第7章电能质量控制技术-于翔

第七章电能质量的控制技术合肥工业大学能源研究所合肥工业大学能源研究所苏建徽苏建徽电能质量的控制技术电能质量的控制技术一、电能质量的基本概念1.电能质量的定义电能质量电压质量：指实际电压与理想电压的偏差电流质量：反应了与电压质量有密切关系的电流的变化供电质量：技术含义指电压质量和供电可靠性非技术含义指供电企业对用户的服务质量用电质量：包括电流质量，还包括反映用电双方相互作用和影响中的内容1.1电能质量包括的几个方面一、电能质量的基本概念1.2电能质量的定义国内外对电能质量的确切定义至今尚没有形成统一的共识国际电工委员会（IEC）标准（IEC1000-2-2/4）的定义：供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。国际电气电子工程师协会（IEEE）协调委员会的定义：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正常工作的。目前大多数专家认为电能质量的定义为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题。2.IEEE对电能质量主要内容的定义与分类一、电能质量的基本概念一、电能质量的基本概念IEEE对电能质量主要内容的定义与分类（续）一、电能质量的基本概念3.中国电能质量标准与主要内容从1990年至2001年，我国陆续制定和颁布了6项电能质量国家标准一、电能质量的基本概念中国电能质量标准与主要内容（续）中国电能质量标准与主要内容（续）一、电能质量的基本概念4.关于电能质量的一些概念间谐波：非工频频率整数倍的谐波，会放大电压和音频干扰；电压暂降（电压跌落）：由于系统故障或干扰，造成用户电压下降到额定电压的10%~90%，并持续0.5周波~30个周波，然后又恢复到正常水平的现象；电压突升：电压的有效值升至额定值得110%以上，持续时间为0.5周波~1min；断电：供电系统发生故障，造成用户在一定时间内一相或多项失去电压（低于10%额定电压），分为瞬时断电、暂时断电和持续断电（电压中断）；电压瞬变（瞬时脉冲）：一定时间间隔内，两个连续稳态电压之间在极短时间内发生的一种突变现象或数量变化；电压切痕（电压缺口）：持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电能质量的控制技术二、电能质量的控制技术概述控制环节：规划、运行、补偿控制层次：管理、操作、设备参与部门：制造商、电力部门、用户及科研院校针对问题：电压偏差、频率偏差、电力系统谐波、电压波动与闪变、三相不平衡、电压暂降等电能质量的控制技术电能质量的控制不仅仅是技术问题，还应当从规划、管理等多方面统一考虑并进行合理应用，才能有效提高电能质量。二、电能质量的控制技术概述1.供电电压偏差的控制电力系统各节点电压与系统无功功率密切相关，保证电力系统各节点电压在正常水平的充分必要条件是系统具备充足的无功功率电源，同时采取必要的调压手段。配置充足的无功功率电源：同步发电机、同步调相机、电容器、电抗器、静止无功补偿装置（SVC）等采取必要的调压措施：电压偏差的调整方式（逆调压、顺调压、恒调压）、电压偏差的调整手段（用发电机调压、改变变压器变比调压、改变线路参数调压）二、电能质量的控制技术概述2.电力系统频率偏差的控制产生原因：发电机与负荷有功功率不平衡发电机组转速变动频率偏差频率调整与控制：非正常运行方式：改变用户负荷、采用备用容量（有功）正常运行方式：改变发电机输出功率（一次调整、二次调整）平衡发电机出力与负荷有功二、电能质量的控制技术概述3.电力系统谐波的控制电力系统谐波控制预防性措施补偿性措施供电设备的设计、制造、配置整流设备的改进多脉波整流装置PWM整流器功率因数校正（PFC）改变馈线参数采用滤波器交流滤波器（无源滤波器）有源电力滤波器二、电能质量的控制技术概述4.电压波动与闪变的控制电压波动与闪变的抑制用电设备特性的改善供电能力的提高补偿措施的采用电压波动与闪变的程度与供电系统短路容量的大小、供电网络的结构以及负荷的用电特性等有关异步电机启动方式的改善电弧炉特性的改善静态无功发生器（SVG）静止无功补偿器（SVC）二、电能质量的控制技术概述5.电力系统三相不平衡的控制不对称负荷分散到不同的供电点，减少集中连接造成不平衡度过大不对称负荷合理分配到各相，使各相负荷尽可能平衡不对称负荷接到更高级电压上供电，以使连接点短路容量够大采用单独变压器供电采用特殊接线的平衡变压器供电采用三相平衡装置二、电能质量的控制技术概述6.电压暂降与短时间中断的控制短路故障电力系统用户接口用电设备减少故障数目，缩短故障切除时间改变系统设计与系统供电方式缓解扰动，安装缓解设备提高设备抵御能力、低电压穿越能力考虑方面控制措施为缩短故障切除时间通常采用固态切换开关（SSTS）在供电系统与用电设备接口处可安装的缓解设备有：不间断电源UPS动态电压调节器DVR电能质量的控制技术1.固态切换开关（SSTS）典型拓扑：操作过程：正常情况：V1、V3触发导通，V2、V4关断负荷从常规电源取电故障情况：V1、V3关断，V2、V4触发导通负荷从备用电源取电三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用2.不间断电源UPS不间断电源UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频设备，主要用于给计算机、计算机网络或其他重要设备提供连续不间断、高质量的电能供应及机场、电站、医院等重要部门的备用电源，以提高供电的可靠性。输出电能的高可靠性和高质量是对UPS的基本要求。UPS的详细内容已在前面章节讲过，这儿不再重述。aubucu三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用3.动态电压调节器DVR动态电压调节器（DVR）采用电压源型变换器（VSC）为基本模块实现三相电压源型变换器三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用3.1基本拓扑结构：ＶＳＣ能量存储串接变压器sagUlUＶＳＣ能量存储sagUlU负载变电所供电变压器并联电压控制器ＶＳＣsagUlU串接变压器ＶＳＣ系统并接变压器三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用3.2工作原理（以串联型为例）：DVR单相工作原理示意图LVDVRVISV三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用DVR工作原理相量图由图可见，DVR在电压跌落时不仅补偿无功，还要输出有功，而有功要通过直流侧提供3.3关键技术环节：补偿算法正确锁相的实现输出侧低通滤波器的设计电压泵升的防止闭环调节的实现三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用4.静止无功补偿器（SVC）与静止无功发生器（SVG）电力系统中并联电容补偿无功功率的原理说明：电容器并联使用时一般要串联电抗器4.1静止无功补偿器（SVC）静止无功补偿器依据结构不同通常可分为具有饱和电抗器的静止补偿器、晶闸管投切电容器（TSC）、带固定电容器的晶闸管控制电抗器等。（1）具有饱和电抗器的静止补偿器（2）晶闸管控制电抗器（TCR）三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用aubuCu三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用晶闸管控制电抗器（TCR）单相基本结构：两个反并联晶闸管和一个电抗器串联三相连接方式：多采用三角形连接减少电流谐波触发角：90度~180度单独TCR只能吸收感性无功，一般与并联电容器配合使用（3）晶闸管投切电容器（TSC）基本原理图：见下一页串联小电感：抑制投入电网的冲击电流三相连接方式：三角形联接或Y联接实质：断续可调的吸收容性无功的动态无功补偿器投切时刻的选取三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用晶闸管投切电容器的基本原理图三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用（4）电容器组与晶闸管可控电抗器并联形成的静止无功补偿器三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用4.2静止无功发生器（SVG）有电压型和电流型两种，多采用电压型。因此，SVG专指采用自换向的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置电流型桥式电路：直流侧电感储能需并电容器并网电压型桥式电路：直流侧电容储能需串电抗器并网等效电路图与工作原理SVG正常工作负载为电网的电压型逆变器（输出频率与电网一致）幅值相位可控，与电网同频的交流电压源（仅考虑基波）SVG吸收容性无功SVG吸收感性无功US与UI同相，改变UI的幅值大小忽略电抗器损耗三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用电网电压SVG输出交流电压三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用5.多脉波整流装置与PWM整流器5.1多脉波整流装置以脉动宽度为60度的6脉动三相整流桥为基本单元，利用m组整流桥，使每个整流桥的交流侧电压依次移相，则可以组成直流侧电压脉动数为的多相整流桥A）p=18时整流电路B）p=24时整流电路三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用5.2PWM整流器电路拓扑：工作原理：V1~V4采用SPWM控制UN与US1同频率iN幅值和相位由US1基波幅值及其与UN的相位差决定单相PWM整流器拓扑结构图三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用6.无源滤波器与有源电力滤波器（APF）6.1无源滤波器典型无源滤波器的拓扑结构：无源典型无源滤波器的幅频特性A）单调谐滤波器三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用B）双调谐滤波器三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用C）高通滤波器三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用无源滤波器的工作原理滤波器类型调谐频率滤波效果单调谐滤波器与某低次谐波频率一致消除该低次谐波，对应于调谐频率滤波器成纯阻性双调谐滤波器与两组电容电感相对应的两种谐振频率对应于两种谐振频率，滤波器呈现低阻抗高通滤波器与高次谐波频率一致滤除某高次谐波及该次频率以上的谐波三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用6.2有源电力滤波器（APF）基本原理通过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流电路结构无功电流和谐波成分的检测部分控制系统（控制逆变器各桥臂的开关）逆变电源（直流侧接入电感或电容储能元件）输出部分（高频滤波器、变压器）Liu*CiCi*CuCi三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用典型的控制框图：决定APF工作性能的两个关键问题：谐波检测方法和补偿电压电流的产生三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用用于APF的谐波检测方法：快速傅里叶检测法带阻滤波器检测法自适应检测法瞬时无功功率法补偿电流（或电压）的产生，可采用电流（或电压）跟踪控制线性的跟踪控制方法静止PI控制、旋转PI控制、状态反馈控制、误差拍控制等非线性跟踪控制方法滞环控制、单周控制等并联型有源电力滤波器串联型有源电力滤波器系统构成基本原理作为电流源工作作为电压源工作适用场合用于具有电流源性质的谐波源用于具有电压源性质的谐波源三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用并联型有源电力滤波器（PAPF）与串联型有源电力滤波器（SAPF）大多数应用为并联型有源电力滤波器三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用统一电能质量控制器UPQC组成：串联型APF和并联型APF通过直流母线电压耦合拓扑结构：统一电能质量控制器的补偿原理三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用SUCUCiLiZLU统一电能质量调节器串联有源电力滤波器并联有源电力滤波器a)补偿电网谐波电压b)补偿基波电压的负序分量c)补偿电网电压的基波正序分量的额定值与实际值之间的差值a)补偿负载谐波电流b)补偿负载基波电流负序分量和正序无功分量c)平衡电网与负载和调节器之间的能量，稳定直流母线电压串联APF与并联APF分别在UPQC中的作用三、电能质量的控制技术在电力电子中的应用