無功補(bǔ)償與濾波治理裝置

1、無功補(bǔ)償與濾波治理裝置天津水利電力機(jī)電研究所楊澤明無功補(bǔ)償和諧波治理是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動化技術(shù)、電工理論等領(lǐng)域的重大課題,由于電力電子裝置應(yīng)用日益廣泛,諧波和無功問題引起人們越來越多的關(guān)注.同時,也由于電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步,在諧波治理和無功補(bǔ)償方面也取得了一些突破性的進(jìn)展.一、無功補(bǔ)償與諧波治理的意義無功補(bǔ)償與諧波治理都與供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量密切相關(guān).諧波治理本身就屬于改善電能質(zhì)量的范疇,而無功補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償負(fù)荷或系統(tǒng)無功功率的同時也直接調(diào)節(jié)了系統(tǒng)電壓,在一些樞紐變電站利用電力電容器和相控電抗器及現(xiàn)代電力電子限制技術(shù)組成的靜止無功補(bǔ)償器(SVC)(SVC)直接作為電壓調(diào)控的手

2、段,由于其響應(yīng)迅速調(diào)控精準(zhǔn),工程應(yīng)用十分滿意.由此可見無功補(bǔ)償也對電能質(zhì)量的提升有著直接積極的意義.(1)(1)電能質(zhì)量的現(xiàn)狀電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供應(yīng)用戶端的交流電能的品質(zhì).理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、 正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對用戶供電,并且在三相交流系統(tǒng)中,各相電壓電流的幅值應(yīng)大小相等、相位對稱.但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對稱,負(fù)荷性質(zhì)多變、調(diào)控手段不完善等因素使這種理想的狀態(tài)并不存在,由此產(chǎn)生了電能質(zhì)量問題.電能質(zhì)量包括供電電壓質(zhì)量、供電頻率質(zhì)量、供電電流質(zhì)量,而其確切定義國內(nèi)外尚無統(tǒng)一共識,進(jìn)入 9090 年代后,我國分別公布了標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),包括：

3、GB12325-1990GB12325-1990?電能質(zhì)量供電電壓允許偏差?GB/T14549-1993GB/T14549-1993?電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波?GB/T15543-1995GB/T15543-1995?電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度?GB/T15945-1995GB/T15945-1995?電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差?GB12326-2000GB12326-2000電能質(zhì)量電壓波動和閃變?其中,電壓和頻率均由電源進(jìn)行限制,目前我國在發(fā)電和傳輸系統(tǒng)均進(jìn)行了嚴(yán)格的限制,在電能的傳輸與使用過程中能夠到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求,而公用電網(wǎng)諧波屬于雙向傳輸污染,既可以由電源傳遞給電能用戶,也可由電能用戶傳

4、遞到公用電網(wǎng).隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的開展,非線性用電設(shè)備的種類、 數(shù)量和用電量正在迅猛增加,自上世紀(jì) 9090 年代中后期,我國電網(wǎng)開始遭遇并迅速面臨同興旺國家的諧波污染問題,諧波問題由此成為電能質(zhì)量中最為引人關(guān)注問題.目前研究和解決電能質(zhì)量問題已成為電力開展的當(dāng)務(wù)之急.主要的研究方向有以下幾點(diǎn)：a a研究諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量污染的影響并采取的相應(yīng)對策.b b研究諧波對電力計量裝置的影響并采取相應(yīng)的舉措.c c 研究電能質(zhì)量污染對高新技術(shù)企業(yè)的影響并應(yīng)采取的相應(yīng)的技術(shù)手段.d d增強(qiáng)電能質(zhì)量限制裝置的研制.我國電能質(zhì)量限制與治理技術(shù)在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)公布之后已經(jīng)取得一定成效,目前已經(jīng)掌握了代表

5、電能質(zhì)量限制裝置技術(shù)水平的電能質(zhì)量限制器ASCGASCG 的技術(shù),并生產(chǎn)出了相應(yīng)產(chǎn)品,而目前只有美國、日本、德國掌握了這項(xiàng)技術(shù),但大容量電能質(zhì)量限制器的研制還與國外有一定的差距,還需進(jìn)一步增強(qiáng)投入.2 2無功補(bǔ)償?shù)囊饬x發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率包含了有功功率和無功功率,有功功率通過各種設(shè)備轉(zhuǎn)換為其他形式的能量直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,而無功功率只在電力系統(tǒng)內(nèi)部不同設(shè)備間交換用以建立電力設(shè)備工作的電磁環(huán)境,其本身不做功不直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,因此稱為無功功率.電力系統(tǒng)本身對無功功率的需求比有功功率大,假設(shè)綜合有功發(fā)電最大負(fù)荷為 100%100%那么無功總需求約為120%140%120%140%它包括負(fù)荷的無功功率和線

6、路、變壓器的無功損耗,而發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)一般大于0.80.8, ,所以單靠發(fā)電機(jī)發(fā)出無功功率是不能平衡電力系統(tǒng)無功需求的.大量的無功功率在線路中傳輸將不可預(yù)防的造成輸電線路、變壓器損耗增大,造成線路電壓降落并影響用戶供電質(zhì)量,直接從發(fā)電機(jī)索要無功將使發(fā)電機(jī)的有功出力減少,因此長距離輸送無功功率也是電力系統(tǒng)不允許的.用戶無功缺乏將導(dǎo)致設(shè)備功率因數(shù)偏低,設(shè)備運(yùn)行功率達(dá)不到額定功率,效率低下.所以為了減少有功損失和電壓降落,釋放變壓器、發(fā)電機(jī)容量、 提升用戶設(shè)備利用率和電網(wǎng)供電質(zhì)量,在負(fù)荷中央需要加裝無功功率電源,進(jìn)行無功功率補(bǔ)償,以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的無功功率平衡.此外根據(jù)當(dāng)前國務(wù)院“節(jié)能減排的工作部署

7、,電力系統(tǒng)領(lǐng)域利用無功補(bǔ)償提升設(shè)備的利用率、充分利用發(fā)電機(jī)的出力從而降低對化石燃料的需求也是“節(jié)能減排的重要途徑.(3)(3)諧波治理的意義如前所述,諧波問題已成為電能質(zhì)量中最為引人關(guān)注的問題,諧波會造成電力系統(tǒng)電壓畸變,使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低,其危害還表達(dá)在：a)a)對用電設(shè)備平安運(yùn)行的影響和危害,包括：引起各類電機(jī)和變壓器的局部過熱、過電壓、機(jī)械振動和降低輸出功率；增加電容器和電纜絕緣介質(zhì)的局部放電和溫升,引起機(jī)械振動,縮短使用壽命等.引起計算機(jī)及其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)喪失、誤顯示、誤傳、元件損壞等事故；引起電視機(jī)圖像變壞、翻滾,引起其他視聽設(shè)備的雜音等.b)b)對電力系統(tǒng)平安運(yùn)行的影響

8、和危害,包括：降低斷路器、 避雷器、 電壓互感器的正常功能,嚴(yán)重時直接損壞這些設(shè)備；引起繼電保護(hù)和其他自動裝置的誤動、拒動或損壞,直接危及系統(tǒng)的平安運(yùn)行；增大電力系統(tǒng)的線損,增加電能表和其他常規(guī)表計的誤差.c c對通信系統(tǒng)的電磁干擾,引起雜音,有時出現(xiàn)過電壓等.由諧波引起的諸多問題可以看到諧波治理已是刻不容緩,降低諧波產(chǎn)生的危害將對社會生活、 工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大效益,諧波治理的意義更可以上升到治理環(huán)境污染、 維護(hù)綠色環(huán)境的角度來熟悉,對于電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說,無諧波就是“綠色的主要標(biāo)志之一.4 4無功補(bǔ)償與諧波治理的關(guān)系無功補(bǔ)償主要用于補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率,諧波治理主要用于凈化電網(wǎng)諧波污染,雖然二者

9、分屬不同的領(lǐng)域和研究方向,但他們之間的緊密聯(lián)系以表達(dá)在實(shí)際應(yīng)用的各個方面.總結(jié)來說主要有以下幾點(diǎn)原因：a a諧波治理屬改善電能質(zhì)量的范疇,無功補(bǔ)償同樣可以改善供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量,因此在電能質(zhì)量領(lǐng)域二者有此緊密聯(lián)系.b b 在無諧波的情況下,無功功率有其固定的概念和定義,而在含有諧波的情況下,無功功率的定義和諧波有密切的關(guān)系,諧波除其本身的問題外,也影響負(fù)載和電網(wǎng)的無功功率,諧波功率不產(chǎn)生任何效益,也可認(rèn)為是“無功功率.c c產(chǎn)生諧波的裝置同時也大都是消耗基波無功功率的裝置.d d目前為止諧波治理裝置大都是補(bǔ)償基波無功功率的裝置,如廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的 LCLC 濾波器.正因此,諧波治理和無功補(bǔ)償

10、在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常被提在一起.二、無功補(bǔ)償裝置與諧波治理裝置的現(xiàn)狀介于無功補(bǔ)償和諧波治理在生活生產(chǎn)中的現(xiàn)實(shí)意義,國內(nèi)外在無功補(bǔ)償和諧波治理裝置的研究方面作了大量的工作.無功補(bǔ)償裝置從最早期的同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償,到如今廣泛應(yīng)用的電力電容器補(bǔ)償,再到結(jié)合現(xiàn)代電力電子技術(shù)的各種靜止補(bǔ)償裝置,諧波治理裝置從廣泛應(yīng)用的 LCLC 濾波器到基于電力電子技術(shù)和現(xiàn)代限制技術(shù)的有源電力濾波器(APF),(APF),都經(jīng)歷幾代的變遷和技術(shù)的飛躍.(1)(1)無功補(bǔ)償裝置的類型和特點(diǎn)無功補(bǔ)償裝置種類繁多,隨著時代和技術(shù)的開展主要經(jīng)歷了以下幾種：同步調(diào)相機(jī)、電力電容器和并聯(lián)電抗器、靜止補(bǔ)償器等.相對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的同步調(diào)相機(jī)

11、而言,后三種可稱為靜止設(shè)備.a)a)同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是一臺空載運(yùn)行的同步電動機(jī),在過勵磁時可發(fā)出無功功率,欠勵磁時可以吸收無功功率,調(diào)節(jié)均勻簡單,其自動勵磁調(diào)節(jié)裝置能使同步調(diào)相機(jī)在端電壓波動時自動調(diào)節(jié)無功功率,維持電壓及系統(tǒng)的穩(wěn)定,適用于大型變電站所進(jìn)行集中補(bǔ)償,其缺點(diǎn)是投資大,功率損耗大,動態(tài)響應(yīng)的時間也較長,由于是旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量也較大.總體上來說,這種補(bǔ)償手段已顯陳舊,已有逐漸被取代的趨勢.b)b)電力電容器能夠補(bǔ)償負(fù)荷感性無功以提升功率因數(shù),故又稱為移相電容器,它常并接于 6.36.3、 10.510.5 或 35KV35KV 母線上,故又稱為并聯(lián)電容器,在電力系統(tǒng)常用的無功功率

12、補(bǔ)償設(shè)備中并聯(lián)電容器的費(fèi)用最低,有功功率損耗最小,運(yùn)行維護(hù)最簡便,可集中安裝,也可分散安裝在用戶處或近負(fù)荷中央的地點(diǎn),實(shí)現(xiàn)無功的就地補(bǔ)償,因此應(yīng)用廣泛.它的主要缺點(diǎn)是電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)差,并且不能像同步調(diào)相機(jī)那樣連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率和吸收滯后的無功功率,在系統(tǒng)中含有諧波時還有可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,使諧波放大.在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置按電壓等級可分為低壓補(bǔ)償裝置和高壓補(bǔ)償裝置,按投切方式可分為自動投切補(bǔ)償裝置和手動投切補(bǔ)償裝置,按響應(yīng)速度可分為動態(tài)補(bǔ)償裝置和靜態(tài)補(bǔ)償裝置,按補(bǔ)償方式還可分為集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償.c)c)并聯(lián)電抗器并接于系統(tǒng)輸電線路上,用于吸收高壓電力網(wǎng)過剩的無功功率和遠(yuǎn)距

13、離輸電線路的參數(shù)補(bǔ)償.含有超高壓架空線路和高壓電纜的電力網(wǎng)中,輕負(fù)荷運(yùn)行時各線路分布電容產(chǎn)生的無功功率大于線路電抗中消耗的無功功率,因此會出現(xiàn)無功功率過?，F(xiàn)象,利用并聯(lián)電抗器可以就近吸收線路的無功功率,預(yù)防電力網(wǎng)電壓過局.d d靜止補(bǔ)償裝置是近年來隨著大功率可控型電力電子開關(guān)的發(fā)展而開展起來的,是柔性交流輸電系統(tǒng)的重要組成局部.靜止無功補(bǔ)償裝置 SVCSVC , ,廣泛應(yīng)用于輸電系統(tǒng)波阻抗補(bǔ)償及長距離輸電的分段補(bǔ)償,也大量應(yīng)用于負(fù)載無功補(bǔ)償.具典型代表是晶閘管限制電抗器+固定電容器TCR+FCTCR+FC, ,靜止無功補(bǔ)償裝置的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率,這種連續(xù)調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)

14、TCRTCR 中晶閘管的觸發(fā)延遲角實(shí)現(xiàn)的.另外一種常見的 SVCSVC 形式是晶閘管投切電容器TSCTSC, ,但它只能分組投切,不能連續(xù)調(diào)節(jié),只有和 TCRTCR 配合使用才能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償裝置整體無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié).SVCSVC 的調(diào)節(jié)連續(xù)且響應(yīng)迅速,因此可以對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償,使補(bǔ)償點(diǎn)的電壓接近維持不變,是目前同步調(diào)相機(jī)的主要替代方案.比 SVCSVC 更先進(jìn)的現(xiàn)代補(bǔ)償裝置是靜止無功發(fā)生器SVGSVG,它也是一種電力電子裝置,其最根本的電路是三相橋式電壓型或電流型變流電路,目前使用的主要是電壓型.SVGSVG 在其直流側(cè)只需較小容量的電容器維持其電壓即可,通過不同限制可使其發(fā)出無功功率也可

15、吸收無功功率,采用 PWMPWM 限制,可使其輸入電流接近正弦波.2 2諧波治理裝置的類型和特點(diǎn)解決電力系統(tǒng)的諧波污染問題主要有兩點(diǎn)解決思路,一是抑制諧波的產(chǎn)生,對電力電子裝置進(jìn)行改造使其不產(chǎn)生諧波,這是從根本上解決諧波問題的途徑,但也只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置； 另一條就是裝設(shè)諧波治理裝置濾除諧波.這是目前普遍可行也應(yīng)用廣泛解決方法.裝設(shè)諧波治理裝置最傳統(tǒng)的方法就是采用 LCLC 無源調(diào)諧濾波器,其原理是利用濾波電抗器L L和濾波電容器C C和濾波電阻器R R組成調(diào)諧支路,給特征諧波形成公用電網(wǎng)之外的低阻抗通路,使流入公用電網(wǎng)的諧波滿足相應(yīng)要求,這種方法治理諧波簡單可靠,濾除諧波的

16、同時還能補(bǔ)償基波無功功率,結(jié)構(gòu)簡單,綜合計算起來投資少、 維護(hù)簡便,是目前應(yīng)用最廣泛的諧波治理裝置.這種方法主要的缺點(diǎn)是治理效果受電網(wǎng)運(yùn)行方式和阻抗影響較大,參數(shù)設(shè)置不正確易與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大甚至濾波器過載燒毀.諧波治理裝置的另一個開展趨勢是有源電力濾波器APFAPF, ,有源電力濾波器也是一種電力電子裝置,其根本原理是先從需治理的線路中檢測出諧波電流,然后由濾波器產(chǎn)生一個與檢測的諧波電流大小相等極性相反的電流與線路中的諧波電流疊加,從而使電網(wǎng)電流只含基波分量.與無源濾波器相比,APAPF F具有高度可控性和快速響應(yīng)性,其具體特點(diǎn)如下：a a 不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制閃變、

17、補(bǔ)償無功,有一機(jī)多能的特點(diǎn),在性價比上較為合理；b b 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；c c具有自適應(yīng)功能,可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波.有源濾波器這種優(yōu)異的治理效果,目前已得到廣泛的重視,但因其本錢偏高,應(yīng)用范圍受到一定限制,隨著電力電子工業(yè)的開展,器件的性價比將不斷提升,APFAPF 必然會得到廣泛應(yīng)用.為了綜合無源濾波器的低本錢和有源濾波器優(yōu)異的濾波性能,混合型濾波器應(yīng)運(yùn)而生,該型濾波器通過無源濾波器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償并濾除特征諧波的主要局部,其余諧波通過有源濾波器濾除,能同時實(shí)現(xiàn)大容量無功補(bǔ)償和諧波治理的要求,并同時降低投資本錢,混合型濾波器是諧波含量較大且成

18、分復(fù)雜工況的有效解決方案.三、我所在該領(lǐng)域的研究方向和進(jìn)展我所諧波治理裝置的研究正式起步于 20222022 年,借助于直流換流站、高功耗業(yè)主、各地中試所等合作單位,獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn),開發(fā)了 FCFC 中高壓電力系統(tǒng)補(bǔ)償濾波裝置,該型濾波裝置結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,維護(hù)簡便,在電解鋁行業(yè)獲得了較多應(yīng)用,在工業(yè)制堿、 工頻爐煉鋼系統(tǒng)也得到一定應(yīng)用,取得了大量現(xiàn)場資料,目前目前已簽訂合同到達(dá)16001600 萬元,用戶一致反映運(yùn)行穩(wěn)定,治理效果滿足相關(guān)要求.在 FCFC 中高壓補(bǔ)償濾波裝置研制成功后,我所在 FCFC 裝置的技術(shù)基礎(chǔ)上,20222022 年初分了兩個科研組,其中一

19、組研制 SVCSVC 靜止補(bǔ)償濾波裝置,該型裝置采用全數(shù)字化限制,動態(tài)響應(yīng)快、限制精度高；閥體設(shè)計采用臥式晶閘管閥組,設(shè)備緊湊,運(yùn)行可靠,維護(hù)工作量少；采用光電觸發(fā)方式,系統(tǒng)抗干擾水平強(qiáng),保護(hù)可靠；采用純水冷卻系統(tǒng),冷卻效率高,運(yùn)行可靠.在包括冶金用電弧爐、大型軋機(jī)、電氣化鐵道等諧波電流大且無功功率變化頻繁供電系統(tǒng)中得到良好的應(yīng)用,另外它還應(yīng)用于高壓、超高壓交流輸電系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功潮流,改善系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性.另一組研制開發(fā) TSFTSF 智能型無功補(bǔ)償濾波裝置,該型產(chǎn)品在無源濾波器的根底上采用先進(jìn)的大功率晶閘管過零投切技術(shù),實(shí)現(xiàn)電容器組投切無涌流、無沖擊；采用智能監(jiān)控終端,將動態(tài)無功補(bǔ)償濾

20、波成套裝置與配電自動化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)瞬時投切,投切響應(yīng)時間可限制到20m20mg g主要應(yīng)用于含有一定量的諧波電流,雖超標(biāo)但幅值不是很大,而無功功率變化頻繁的低壓供電系統(tǒng).我所在補(bǔ)償濾波系統(tǒng)共將開發(fā)完成三系列產(chǎn)品,分別是 FCFC 中高壓電力系統(tǒng)補(bǔ)償濾波裝置、SVCtSVCt 止補(bǔ)償裝置和 TSFTSF 智能型補(bǔ)償濾波裝置,三個工程合稱為?電力系統(tǒng)諧波治理裝置?,20222022 年度被科技部列為國家級火炬方案.四、技術(shù)難題與創(chuàng)新點(diǎn)FCFC 型中高壓補(bǔ)償濾波裝置,主要難點(diǎn)在建立符合各種現(xiàn)場工況的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,無源濾波器原理結(jié)構(gòu)相對簡單,但對系統(tǒng)參數(shù)和應(yīng)用場合極為敏感,設(shè)備的參數(shù)選擇和治理效果需和現(xiàn)場工況緊密結(jié)合,模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)稍有偏差或缺少了必要的約束條件和邊界,工程應(yīng)用中就會出現(xiàn)很大的風(fēng)險.我所根據(jù)多年高壓設(shè)備的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)人員的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn),并和國內(nèi)重點(diǎn)高校專家、合作廠家的專家屢次研討,結(jié)合引進(jìn)的分