現代電能質量問題與D-FACTS技術

[摘要] 文章介紹了電能質量的相關概念和基本分類,結合實際分析電能質量的幾種改善方法與措施;無源濾波器、有源濾波器、靜止型無功補償裝置,可以有效地解決穩態電壓質量問題,討論了解決電能質量問題的新技術—D—FACTS技術中幾種主要電能質量補償裝置的功能:動態電壓調節器、靜止無功發生器、有源濾波器、固態斷路器、統一電能質量控制器、超導磁能裝置等,它們是動態電壓質量問題的有效解決方案。文章得出結論:運用電力電子的相關新技術對電能質量進行系統地綜合補償,將是電能質量問題研究與開發的方向和有效解決途徑。

　　[關鍵詞] 穩態電能質量　動態電能質量　D—FACTS

　　0　引言

　　電能質量,即供電裝置在正常工作情況下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性,電能質量問題是眾多單一類型電力系統干擾問題的總稱。一般地,電能質量也可描述為導致用戶設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差,這樣描述簡單明晰,概括了電能質量問題的成因和后果。

　　電能質量問題包括穩態電能質量和暫態電能質量兩個方面,直接影響電力系統的供電安全及用電設備的正常運行。傳統的電能質量研究都是基于系統穩態而言的,如三相不平衡、高次諧波等。隨著工業自動化和電力系統的深入發展,一方面,配電網中非線性負荷對電網電能質量構成了嚴重的威脅;另一方面,配電網中如計算機等設備對系統干擾更加敏感,對電能質量提出了高可靠性、高可控性的要求,因此,暫態的與短持續時間的電能質量問題成為當前研究的熱點。

　　1　電能質量問題及其分類

　　1.1　暫態電能質量

　　暫態電能質量問題主要包括脈沖型的和振蕩型的暫態電能質量問題。脈沖型暫態電能質量問題是指電壓、電流在穩態情況下發展突然、非工頻且單方向性質的變化,例如雷擊電流脈沖暫態過程造成的電能質量問題;振蕩型暫態電能質量問題是指電壓、電流在穩態情況下發生突然、非工頻且正極性和負極性方面的變化,容易發生振蕩型暫態電能質量的場合主要有電容器投入過程、配電系統的鐵磁諧振和變壓器充電過程、串聯電容器(變壓器)涌流等。

　　1.2　短持續時間電能質量

　　短持續時間電能質量問題主要有電壓驟降、電壓驟升和電壓中斷。電壓驟降是指在工頻情況下電壓或電流的有效值降低至0.1~0.9p.u.且持續時間在0.5個周波到1min,易發生電壓驟降的場合有:系統故障、啟動重負荷或大容量的電動機等。

　　電壓驟升是指在工頻情況下電壓或電流的有效值升高至1.1~1.8p.u.且持續時間在0.5個周波到1min,易發生電壓驟升的場合有:系統故障(如單相對地故障情況下的非故障相電壓)、切除大容量負荷或對大容量電容器充電。

　　電壓中斷是指供電電壓或負荷電流降低至0.1p.u以下且持續時間不超過1min。易發生電壓中斷的場合有:系統故障、設備故障、控制誤動、電壓驟降發展等。

　　1.3　長持續時間電能質量

　　長持續時間電能質量問題主要包括:高電壓、低電壓和持續失電。

　　高電壓現象通常由切除大容量的負荷、投入電容器、電壓控制不合理、變壓器分接頭位置設置不合理等造成。

　　低電壓現象通常由投入大容量的負荷、切除電容器、線路過載等造成。

　　持續失電與停電的區別,在于持續失電是一種特定的現象,用于電能質量的監視,而停電一般與供電可靠性相聯系。根據IEEE1008的定義,停電不與現象相聯系,它表示電力系統中設備不能正常發揮功能的一種狀態。

　　1.4　三相電壓不平衡

　　三相電壓不平衡是指三相電力系統中三相不平衡的程度,三相電壓不平衡通常因為負荷不平衡(包括單相或兩相熔絲熔斷)情況產生,當單相負荷較重時,三相不平衡比較嚴重。

　　1.5　諧波與畸變

　　波形畸變包括直流偏移、諧波、間諧波、波陷和噪聲。

　　直流偏移是指交流電力系統中存在直流電壓、電流的現象,它產生的原因有地磁干擾、半波整流(調光燈)等,交流系統中直流偏移造成的危害有使變壓器鐵心工作點偏移、接地網和其他連接體電解腐蝕等。

　　諧波是指在以基波方式運行的電力系統中存在頻率為基波整數倍的正弦波方式的電壓或電流,其危害主要有造成諧振、增加損耗,產生振動、破壞絕緣、影響測量和計量的精度、影響繼電保護和自動裝置動作、干擾通信等。

　　間諧波是指以基波方式運行的電力系統中存在的頻率為基波非整數倍的正弦波方式的電壓或電流,間諧波存在各個電壓等級的電網中,它主要由靜止頻率轉換器、回旋轉換器、感應電動機等產生。

　　波陷是指由電力電子元件換相過程中造成的周期性電壓擾動,其特征是連續發生并可以用頻譜來表示,且各個分量的頻率非常高,一般情況下無法用諧波測試設備測量,相對于諧波一般將它作為特殊情況來處理。

　　噪聲是指附加在相線、中線和信號線上,頻帶低于200kHz的非正常電氣信號稱為噪聲。噪聲可以由電力電子元件、控制回路、電弧設備、帶固態整流的負荷等造成,噪聲會對電子設備產生干擾。噪聲可以通過濾波器、隔離變壓器和線路電力調節器來消除。

　　1.6 電壓波動和閃變

　　電壓波動即電壓方均根值一系列的變動或連續的改變,閃變即燈光照度不穩定造成的視感,是由波動負荷,如電弧爐、軋機、電弧焊機等引起的。急劇的電壓波動或閃變,可能引起同步電動機產生震蕩,影響產品的質量,使電子設備和測試儀器無法準確工作,電視機和電子計算機的工作不正常。

　　2 基于D—FACTS技術的改善方法

　　現階段用來改善電能質量的常見措施主要包括:有載調壓變壓器,串聯或并聯電容器組與無源濾波器。其中無源濾波器由電容器、電抗器,有時還包括電阻器等無源元件組成,以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路,無源濾波器是現有的抑制諧波和無功補償的主要

　　手段,具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優點。廣泛使用的濾波器種類有:各階次單調諧濾波器、雙調諧濾波器、二階寬頗帶與三階寬頻帶高通濾波器等。

　　D-FACTS技術,即配電網中的FACTS技術,將電力電子技術、微處理機技術、自動控制技術等新技術運用于中低壓配用電系統,形成了一系列的電能質量補償控制設備,可解決諧波畸變、電壓波動和閃變、電壓不對稱、電壓暫降等問題,從而提高電能質量。該技術以IGBT、IGCT等器件為基礎的三相電壓源,具有更快的開關頻率,因此具有很快的響應特性。

　　2.1 SVC裝置

　　靜止型無功補償裝置(SVC)可以抑制由于電爐無功沖擊引起的電壓波動和閃變、高次諧波,可以提高功率因數,還可實現按各相的無功功率快速補償調節實現三相無功功率平衡,已成功地用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道等沖擊性負荷的補償。

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