当前电能质量的主要问题以及对策

随着电力电子技术的发展, 调速电机、整流电源等非线性电力电子装置在现代工业中得到了广泛应用; 同时, 为了解决电力系统自身发展存在的问题, 直流输电、FACTS 技术不断投入实际工程应用。这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重, 谐波水平不断上升, 另外, 冲击性、波动性负载的使用还会产生电压波动与闪变、三相不平衡等电能质量问题。但另一方面, 随着电网中精密电能用户的增多, 要求电网必须提供与用户所要求的质量指标相适应的电能。因而精密电能用户和电能质量问题这对矛盾已逐步上升为主要矛盾, 电能质量也成为了目前研究的重点。先阐述了电能质量的基本涵义, 分析了现代电能质量的主要问题, 最后提出了解决电能质量主要问题的方法。

1电能质量的基本涵义

1. 1电能质量的基本概念

目前, 世界各国对电能质量的定义都不完全相同。从不同的角度来看, 对电能质量会有不同的理解。从供电角度看, 电能质量是指供电的参数符合标准及供电的可靠性; 从用电设备生产商的角度看, 电能质量是指提供设备所要求的电能特性; 从用户角度看,电能质量问题是指一切会引起用电设备运行故障的供电电压、电流及频率的异常扰动。通常, 电能质量问题主要反映为电压质量问题。

1. 2电能质量问题产生的原因

产生电能质量问题的原因主要有以下几个。(1)非线性负载。在工业和生活用电负载中, 非线性负载占很大比例, 这是电力系统谐波问题的主要来源。如电弧灯、荧光灯的使用会引起电压波形发生严重畸变, 大功率整流或变频装置的使用不仅会对电网造成严重污染, 同时也会使得功率因数降低。(2) 电力系统的非线性特性。同步发电机是公用电网的电源, 但在实际运行中, 它的感应电动势不是理想的正弦波, 因而它的输出电压中含有一定的谐波。电力变压器励磁回路的非线性特性也会使它产生谐波电流。(3) 电力系统故障。电力系统运行的内外故障也会造成电能质量问题, 如短路故障、雷击、误操作、电网故障时发电机及励磁系统工作状态的改变、故障保护电路中的电力电子设备的启动等。

1. 3电能质量扰动分类

电能质量扰动可分为稳态和暂态两类。

稳态扰动主要类型: (1) 过电压(O vervo ltage) :持续时间大于1m in, 电压幅值为1. 1～ 1. 2 (标幺值) ,系统频率仍为额定值。(2) 欠电压(U ndervo ltage) :持续时间大于1m in, 电压幅值为0. 8～ 0. 9 (标幺值) ,系统频率仍为额定值。(3) 电压不平衡(Vo ltage U n2balance) : 电压的最大偏差与三相电压的平均值的比值超过标准的规定值。(4) 谐波(Harmon ics) : 频率为基波整数倍的正弦电压或电流称为谐波, 谐波是由于电力系统和电力负荷的非线性特性造成的。

暂态扰动主要类型: (1) 电压暂升(Sw ell)。持续时间为0. 5 周期～ 1m in, 电压幅值为1. 1～ 1. 8 (标幺值) , 系统频率仍为额定值。(2) 电压暂降(Sag)。持续时间为0. 5 周期～ 1m in, 电压幅值为0. 1～ 0. 9 (标幺值) , 系统频率仍为额定值。(3) 电压波动(F lunctua2t ion) 与闪变(F licker) : 电压波动是在包络线内的电压的有规则变动, 或是电压幅值通常不超出0. 9～ 1.1 (标幺值) 范围的一系列电压随机变化。闪变问题则是指电压波动对照明灯的视觉影响。(4) 电压中断( In terrup t ion,O u tage)。在一定时间内, 一相或多相完全失去电压(低于0. 8 (标幺值) ) 称为断电。按持续时间长短, 分为瞬时断电(0. 5 周期～ 3s)、暂时断电(3 s～ 60 s) 和持续断电(大于60 s)。(5) 电压切痕(No tch)。电压切痕是一种持续时间小于0. 5 周期的周期性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置的电流从一相转换到另一相时产生的。

2电能质量的主要问题

相关资料显示, 在电能质量问题的投诉中, 90%以上是由电压暂降引起的[5 ]。由此可见, 电能质量的首要问题是电压暂降问题。

电压暂降是指供电电压有效值短暂降低, 随后恢复正常的供电现象。根据欧洲标准EN 50160 以及美国国际电气电子工程师协会推荐标准IEEE Std.519- 1992, 电压暂降(Vo ltage D ip 或Vo ltage Sag)定义为: 供电电压有效值突然降至额定电压的90%～ 10% (0. 9 p. u. ～ 0. 1 p. u. ) , 然后又恢复至正常电压, 这一过程的持续时间为10 m s 至1 m in。随着经济的发展, 高科技设备获得了广泛的应用。这些设备对电压变化很敏感, 短时的供电中断或电压有效值下降往往会造成设备不正常运行, 发生停机等事故。电压暂降就是针对这一问题而提出的。引起电压暂降的主要原因是电网或用电设备发生雷击、外力短路故障, 一些用电设备(如电动机) 启动或突然加负荷也会造成电网电压瞬时下降。与长时间供电中断事故相比, 电压暂降有发生频率高、事故原因不易觉察的特点, 处理起来比较困难。电压暂降会引起敏感控制器不必要的动作(引起跳闸) , 造成包括计算机系统失灵、自动化装置停顿或误动、变频调速器停顿等; 引起接触器脱扣或低压保护启动, 造成电动机、电梯等停顿; 引起高温光源(碘钨灯) 熄灭, 造成公共场所失去照明。

表1 给出了国外有关资料所提供的电压暂降对一些电力设备的影响[6 ]。从表1 中可进一步看出解决电能质量问题的重要性, 尤其是电压暂降而引起的电能质量方面的问题。但长期以来, 对电能质量的研究主要集中在电压偏移、谐波、闪变、三相不平衡等方面, 对电压暂降问题重视不够。

3解决电压暂降问题的对策

电力电子技术的应用给解决电压暂降问题开拓了广阔的前景。用户电力技术(Cu stom Pow er) 将电力电子、计算机和现代控制理论等高新技术运用于供电、配电系统, 形成了一系列的电能质量控制技术和设备, 可较好地解决稳态、暂态电能质量问题, 从而大大提高了电网的电能质量。

3. 1动态电压恢复器

动态电压恢复器(Dynam ic Vo ltage Resto rer——DVR ) 结构如图1 所示。DVR 通过串联变压器在馈线上以电压叠加的方式向电力系统注入补偿电压, 用于消除系统电压变化(尤其是电压暂降) 对负荷的不利影响。DVR 使用IGBT 或IGCT 等大功率可关断器件。系统正常供电时, 它处于低耗备用状态。当系统电压出现突然变化时,DVR 能快速反应, 通过串联变压器向系统注入3 个与系统同频的单相交流电压分量以抵消系统电压的改变, 其瞬时值为正常电压瞬时值与故障电压瞬时值之差。DVR 的响应速度在几毫秒之内。根据电压相位的不同,DVR 控制分为同相电压补偿控制和最小能量补偿控制。由于出现电压暂降时, 相电压的相位也会出现很大的变化, 这给补偿参考信号的检测、计算造成了困难。因此, 快速可靠的补偿电压参考信号检测技术是DVR 的关键。决定DVR 容量的是补偿电压最大值和负载电流值。当最大补偿电压是负载额定电压的30% 时, 大约可消除95% 以上的电压扰动。目前,DVR 容量可达几十MVA , 反应速度在1 m s 以内。

图2U PQC 原理图

3. 2统一电能质量控制器

统一电能质量控制器(U n iversal Pow er Q ualityCon t ro ller ——U PQC) 的主电路由一串联逆变器和一并联逆变器组成, 两者通过电容耦合, 如图2 所示。

并联逆变器采用PWM 电流控制技术, 进行非线性负载谐波电流及无功补偿, 并起调节电容直流电压作用。串联逆变器采用PWM 电压控制技术, 通过控制其输出电压达到抑制电源电压谐波, 减少电源电压波动对敏感负荷的影响。因此, 该装置综合了串联和并联补偿器的优点, 是一种综合电能质量补偿器, 能解决绝大多数的暂态电能质量问题。

4结论

传统电能质量控制方法, 例如柔性输电系统(FACTS) 技术, 主要用于解决无功功率、谐波、三相不平衡等静态电能质量问题, 不能很好的解决电压暂降这个暂态电能质量问题。然而, 随着电力电子器件制造水平及设备控制水平的提高,DVR、U PQC 等设备可以快速、动态地补偿电网中的电压暂降。借助于用户电力技术, 可望将电力系统改造成无电压波动、无不对称以及无谐波的理想网络, 满足电力负荷对电能质量(尤其是电压暂降) 日益提高的需求。

参考文献

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