當前電能質(zhì)量的主要問(wèn)題以及對策

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展, 調速電機、整流電源等非線(xiàn)性電力電子裝置在現代工業(yè)中得到了廣泛應用; 同時(shí), 為了解決電力系統自身發(fā)展存在的問(wèn)題, 直流輸電、FACTS 技術(shù)不斷投入實(shí)際工程應用。這些設備的運行使得電網(wǎng)中電壓和電流波形畸變越來(lái)越嚴重, 諧波水平不斷上升, 另外, 沖擊性、波動(dòng)性負載的使用還會(huì )產(chǎn)生電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題。但另一方面, 隨著(zhù)電網(wǎng)中精密電能用戶(hù)的增多, 要求電網(wǎng)必須提供與用戶(hù)所要求的質(zhì)量指標相適應的電能。因而精密電能用戶(hù)和電能質(zhì)量問(wèn)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, 分析了現代電能質(zhì)量的主要問(wèn)題, 最后提出了解決電能質(zhì)量主要問(wèn)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(lái)看, 對電能質(zhì)量會(huì )有不同的理解。從供電角度看, 電能質(zhì)量是指供電的參數符合標準及供電的可靠性; 從用電設備生產(chǎn)商的角度看, 電能質(zhì)量是指提供設備所要求的電能特性; 從用戶(hù)角度看,電能質(zhì)量問(wèn)題是指一切會(huì )引起用電設備運行故障的供電電壓、電流及頻率的異常擾動(dòng)。通常, 電能質(zhì)量問(wèn)題主要反映為電壓質(zhì)量問(wèn)題。

1. 2電能質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題的原因主要有以下幾個(gè)。(1)非線(xiàn)性負載。在工業(yè)和生活用電負載中, 非線(xiàn)性負載占很大比例, 這是電力系統諧波問(wèn)題的主要來(lái)源。如電弧燈、熒光燈的使用會(huì )引起電壓波形發(fā)生嚴重畸變, 大功率整流或變頻裝置的使用不僅會(huì )對電網(wǎng)造成嚴重污染, 同時(shí)也會(huì )使得功率因數降低。(2) 電力系統的非線(xiàn)性特性。同步發(fā)電機是公用電網(wǎng)的電源, 但在實(shí)際運行中, 它的感應電動(dòng)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(xiàn)性特性也會(huì )使它產(chǎn)生諧波電流。(3) 電力系統故障。電力系統運行的內外故障也會(huì )造成電能質(zhì)量問(wèn)題, 如短路故障、雷擊、誤操作、電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機及勵磁系統工作狀態(tài)的改變、故障保護電路中的電力電子設備的啟動(dòng)等。

1. 3電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)

電能質(zhì)量擾動(dòng)可分為穩態(tài)和暫態(tài)兩類(lèi)。

穩態(tài)擾動(dòng)主要類(lèi)型: (1) 過(guò)電壓(O vervo ltage) :持續時(shí)間大于1m in, 電壓幅值為1. 1～ 1. 2 (標幺值) ,系統頻率仍為額定值。(2) 欠電壓(U ndervo ltage) :持續時(shí)間大于1m in, 電壓幅值為0. 8～ 0. 9 (標幺值) ,系統頻率仍為額定值。(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(guò)標準的規定值。(4) 諧波(Harmon ics) : 頻率為基波整數倍的正弦電壓或電流稱(chēng)為諧波, 諧波是由于電力系統和電力負荷的非線(xiàn)性特性造成的。

暫態(tài)擾動(dòng)主要類(lèi)型: (1) 電壓暫升(Sw ell)。持續時(shí)間為0. 5 周期～ 1m in, 電壓幅值為1. 1～ 1. 8 (標幺值) , 系統頻率仍為額定值。(2) 電壓暫降(Sag)。持續時(shí)間為0. 5 周期～ 1m in, 電壓幅值為0. 1～ 0. 9 (標幺值) , 系統頻率仍為額定值。(3) 電壓波動(dòng)(F lunctua2t ion) 與閃變(F licker) : 電壓波動(dòng)是在包絡(luò )線(xiàn)內的電壓的有規則變動(dòng), 或是電壓幅值通常不超出0. 9～ 1.1 (標幺值) 范圍的一系列電壓隨機變化。閃變問(wèn)題則是指電壓波動(dòng)對照明燈的視覺(jué)影響。(4) 電壓中斷( In terrup t ion,O u tage)。在一定時(shí)間內, 一相或多相完全失去電壓(低于0. 8 (標幺值) ) 稱(chēng)為斷電。按持續時(shí)間長(cháng)短, 分為瞬時(shí)斷電(0. 5 周期～ 3s)、暫時(shí)斷電(3 s～ 60 s) 和持續斷電(大于60 s)。(5) 電壓切痕(No tch)。電壓切痕是一種持續時(shí)間小于0. 5 周期的周期性電壓擾動(dòng)。電壓切痕主要由于電力電子裝置的電流從一相轉換到另一相時(shí)產(chǎn)生的。

2電能質(zhì)量的主要問(wèn)題

相關(guān)資料顯示, 在電能質(zhì)量問(wèn)題的投訴中, 90%以上是由電壓暫降引起的[5 ]。由此可見(jiàn), 電能質(zhì)量的首要問(wèn)題是電壓暫降問(wèn)題。

電壓暫降是指供電電壓有效值短暫降低, 隨后恢復正常的供電現象。根據歐洲標準EN 50160 以及美國國際電氣電子工程師協(xié)會(huì )推薦標準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. ) , 然后又恢復至正常電壓, 這一過(guò)程的持續時(shí)間為10 m s 至1 m in。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展, 高科技設備獲得了廣泛的應用。這些設備對電壓變化很敏感, 短時(shí)的供電中斷或電壓有效值下降往往會(huì )造成設備不正常運行, 發(fā)生停機等事故。電壓暫降就是針對這一問(wèn)題而提出的。引起電壓暫降的主要原因是電網(wǎng)或用電設備發(fā)生雷擊、外力短路故障, 一些用電設備(如電動(dòng)機) 啟動(dòng)或突然加負荷也會(huì )造成電網(wǎng)電壓瞬時(shí)下降。與長(cháng)時(shí)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(jué)察的特點(diǎn), 處理起來(lái)比較困難。電壓暫降會(huì )引起敏感控制器不必要的動(dòng)作(引起跳閘) , 造成包括計算機系統失靈、自動(dòng)化裝置停頓或誤動(dòng)、變頻調速器停頓等; 引起接觸器脫扣或低壓保護啟動(dòng), 造成電動(dòng)機、電梯等停頓; 引起高溫光源(碘鎢燈) 熄滅, 造成公共場(chǎng)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備的影響[6 ]。從表1 中可進(jìn)一步看出解決電能質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題。但長(cháng)期以來(lái), 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(wèn)題重視不夠。

3解決電壓暫降問(wèn)題的對策

電力電子技術(shù)的應用給解決電壓暫降問(wèn)題開(kāi)拓了廣闊的前景。用戶(hù)電力技術(shù)(Cu stom Pow er) 將電力電子、計算機和現代控制理論等高新技術(shù)運用于供電、配電系統, 形成了一系列的電能質(zhì)量控制技術(shù)和設備, 可較好地解決穩態(tài)、暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題, 從而大大提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3. 1動(dòng)態(tài)電壓恢復器

動(dòng)態(tài)電壓恢復器(Dynam ic Vo ltage Resto rer——DVR ) 結構如圖1 所示。DVR 通過(guò)串聯(lián)變壓器在饋線(xiàn)上以電壓疊加的方式向電力系統注入補償電壓, 用于消除系統電壓變化(尤其是電壓暫降) 對負荷的不利影響。DVR 使用IGBT 或IGCT 等大功率可關(guān)斷器件。系統正常供電時(shí), 它處于低耗備用狀態(tài)。當系統電壓出現突然變化時(shí),DVR 能快速反應, 通過(guò)串聯(lián)變壓器向系統注入3 個(gè)與系統同頻的單相交流電壓分量以抵消系統電壓的改變, 其瞬時(shí)值為正常電壓瞬時(shí)值與故障電壓瞬時(shí)值之差。DVR 的響應速度在幾毫秒之內。根據電壓相位的不同,DVR 控制分為同相電壓補償控制和最小能量補償控制。由于出現電壓暫降時(shí), 相電壓的相位也會(huì )出現很大的變化, 這給補償參考信號的檢測、計算造成了困難。因此, 快速可靠的補償電壓參考信號檢測技術(shù)是DVR 的關(guān)鍵。決定DVR 容量的是補償電壓最大值和負載電流值。當最大補償電壓是負載額定電壓的30% 時(shí), 大約可消除95% 以上的電壓擾動(dòng)。目前,DVR 容量可達幾十MVA , 反應速度在1 m s 以?xún)取?/p>

圖2U PQC 原理圖

3. 2統一電能質(zhì)量控制器

統一電能質(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(guò)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(xiàn)性負載諧波電流及無(wú)功補償, 并起調節電容直流電壓作用。串聯(lián)逆變器采用PWM 電壓控制技術(shù), 通過(guò)控制其輸出電壓達到抑制電源電壓諧波, 減少電源電壓波動(dòng)對敏感負荷的影響。因此, 該裝置綜合了串聯(lián)和并聯(lián)補償器的優(yōu)點(diǎn), 是一種綜合電能質(zhì)量補償器, 能解決絕大多數的暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。

4結論

傳統電能質(zhì)量控制方法, 例如柔性輸電系統(FACTS) 技術(shù), 主要用于解決無(wú)功功率、諧波、三相不平衡等靜態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題, 不能很好的解決電壓暫降這個(gè)暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。然而, 隨著(zhù)電力電子器件制造水平及設備控制水平的提高,DVR、U PQC 等設備可以快速、動(dòng)態(tài)地補償電網(wǎng)中的電壓暫降。借助于用戶(hù)電力技術(shù), 可望將電力系統改造成無(wú)電壓波動(dòng)、無(wú)不對稱(chēng)以及無(wú)諧波的理想網(wǎng)絡(luò ), 滿(mǎn)足電力負荷對電能質(zhì)量(尤其是電壓暫降) 日益提高的需求。

參考文獻

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