電網(wǎng)供電質(zhì)量提高策略研究論文

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摘要:對如何解決電網(wǎng)污染進(jìn)行了研究如何進(jìn)行動態(tài)無功優(yōu)化補(bǔ)償和降低線損進(jìn)行了分析,有源濾波方面,對有源濾波器的實時諧波檢測技術(shù)､仿真平臺､有源濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)､有源濾波器PWM控制技術(shù)以及混合有源濾波器進(jìn)行了初步的探討和分析,得出以有源濾波器為基礎(chǔ)的混合有源濾波器可以很好的解決電網(wǎng)的諧波污染問題的結(jié)論｡

關(guān)鍵詞:電網(wǎng);供電質(zhì)量;有源濾波

1引言

1.1影響電網(wǎng)供電質(zhì)量的原因

隨著現(xiàn)代照明､通信設(shè)施､開關(guān)電源等的快速普及,使電網(wǎng)中非線性負(fù)載量劇增,曾有統(tǒng)計表明,幾十年前,電網(wǎng)中非線性負(fù)載與線性負(fù)載量之比為1∶9,而現(xiàn)在,非線性負(fù)載與線性負(fù)載量之比則為8∶2｡非線性負(fù)載主要有:1.具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒備,如:變壓器､電抗器等;2.以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備,如:氣體放電燈､交流弧焊機(jī)､煉鋼電弧爐等;3.以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備｡

以上這些非線性電氣設(shè)備(或稱之為非線性負(fù)荷)的顯著的特點是它們從電網(wǎng)吸收非正弦電流,也就是說,即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓,但由于它們具有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓-電流特性,使得流過電網(wǎng)的電流是非正弦波形的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成,即產(chǎn)生了諧波,使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真,同時還會產(chǎn)生大量的無功功率｡

1.2電網(wǎng)污染的危害

這些設(shè)備運行所產(chǎn)生的大量的諧波和無功功率會對電網(wǎng)的運行產(chǎn)生很大的影響:消耗無功,增加線路損耗,使電能的生產(chǎn),傳輸和利用效率降低;引起設(shè)備過載,電器設(shè)備過熱,降低設(shè)備絕緣等級;降低負(fù)載工作性能,例如使電機(jī)產(chǎn)生附加力矩和噪聲;設(shè)備故障,引起電力系統(tǒng)局部發(fā)生串聯(lián)諧振或者并聯(lián)諧振,危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行;諧波發(fā)生放大,造成電容器過熱,膨脹甚至產(chǎn)生破裂;電能計量失準(zhǔn),導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動化控制裝置誤動作;對通信和電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾｡

1.3電網(wǎng)污染的解決方法

因此電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補(bǔ)償問題變得日益迫切,目前濾波和補(bǔ)償是治理電網(wǎng)污染行之有效的方法｡濾波就是在污染源附近防止諧波電流的產(chǎn)生,補(bǔ)償就是對已經(jīng)被污染的電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,改善功率因數(shù)､濾除系統(tǒng)諧波､減少向系統(tǒng)注入諧波電流､穩(wěn)定母線電壓､降低三相電壓不平衡度等,提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力｡傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償多采用無源濾波技術(shù),即使用由電力電容器等無源器件構(gòu)成無源濾波器,它與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),為諧波提供一個低阻抗通路,同時也提供負(fù)載所需要的無功功率｡無源濾波具有簡單､方便的優(yōu)點,但它也存在突出缺點:只能抑制固定的幾次諧波,并對某次諧波在一定條件下會產(chǎn)生諧振而使諧波放大;只能補(bǔ)償固定的無功功率,對變化的無功負(fù)載不能進(jìn)行精確補(bǔ)償;其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大,并且其濾波特性有時很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)等｡針對傳統(tǒng)無源濾波技術(shù)的上述缺點,本文在動態(tài)無功優(yōu)化補(bǔ)償､有源濾波以及混合有源濾波方面進(jìn)行了研究和探討｡

2動態(tài)無功優(yōu)化補(bǔ)償和降低線損研究

在配網(wǎng)線路中裝設(shè)補(bǔ)償電容器,實質(zhì)上就是通過改變電網(wǎng)無功功率的分布,即降低線路中的電流,降低電壓損耗,以提高功率因數(shù),改善電壓質(zhì)量,從而達(dá)到降低線損的目的｡但往往由于電容器投切手段落后,不能根據(jù)無功需求的變化及時調(diào)整電容補(bǔ)償容量,導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生欠補(bǔ)或過補(bǔ)償現(xiàn)象｡通過配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的“遙信､遙測､遙控”功能可較好地實現(xiàn)無功動態(tài)補(bǔ)償｡

配網(wǎng)主站系統(tǒng)從10kV線路采集電壓和電流數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯計算,按照節(jié)點電壓､無功所處的分區(qū)位置(見圖1)來控制電容器組投切,確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi),實現(xiàn)就地?zé)o功平衡和線路電壓穩(wěn)定｡

2.1配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)對電容器無功補(bǔ)償?shù)倪\算

(1)當(dāng)配網(wǎng)主站系統(tǒng)采集節(jié)點的無功功率,即過補(bǔ)償時,則:

①工作區(qū)域在1區(qū)(U>UH),切電容器｡

②工作區(qū)域在4區(qū)(ULQ1,c,繼續(xù)運行,否之切電容器｡

③工作區(qū)域在6區(qū)(U(2)當(dāng)配網(wǎng)主站系統(tǒng)采集節(jié)點的無功功率Q1=3UIsinQ1>QH,即欠補(bǔ)償時,則:

①工作區(qū)域在3區(qū)(U>UH),切電容器｡

②工作區(qū)域在5區(qū)(ULQ1,,不允許投入,否之投電容器｡

③工作區(qū)域在8區(qū),投電容器｡

(3)當(dāng)配網(wǎng)主站系統(tǒng)采集節(jié)點的無功功率QL①工作區(qū)域在0區(qū)(UL②工作區(qū)域在2區(qū)(U>UH),切電容器｡

③工作區(qū)域在7區(qū)(U以上無功和有功的采樣,均以20s為一采樣周期,避免引起頻繁動作｡其中,取T周期內(nèi)的平均值｡

2.2電容器投切的閉瑣條件

(1)電壓極限閉鎖:U≥12kV或U≤8kV,配電主站系統(tǒng)閉鎖住投切電容器的操作｡

(2)在動作時間間隔5min內(nèi),發(fā)出相反的操作指令時,閉鎖住電容器的投切｡

(3)電容器出現(xiàn)故障突變電流時,閉鎖住電容器的投切｡

(4)超過每日設(shè)定的投切最大次數(shù),閉鎖住電容器的投切｡

(5)柱上開關(guān)拒動時,閉鎖住電容器的投切并報警｡

(6)當(dāng)電容器采樣裝置報出異常時閉鎖操作指令并報警｡

(7)柱上開關(guān)處于停運或檢修狀態(tài)時閉鎖相應(yīng)遠(yuǎn)方操作指令｡

10kV線路補(bǔ)償是靠配網(wǎng)主站系統(tǒng)從10KV線路采的電壓信號和電流信號,通過邏輯計算,由計算機(jī)來確定電容組的投切,確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi),實現(xiàn)就地?zé)o功平衡和線路電壓穩(wěn)定｡

3有源濾波

二十世紀(jì)70年代國外提出了用PWM變換器構(gòu)成電力有源濾波器(activepowerfilter,簡稱APF)｡與無源濾波器相比,APF具有可控和快速響應(yīng)特性,并且能跟蹤補(bǔ)償各次諧波､自動產(chǎn)生所需變化的無功功率,其特性不受系統(tǒng)影響,無諧波放大危險,相對體積重量較小等突出優(yōu)點,因而已成為電力諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?#65377;有源濾波的原理是實時檢測電網(wǎng)諧波,利用可關(guān)斷電力電子器件產(chǎn)生與負(fù)荷電流中的諧波分量大小相等,相位相反的電流注入到電網(wǎng)中去,與電網(wǎng)中原有的諧波分量相互抵消,最終消除諧波｡無源濾波采用的是將濾波支路等效阻抗降低從而使諧波更多地分流到濾波支路上的方法,APF采用的則是從相位上完全抵消諧波的方法｡APF產(chǎn)生的諧波大小和相位是由系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)決定的,不會隨溫度和時間的變化而變化｡有源電力濾波器具有補(bǔ)償各次諧波､抑制閃變､補(bǔ)償無功,自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波等技術(shù)優(yōu)勢｡

電力有源濾波器一般由PWM變換器構(gòu)成｡根據(jù)變換器直流側(cè)儲能元件的不同,可分為電壓型APF和電流型APF｡電壓型APF在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制,使直流側(cè)電壓維持不變｡電流型APF在工作時需對直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制,使直流側(cè)電流維持不變｡電壓型APF的優(yōu)點是損耗較少,效率高,是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)APF采用的主電路結(jié)構(gòu)｡但是電流型APF由于開關(guān)器件不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象,隨著超導(dǎo)儲能磁體研究的進(jìn)展,也將促進(jìn)多功能電流型APF投入實用｡3.1實時諧波檢測

目前有源濾波器中,基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法應(yīng)用最多｡

3.2有源濾波器仿真平臺

對于以往的仿真平臺,多采用MATLAB來搭建,MATLAB是基于數(shù)學(xué)分析的軟件,其對電路在實際應(yīng)用中可能遇到的各種情況,如溫度變化､各部件參數(shù)漂移､開關(guān)損耗與導(dǎo)通和關(guān)斷時間等,進(jìn)行仿真模擬｡其提供強(qiáng)大的數(shù)?；旌戏抡婺芰?尤其適用于數(shù)字化控制系統(tǒng)｡MATLAB與Saber在應(yīng)用方面存在很大的差異｡Saber專注于混合信號系統(tǒng)､混合信號電路以及電源系統(tǒng)設(shè)計｡MATLAB注重數(shù)學(xué)分析,一般用于頂層(傳函級､算法級)分析,缺乏實際的器件級模型(半導(dǎo)體元件､執(zhí)行機(jī)構(gòu)等),因此對實際工程應(yīng)用的支持力度不夠｡而Saber則是混合信號系統(tǒng)分析領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其不僅能夠?qū)υO(shè)計進(jìn)行頂層傳遞函數(shù)､算法級分析,也能夠支持底層的器件電路級分析｡

3.3有源濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制

根據(jù)有源濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前主要研究的有源濾波器可以分為:兩電平有源濾波器､三電平有源濾波器以及級連多電平有源濾波器｡兩電平有源濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),兩電平有源濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相關(guān)的組成部分如圖2所示:

系統(tǒng)主電路部分主要由PWM有源濾波器､高次諧波濾波器組成｡有源濾波部分從電網(wǎng)吸收基波電流維持直流電壓恒定,輸出與負(fù)載諧波電流反相的電流,消除電網(wǎng)諧波;高次諧波濾波器負(fù)責(zé)消除有源部分由于開關(guān)作用產(chǎn)生的高次諧波,避免由PWM有源濾波器在功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生額外的高次諧波注入電網(wǎng)｡

4混合有源濾波探討?yīng)?/p>

混合型APF是APF與無源L-C濾波網(wǎng)絡(luò)共同使用｡無源濾波消除低次諧波,LC進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù);APF消除高次諧振,同時消除阻尼無源LC網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗產(chǎn)生諧振,從而使APF的電流､電壓額定大大減少(功率容量可減少到負(fù)載容量的5%以下),降低了APF的成本和體積｡目前工程上應(yīng)用的有源濾波器多與無源濾波器同時使用構(gòu)成混合APF系統(tǒng)｡混合型APF是將有源濾波器(APF)與LC無源濾波器(PF)聯(lián)合使用,以減少APF體積和成本｡

對于兩電平有源濾波,實際的應(yīng)用來看主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有:A､并聯(lián)APF與并聯(lián)PF組成混合有源電力濾波主電路方案,如圖3所示;B､APF通過變壓器與PF串連然后并聯(lián)到電網(wǎng)的混合有源電力濾波主電路方案｡

仿真中PF濾波器的參數(shù)選擇如下:(1)5次諧波濾波器c5=180uF､l5=2.251mH;(2)7次諧波濾波器c7=91.87uF､l7=2.252mH;(3)高通濾波器ch=30uF､lh=2.8mH､rh=10;有源濾波器參數(shù)如下:電壓環(huán)采樣頻率:2kHz;電流環(huán)采樣頻率:10kHz;電感Lre:3.5mH;電感寄生電阻Rre:0.5Ω;直流母線電壓給定Vdc*:600V;三相輸入電源頻率f:50Hz;負(fù)載電阻R:50Ω;直流母線端電容C:5000uF｡負(fù)載為帶阻值為100Ω的三相二極管整流器諧波源｡

參考文獻(xiàn)

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