电能质量问题与统一电能质量管理

向　琼1

,赵　亮

2

(1.广电集团佛山南海供电分公司调度中心,广东南海　528200;

2.华南理工大学电力学院,广东广州　5100)

,

　　[摘　要]　电网中存在谐波、无功、电压闪变及负序电流等问题,严重影响电能质量,危害电力设

备。传统解决电能质量问题的措施往往只能消除某个方面的危害。随着电子技术和控制技术的迅速发展,统一电能质量调节器和统一潮流控制器等综合电能质量管理装置的研究与应用日趋成熟,有望全面提高电网电能质量。

　　[关键词]　电能质量;统一电能质量调节器;统一潮流控制器

　　[中图分类号]F206;F407.61　　[文献标识码]B 　　[文章编号]100623986(2005)0120026203

Power Qua lity Problem and Un i f i ed Power Qua lity M anagem en t

X I A NG Q i ong 1,ZHAO L iang

2

(1.N anhai Po w er Supply B ranch,N anhai 528200China;

2.South China U niversity of Technology,Guangzhou 5100,China;)

[Abstract]Har monics,reactive power,voltage flicker and negative 2sequence current of power grids can af 2fect the power quality and har m the power equi pment badly .Traditi onal methods only can settle power quality p r oble m s partially .A s the electr onics and contr ol technique devel op rap idly,unified power quality manage 2ment equi pments included unified power quality conditi oner and unified power fl ow conditi oner become more mature and available,which are expected t o i m p r ove all 2sided power quality .

[Key words]power quality;unified power quality conditi oner;unified power fl ow conditi oner

1　影响电能质量的因素

1.1　电网谐波及其危害

谐波从电能使用开始就存在,13年谐波引起

电动机绝缘和过热问题后,谐波问题开始得到关注。电网中的谐波主要包括各种整流装置、电弧炉、交流调压装置、变流装置、家用和办公电器、照明设施和一些铁磁非线性设备等等。所有这些非线性设备使电网中的电压、电流波形发生畸变,从而产生谐波。谐波常造成一些电力设备无法正常工作,严重时会损坏设备,造成电力系统事故等。

电网谐波的危害受到高度重视,国际谐波标准I EEE 519和I EC 55522将低压电网电压总谐波畸变率定为4%或5%,我国《电能质量—公用电网谐波》规定我国低压电网(0.38k VAC )电压总谐波畸变率定为5%,且奇次谐波电压含有率低于4%,偶次谐波电压含有率低于2%。　　　　　　　　　　

[收稿日期]　2004212222

[作者简介]　向　琼(1974-),女,湖南吉首人,工学学士。

1.2　无功功率

(1)频繁的无功功率负载冲击会引起电网电压

波动,使供电质量严重降低。(2)增加电网上所连

设备的容量。由于无功功率的增加,会导致电流增大和视在功率增大,要求用电设备的容量相应增大。(3)增加设备和线路的损耗。1.3　电压不稳定及三相负序电流的危害电压不稳定包括电压跌落、电压波动和电压闪变。电压跌落一般是由于电网中大容量负载投入而引起,它对电压敏感性负载影响很大。当电压跌落超过一定幅值,可能造成工控计算机程序运行出错,造成生产工程中断。电压波动是指工频电压包络线的一系列变化或周期性变化,可以看成是以工频电压作为正弦载波,在其上迭加一个低频信号而成的结果。电弧炉和轧钢机等大功率装置运行时会引起电压波动。电压闪变是指人眼对由电压波动引起的照明异常而产生的视觉感受。往复式压缩机、电弧炉及电焊机等负载的运行都能引起电压闪变。电压闪变给一些对电压稳定性要求较高的生产过程会造

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成较大影响。

三相负序电流主要是由于三相电网不对称负载或者某一相或两相出现故障而引起,会造成电网损耗增加、负序分量启动的继电保护装置误动作、干扰通信、引起电动机绕组过热、降低电动机可靠性和运行寿命等不利情况。

2　改善电能质量的措施

2.1　谐波抑制

传统谐波抑制方法有两大类。一类是对产生谐波的谐波源设备自身进行改造,减小其产生的谐波,另一类是对现有谐波源进行滤波和补偿。无源滤波器因其结构简单、设备投资少、运行可靠性和可维护性高等优点,应用广泛。但无源滤波器是通过在系统中为谐波提供并联通路,实现滤波,缺点也很明显。

1971年佐佐木和町田提出有源电力滤波器(简称APF )原理:通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流,使得电网总谐波和无功电流为零。早期有源滤波器是采用非线性放大器来产生补偿电流,后来则使用大功率晶体管组成P WM 逆变器来构成有源电力滤波器,并延续至今。根据应用场合及结构不同,APF 可按图1中所示分类

。

图1　有源滤波器的分类

　　并联型APF 是最基本方式,APF 并联接入电网,相当于一个受控电流源,可以消除负载引起的谐波电流,也可以补偿无功和平衡三相电流,而且APF 中只流过补偿电流和小部分基波有功电流,但并联APF 须承受电网基波电压,使得其容量很大,容量大

决定了其动态性能较差;串联APF 通过变压器串联在电网和负载之间,相当于受控电压源,可以补偿电网谐波电压和三相不平衡电压,缺点是APF 流过很大的负载电流,使得元器件额定参数上升,损耗变大,切投及保护措施复杂。

2.2　无功功率补偿

无功功率补偿早期采用同步调相机和并联电容器。同步调相机虽能对变化的无功功率进行动态补偿,但难以维护;而并联电容器,当电网中有谐波时,可能发生谐振,从而放大谐波,烧毁电容器。

晶闸管的静止无功补偿装置(简称S VC ),能进行无功补偿和电压控制,还能增加系统的稳定性、阻尼功率波动以及过压等,其缺点是控制电抗电容器切投的晶闸管开关会带来谐波。在S VC 基础上出现了静止无功发生器(简称S VG )。S VG 一般采用多重化或多电平技术,可大大减少补偿电流中谐波含量;和S VC 需要大容量电容器电抗器储能不同,S VG 只需直流侧的较小容量电容器来维持电压;S VG 既可吸收无功功率也可发出无功功率,但它只能补偿无功功率,功能比较单一。2.3　电压调节

动态电压恢复器(简称DVR )是用来补偿配电系统电压跌落的设备。通过串联变压器在馈线和电力负载间产生一个幅值可变的电压,保证电网电压变化时,从负载侧看供电电压不变。DVR 须具有快速响应能力及具备足够的能量以提供电压跌落时负载所需的能量支持。静态同步补偿器(简称SSC )是通过变压器并联接入系统的P WM 电压源型逆变器,它可以改善电压质量,减小损耗。如果结合直流侧储能装置使用,还能补偿有功功率波动,通过注入适当相角和幅值的电流,对扰动作出迅速反应。

3　统一电能质量调节

3.1　统一电能质量调节器

统一电能质量调节器(UP QC )是并联有源滤波器和串联有源滤波器的结合体(图2所示),能够同时实现功率因数和负载电压调节以及滤波等功能。

串联有源滤波器通过变压器接入主电路,具有谐波

隔离、电压调节以及电压闪变/不平衡的补偿等作用,变压器容量取决于电压调节范围,容量较小;并联有源滤波器直接与主电路并联,实现谐波和负序电流消除、无功补偿和直流母线电压调节功能。并/串联有源滤波器共用直流侧电容。

　　UP QC 基本工作原理是:由检测电路测出畸变的电压、电流信号;通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号;然后形成P WM 信号,再由驱动电路去控制逆变器的功率器件开关;最后由滤波器滤除逆变器的高次谐波,在连接点处抵偿系统中存在的电压、电流的畸变分量,使得电力系统中电能质量的

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图2　统一电能质量调节器基本结构

污染被消除。

除了由串/并联有源滤波器构成的基本UP QC 结构外,还有一种特殊型统一电能质量调节器,它是在负载侧并联一个LC 无源滤波器(图3所示),此时并联APF 仅用来维持直流电容电压,可以显著减小并联APF 的容量。

图3　特殊型统一电能质量调节器

　　信号检测是UP QC 调节电能质量性能的关键,

要求准确、实时。目前所用的检测方法有基于瞬时无功理论的检测方法、提取基波分量法、自适应对消法以及同步检测法等。其中以基于Akagi 在1984年提出的瞬时无功理论的检测方法研究时间较长,方法趋于成熟。早期瞬时无功理论只针对于电压无畸变情况,经过诸多学者不断地改进,现在该检测方法已完全适用于系统电压畸变或系统运行不对称的补偿分量的检测中。

UP QC 一般采用基于P WM 的电压源逆变器作为补偿发生器,其控制方法有三角载波线性控制、滞环比较控制、无差拍控制、基于人工神经网络、模糊逻辑以及预测控制等,随着微机控制技术和数字信号处理技术迅速发展,UP QC 控制技术将实现高度数字化。

UP QC 工作时,为了保证P WM 逆变器的正常工作,电容电压必须保证恒定,一般采用P I 控制实现直流电压负反馈,使P WM 逆变器在生成所需要的补偿信号的同时,也提供一定的基波电压供给电容。这个基波电压与电源的基波电流相互作用,控制P WM 逆变器的能量的流动,以维持直流侧电容电压的恒定。3.2　统一潮流控制器

统一潮流控制器(UPFC )可提供对传输线路参数,如电压、线路阻抗和相角的全面动态控制,能够快速控制传输线路的有功和无功功率及母线电压。UPFC 结构上与UP QC 有些相似,也是由两个共同直流侧电容的电压源逆变器组成(图4所示)。

图4　统一潮流控制器

　　逆变器1通过变压器T1并联接入系统,除了向

变换器2提供有功功率外,还可通过T1向系统吸收或注入无功功率,可看作是可控的并联静止无功补偿器。逆变器2通过变压器T2串联接入系统,向线路注入一个幅值和相角可调的串联电压,控制线路的潮流。通过控制规律调节功率和线路参数,UPFC 可分别或同时实现串/并联补偿、移相等几种不同的

功能,提高线路传输能力、稳定性及阻尼振荡,具有独特的实时控制传输线路潮流的特性。UPFC 可同时全面控制传输线路参数,而实现对多控制变量的控制较难,从系统的角度考虑,实现对电力系统的多目标协制是UPFC 控制器设计的主要目标。

UP QC 与UPFC 结构相似,以改善系统电能质

量为目标。不同的是UP QC 是通过补偿系统电能中的谐波来改善电能质量,逆变器是一个谐波发生器;而UPFC 是用于调整系统潮流,使其更为合理,以改善电能质量,它的逆变器只发出工频正弦波。除UP QC 和UPFC 外,还有一些综合电能管理技术,如将两者综合使用,构成整体,以保证电力系统的电能质量,称为有源电力调节器AP LC 。随着大功率电力电子器件的发展,这种先进的有源电能线路调节器将服务于电力系统。

此外还有采用超导材料储能(简称S MES )的综合电能质量调节装置,它采用的是电流型的逆变器,利用超导线圈取代电压型逆变装置中的电容器作为直流侧的储能元件,注入电流的控制更为直接和有效,响应速度快。

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