高压电能质量治理及实现

思源清能电气电子有限公司清华大学柔性输配电系统研究所2009年02月©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®思源电气股票代码：002028高压电能质量治理及实现©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®目录电能质量概述电能质量治理装置静止无功发生器SVG应用案例第2页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®思源电气股票代码：002028电能质量概述第3页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®什么是电能质量？电能质量是指配电系统中交流电能的品质。电压质量电流质量供电质量用电质量合格的三相交流系统电能品质：电压频率波形三相不平衡理想的电压/电流波形如上图所示第4页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®电能质量定义IEEE：电能质量（Powerquality）的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的。IEC：电能质量是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流、或频率偏差.第5页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®电能质量标准目前我国对电能质量已制定的国家标准：▪GB12325－1990《供电电压允许偏差》▪GB/T14549-1993《公用电网谐波》▪GB/T15543-1995《三相电压允许不平衡度》▪GB/T15945-1995《电力系统频率允许偏差》▪GB12326-2000《电压允许波动和闪变》▪GB/T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》地方法规：▪《福建省电网谐波技术监督实施细则》；《上海市节能指导书》等；▪广东、江苏、浙江、上海等遍布全网的电能质量检测系统。第6页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®什么是谐波及谐波源有哪些谐波定义谐波的定义是对周期性的非正弦电量进行傅立有叶级数分解，除了得到与电网基波相同的分量，还得到一系列大于电网基本频率相同的分量，这部分电量称为谐波.谐波频率与基波的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为间谐波（Non-harmonics)或分数谐波。谐波源（三大类）▪电力电子装置：电子开关型非线性设备，主要为交、直换流装置及晶闸管构成的可控开关设备。如变频装置、晶闸管型直流提升机、整流装置等。▪传统非线性设备：铁磁饱和型非线性设备，如变压器、电抗器、旋转电机、银光灯等。▪电弧型非线性设备：炼钢电弧炉，交流电弧焊机等。第7页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®电力系统谐波电流（或电压）波形为非正弦，含有基波以外的成分▪如图所示电流中含有3、5、7等次谐波损耗大大增加，并且严重影响设备安全第8页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®谐波的危害谐波问题是最为常见的电能质量问题。损耗大大增加，并且严重影响设备安全。加大线路及变压器损耗，使电缆过热，绝缘老化，降低变压器额定容量–大部分应用场合（电流中谐波成分占20%以上时），谐波治理后的节电率约在5%－20%之间。严重影响用电设备安全（电容器、电动机、变压器、电缆、断路器等）谐波造成损耗的同时，还对电费计量造成较大误差（对电力公司及对电力用户的影响）。第9页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®谐波的危害（续）影响电机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命▪4％的3次谐波，异步电机寿命缩短15％；4％的5次谐波，异步电机寿命缩短8％使电容器过载发热，加速电容器老化甚至击穿－导致电容器型补偿不能正常运行（不能投运、易损坏、寿命缩短）造成保护装置或断路器误动，导致区域性停电事故导致中性线电流过大引发故障，造成中性线发热甚至火灾诱发电网谐振－产生数倍甚至数十倍的过电压（过电流）损坏敏感的设备使电力系统各种测量仪表产生误差对通讯、电子类设备产生干扰第10页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®行业状况之一：谐波对剧场音响系统的影响剧场的谐波源▪除常规谐波源外，剧场谐波源有可控硅调光器、高压弧光灯、等等。▪可控硅调光装置，在移相触发调压过程中，将使电源波形非正弦化，造成多项奇次谐波分量较大。试验表明，当可控硅移相调压至半压，并满载输出，此时电流波形谐波畸变最严重，达62％左右，三相零序电流叠加，为相线电流的1.86倍左右。谐波造成的危害▪对音响系统施以干扰。当含有谐波的电源向音响设备供电时，势必造成危害，严重破坏音响系统的放音音质，使音响系统发出明显“吱吱”声。▪构成对可控硅触发电路的相互干扰，影响调光系统的正常工作。▪其他：供电安全性降低、谐波损耗增加。措施与建议：设法以“干净”的电源向音响设备供电，减弱谐波对电声、弱电系统干扰，保证系统正常工作。▪采用有源电力滤波器：滤波能力强、适应能力强第11页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®行业状况之二：楼宇大厦的谐波楼宇大厦，包括民用建筑中包含大量谐波源▪由低压电网供给电源的各种电器设备，在市政生活和企事业单位应用十分广泛，在这些以家用电器为主的低压电器中，绝大部分含有大量非线性元件，会产生谐波电流，主要有电视机、各种节能灯、计算机、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、激光打印机、充电器、各种医疗和科研用的仪器和设备、调速驱动，例如空调用压缩机、高层建筑用的大型电梯等，它们大都是用晶闸管、小功率的整流装置等电力电子元件，虽然其单台容量不是非常大，但数量极为庞大且分布很广、工作同时性强，它们产生的谐波已成为配电网谐波污染的主要来源。电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行，降低了人民的生活质量。第12页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®行业状况之二：某大楼实测的供电电压谐波含量第13页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®行业状况之三：电铁引起的谐波电铁机车是单相大功率整流负荷，其用电会产生大量的谐波与负序，如不能在电铁牵引变电站得到及时治理，将注入电力系统，影响全网，波及用户。电铁机车沿铁路移动用电，加剧问题的严重性，产生的危害性远比其他任何谐波源设备更为严重。▪据不完全统计，自电铁投运三十多年以来，电铁谐波与负序已引发过200MW发电机跳闸，山西、河南、贵州等电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振，发电机转子损坏，继电保护非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏，小火电厂不能就近并网等一系列的危害，使社会、电力部门和用户蒙受了巨大的经济损失。随着电铁运量的增加和电铁向东部发达地区扩展，产生的危害将会更加严重。目前，各级电力部门对此高度重视。第14页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®行业状况之四：工业用户工业用户中含有各类谐波源，最常见的低压变频器引起的谐波电流水泵配套的低压变频器电流中含大量谐波第15页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®什么是无功？有功功率P（kW）；无功功率Q（kvar）；视在功率S（kVA）；无功功率就是电路中感性元件（或容性元件）中的电磁场能（或电场能）与电路中的电能相互转化所需的功率，用来在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功。第16页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®无功补偿意义提高设备利用率；降低设备和线路损耗；减少线路和变压器电压降；第17页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®无功补偿发展第18页慢速无功第一代无功补偿机械式投切装置MSC晶闸管投切装置TCR，MCR，TSC第二代无功补偿基于电压源换流器SVG/STATCOM第三代无功补偿快速无功补偿2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®思源电气股票代码：002028电能质量治理装置第19页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®基于TCR的SVC第20页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®基于TCR的SVCTCR产生谐波，必须配备滤波器组（通常3－4组）滤除自身谐波及提升机等设备谐波。导致：▪占地面积增加▪谐波损耗增加▪对系统内其他设备安全的影响（谐波电压放大）第21页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®基于TCR的SVC－TCR产生大量谐波电流第22页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®基于MCR的SVC第23页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®基于MCR的SVCMCR自身产生谐波，也必须配备滤波器组才能滤除自身谐波和提升机等背景谐波。噪音达到90dBMCR运行损耗达到1.5%~2.0%对系统内其他设备安全的影响（谐波电压放大）第24页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®MCR的谐波特性第25页2019/8/25电流THD为15.75%37.5151.0573.1992.86114.07133.69173.04293.74©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®基于TSC的SVC第26页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®可控硅投切电容器；有级调节——过补和欠补；电容器反复投切，寿命有限；德国最好20万次；背景谐波解决不了，影响自身运行；基于TSC的SVC第27页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®思源电气股票代码：002028静止无功发生器SVG第28页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®SVG工作原理第29页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®SVG装置构成第30页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®优势一：响应速度快第31页2019/8/25闪变改善率K（％）无功补偿度C（％）100806040200020406080100τ=10msτ=20msτ=15msτ=5ms补偿效果与补偿容量和响应时间曲线响应时间5msSVG响应速度快(5ms)，SVC响应速度(40ms-60ms）SVG中采用的IGBT2us开关一次，SVC/MCR中的可控硅10ms开关一次©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®实际测试结果－动态无功补偿及电压控制效果第32页2019/8/25负荷电流SVG无功补偿电流A相C相A相C相SVG补偿电流随负荷电流变化而快速动态变化！©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®优势二：低电压特性好第33页2019/8/25SVCSVGSVG的低压特性好，是恒定的电流源，系统电压降低时，仍能输出额定无功电流，而且具备很强的过载能力。SVC阻抗特性，输出能力线性降低，系统电压降低时，输出无功电流成比例降低，不具备过载能力。IcapacitiveIinductiveUacUacIcapacitiveIinductive©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®优势三：谐波特性好第34页2019/8/25©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®链式SVG实验结果第35页2019/8/25输出电压输出电流，电流畸变率1.9%©2008思源清能电气电子有限公司Sieyuan®优势四：有源滤波第36页电流谐波次数负荷电流含量系统电流含量512.5%2.0%710%1.0%115%0.5%135%1.5%