提高電網供電質量的策略研究
2007-01-01 00:00:00馬云龍
現代商貿工業 2007年3期
摘 要:對如何解決電網污染進行了研究如何進行動態無功優化補償和降低線損進行了分析，有源濾波方面，對有源濾波器的實時諧波檢測技術#65380;仿真平臺#65380;有源濾波器的主電路拓撲結構#65380;有源濾波器 PWM 控制技術以及混合有源濾波器進行了初步的探討和分析，得出以有源濾波器為基礎的混合有源濾波器可以很好的解決電網的諧波污染問題的結論#65377;
關鍵詞:電網;供電質量;有源濾波
1 引言
1.1 影響電網供電質量的原因
隨著現代照明#65380;通信設施#65380;開關電源等的快速普及，使電網中非線性負載量劇增，曾有統計表明，幾十年前，電網中非線性負載與線性負載量之比為 1∶9，而現在，非線性負載與線性負載量之比則為 8∶2#65377;非線性負載主要有:1.具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒備，如:變壓器#65380;電抗器等;2.以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，如:氣體放電燈#65380;交流弧焊機#65380;煉鋼電弧爐等;3.以電力電子元件為基礎的開關電源設備#65377;
以上這些非線性電氣設備(或稱之為非線性負荷)的顯著的特點是它們從電網吸收非正弦電流，也就是說，即使電源給這些負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倍的諧波組成，即產生了諧波，使電網電壓嚴重失真，同時還會產生大量的無功功率#65377;
1.2 電網污染的危害
這些設備運行所產生的大量的諧波和無功功率會對電網的運行產生很大的影響:消耗無功，增加線路損耗，使電能的生產，傳輸和利用效率降低;引起設備過載，電器設備過熱，降低設備絕緣等級;降低負載工作性能，例如使電機產生附加力矩和噪聲;設備故障，引起電力系統局部發生串聯諧振或者并聯諧振，危害電網安全穩定運行;諧波發生放大，造成電容器過熱，膨脹甚至產生破裂;電能計量失準，導致繼電保護和自動化控制裝置誤動作;對通信和電子設備產生電磁干擾#65377;
1.3 電網污染的解決方法
因此電力系統諧波抑制及無功補償問題變得日益迫切，目前濾波和補償是治理電網污染行之有效的方法#65377;濾波就是在污染源附近防止諧波電流的產生，補償就是對已經被污染的電網進行補償，改善功率因數#65380;濾除系統諧波#65380;減少向系統注入諧波電流#65380;穩定母線電壓#65380;降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統承受諧波的能力#65377;傳統的諧波抑制和無功補償多采用無源濾波技術，即使用由電力電容器等無源器件構成無源濾波器，它與需補償的非線性負載并聯，為諧波提供一個低阻抗通路，同時也提供負載所需要的無功功率#65377;無源濾波具有簡單#65380;方便的優點，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生諧振而使諧波放大;只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償;其濾波特性受系統參數影響較大，并且其濾波特性有時很難與調壓要求相協調等#65377;針對傳統無源濾波技術的上述缺點，本文在動態無功優化補償#65380;有源濾波以及混合有源濾波方面進行了研究和探討#65377;
2 動態無功優化補償和降低線損研究
在配網線路中裝設補償電容器，實質上就是通過改變電網無功功率的分布，即降低線路中的電流，降低電壓損耗，以提高功率因數，改善電壓質量，從而達到降低線損的目的#65377;但往往由于電容器投切手段落后，不能根據無功需求的變化及時調整電容補償容量，導致經常發生欠補或過補償現象#65377;通過配網自動化系統的“遙信#65380;遙測#65380;遙控”功能可較好地實現無功動態補償#65377;
配網主站系統從 10kV 線路采集電壓和電流數據并進行邏輯計算，按照節點電壓#65380;無功所處的分區位置(見圖1)來控制電容器組投切，確保電壓和功率因數在設定范圍之內，實現就地無功平衡和線路電壓穩定#65377;
2.1 配網自動化主站系統對電容器無功補償的運算
(1) 當配網主站系統采集節點的無功功率 ，即過補償時，則:
①工作區域在 1 區(U>UH)，切電容器#65377;
②工作區域在 4 區(UL
③工作區域在 6 區(U (2) 當配網主站系統采集節點的無功功率 Q1= 3 UIsinQ1 >QH，即欠補償時，則: ①工作區域在 3 區(U>UH)，切電容器#65377; ②工作區域在 5 區(UL ③工作區域在 8 區，投電容器#65377; (3) 當配網主站系統采集節點的無功功率 QL ①工作區域在 0 區(UL ②工作區域在 2 區(U>UH)，切電容器#65377; ③工作區域在 7 區(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#65377;其中 ，取 T 周期內的平均值#65377; 2.2 電容器投切的閉瑣條件 (1) 電壓極限閉鎖:U≥12kV 或 U≤8kV，配電主站系統閉鎖住投切電容器的操作#65377; (2) 在動作時間間隔 5min 內，發出相反的操作指令時，閉鎖住電容器的投切#65377; (3) 電容器出現故障突變電流時，閉鎖住電容器的投切#65377; (4) 超過每日設定的投切最大次數，閉鎖住電容器的投切#65377; (5) 柱上開關拒動時，閉鎖住電容器的投切并報警#65377; (6) 當電容器采樣裝置報出異常時閉鎖操作指令并報警#65377; (7) 柱上開關處于停運或檢修狀態時閉鎖相應遠方操作指令#65377; 10kV 線路補償是靠配網主站系統從 10KV 線路采的電壓信號和電流信號，通過邏輯計算，由計算機來確定電容組的投切，確保電壓和功率因數在設定范圍之內，實現就地無功平衡和線路電壓穩定#65377; 3 有源濾波 二十世紀 70 年代國外提出了用 PWM 變換器構成電力有源濾波器(active powerfilter，簡稱 APF)#65377;與無源濾波器相比，APF 具有可控和快速響應特性，并且能跟蹤補償各次諧波#65380;自動產生所需變化的無功功率，其特性不受系統影響，無諧波放大危險，相對體積重量較小等突出優點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償的重要手段#65377;有源濾波的原理是實時檢測電網諧波，利用可關斷電力電子器件產生與負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中去，與電網中原有的諧波分量相互抵消，最終消除諧波#65377;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#65377;APF 產生的諧波大小和相位是由系統當前狀態決定的，不會隨溫度和時間的變化而變化#65377;有源電力濾波器具有補償各次諧波#65380;抑制閃變#65380;補償無功，自動跟蹤補償變化的諧波等技術優勢#65377; 電力有源濾波器一般由 PWM 變換器構成#65377;根據變換器直流側儲能元件的不同，可分為電壓型 APF 和電流型 APF#65377;電壓型 APF 在工作時需對直流側電容電壓控制，使直流側電壓維持不變#65377;電流型 APF 在工作時需對直流側電感電流進行控制，使直流側電流維持不變#65377;電壓型 APF 的優點是損耗較少，效率高，是目前國內外絕大多數 APF 采用的主電路結構#65377;但是電流型 APF 由于開關器件不會發生直通短路現象，隨著超導儲能磁體研究的進展，也將促進多功能電流型APF 投入實用#65377; 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用最多#65377; 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 是基于數學分析的軟件，其對電路在實際應用中可能遇到的各種情況，如溫度變化#65380;各部件參數漂移#65380;開關損耗與導通和關斷時間等，進行仿真模擬#65377;其提供強大的數模混合仿真能力，尤其適用于數字化控制系統#65377;MATLAB 與 Saber 在應用方面存在很大的差異#65377;Saber 專注于混合信號系統#65380;混合信號電路以及電源系統設計#65377;MATLAB 注重數學分析，一般用于頂層(傳函級#65380;算法級)分析，缺乏實際的器件級模型(半導體元件#65380;執行機構等)，因此對實際工程應用的支持力度不夠#65377;而 Saber 則是混合信號系統分析領域的工業標準，其不僅能夠對設計進行頂層傳遞函數#65380;算法級分析，也能夠支持底層的器件電路級分析#65377; 3.3 有源濾波器主電路拓撲結構及控制 根據有源濾波器的主電路拓撲結構，目前主要研究的有源濾波器可以分為:兩電平有源濾波器#65380;三電平有源濾波器以及級連多電平有源濾波器#65377;兩電平有源濾波器主電路拓撲結構，兩電平有源濾波器主電路拓撲結構以及相關的組成部分如圖2所示: 系統主電路部分主要由 PWM 有源濾波器#65380;高次諧波濾波器組成#65377;有源濾波部分從電網吸收基波電流維持直流電壓恒定，輸出與負載諧波電流反相的電流，消除電網諧波;高次諧波濾波器負責消除有源部分由于開關作用產生的高次諧波，避免由 PWM 有源濾波器在功率器件開關過程中產生額外的高次諧波注入電網#65377; 4 混合有源濾波探討 混合型APF是APF與無源L-C濾波網絡共同使用#65377; 無源濾波消除低次諧波，LC進行無功補償的任務;APF 消除高次諧振，同時消除阻尼無源 LC 網絡與線路阻抗產生諧振，從而使 APF 的電流#65380;電壓額定大大減少(功率容量可減少到負載容量的5%以下)，降低了 APF 的成本和體積#65377;目前工程上應用的有源濾波器多與無源濾波器同時使用構成混合 APF 系統#65377;混合型 APF 是將有源濾波器(APF)與 LC 無源濾波器(PF)聯合使用，以減少 APF 體積和成本#65377; 對于兩電平有源濾波，實際的應用來看主電路拓撲結構有:A#65380;并聯 APF 與并聯 PF 組成混合有源電力濾波主電路方案，如圖3所示;B#65380;APF 通過變壓器與PF 串連然后并聯到電網的混合有源電力濾波主電路方案#65377; 仿真中 PF 濾波器的參數選擇如下:(1)5 次諧波濾波器 c5 = 180uF#65380;l5 = 2.251mH;(2)7 次諧波濾波器 c7= 91.87uF#65380;l7=2.252mH;(3)高通濾波器 ch=30uF#65380;lh=2.8mH#65380;rh=10;有源濾波器參數如下:電壓環采樣頻率:2kHz;電流環采樣頻率: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;負載電阻 R:50Ω;直流母線端電容C:5000uF#65377;負載為帶阻值為 100Ω的三相二極管整流器諧波源#65377; 參考文獻 [1]Lee，K.Y.;Cha，Y.T.;Park，J.H.;Short Term Load Forecasting Using an ArtificialNeural Network. IEEE Trans on Power Systems， 2002(7): 124-130. [2]郭瑞鵬，韓禎祥.變步長變尺度 BP 算法及其在電力系統中的應用[J].電力系統自動化，2006， (21): 7-10. [3]王民量，張伯明，夏清.電力系統短期負荷預測的共軛梯度 ANN 方法[J].電力系統自動化，2005，(1): 34-36. [4]岑文輝，雷友坤，謝恒.應用人工神經網與遺傳算法進行短期負荷預測[J].電力系統自動化，2006，(3): 29-32.
