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(dòng)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?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。同時(shí),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(shí)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)代電力電子控制技術(shù)組成的靜止無功補(bǔ)償器(SVC直接作為電壓調(diào)控的手段,由于其響

2、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(duì)電能質(zhì)量的提高有著直接積極的意義。(1電能質(zhì)量的現(xiàn)狀電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一共識(shí),進(jìn)入90年代后,我國(guó)分別頒布了規(guī)范電能質(zhì)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),包括:GB12325-1990 電能

3、質(zhì)量供電電壓允許偏差GB/T14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T15543-1995電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度GB/T15945-1995電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差GB12326-2000 電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變其中,電壓和頻率均由電源進(jìn)行控制,目前我國(guó)在發(fā)電和傳輸系統(tǒng)均進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,在電能的傳輸與使用過程中能夠達(dá)到標(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,也可由電能用戶傳遞到公用電網(wǎng)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)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)90年代中后期,我國(guó)電網(wǎng)開始遭遇并迅速面臨同發(fā)達(dá)國(guó)家的諧波污染問題,諧波

4、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)量問題已成為電力發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。主要的研究方向有以下幾點(diǎn):a研究諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量污染的影響并采取的相應(yīng)對(duì)策。b研究諧波對(duì)電力計(jì)量裝置的影響并采取相應(yīng)的措施。c研究電能質(zhì)量污染對(duì)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加強(qiáng)電能質(zhì)量控制裝置的研制。我國(guó)電能質(zhì)量控制與治理技術(shù)在國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)頒布之后已經(jīng)取得一定成效,目前已經(jīng)掌握了代表電能質(zhì)量控制裝置技術(shù)水平的電能質(zhì)量控制器(ASCG的技術(shù),并生產(chǎn)出了相應(yīng)產(chǎn)品,而目前只有美國(guó)、日本、德國(guó)掌握了這項(xiàng)技術(shù),但大容量電能質(zhì)量控制器的研制還與國(guó)外有一定的差距,還需進(jìn)一步加強(qiáng)投入。(2無功補(bǔ)償?shù)?/p>

5、意義發(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(duì)無功功率的需求比有功功率大,若綜合有功發(fā)電最大負(fù)荷為100%,則無功總需求約為120%140%,它包括負(fù)荷的無功功率和線路、變壓器的無功損耗,而發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)一般大于0.8,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避免的造成輸電線路、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

6、發(fā)電機(jī)的有功出力減少,因此長(zhǎng)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、提高用戶設(shè)備利用率和電網(wǎng)供電質(zhì)量,在負(fù)荷中心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(guó)務(wù)院“節(jié)能減排”的工作部署,電力系統(tǒng)領(lǐng)域利用無功補(bǔ)償提高設(shè)備的利用率、充分利用發(fā)電機(jī)的出力從而降低對(duì)化石燃料的需求也是“節(jié)能減排”的重要途徑。(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(huì)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

7、,其危害還體現(xiàn)在:a對(duì)用電設(shè)備安全運(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(dòng)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(dòng),縮短使用壽命等。引起計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失、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對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響和危害,包括:降低斷路器、避雷器、電壓互感器的正常功能,嚴(yán)重時(shí)直接損壞這些設(shè)備;引起繼電保護(hù)和其他自動(dòng)裝置的誤動(dòng)、拒動(dòng)或損壞,直接危及系統(tǒng)的安全運(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(jì)的誤差。c對(duì)通信系統(tǒng)的電磁干擾,引起電話雜音,有時(shí)出現(xiàn)過電壓等。由諧波引起

8、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(duì)社會(huì)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)境的角度來認(rèn)識(shí),對(duì)于電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來說,無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。(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)系以體現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的各個(gè)方面。總結(jié)來說主要有以下幾點(diǎn)原因: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

9、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產(chǎn)生諧波的裝置同時(shí)也大都是消耗基波無功功率的裝置。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LC濾波器。正因此,諧波治理和無功補(bǔ)償在實(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(guó)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

10、應(yīng)用的LC濾波器到基于電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的有源電力濾波器(APF,都經(jīng)歷幾代的變遷和技術(shù)的飛躍。(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(shí)代和技術(shù)的發(fā)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(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的同步調(diào)相機(jī)而言,后三種可稱為靜止設(shè)備。a同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī),在過勵(lì)磁時(shí)可發(fā)出無功功率,欠勵(lì)磁時(shí)可以吸收無功功率,調(diào)節(jié)均勻簡(jiǎn)單,其自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置能使同步調(diào)相機(jī)在端電壓波動(dòng)時(shí)自動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間也較長(zhǎng),因?yàn)槭切D(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)

11、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(shì)。b電力電容器能夠補(bǔ)償負(fù)荷感性無功以提高功率因數(shù),故又稱為移相電容器,它常并接于6.3、10.5或35KV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(jiǎn)便,可集中安裝,也可分散安裝在用戶處或近負(fù)荷中心的地點(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(shí)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(jí)可分為低壓補(bǔ)償裝置和高壓補(bǔ)償裝

12、置,按投切方式可分為自動(dòng)投切補(bǔ)償裝置和手動(dòng)投切補(bǔ)償裝置,按響應(yīng)速度可分為動(dòng)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(shí)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(huì)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,防止電力網(wǎng)電壓過高。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)展而發(fā)展起來的,是柔性交流輸電系統(tǒng)的重要組成部分。靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC,廣泛應(yīng)用于輸電系統(tǒng)波阻抗補(bǔ)償

13、及長(zhǎng)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。其典型代表是晶閘管控制電抗器+固定電容器(TCR+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)TCR中晶閘管的觸發(fā)延遲角實(shí)現(xiàn)的。另外一種常見的SVC形式是晶閘管投切電容器(TSC,但它只能分組投切,不能連續(xù)調(diào)節(jié),只有和TCR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)。SVC的調(diào)節(jié)連續(xù)且響應(yīng)迅速,因此可以對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)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SVC更先進(jìn)的現(xiàn)代補(bǔ)償裝置是靜止無功發(fā)生器(SVG,它也是一種電力電子裝置,其最基本的電路是三相橋式電壓型或電流

14、型變流電路,目前使用的主要是電壓型。SVG在其直流側(cè)只需較小容量的電容器維持其電壓即可,通過不同控制可使其發(fā)出無功功率也可吸收無功功率,采用PWM 控制,可使其輸入電流接近正弦波。(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(duì)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LC無源調(diào)諧濾波器,其原理是利用濾波電抗器(L和濾波電容器(C和濾波電阻器(R組成調(diào)諧支路,給特征諧波形成

15、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(jiǎn)單可靠,濾除諧波的同時(shí)還能補(bǔ)償基波無功功率,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,綜合計(jì)算起來投資少、維護(hù)簡(jiǎn)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)是有源電力濾波器(APF,有源電力濾波器也是一種電力電子裝置,其基本原理是先從需治理的線路中檢測(cè)出諧波電流,然后由濾波器產(chǎn)生一個(gè)與檢測(cè)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,APF具有高度可

16、控性和快速響應(yīng)性,其具體特點(diǎn)如下:a不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制閃變、補(bǔ)償無功,有一機(jī)多能的特點(diǎn),在性價(jià)比上較為合理;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(xiǎn);c 具有自適應(yīng)功能,可自動(dòng)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,但因其成本偏高,應(yīng)用范圍受到一定限制,隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展,器件的性價(jià)比將不斷提高,APF必然會(huì)得到廣泛應(yīng)用。為了綜合無源濾波器的低成本和有源濾波器優(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部分,其余諧波通過有源濾波器濾除,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)大容量無功補(bǔ)償和諧波治理的

17、要求,并同時(shí)降低投資成本,混合型濾波器是諧波含量較大且成分復(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2002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FC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(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,維護(hù)簡(jiǎn)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(chǎng)資料,目前目前已簽訂合同達(dá)到1600萬(wàn)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FC中高壓補(bǔ)償濾波裝置研制成功后,我所在FC裝置的技術(shù)基礎(chǔ)上,2007年初分了兩個(gè)科研組,其中一組

18、研制SVC靜止補(bǔ)償濾波裝置,該型裝置采用全數(shù)字化控制,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高;閥體設(shè)計(jì)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)抗干擾能力強(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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。另一組研制開發(fā)TSF智能型無功補(bǔ)償濾波裝置,該型產(chǎn)品在無源濾波器的基礎(chǔ)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償濾波成套裝置與配電自動(dòng)化

19、系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)投切,投切響應(yīng)時(shí)間可控制到20ms,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FC中高壓電力系統(tǒng)補(bǔ)償濾波裝置、SVC靜止補(bǔ)償裝置和TSF智能型補(bǔ)償濾波裝置,三個(gè)項(xiàng)目合稱為電力系統(tǒng)諧波治理裝置, 2004年度被科技部列為國(guó)家級(jí)火炬計(jì)劃。四、技術(shù)難題與創(chuàng)新點(diǎn)FC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(chǎng)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(duì)簡(jiǎn)單,但對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)合極為敏感,設(shè)備的參數(shù)選擇和治理效果需和現(xiàn)場(chǎng)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(huì)出現(xiàn)很大的風(fēng)險(xiǎn)。我所根據(jù)多年高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),并和國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校專家、合作廠家的專家多次研討,結(jié)合引進(jìn)的分析軟件,建立多個(gè)模型,