节能与电能质量监测治理技术评估报告1217.docx
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节能与电能质量监测治理技术评估报告1217
节能与电能质量监测治理技术评估报告（初稿）
1技术基本情况
研究背景
随着国民经济的高速发展，对能源的需求也不断增长。
而石油、煤炭等不可再生资源却日渐枯竭，因此如何实现节能和高效利用现有能源已成为当务之急。
作为一种适用范围最广、使用最方便的清洁能源，电能的可持续发展已成为国民经济持续健康发展的重要基础。
然而，随着社会的不断进步，电网中的电能质量问题却日益复杂，严重威胁着电网的安全可靠运行，同时社会对电能质量的要求也越来越高。
因此，不论是出于经济性的考虑还是技术性的内在要求，追求高质量的电能已成为一种必然趋势，在电网侧推广电能质量治理技术势在必行。
电能质量问题的种类繁多，从暂稳态特性的角度看，可将其分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题（鉴于频率问题要求全网相同，不属于通常意义上的电能质量治理范畴，因此没将其列入）。
与电网企业关系最为密切、事关电网安全的稳态电能质量问题主要包括谐波、间谐波、三相不平衡、功率因数、过电压、欠电压、电压波动与闪变等；暂态电能质量问题主要影响用户，如基于计算机和微处理器的测量、管理、生产及控制系统等，以电压暂降、暂升、中断的影响最为广泛和严重。
对暂态电能质量问题的治理能力是电网企业优质供电水平的集中反映。
上述部分典型电能质量问题的危害如表一所示。
另据统计，在不同行业，世界各国电能容量的10%-30%由电能质量问题的存在而白白浪费。
例如谐波除了会造成电网谐波污染外，还会产生谐波功率，在电网和电力设备上造成附加损耗。
电网异地无功输送会在线路上产生大量的能源损耗和浪费，而且会导致受端电压质量变差。
因此各种电能质量治理措施在解决电能质量问题的同时，还对系统的节能降耗起到了积极的作用，挖掘了现有容量的潜力。
表一电能质量问题的危害
电能质量问题
危害
影响范围
主要成因
对电网影响的严重程度估计（A-非常严重、B-严重、C-一般严重）
谐波
增加电能损耗、缩短设备寿命；引起电网局部谐振；引起继保和自动装置误动作，使电能计量混乱；对邻近的通信系统产生干扰。
500kV
换流站、电铁
A
110~330kV
电铁
A
110kV以下
各类非线性负荷
B
三相不平衡
引起旋转电机的附加发热和振荡；引起以负序分量为起动元件的多种保护误动作；使半导体变流设备产生附加的谐波电流；使发电机的利用率下降；使电网损耗增加；干扰通信。
110~330kV
电铁的负荷不平衡
B
110kV以下
负荷不平衡、系统三相阻抗不对称、消弧线圈的不正确调谐等
B
低功率因数
增加网损，导致电压偏低
110kV以下
感性负荷比重大
A
间谐波
使得采样数据或过零工作的继电器产生误差或误操作；会在变压器电抗和电容器组间激起谐振；会引发闪变；使汽轮机发生转矩扭振；使无源滤波装置失效。
配网
波动性负荷、变频调速装置、串级调速装置、配电网中的铁磁振荡。
C
电压波动与闪变
对邻近的电力用户产生不利影响；对灵敏性负荷产生扰动。
配网
风机的出力随风速变化；负载的切换和电动机的起动；冲击性负荷的运行变化。
B
暂降
瘫痪服务器，引起用户端数据丢失，对大型敏感工业用户造成巨大的经济损失，影响各种电子设备的正常工作
配网
系统中某支路电流的短时增大，如雷击、短路、开关操作、变压器及电容器组的投切、大容量感应电机起动等
C
电能质量治理工作的顺利开展是以准确有效的电能质量监测为依据的。
电能质量监测技术为电能质量的评估、纠纷裁决、治理等提供理论与实践依据，从而提高电网的运行水平和服务水平，促进电力市场的不断完善。
特别是在当前坚强智能电网成为我国电网发展新方向的背景下，对电网提出了智能供电、智能用电、高效的电力使用和服务、电网与用户以信息为基础进行互动和决策等要求。
电能质量监测与治理正是实现上述要求的主要技术手段之一。
发展情况
电能质量监测设备经历了模拟式、数字式、智能式三个发展历程。
随着计算机技术、大容量存储技术、通讯技术和网络技术的快速发展，为建立大范围的电能质量在线监测网络提供了基本的技术保障。
在线监测的实现，又进一步促进了信息交流与共享技术的发展。
在电能质量治理方面，常规补偿技术由于性能所限，对某些电能质量问题的指标控制还存在相当大的局限，如广谱型随机谐波的抑制、动态无功补偿、电压波动和闪变的抑制、三相不平衡的补偿、暂态电压事件的控制等，难以取得满意的效果。
随着大功率电力电子技术的发展，以及灵活交流输电系统技术和定制电力技术的提出和工程应用，电能质量的控制技术也迈入新的阶段。
目前基于电力电子技术的工程实用的电能质量补偿或调节装置主要有以下几种：
（1）实现无功补偿、电压调整、治理电压波动与闪变、三相不平衡：
静止无功补偿器、晶闸管投切电容器、晶闸管相控电抗器、自饱和电抗器、磁控电抗器等；
（2）谐波与间谐波的治理：
各种形式的有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）；
（3）电压暂降、暂升、中断等动态电能质量问题的治理：
可采用具有动态电压补偿功能的不间断电源UPS（UninterruptiblePowerSystem）进行治理，也可采用不带有蓄电池的串联型动态电压恢复器（DynamicVoltageRegulator，DVR）、固态切换开关、静止电子分接开关等。
基本原理
电能质量监测
综合分析我国电网的运行水平以及今后智能化电网的发展趋势，电能质量监测主要应满足两个方面的要求：
（1）测量的广度。
要求监测装置具有测量电能质量全面指标的能力，包括各种连续型及事件型电能质量问题；
（2）测量的深度。
不仅可以方便快速地查询事件相关数据，而且可以自动修改信息类型及其设定门槛值，自动捕捉各种电能质量扰动，通过敏感度分析和统计，对发展趋势做出判断，下达维护和治理控制命令等。
根据以上要求，可以归纳出电能质量监测应该具有如下特点：
全面监测电能质量指标、具有较高的采样频率、实时性强、数据处理能力强、网络化、时间同步性好、自动化程度高、数据利用效率高、智能化、标准化等。
电能质量监测系统由电能质量监测终端（指通过引入电压、电流信号，进行电能质量指标测量的专用装置）、信息通道以及服务站和用户计算机组成，用于监测、分析、管理电网的各类电能质量指标。
电能质量监测系统按照分层、分布式结构组建而成，分为三层：
监测设备层、服务层和客户层。
监测设备层具有数据采集功能，以统一格式将数据传输至服务层，由监测终端和适配单元（可选）构成。
服务层具有监测数据管理与分析、系统维护、权限管理等功能，是监测设备层、客户层之间数据交互的纽带，由若干个服务站构成。
服务站通常包括数据库、应用服务器、Web服务器、通信服务器等。
不同服务站通过网络互联实现数据交换。
客户层具有监测数据访问、浏览、查询等功能，通过网络访问服务层。
监测设备层、服务层和客户层之间通过通信网连接。
利用电能质量监测数据，可及时准确定位系统的潜在故障源、污染源，分析干扰源的特性、类型及分布规律，给出整改方案，预防电力事故的发生；从电能质量的视角验证电力网结构是否合理、设备参数设备是否合理；从电能质量的视角分析电力事故发生的原因。
电能质量治理
电能质量治理控制是改善电能质量指标的重要手段，是优质供用电的必要条件，也是节能降损的主要手段之一。
电能质量治理控制的目的主要有以下几个方面：
（1）降低电能质量污染对接入电网的影响，改善电网电能质量指标；
（2）节约能源，降低不必要的损耗；
（3）改善非线性负载的运行条件，提高工作效率；
（4）改善污染源企业内部其它设备运行工况，提高工作寿命，降低故障率；
（5）降低污染源负载对邻近用户的影响，减少电能质量的事故纠纷和投诉。
下面分析工程实际中较为常用的电能质量治理技术。
（一）晶闸管相控电抗器TCR技术
晶闸管相控电抗器TCR的最重要组成部件之一，尽管TCR可以单独使用，但它更经常的与固定电容器或晶闸管投切的电抗器相结合，在选定的超前-滞后环节补偿范围内对无功功率实施快速、连续的控制。
一个6脉波的三相TCR由三条单相TCR支路按三角形连接而成，每一相中的电抗器被拆分成两半，分别放置在反并联晶闸管对的两侧，这样做的目的是即使一个电抗器发生短路，另一个电抗器也可以起到限制短路电流的作用，大大降低故障的危害程度。
TCR+FC型SVC的结构图及电压电流输出特性如下图所示。
TCR通过改变晶闸管的触发角来控制SVC的无功输出，触发角的可控范围是90°至180°。
当触发角为90°时，晶闸管全导通，此时TCR中的电流为连续的正弦波。
当触发角在90°到180°之间时，TCR中的电流呈非连续的脉冲波形，对称分布于正半波和负半波，不同触发角下TCR支路电流、晶闸管阀两端电压及相控电抗器两端电压如下图所示。
TCR型SVC在输电网中的主要作用是提高线输送功率极限、阻尼系统功率振荡、提高系统电压稳定性，同时可以通过重构作为融冰装置，在配网中可以提高电能质量，抑制母线电压波动、治理负序，使三相平衡化。
其可以应用于电力系统长距离输电线中间变电站、电力系统负荷中心变电站、风电并网点变电站
、存在电压稳定问题或调压问题的变电站、有SVC及SVS需求并同时有融冰需求的变电站及冶金、电气化铁路等用户中。
TCR控制灵活和易于扩容，不同的控制策略可以容易的被实现，特别是那些涉及外部辅助信号以显著提高系统性能的控制。
且其响应迅速，典型响应时间为1.5-3个周期。
目前的TCR技术较为成熟，实用性较高，单台补偿容量可达180Mvar。
（二）磁控电抗器MCR技术
随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向钢带和高磁导率、高矩形系数的薄膜合金材料的出现，磁放大器以及饱和电抗器的理论及应用达到一个新水平，并且已引入到电力系统。
磁控电抗器的原理是采用小截面铁心和极限磁饱和技术，铁芯磁路是并联结构形式，截面由不饱和区域铁芯和饱和区域铁芯，交错排列组成并联磁路，结合直流助磁原理，通过调节可控硅触发导通角，控制附加直流励磁电流，励磁磁化铁芯。
调整不饱和区域和饱和区域的面积或磁阻，以改变铁心磁导率，实现电抗值的连续、快速可调，从而实现无功功率的动态可调。
铁心结构如图一所示。
图一、铁心结构及铁心磁饱和特性示意图
基于其创新性，先进性和成熟性，已有权威机构论证后认为，磁控式技术将取代相控式成为优先选择的补偿滤波技术。
创新性：
磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器，综合应用了大型变压器的结构设计技术、高压电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、电容式电压互感器（CVT）的绝缘技术，通过多年研发创立的新技术，真正实现了磁控电抗器的产品化。
通过铁心不饱和设计，加上对称结构互相不干扰真正达到了损耗小、噪音低，接近于低损耗电力变压器水平；结构合理，生产工艺成熟，可以批量生产；伏安特性，近似直线（硅钢片磁化曲线的线性段）；本体基本不产生谐波，控制回路产生的少量谐波，由于采用Δ接线，不向系统输出。
主要的漏磁通在铁心内得到有效屏蔽，线圈和油箱中的漏磁通小，附加损耗小，总损耗小；按照容量大小，自身有功损耗占容量的0.5％～2％，是磁阀式可控电抗器或SVC中相控电抗器（TCR）的30％以下。
产品安装方便，占地面积小，基本上不需要维护；电抗器容量调节范围大：
2％～100％。
先进性：
应用Maxwell2D仿真工具，采用场-路结合的设计技术，对磁控电抗器的磁路进行了优化设计，降低了局部铁心的磁饱和度，大幅度降低了运行噪音，降低了成本，提高了产品的可靠性和寿命；
研究出了非线性设备的线性拟合自动控制的方法，大幅度提高了磁控电抗器的动态响应时间；
经过对工艺的不断改进，可以显著地降低振动和噪音，并且其容量调节范围宽、结构简单、成本较低，从空载到满载调节率均可达到90%以上，可直接接于超高压线路侧；
由于磁控电抗器的特殊结构，使它具有简单的结构、宽广的调节范围、较小的高次谐波、较小的有功损耗以及较快的响应速度。
成熟性：
磁控电抗器是具有工业化的、先进成熟和能长期稳定运行的高质量产品。
磁控电抗器控制软件具有计算机软件著作权证书，磁控电抗器本体及励磁装置中的主要部分具有自主的专利技术；磁控电抗器具有国网电科院原武汉高压研究所）出具的35kV12000kvar的型式试验报告；具有中国电力企业联合会出具的12000kvar磁控电抗器的产品鉴定证书。
业绩见应用部分。
图二、磁控电抗器应用示意图
（三）晶闸管投切电容器TSC技术
晶闸管投切电容器（TSC）是电力系统无功补偿中最常见的补偿设备，它主要是由固定电容（FC）补偿演变而来，属于并联型补偿设备，是静止无功补偿器（SVC）的一个分支，结构如图三所示。
TSC通过给系统注入超前的容性无功电流来平衡系统中存在的感性无功电流，从而达到无功补偿的目的。
图三、TSC结构
TSC的典型装置通常由两大部分组成：
一部分为TSC主电路，它包括晶闸管（若干组）、补偿电容器（同样分成若干组）及阻尼电抗器；另一部分为TSC控制系统，主要由数据采集与检测、参数运算、投切控制、触发控制4个环节组成。
晶闸管阀通常有2种接线方式：
2个晶闸管反并联和1个晶闸管与1个二极管反并联。
两者都是投切电容器的开关，所不同的是，前者晶闸管阀承受最大反向电压低，为电源电压峰值，但投资较大，控制复杂；后者投资小，控制简单，但晶闸管阀承受最大反向电压高，为电源电压峰值的2倍。
电容器的投切是根据电网负荷变化情况来决定的，当电网无功功率增加，电压下降时，投入电容器；反之，切除电容器。
电容器分组有等容分组和不等容分组2种。
前者易于实现自动控制，但补偿级差大，后者利用较少的分组就可获得较小的补偿级差，但不易控制。
在实际中也有采用二者的折中，即采用n-1个电容值均为C的电容，和一个电容值为C/2的电容，这样系统从零到最大补偿量的调节则有2n级。
目前，TSC技术多应用于用户侧低压系统补偿，技术成熟，实用性较高。
（四）并联型APF
并联（电压）型APF的原理如图四所示，其基本原理是利用电力电子技术动态地产生一个与谐波源电流方向相反的谐波电流，对电流波形“缺失”的部分进行补偿、而对电流波形“凸出”部分进行“削除”，从而达到滤除谐波的目的。
APF还可抑制闪变和平衡三相电压或电流。
有源滤波器通常由谐波检测环节、控制系统、主电路、高通滤波电路以及耦合变压器等构成，如图五所示。
目前，并联型APF技术可用于1kV以下的滤波场合，功率约为100kvar左右。
在1kV以上系统中的应用受制于开关器件IGBT（IGCT）容量、串并联技术、逆变桥级联技术的进一步突破和发展。
另外，APF装置价格昂贵，按无功补偿容量每kVar的价格约为无源滤波器的十倍左右。
图四、并联有源滤波器原理图
图五、并联型有源滤波器的拓扑结构图
（五）串并联混合型APF（HybridActivePoweFilter，HAPF）
有源滤波器的响应快，补偿效果好，且不受电网谐波阻抗的影响，但不足之处是价格昂贵，与无源滤波器FC相比较极不经济。
若将APF的优良性能与FC的低成本结合，即可构成混合型滤波器。
如图六所示，FC用于滤除固定次谐波，APF用于调节FC的性能，这样APF的功率可以做得较小，从而降低了成本。
目前，混合型APF实际应用的案例较少。
图六混合型有源滤波器原理图
表二总结了上述补偿方式的用途和特点。
表二各种补偿方式的用途及特点
设备
特点
用途
评价
晶闸管投切电容器（TSC）
可分组投切电容器，动态调节无功和电压；
广泛用于低压动态无功补偿，只能分阶调节，每次投切一组电容。
可用于调压，调无功，减低电压波动
低压动态补偿的较好选择；
磁控电抗器MCR
常采用MCR+FC的使用方式组成静止动态无功偿装置（MSVC）
已在风电场、变电站、电气化铁路、冶金、煤炭企业动态无功补偿得到了广泛应用；
可补偿无功、改善不平衡，并具有一定的滤波作用；
相控电抗器TCR
常采用TCR+FC的使用方式组成静止动态无功偿装置（TSVC）
已在风电场、变电站、电气化铁路、冶金、煤炭企业动态无功补偿得到了广泛应用；
可补偿无功、改善不平衡，并具有一定的滤波作用；
有源电力滤波器（APF）
功能与交流无源滤波装置相似，但不受系统参数的影响，输出无功成本高
在电弧炉等波动性谐波源治理中效果较好；
价格昂贵，产品限于低压系统中；
混合型滤波器（HAPF）
综合了APF的优良性能与FC的低成本，
滤波；
极具应用前景，但目前实际应用的案例较少；
性能指标
（一）晶闸管相控电抗器TCR
用可控硅阀控制线性电抗器实现快速连续的无功功率调节，它具有反应时间快（5～20ms），运行可靠、无级补偿、分相调节、价格便宜等优点。
同时能实现分相控制，有较好的抑制不对称负荷的能力。
由于可控硅管和电抗器处于同一相电压之下，可控硅承受电压高，功率大，用于高电压领域时需通过变压器接入系统、占地面积大（需要单独的房屋）、可控硅管需要单独的冷却系统、维护量大、自身产生谐波、需与FC同时运行。
（二）磁控电抗器MCR
磁控电抗器有多种实现形式，目前在技术上最先进且已成熟应用的主要形式为磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器，其特点是损耗小，噪音低，结构合理，生产工艺成熟，伏安特性近似直线（硅钢片磁化曲线的线性段），本体基本上不产生谐波，产品安装方便，占地面积小，基本上不需要维护，电抗器容量调节范围大（2%～100%），动态响应时间20ms-300ms，可直接接于6kV-500kV线路侧。
（三）晶闸管投切电容器TSC
晶闸管投切电容器的特点是：
分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波，损耗小。
另外，与晶闸管控制电抗器（TCR）相比，成本低，运行时不产生谐波，自身能耗小，仅相当于整个系统补偿容量1％左右。
但是由于分组投切，所以会在电网中产生冲击电流；另外控制比较困难，不能连续补偿无功功率，且只能输出容性无功。
目前在低压用户侧应用广泛。
表三为几种无功补偿装置的性能参数比较。
表三、性能参数比较
型式
TCR
MCR
TSC
响应时间
约10ms
20~300ms
10~20ms
限制过压
好
好
不能
应用电压等级
≤500kV
≤500kV
低压
调节容量
百Mvar
百Mvar
/
过载能力
无
150%
无
抑制闪变
可以
可以
可以，但能力不足
分相调节
可以
可以
可以
无功输出
连续
感/容性
连续
感/容性
分级
容性
自生谐波
大
小
无
噪声
较小
小
很小
损耗
0.5%~0.7%
0.7%~1%
0.3%~0.5%
控制难度
较大
小
较大
控制灵活性
好
好
好
线性度
好
好
/
运行维护
较复杂
简单
较复杂
（四）有源滤波器APF
有源滤波器具有优良的动、静态补偿性能，且补偿特性不受电网阻抗的影响，可实现集成化，一机多用。
APF的关键是要能精确、实时地检测出谐波并进行分离，从而达到良好的补偿效果。
其特点为：
（1）装置对系统来说是一个谐波电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响；
（2）系统结构发生变化时，装置不存在产生谐波的危险，其补偿谐波的性能仍然不变；
（3）当系统谐波电流增大时，装置不会过负荷，系统谐波电流超过装置补偿能力时，装置仍可发挥最大补偿功能，不必断开设备；
（4）可同时补偿多次谐波电流，减少谐波损耗；
（5）同时也能动态补偿无功，提高功率因数。
结合表一梳理的电能质量问题及表二总结的电能质量治理技术，归纳出现阶段在电力系统可使用的治理技术评估情况如表四所示。
从表四可以看出，在综合考虑电网企业的经济性、社会效益以及技术难度等因素的前提下，TCR型或MCR型静止无功补偿技术可以解决电网中的三相不平衡、电压波动、闪变、低功率因数等电能质量问题，并在一定程度上解决电网谐波问题。
表四现阶段在电力系统可推广的治理技术评估情况
问题
电压等级
补偿技术及其作用评分（5代表作用最大，0代表无作用）
创新性
（5代表创新性最大，0代表无创新性）
先进性
（5代表最先进，0代表无先进性）
实用性
（5代表实用性最强，0代表无实用性）
谐波
110kV以下配网
TCR的静止无功补偿，2
3
2
3
MCR的静止无功补偿，2
4
2
3
380V
APF
5
5
5
三相不平衡
330kV以下
TCR的静止无功补偿，5
3
5
5
MCR的静止无功补偿，5
3
5
5
低功率因数
110kV以下配网
TCR或MCR的静止无功补偿，5
3
5
5
TSC
2
4
5
电压波动与闪变
配网
TCR或MCR的静止无功补偿，5
3
5
5
TSC
2
4
5
间谐波
380V
APF
5
5
5
暂降
380V
DVR
5
5
5
2国内外应用情况
国内应用实例
（一）TCR型SVC（TSVC）在电力系统中的应用
TSVC在我国电力系统中已经得到了广泛的应用，主要工程如下表所示：
表五TSVC主要应用列表
用户单位
负荷性质
电压等级
TCR/TSC容量
工程内容
完成时间
四川电力公司
龙泉500kV变电站
66kV
180Mvar
TCR+FC
2008
四川电力公司
龙泉500kV变电站
66kV
180Mvar
TCR+FC
2008
华中电网有限公司
凤凰山500kV变电站
8kV
60Mvar+60Mvar
TCR+TSC+FC
2008
国家电网公司
中俄联网背靠背黑河换流站
35kV
100Mvar
TCR+FC
2008
江西省电力公司
金堂220kV变电站
10kV
50Mvar
TCR
2007
东北电网有限公司沈阳超高压局
沙岭500kV变电站
63/11kV
105Mvar
TCR+FC
2008
华中电网有限公司
永川（板桥）500kV变电站
35kV
120Mvar
TCR+FC
2008
福建省电力公司
晋江新塘220kV变电站
10kV
50Mvar
TCR+FC
2007
福建省电力公司
贵峰220kV变电站
10kV
50Mvar
TCR+FC
2009
福建省电力公司
邦岭220kV变电站
10kV
50Mvar
TCR+FC
2010
山西省电力公司
义井220kV电气化铁路
35kV
115Mvar
TCR+FC
2008
上海市电力公司
干练220kV变电站
35kV
45Mvar
TCR+FC
2008
华中电网有限公司
郑州500kV变电站ABBSVC改造
20kV
135Mvar
TCR+FC
2007
沧州供电公司
刘家屯220kV变电站
10kV
10Mvar
TCR+FC
2007
越南VietTri220kV变电站
220kV变电站
23kV
100Mvar
TCR+FC
2007
国家电网公司
万县500kV变电站
35kV
180Mvar
TCR+FC
2006
华中电网有限公司
陈家桥500kV变电站
35kV
120Mvar
TCR+FC
2006
四川省电力公司
洪沟500kV变电站
35kV
120Mvar
TCR+FC
2006
辽宁省电力有限公司
鞍山220kV红一变电站
35kV
100Mvar
TCR+
升级会员 