有质量忧患意识和牢固树立质量是企业立足之本的观念,各级人员都要高度重视,向用户提供优质电能既是电力企业服务的宗旨,也是赖以生存的根本。,改善湖南电能质量的措施(2),(2)加强管理。在现有的物质条件下,加强管理是提高电能质量的最重要手段。加强管理分两个方

52、面,首先要加强对发电市场的管理,应避免发电市场的无序竞争,使发电市场的竞争朝有序、规则和透明的方向发展。加强对发电市场的管理,现在最重要的是开展好发电市场的商业化运营工作,用经济手段促使各发电厂商在追求自己最大利益的同时,一定要满足整个系统电能质量的需要;同时要求各发电厂要加强内部管理,切实作好设备整治,使发电机组的调峰、调压能力均能满足设计要求和系统需要,保证发电机组能随时开得出、带得稳和调整得好。其次是加强负荷侧的管理,对负荷的组成、性质、特点和规律都应有充分的认识和把握,才能更好地做好负荷预计工作,为合理地安排系统运行方式和保证电能质量打下坚实的基础;对并网运行的小水电、小火电应从政策上

53、、经济上督促和鼓励其参与系统电能质量的调节;同时要作好超负荷限电和事故拉闸的充分准备,以保证系统的安全和电能质量。加强管理的关键是加强电网调度管理,真正做到统一调度,保证调度命令的顺畅执行,坚决杜绝对调度的非法干预;在现有的调度模式下,应首先争取华中网调的理解与支持,充分运用华中主网的优势,发挥五强溪、东江两个网调直调厂的调节能力来保证湖南电网的电能质量,同时要积极探索新形势下最适合于电网运行规律的调度模式,以便更好地保证电能质量。,改善湖南电能质量的措施(3),(3)改善结构。首先是改善电源结构,湖南电网水电比重高达48%,本来是个难得的优势,但水电来水时间集中、水库调节性能较差,这给湖南电

54、网的运行带来丰水期不得不弃水调峰、枯水期系统又缺电的困难,因此以后应注重调节性能较好的电厂的建设,尤其是对抽水蓄能电厂的建设应早作准备,对径流式或周调节的水电厂的建设应放缓节奏,对调节性能较好的火电机组(300MW及以上机组)应早上自动发电控制(AGC),对125MW机组要求做到启停调峰,要加强负荷中心电源的建设。其次是改善电网结构,最重要的是500kV菱形网的完善和加强(新增500kV电抗器、改造双环网、增加下网点等),使其成为湖南电网的中流砥柱,同时要尽早研究解开500kV与220kV电磁环网问题,从根本上解决既影响系统安全、经济运行,又影响电能质量的隐患;要加强零陵、邵阳和湖区等边远地区

55、的电网建设,以保证这些地区的供电可靠性和电能质量;要抓住国家实施“两改一同价”工程的难得机遇,加紧改善城市和农村电网,真正使用户能用上放心电和满意电。,海南电网谐波问题,近年来,随着南海经济的蓬勃发展与招商引资的不断扩大,南海电网中有色金属冶炼、金属加工、大功率变频调速及交直流电焊设备等谐波源负荷高速增长。众所周知,谐波源负荷产生的谐波会对电网造成严重污染,威胁电网设备的安全运行,加大设备损耗,同时导致计量不准,直接影响供电企业经济效益。表为南海电网2005年2007年谐波源客户检测结果。从谐波检测结果可以看出,参加谐波源检测的客户中平均有接近半数的检测点注入电网的谐波电流超过国家标准范围。,

56、海南电网谐波源客户检测结果,谐波源治理的技术措施（1）,1)在谐波源就近装设滤波装置是限制谐波超标的主要方法之一。滤波装置分为无源滤波、有源滤波和混合型滤波装置等。用户应根据谐波设备的实际工况特点选择滤波方式,对负荷变化不大,谐波超标次数种类不多的,可采取简单经济的无源LC滤波器来滤波,但需结合负荷工况实现分级投入,以确保运行工况在低负荷时也不会谐波超标;而相对于负荷变化较大,谐波超标次数种类较多时,可以采用有源滤波器与LC滤波器混合使用方式,首先利用结构简单、成本低的LC滤波器分担大部份补偿消谐任务,再利用有源滤波器优良的补偿性能,两者结合,既克服有源滤波容量大、成本高的缺点,又可使整个系统

57、取得良好的性能,达到对复杂负荷工况的谐波消除效果。,谐波源治理的技术措施（2）,2)对谐波源客户安装在线监测系统。例如南海供电局以110 kV水头、太平变电站、以及大沥镇涛联铝材厂、建宝铝业有限公司作为试点各安装了一套电能质量在线监测系统,能连续对监测点的电能质量进行实时监控,对超标的电能质量问题发出告警,统计电压的合格率和谐波、闪变等电能质量参数,并自动生成表格和分析报告。管理人员可以在局域网内方便的调用和处理数据,在线查看电能质量及各种告警,大大提高工作效率,从而有效地掌握南海10 kV电网的电能质量状况。在线监测系统的安装,使供电企业能够实时掌握客户的谐波情况,及时发现电力客户存在谐波超

58、标的潜在危害,同时大大减少了对谐波客户每年现场测试的工作量,提高了工作效率。,谐波源治理的技术措施（3）,(4),3)为防止客户不投入滤波装置,应要求谐波用户的滤波装置总开关与谐波源设备总开关之间装设联锁装置,达到同时投切功能,确保谐波源设备投入运行时,滤波装置同期投入。 4）为督促谐波源客户采取治理谐波措施,可以在客户的无功补偿装置控制系统中增加谐波检测功能,一旦谐波超标就自动退出无功补偿装置,用功率因数不达标的约束条件促使客户积极采用滤波措施。,谐波源治理的技术措施（5）,(6),5)在条件允许的情况下采取合适的变压器接线方式。例如建议客户采用接线方式为/Y的变压器,使3N次谐波电流与配电

59、系统相隔离。 6)增加整流装置的脉动数。整流装置是电网中的主要谐波源,它的特征谐波电流次数与脉动数有关,当脉动数增多时,整流器产生的谐波次数也增高,而谐波电流与谐波次数近似成反比,因此一系列次数较低、幅度较大的谐波得到消除,谐波源产生的谐波电流将减少。,唐山电网谐波问题,近年来,由于唐山地区轧钢、电弧炉等谐波源用户大量入网,使唐山电网局部电压畸变率、电压闪变和谐波电流严重超标,影响了唐山电网的电能质量。为确保唐山地区电网安全、稳定与经济运行,从2004年11月开始唐山供电公司对唐山电网10 kV专线、35 kV及以上的谐波源用户进行了谐波测试工作。测试结果详见表。,治理措施(1),唐山供电公司本着“谁干扰、谁污染,谁治理”的原则,有计划、有步骤地对谐波源用户开展谐波测试工作。 1)电力供应与供电质量是不可分割的。谐波治理通常采用变电所集中治理和非线性