电能质量与安全

电能质量与安全2010-7-12I电能质量电力有源滤波器OSSINE动态无功补偿器OSAQII电能安全中压系统相间过电压防护电能质量的背景•用户电力系统的问题•节能降耗•电力系统电力供应的可靠性•电力系统供电的电能质量•用电设备的安全性•用户用电设备对电力系统的影响•来自其他用户用电设备的影响•电能计量电能质量的背景•DFACTS技术对用户的意义•为用户提供节能降耗的方法•保证电力系统电力供应的可靠性•改善电力系统供电的电能质量•提高用电设备的安全性•减小用户用电设备对电力系统的影响•消除来自其他用户用电设备的影响•准确实现用户的电能计量•谐波补偿的背景•随着电力电子技术的发展，大量由电力电子开关构成的、具有非线性特性的用电设备广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域，如电解装置、电气机车、轧制机械、高频炉等，故国内外电网中的谐波污染状况日益严重。•美国电力科学研究院EPRI最近的报告指出，全美因谐波等电能质量损失达几百亿美元。•在低压配电网中这些谐波污染问题显得尤为突出，严重影响到各种类大型厂矿的正常生产，如钢铁、煤矿、化工、纺织等企业，以及IT和大规模微电子集成电路企业，造成产品报废，生产线停产，生产设备的寿命骤减甚至损坏。•谐波补偿的目标即是通过有效的手段，减少谐波的生成和影响。电力有源滤波器OSSINE•什么是谐波•用一句话来说，就是与标准的三角函数不一致的波形。•一般说来，采用傅立叶分解可以将这些波形分解成为工频的三角函数波形的倍数频率或分数次频率的波形的级数和。•谐波补偿后•波形应仅含有标准的、工频三角函数波形。•波形中其它频次的三角函数波形含量应小于国家标准。电力有源滤波器OSSINE•谐波治理对于用户的意义•对用户用电可靠性安全性的提高•谐波对于用户的用电设备有着极大的影响，谐波治理本身就是对用和自身用电可靠性的一个保证。•供电的品质不仅仅在于电力部门提供的电能，也在于用户自身用电对电能质量的维护上。•节能降耗的实际体现•同样忽略公式推导，我们也可以理解谐波治理对于节能降耗的作用。如前述，当谐波治理后，我们仅剩下标准的工频波形，就是说除了必要的有功功率外，多出来的其他部分都已经通过补偿解决，故而谐波补偿显然具有节能降耗的效果。•用户电压品质的保证•用户侧由于谐波的存在，将导致负荷端电压的下降，因此，谐波的补偿可以对用户电压品质起到改善作用。电力有源滤波器OSSINE•谐波的危害•使旋转电机和变压器过热、振动和噪声，降低变压器额定容量，缩短电机使用寿命•使电力电容器组工作不正常，甚至造成热击穿损坏•使线路损失加大、电缆过热、绝缘老化，严重时会使电缆“放炮”•影响电力系统中的发电机、调相机、继电保护和自动装置，严重时会引发设备误动作，造成重大事故•使电能计量等产生误差•严重干扰通信、计算机系统、高精度加工机械，检测仪表等用电设备的使用•大大提高了电网谐振的可能•损坏电网中敏感设备•导致中线电流过大，造成中线发热甚至火灾电力有源滤波器OSSINE•现阶段滤波器技术主要是有源滤波器与无源滤波器，其技术比较如下：电力有源滤波器OSSINE无源滤波器电力有源滤波器构造与原理由单调滤波器和高通滤波器组成的装置进行谐波补偿采用电力电子装置进行谐波补偿谐波补偿效果仅对某些次谐波有好的补偿效果好，当谐波成分变化时补偿效果变差不局限于某些次谐波的补偿，而且对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿电网阻抗的影响补偿特性受电网阻抗的影响很大补偿特性不受电网阻抗的影响谐振现象特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间发生并联或串联谐振，从而使谐波电流和电压放大与系统电网无谐振现象•电力有源滤波器APF—ActivePowerFilter•电力有源滤波器（APF）是通过监测实时谐波状况，在线计算出所含谐波分量，产生相应的控制信号，去控制可关断功率器件一般是IGBT构成的逆变电路，产生所需补偿的电流谐波分量，并联接入产生谐波的主回路中，达到迅速的动态跟踪抑制谐波的效果。•在需要的情况下，还可以补偿部分无功。电力有源滤波器OSSINE•有源滤波器的基本原理•断路器合闸后，APF首先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电，这个过程是防止上电后对DC母线电容器的瞬间冲击。当母线电压Vdc达到额定值后，预充电接触器闭合。•直流电容作为储能元件，通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。•APF通过外部互感器采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和监测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和ACTSine已发出的补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。电力有源滤波器OSSINE•有源滤波器的结构•有源电力滤波器变流器①•计算及控制模块②•高频输出电抗器③•输出滤波电抗器（可选）④•滤波电容器⑤•系统控制电路⑥•人机界面⑦•通信系统（可选）⑧•互感器接线端子⑨电力有源滤波器OSSINE①②③⑤⑥⑦⑨•有源滤波的主要技术•谐波电流检测技术•基于频域运算的方法•瞬时空间矢量法•自适应检测法•神经网络实现的自适应检测法•平衡式补偿算法•补偿电流控制技术•滞环比较控制•无差拍控制•滑窗动态补偿•预测补点就位方法•积分复位控制•组合变流器载波相移控制•直流侧电压控制技术•PI控制•神经网络控制•APF逆变器拓扑结构•软开关结构•硬开关结构电力有源滤波器OSSINE•谐波电流检测及直流侧电压控制•基本原理：针对有源滤波器电流谐波分量检测运算复杂，且在负荷电流变化时出现电源电流畸变现象，从直流侧电容电压与负荷有功电流的关系出发，并结合有功电流的周期性特点，提出了基于直流侧电容电压周期离散控制的新型有源滤波器控制方法。该方法可以在实现有源滤波器直流侧电压线性化控制的同时获得负荷电流有功分量，显著提高了APF补偿谐波的速度，能够有效地避免负荷变化时出现电流畸变现象，并减轻负荷突变对电网的冲击。电力有源滤波器OSSINE•补偿电流控制技术•基本原理:该方法利用直流侧电压与电源电压的测量值,并根据平均电流模型可得到下一周期补偿电流的校正值。由校正值与滤波器输出电流测量值之和作为输出电流的反馈值。该算法充分利用了直流侧电压与电源电压的信息，提高了补偿电流的补偿速度和精度。电力有源滤波器OSSINE•有源滤波器应用场合•各类变频设备•不稳定负荷•钢铁厂、有色冶金、港口机械、点焊机与电弧炉•化工设备•高精度自动化生产线•各种整流设备、整流变压器•各类恒温设备、微波炉•中频炉•通讯系统基站•电脑、复印机、电梯、荧光灯、节能灯等照明负荷•不间断电源(UPS)•变频冷气机与中央空调电力有源滤波器OSSINE•所获专利•滑动窗补偿算法•相间平衡式补偿•预测补点就位法的电力有源滤波器•双反馈环的电力有源滤波器•平衡式三相数字锁相环•三分裂层叠母线•紧凑型大功率变流器•智能型温控变流器电力有源滤波器OSSINE•谐波治理案例•供配电情况•用户主要负荷为冶炼用中频炉，主要生产电机机壳等铸件。•用户采用一台400kVA、10kV/0.4kV变压器进行供电•实际用电情况•经现场实际测量，用户实际用电情况如下：•空载情况下，用户侧电压250V；•满负荷运行时，用户侧电压235V；•满负荷运行时，用电功率600kW；•满负荷运行时，用电功率因数0.97超前；•满负荷运行时，用电电流910A。电力有源滤波器OSSINE•谐波治理案例•APF投入前情况•采用谐波表对中频炉各种运行状态进行了测量，同时读取用户配电柜表头数据，从设备刚启动到设备满负荷运行，在有源滤波器投入前后，分别得到的数据如下：负荷电流电压有功功率功率因数电压畸变率THDv电流畸变率THDi220A252V166kW0.60滞后6%30%400A240V300kW0.97超前7.3%28.3%905A235V600kW0.97超前10%24.5%电力有源滤波器OSSINE负荷电流电压有功功率功率因数电压畸变率THDv电流畸变率THDi220A252V166kW0.60滞后6%30%400A240V300kW0.97超前7.3%28.3%905A235V600kW0.97超前10%24.5%•谐波治理案例•录波波形电力有源滤波器OSSINE•无功补偿的背景•随着区域电网互联的发展和负荷用电密度的增加，最大限度的发挥输电线路的设计容量和提高系统的运行稳定性的问题就日益突出。要解决该问题，首先要考虑系统的电压分布的情况。•电力系统中的电压分布的情况和系统中的无功潮流分布的关系十分的密切。因此，为了要调整系统的电压分布，必须要调整系统中的无功潮流的分布。•在电力系统中，任何的用电装置以及输配电设备都要占用一定的无功功率。这时无功电流的存在使得线路的总电流加大，所以相对的增大了输配电线路的有功损耗，从而造成了电压下降、电能浪费，进一步恶化了电力系统电能质量。由于电网中的负载绝大多数为感性负载，因而可采用并联电容器组来进行无功补偿。通过对并联电容器组的投切控制来进行无功补偿是一种简单易行的措施，并且已经得到了广泛的应用。系统的无功得到了补偿，系统的电压分布情况就会相对提高。并联无功补偿也是调整系统电压的常用措施之一。无功补偿技术OSAQ•无功的意义•为负荷端电压与负荷电流的角差所产生。•该角的余弦值定义为功率因数。•无功补偿后•负荷端电压与负荷电流之间无角差。•功率因数为1。•负荷相当于电阻性负荷。无功补偿技术OSAQ•无功补偿对于用户的意义•国家的强制标准•国家对于负荷端无功功率有明确的强制标准，一般功率因数不得低于0.9，低于部分目前采用要求用户支付无功电费的方式处理，高于0.95的，一般可以还得到相应的奖励。但注意：电网一般不希望过补偿形成电流超前于电压的情况。•节能降耗的实际体现•忽略公式推导，我们也可以理解无功补偿对于节能降耗的作用。如前述，当无功补偿实施后，我们可以得到一个相当于电阻性的负荷，就是说除了必要的有功功率外，多出来的其他部分都已经通过补偿解决，故而无功补偿显然具有节能降耗的效果。•用户电压品质的保证•如前述，用户侧由于感性无功功率的存在，将导致负荷端电压的下降，因此，无功功率的补偿可以对用户电压品质起到改善作用。无功补偿技术OSAQ•无功补偿技术的种类无功补偿技术OSAQSVC：静止无功补偿器3.ASVG/Statcom：静止同步补偿器4.并联电容投切的无功补偿1.TSC：晶闸管投切的电容器2.•并联电容投切的无功补偿•传统的静止并联无功补偿就是在被补偿的节点上安装电容器、电抗器或者它们的组合，用以向系统注入或从系统吸收无功功率。并联在节点上的电容器和/或电抗器通过机械开关按组别投入或退出。•这种补偿方法有三个重要的缺点•调节是离散的；•调节速度非常缓慢，不能满足系统的动态要求；•电压负特性，即当节点电压降低（升高）时，并联的电容注入系统的无功功率也降低（升高）。无功补偿技术OSAQ一般适用于用户负载固定、无功需求相对较稳定的网络中，通常不能动态地跟踪系统的无功功率的变化，而且还很有可能和系统发生并联谐振，从而导致了谐波的放大，因而并联固定电容的方法目前正逐渐被淘汰。•含电力电子技术的无功补偿•随着功率半导体器件和微机控制技术的发展，用微机进行实时检测、跟踪负荷的无功功率的变化并且自动控制补偿电容的投切，就可以实现准确、快速的动态无功补偿，从而达到降低配电线路的线损、改善电网供电质量的目的。•电力电子技术的无功补偿的发展经过了三个阶段：电子开关投切并联电容的TSC、采用晶闸管可连续调节无功的SVC、采用IGBT实现有源控制的Statcom。无功补偿技术OSAQ无功补偿技术OSAQ•晶闸管投切的电容器TSC─ThyristorSwitchedCapacitor•TSC是由多个电容器组并联组成的，用反向并联的晶闸管阀作为投切开关，响应迅速（20ms），可靠性高。•电容器在接通期间，向系统注入的无功功率为2CVQC无功补偿技术OSAQ•晶闸管投切的电容器TSC─ThyristorSwitche