當(dāng)前電能質(zhì)量的主要問題以及對策

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

1電能質(zhì)量的基本涵義

1. 1電能質(zhì)量的基本概念

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

1. 2電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原因主要有以下幾個。(1)非線性負(fù)載。在工業(yè)和生活用電負(fù)載中, 非線性負(fù)載占很大比例, 這是電力系統(tǒng)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(fā)生嚴(yán)重畸變, 大功率整流或變頻裝置的使用不僅會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染, 同時也會使得功率因數(shù)降低。(2) 電力系統(tǒng)的非線性特性。同步發(fā)電機(jī)是公用電網(wǎng)的電源, 但在實(shí)際運(yùn)行中, 它的感應(yīng)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(chǎn)生諧波電流。(3) 電力系統(tǒng)故障。電力系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)外故障也會造成電能質(zhì)量問題, 如短路故障、雷擊、誤操作、電網(wǎng)故障時發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變、故障保護(hù)電路中的電力電子設(shè)備的啟動等。

1. 3電能質(zhì)量擾動分類

電能質(zhì)量擾動可分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩類。

穩(wěn)態(tài)擾動主要類型: (1) 過電壓(O vervo ltage) :持續(xù)時間大于1m in, 電壓幅值為1. 1～ 1. 2 (標(biāo)幺值) ,系統(tǒng)頻率仍為額定值。(2) 欠電壓(U ndervo ltage) :持續(xù)時間大于1m in, 電壓幅值為0. 8～ 0. 9 (標(biāo)幺值) ,系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。(4) 諧波(Harmon ics) : 頻率為基波整數(shù)倍的正弦電壓或電流稱為諧波, 諧波是由于電力系統(tǒng)和電力負(fù)荷的非線性特性造成的。

暫態(tài)擾動主要類型: (1) 電壓暫升(Sw ell)。持續(xù)時間為0. 5 周期～ 1m in, 電壓幅值為1. 1～ 1. 8 (標(biāo)幺值) , 系統(tǒng)頻率仍為額定值。(2) 電壓暫降(Sag)。持續(xù)時間為0. 5 周期～ 1m in, 電壓幅值為0. 1～ 0. 9 (標(biāo)幺值) , 系統(tǒng)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(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動, 或是電壓幅值通常不超出0. 9～ 1.1 (標(biāo)幺值) 范圍的一系列電壓隨機(jī)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(nèi), 一相或多相完全失去電壓(低于0. 8 (標(biāo)幺值) ) 稱為斷電。按持續(xù)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(xù)斷電(大于60 s)。(5) 電壓切痕(No tch)。電壓切痕是一種持續(xù)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(zhuǎn)換到另一相時產(chǎn)生的。

2電能質(zhì)量的主要問題

相關(guān)資料顯示, 在電能質(zhì)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(zhì)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(fù)正常的供電現(xiàn)象。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50160 以及美國國際電氣電子工程師協(xié)會推薦標(biāo)準(zhǔn)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(fù)至正常電壓, 這一過程的持續(xù)時間為10 m s 至1 m in。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 高科技設(shè)備獲得了廣泛的應(yīng)用。這些設(shè)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(shè)備不正常運(yùn)行, 發(fā)生停機(jī)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(wǎng)或用電設(shè)備發(fā)生雷擊、外力短路故障, 一些用電設(shè)備(如電動機(jī)) 啟動或突然加負(fù)荷也會造成電網(wǎng)電壓瞬時下降。與長時間供電中斷事故相比, 電壓暫降有發(fā)生頻率高、事故原因不易覺察的特點(diǎn), 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(jì)算機(jī)系統(tǒng)失靈、自動化裝置停頓或誤動、變頻調(diào)速器停頓等; 引起接觸器脫扣或低壓保護(hù)啟動, 造成電動機(jī)、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(guān)資料所提供的電壓暫降對一些電力設(shè)備的影響[6 ]。從表1 中可進(jìn)一步看出解決電能質(zhì)量問題的重要性, 尤其是電壓暫降而引起的電能質(zhì)量方面的問題。但長期以來, 對電能質(zhì)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(shù)的應(yīng)用給解決電壓暫降問題開拓了廣闊的前景。用戶電力技術(shù)(Cu stom Pow er) 將電力電子、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代控制理論等高新技術(shù)運(yùn)用于供電、配電系統(tǒng), 形成了一系列的電能質(zhì)量控制技術(shù)和設(shè)備, 可較好地解決穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)電能質(zhì)量問題, 從而大大提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3. 1動態(tài)電壓恢復(fù)器

動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynam ic Vo ltage Resto rer——DVR ) 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。DVR 通過串聯(lián)變壓器在饋線上以電壓疊加的方式向電力系統(tǒng)注入補(bǔ)償電壓, 用于消除系統(tǒng)電壓變化(尤其是電壓暫降) 對負(fù)荷的不利影響。DVR 使用IGBT 或IGCT 等大功率可關(guān)斷器件。系統(tǒng)正常供電時, 它處于低耗備用狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)電壓出現(xiàn)突然變化時,DVR 能快速反應(yīng), 通過串聯(lián)變壓器向系統(tǒng)注入3 個與系統(tǒng)同頻的單相交流電壓分量以抵消系統(tǒng)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(yīng)速度在幾毫秒之內(nèi)。根據(jù)電壓相位的不同,DVR 控制分為同相電壓補(bǔ)償控制和最小能量補(bǔ)償控制。由于出現(xiàn)電壓暫降時, 相電壓的相位也會出現(xiàn)很大的變化, 這給補(bǔ)償參考信號的檢測、計(jì)算造成了困難。因此, 快速可靠的補(bǔ)償電壓參考信號檢測技術(shù)是DVR 的關(guān)鍵。決定DVR 容量的是補(bǔ)償電壓最大值和負(fù)載電流值。當(dāng)最大補(bǔ)償電壓是負(fù)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(dá)幾十MVA , 反應(yīng)速度在1 m s 以內(nèi)。

圖2U PQC 原理圖

3. 2統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器

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

并聯(lián)逆變器采用PWM 電流控制技術(shù), 進(jìn)行非線性負(fù)載諧波電流及無功補(bǔ)償, 并起調(diào)節(jié)電容直流電壓作用。串聯(lián)逆變器采用PWM 電壓控制技術(shù), 通過控制其輸出電壓達(dá)到抑制電源電壓諧波, 減少電源電壓波動對敏感負(fù)荷的影響。因此, 該裝置綜合了串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn), 是一種綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償器, 能解決絕大多數(shù)的暫態(tài)電能質(zhì)量問題。

4結(jié)論

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

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