电能质量.docx

1、电能质量 20世纪80年代,美国计算机和商用设备制造商协会 Computer and Business Equipment Manufacturer association CBEMA) (现已改称Information Technology dustry CouncilITIC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。容限曲线见图4,阴影部分为合格电压。电压扰动共分为4类,即电压下跌、电压上升、尖峰脉冲和断电,现分别说明如下。(1) 电压下跌(Sag)这是电压幅值下降持续时间小于2s的情况,通

2、常是由电动机启动瞬变或电力系统的切换操作引起的。这是用户投诉最多的一种电压扰动。在电力系统发生故障时会发生剧烈的电压降(降到正常电压的45%,持续时间达60ms),这就是图1中所示的落在电压包络线之外的情况,很可能将计算机或控制部分掉闸停电或造成设备损坏。配电线故障一般要持续100200ms,所产生的电压降很可能落在包络线之外,所以是相当危险的。 (2)断电(Interruption) 这是由电力系统故障引起的,也就是电压跌到零或接近零。图1中表明允许断电时间小于8.33ms(即60Hz系统中的半个周波,在50Hz系统内的半个周波为10ms),超过半个周波就会产生严重后果,因而是不合格的. (

3、3)电压尖峰脉冲(Spike) 这是电压高频突发,产生极高的短暂电压升高而损坏电子设备。图4中显示了一个尖峰脉冲实例:由于在配电回路附近切换电容器而引起的,幸好落在阴影部分(即允许值内),没有损坏设备。但电容器切换相当频繁,尖峰脉冲的发生又有随机性,必然会有几次是落在曲线之外的,这就造成了设备损坏的事故。 (4)电压上升(Swell) 这是系统电压瞬时波动所常见的,关键是幅值和持续时间。图4中所示之例已超出包络线,因而是危险的。 关于电能质量扰动问题,一直引起各国的密切关注。在上述的ITIC曲线发表后,对此又有了发展。IEEE第22标准协调委员会(StandardsCoordinatingCo

4、mmittee22) (电能质量)和其他国际委员会最近推荐采用11种专用术语来说明电能质量的主要扰动(见图6),现介绍其名称 和定义于后。 (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。(4)电压上升(Swells)电压(或电流)暂时性超过标称值1

5、0%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

6、电压闪变的最常见原因是电弧炉。(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

7、增加,高次谐波越来越受到注意并规定了限额。(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(Overvoltages) 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

8、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.。 上述的电能质量不良(以及三相不平衡或负序电压、电流)可能造成工业生产的非计划停工或设备损坏,使用户遭受相当大的经济损失。不同的负荷(或用户)一般可分成三类: (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(sensitiveload)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,要在进行费用/收益比分析并作出最

9、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(criticalload)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。上述负荷的分类不是由电力企业决定的,而是由用户根据自身的需要而提出的。电力企业有义务和用户一起,加强合作,共同想法满足用户要求。保证电能质

10、量的方法无非是两个方面,一个是进行负荷调整,就是使负荷减少敏感程度,这不易做到。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。另一个方法是进行电力网改进,即由电力企业安装必要的设备以抑制或抵消电力扰动。 目前我国电能质量的标准包括以下五个方面: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。 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

11、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,其容量是相当可观的(而截止2001年全省的总装机容量为21300MW)。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,这也是江

12、苏电网的特点之一。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。从90年代开始,江苏电网在非线性大用户接入系统的PCC点装设电能质量监测装置。随着技术的发展,电能质量监测装置由当初孤立的单台装置(测试结果只能在就地打印或拷贝)发展为可通过MODEM远方传输数据。随着江苏电网光纤通信网的建成,目前正在通过局域和广域网建立电能质量省市两级监测网的试点。由于不同的厂家有不同的解决方案和数据平台,如果全省各供电公司各自为政的话,对于以后的电能质量工作是不利的,因此全省应统一协调组织,保证数据格式和平台的一致

13、。同时对于电能质量监测设备应进行入网检验,保证性能和精度符合国家标准和目前电网的要求。为此,江苏省电力科学研究院承担了省电力公司的重点科技项目“电网电能质量的监测与数据管理系统”的开发与研究,该项目基本结束,已在泰州挂网运行,在省电力公司的MIS(管理信息系统)网上可浏览。由江苏省电力科学研究院承担构建的苏州电网电能质量监测系统,于2004年2月底完成变电所在线监测装置的调试及现场安装,进入网络联调阶段。该项目为江苏省电力公司下达的科技推广项目,计划在苏州供电公司所属的七个变电所,即110新升变、110园区变、220星港变、110尹山变、220阳山变、220永新变、220七海坝变安装电能质量在

14、线监测装置,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、分级监测管理网络。本次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,为进一步增加瞬态电能质量指标的监测功能,在安装由江苏省电力科学研究院已鉴定的多通道稳态指标监测装置的基础上,对冲击性负载供电的变电所又加装了该院最新开发的、采用进口高性能模块的瞬态指标监测装置,这样对冲击性负载的监测将更加精确、科学。在网络联调阶段,将进一步考虑选择开发区内20受电的芯

15、片制造企业的供电专线,加装该型瞬态指标监测装置,以进一步完善高新技术企业的电能质量监测手段。目前,苏州供电公司正抓紧进行系统网络的通信布线,同时将星港变、阳山变、尹山变的监测信号接入现场已投运的监测装置中,且网络联调工作也正在进行中。该系统的投运,对苏州电网电能质量的监测、管理将发挥重要作用。1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。SSCB的原理图见图6。2固态切换开关(SSTS) 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

16、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。3配电静止同步补偿器(DSTATCOM)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。4动态不间断电源(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DSTATC

17、OM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。5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。DVR的原理见图13和图14。7 超导磁场储能系统 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(powerconditioningsys

18、temPCS)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. SMES可分为大型、中型和小型三类,这不仅是容量上的差别,主要是作用各有不同。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、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

19、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。 (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SM

20、ES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。8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

21、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。APF的注入回路见图20。 APF在动态注入IAPF后, 系统电压VS立即恢复正常,在此系统上的用户可完全“感受” 不到谐波影响,见图21。 APF的特性明显优于常规的L-C特性,主要有以下各方面:(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

22、其准确性。 (2)APF能大范围补偿第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,不可能保持无功电力的完全平衡。