现代电能质量问题与D-FACTS技术

[摘要] 文章介绍了电能质量的相关概念和基本分类,结合实际分析电能质量的几种改善方法与措施;无源滤波器、有源滤波器、静止型无功补偿装置,可以有效地解决稳态电压质量问题,讨论了解决电能质量问题的新技术—D—FACTS技术中几种主要电能质量补偿装置的功能:动态电压调节器、静止无功发生器、有源滤波器、固态断路器、统一电能质量控制器、超导磁能装置等,它们是动态电压质量问题的有效解决方案。文章得出结论:运用电力电子的相关新技术对电能质量进行系统地综合补偿,将是电能质量问题研究与开发的方向和有效解决途径。

　　[关键词] 稳态电能质量　动态电能质量　D—FACTS

　　0　引言

　　电能质量,即供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性,电能质量问题是众多单一类型电力系统干扰问题的总称。一般地,电能质量也可描述为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,这样描述简单明晰,概括了电能质量问题的成因和后果。

　　电能质量问题包括稳态电能质量和暂态电能质量两个方面,直接影响电力系统的供电安全及用电设备的正常运行。传统的电能质量研究都是基于系统稳态而言的,如三相不平衡、高次谐波等。随着工业自动化和电力系统的深入发展,一方面,配电网中非线性负荷对电网电能质量构成了严重的威胁;另一方面,配电网中如计算机等设备对系统干扰更加敏感,对电能质量提出了高可靠性、高可控性的要求,因此,暂态的与短持续时间的电能质量问题成为当前研究的热点。

　　1　电能质量问题及其分类

　　1.1　暂态电能质量

　　暂态电能质量问题主要包括脉冲型的和振荡型的暂态电能质量问题。脉冲型暂态电能质量问题是指电压、电流在稳态情况下发展突然、非工频且单方向性质的变化,例如雷击电流脉冲暂态过程造成的电能质量问题;振荡型暂态电能质量问题是指电压、电流在稳态情况下发生突然、非工频且正极性和负极性方面的变化,容易发生振荡型暂态电能质量的场合主要有电容器投入过程、配电系统的铁磁谐振和变压器充电过程、串联电容器(变压器)涌流等。

　　1.2　短持续时间电能质量

　　短持续时间电能质量问题主要有电压骤降、电压骤升和电压中断。电压骤降是指在工频情况下电压或电流的有效值降低至0.1~0.9p.u.且持续时间在0.5个周波到1min,易发生电压骤降的场合有:系统故障、启动重负荷或大容量的电动机等。

　　电压骤升是指在工频情况下电压或电流的有效值升高至1.1~1.8p.u.且持续时间在0.5个周波到1min,易发生电压骤升的场合有:系统故障(如单相对地故障情况下的非故障相电压)、切除大容量负荷或对大容量电容器充电。

　　电压中断是指供电电压或负荷电流降低至0.1p.u以下且持续时间不超过1min。易发生电压中断的场合有:系统故障、设备故障、控制误动、电压骤降发展等。

　　1.3　长持续时间电能质量

　　长持续时间电能质量问题主要包括:高电压、低电压和持续失电。

　　高电压现象通常由切除大容量的负荷、投入电容器、电压控制不合理、变压器分接头位置设置不合理等造成。

　　低电压现象通常由投入大容量的负荷、切除电容器、线路过载等造成。

　　持续失电与停电的区别,在于持续失电是一种特定的现象,用于电能质量的监视,而停电一般与供电可靠性相联系。根据IEEE1008的定义,停电不与现象相联系,它表示电力系统中设备不能正常发挥功能的一种状态。

　　1.4　三相电压不平衡

　　三相电压不平衡是指三相电力系统中三相不平衡的程度,三相电压不平衡通常因为负荷不平衡(包括单相或两相熔丝熔断)情况产生,当单相负荷较重时,三相不平衡比较严重。

　　1.5　谐波与畸变

　　波形畸变包括直流偏移、谐波、间谐波、波陷和噪声。

　　直流偏移是指交流电力系统中存在直流电压、电流的现象,它产生的原因有地磁干扰、半波整流(调光灯)等,交流系统中直流偏移造成的危害有使变压器铁心工作点偏移、接地网和其他连接体电解腐蚀等。

　　谐波是指在以基波方式运行的电力系统中存在频率为基波整数倍的正弦波方式的电压或电流,其危害主要有造成谐振、增加损耗,产生振动、破坏绝缘、影响测量和计量的精度、影响继电保护和自动装置动作、干扰通信等。

　　间谐波是指以基波方式运行的电力系统中存在的频率为基波非整数倍的正弦波方式的电压或电流,间谐波存在各个电压等级的电网中,它主要由静止频率转换器、回旋转换器、感应电动机等产生。

　　波陷是指由电力电子元件换相过程中造成的周期性电压扰动,其特征是连续发生并可以用频谱来表示,且各个分量的频率非常高,一般情况下无法用谐波测试设备测量,相对于谐波一般将它作为特殊情况来处理。

　　噪声是指附加在相线、中线和信号线上,频带低于200kHz的非正常电气信号称为噪声。噪声可以由电力电子元件、控制回路、电弧设备、带固态整流的负荷等造成,噪声会对电子设备产生干扰。噪声可以通过滤波器、隔离变压器和线路电力调节器来消除。

　　1.6 电压波动和闪变

　　电压波动即电压方均根值一系列的变动或连续的改变,闪变即灯光照度不稳定造成的视感,是由波动负荷,如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。急剧的电压波动或闪变,可能引起同步电动机产生震荡,影响产品的质量,使电子设备和测试仪器无法准确工作,电视机和电子计算机的工作不正常。

　　2 基于D—FACTS技术的改善方法

　　现阶段用来改善电能质量的常见措施主要包括:有载调压变压器,串联或并联电容器组与无源滤波器。其中无源滤波器由电容器、电抗器,有时还包括电阻器等无源元件组成,以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路,无源滤波器是现有的抑制谐波和无功补偿的主要

　　手段,具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点。广泛使用的滤波器种类有:各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

　　D-FACTS技术,即配电网中的FACTS技术,将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等新技术运用于中低压配用电系统,形成了一系列的电能质量补偿控制设备,可解决谐波畸变、电压波动和闪变、电压不对称、电压暂降等问题,从而提高电能质量。该技术以IGBT、IGCT等器件为基础的三相电压源,具有更快的开关频率,因此具有很快的响应特性。

　　2.1 SVC装置

　　静止型无功补偿装置(SVC)可以抑制由于电炉无功冲击引起的电压波动和闪变、高次谐波,可以提高功率因数,还可实现按各相的无功功率快速补偿调节实现三相无功功率平衡,已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿。

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