定制电力技术

1背景电能质量受到影响大量非线性负荷、大型冲击性用电备的投入等电压暂降和短时断电的影响高科技园区、大型医院、军工单位等对电能质量敏感的用户的需求半导体制造业、生产自动控制系统、商业以及通信、计算中心、金融系统等精密仪器的用电需求精密实验仪器、某些新型医疗器械等技术需求背景1.1电能质量问题电压暂降持续时间：0.5-30周期幅值：0.1-0.9pu电压骤升持续时间：0.5-30周期幅值：1.1-1.4pu电压中断持续时间：0.5周期-3s幅值：低于0.1puIEEE1159谐波持续时间：0.5-30周期电压闪变持续时间：0.5-30周期2定制电力技术（电能质量控制技术）1988年由美国电科院（EPRI）提出。针对配电网的供电可靠性和供电质量,以改善暂态电能质量为目的。以大功率电力电开关器件为基础，以柔性交流技术（FACTS）为关键。控制问题负荷对公用电网干扰水平，保证公共连接点的电能质量补偿设备主要是静态补偿型，分为串联型和并联型，串联型用于补偿干扰电压，并联型用于补偿干扰电流，补偿设备主要有SVC、SVG、APF、PF等。控制问题电网对电压敏感负荷的影响，为敏感负荷提供稳定的电源补偿设备分为静态补偿型和网络重构型，其中静态补偿型包括：DVR、UPS等，网络重构型主要有：SSTS、SSCB等。定制电力技术主要解决：无功补偿、谐波抑制和电压暂态故障及中断。设备项目动态电压恢复器（DVR）快速固态电源切换开关（SSTS）配电静止同步补偿器DSTATCOM静止无功补偿器（SVC）有源滤波器（APF）谐波滤波器（HF）暂降●●●●突升●●●●中断●过电压●●●●欠电压●●●●谐波●●●波动与闪变●●电压不平衡●缺口●●●3定制电力设备3.1有源滤波器（APF）可等效为受控谐波电流源（并联型）基本原理为：对公共连接点注入与线路谐波幅值相同，相位相反的电流，从而控制其总THD。相比于无源滤波器的优点：1、适用不同的非线性负载；2、动态补偿，响应时间为毫秒级；3、不影响系统的阻抗特性，不会产生谐振；4、不会影响无功补偿(可同时进行)。有源电力滤波器工作原理=+电源非线性负载I.电源I.负载I滤波器I.电源I.负载If.(负载基波)Ih.(负载谐波)I.滤波器控制方法主要有：1、基于模拟控制技术的PWM控制；2、滞环比较控制（HysteresisControl）；3、无差拍控制、单周控制等。谐波电流检测方法主要有：1、提取基波分量法；2、瞬时功率检测法（主要dq分解）；3、FFT数字化分析法。主要厂家1、国内：西安爱科电气、上海思源电气、荣信股份;2、国外：日本三菱电机、美国西屋电气、德国西门子。发展趋势：1、利用并联IGBT提高低压容量，通过升压变实现中压补偿；2、利用和无源滤波器（PF）结合的方式提高其经济性。3.2静止同步补偿器（STATCOM）CLRSTATCOMsUiUIPCCdcu主要作用补偿无功功率，改善功率因数，维持电压稳定，改善系统稳态特性和动态性能。工作原理通过调节桥式电路交流阀侧侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流回路电流，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。控制原理控制STATCOM从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了STATCOM吸收无功功率的性质和大小，从而控制公共连接处的功率因数。单相示意图如下所示。IUSUILRLUISULUjXIIU电流超前ISULUjXIIU电流滞后1、Iq为正，电流超前系统电压，此时系统吸收感性无功功率，即发出容性无功功率；2、Iq为负，电流滞后系统电压，此时系统吸收容性无功功率，即发出感性无功功率；提高功率因数可直接利用开环控制，提高电压稳定可采用电压闭环控制。控制方法主要分为直接电流控制和间接电流控制。传统静止无功补偿器（SVC）相比，其优点有：1、响应速度更快；2、可动态连续调节无功输出，运行范围更宽；3、谐波电流含量更小；4、在电压较低时仍可向电网注入较大的无功电流。工程应用现状1、低压及小容量的SVG则主要采用三电平逆变器直接并网；2、以前较多利用多重化变压器耦合技术；3、现在较多采用H桥级联型，模块多电平及IGBT直接串联是发展趋势。3.3动态电压恢复器（DVR）可等效为受控电压源基本原理为：正常工作时被旁路，电压暂降、暂升或电压不平衡现象发生时，在ms级时间内，对电源电压进行补偿。相比于UPS的优点：1、经济性较好，不需经常更换电池；2、不需一直串在主回路，损耗较低。主要分为有储能结构和无储能结构补偿方式主要有：同步相位、暂降前电压，复合补偿等控制方式：开环控制，系统电压闭环前馈控制工作原理如下图所示DVR运行方式主要厂家：1、国内：荣信股份，上海思源。2、国外：ABB（新西兰）的AVC，SST公司。现状及趋势：1、实际工程中一般利用三个单相换流器结构补偿电压不平衡；2、利用H桥级联（链式）提高容量及电压等级，一般2MVA以上。3.4固态切换开关（SSTS）传统的中高压系统中，将用户从故障母线切换到无故障母线的方法是利用开关断路器，但切换速度及其暂态特性不够理想。利用电力电子开关器件替代或改造传统机械切换开关，即利用机械开关和晶闸管并联的方式可以解决传统方式的固有问题。工作原理如下图所示主电路结构主要有：主备式混合型和分裂母线式混合型在高速机械开关开通和关断时均不会产生电弧。4定制电力园区定制电力园区（优质电力园区）是一种包含“用户至上”经营理念的新型电力技术，通过检测园区电网的电能质量，区分用户的不同电能质量需求；为用户提供基本服务、附加服务和优质服务等不同等级的电能质量服务水平。其基本配置方案可分为：集中式PPP系统、分布式PPP系统、集中分布混合式PPP系统。下图为韩国定制电力园区（KCPP）总体示意图。KCPP主要包括SSHG（4MVA）、SSTS（4MVA）、DVR（2MVA）、DSTATCOM（2MVA）、APF（200KVA）等定制电力设备。KCPP电气结构示意图电压干扰发生器（SSHG）通过对三个单相换流器对串入回路的电压幅值和相位进行控制。电流干扰发生器利用换流器控制技术实现控制回路的有功功率和无功功率，从而模拟组感容负载特性，一般采用dq解耦的直接电流控制。5工程应用实例5.1马鞍山创新钢厂马鞍山创新钢厂是一个黑色金属冶炼与压力加工企业。其主要设备有“热轧—火成材”全连轧机组1台，50m3制氧机1台，0.5t中频感应炉3台，以及各种配套辅助设备。全厂用电设备总容量达2300kW。97年该厂曾在230连轧机组安装就地无功补偿装置，使功率因数由0.7提高到0.9，主变出力提高20%。99年“热轧—火成材”全连轧机组投运后，产生高次谐波，功率因数也降低，从99年7月至10月间，因功率因数考核不合格该厂被罚款7.6万元。该厂采用了无功补偿及谐波抑制措施：①在2.5MVA主变（35/6kV）6kV侧新装自动补偿及滤波装置主副柜各1台；②630kVA主变（6/0.4kV）0.4kV侧新装自动补偿及滤波装置主副柜各1台；③修复原1000kVA变压器补偿用电容器柜。采用上述措施后，谐波得到抑制，功率因数由原来的0.62提高到0.9，节电效果明显。5.2地铁低压供电系统地铁供电系统采用了大量的非线性负载，其电能质量较差，谐波损耗增加，且存在并联谐振进而导致设备损坏的潜在隐患。上海地铁某段低压配电系统已有固定电容器无功补偿装置，随功率因数满足要求，但总谐波电流仍达到50A，主谐波为3、5、7、11、13、23，系统电压总THD高达4.2%。安装了思源清能电气公司的QNAPF电力有源滤波器后，系统电压总THD将至3.4%，总进线电流总畸变率由4.7%降至1.2%，减少了谐波损耗。І段母线治理前治理后含有率电流值含有率电流值基波电流1829.81818.3THDi%4.711.183次2.520.50.54.15次2.2180.32.57次1.411.50.32.59次0.32.50.43.311次1.411.50.43.313次1.29.80.54.115次0.00.00.10.819次0.10.80.32.521次0.21.60.32.5