电网电能质量

电网电能质量（精选9篇）

电网电能质量 篇1

0 引言

2003年, 某矿6 kV供电电路因主井提升机频繁启动、谐波长时间超标而产生了过电压, 发生了绝缘子烧毁现象, 经济损失巨大;2005年其下属变电所同样因产生过电压, 使继电保护装置跳闸, 导致矿井供电中断。为保证该矿设备和人员安全, 笔者对该矿电网电能质量进行了测量、数据记录和分析, 以确定是否存在安全隐患。

1 常用测量装置结构

煤矿电网电能质量常用测量装置有万用表、示波器、电流探头、探测线圈、电能质量表和分析仪、谐波分析仪, 这些设备可采集电网中电压、电流数据, 包括波形、频率、有效值、最大值、最小值、平均值、功率因数等。常用测量装置一般由保护电路、滤波电路、信号转换电路、采样电路、CPU通信电路、上位机组成, 具体结构如图1所示。

(1) 保护电路:

防止过电压、过电流损坏测量装置, 同时防止由测量装置故障引起二次侧故障, 影响生产和安全。

(2) 滤波电路:

对输入电压和电流信号进行模拟滤波, 去除噪声, 抗电磁干扰, 同时防止采样前的频率混叠现象。

(3) 信号转换电路:

将输入电流信号转换为电压信号, 再进行线性变换及过电压处理, 使其符合AD转换器的输入量程。

(4) 采样电路:

将模拟信号转换为数字信号, 选择AD转换器时应注意采样频率和位数 (16位或者24位) , 多通道采样应注意定时器设置, 使各个通道同步采集信号。

(5) CPU通信电路:

用于处理、记录数字采样数据, 然后与上位机通信。

(6) 上位机:

对从CPU通信电路接收到的数据进行数字信号处理, 分析电网中存在的电能质量问题。

2 电能质量测量要求

(1) 煤矿电网现场勘查:

需了解整个电力系统的运行方式、容量、负荷、电容器投切等基本情况, 人工干预合闸、设备启停的操作时间, 有无跳闸、设备故障、元件烧毁、控制系统失灵等现象, 同时注意敏感设备非正常运行与正常运行时的特征区别。

(2) 测量点选择:

若测量煤矿电网中的全部可测量点, 实施起来比较困难, 因此, 可选择适当的关键位置作为测量点来确定整个或者部分电网的实际情况。测量点选择:① 供电入口:包含供电降压变压器的运行情况;收集的数据可用来描述用户负荷电流变化情况和谐波畸变水平;能指示扰动源 (在测量仪表的系统侧或用户侧) , 降低变换器成本。② 敏感设备附近:可观测敏感设备对高频暂态过程的反应, 应减小敏感设备附近的设备对监测仪产生的干扰。③ 变电站和选定的用户供电入口:一条馈电线故障期间, 变电站可感受到其它馈电线上的电压暂降, 有利于监测用户设备故障。

(3) 测量装置选择:

应注意测量装置的性能、规格、数据采集的精度和速度等。测量电压暂降需用到一定时间范围内的电压数据, 而电压中断可以用中断的起止时间宽度来简单定义;测量大多数暂态电能问题需要对电网信号进行高频采样;额定电压、谐波等稳态现象是周期信号, 随时间变化较慢, 用相对较低频率的稳态采样就能得到准确测量结果。

(4) 监测量和监测时间:

监测量应根据现场勘查的初步结论和预测的电能质量问题来选择。要得到电网系统频率响应, 需要同时检测电网电压和电流;要测量谐波潮流, 需要同步采样电网三相电压、电流。监测时间应根据具体监测量来设置, 如电压暂升是偶然发生的, 不知道其具体发生时刻, 需要监测较长的时间;测量谐波畸变水平可能需要1周时间, 测量间隔不大于2 min, 测量次数不小于30次。

(5) 长期监测设备:

用于连续测量和记录一段时间内的煤矿电网数据, 以观察和分析整个电网运行状况, 对数据进行处理后可得到电能质量问题的发生频率、时间、扰动水平等参数。长期监测设备有故障录波器、电压记录仪、功率检测仪等。

(6) 查找扰动源:

将测得的扰动波形发生时刻与某些设备启停时刻联系起来, 确定扰动源大致范围, 再观察设备运行情况, 同时对其进行测量, 分析出扰动源。

3 实例计算

现以某矿电网治理后的验收测试为例, 介绍电能质量测量过程, 测量参数为电网电压、电流、谐波、功率、频率、三相不平衡等[1]。测量点为主井总进线L1和各主要设备接点, 从测量点的电压互感器二次侧测电压, 测量电压取为相电压, 从电流互感器二次侧测电流。测量装置不能靠近电动机等干扰严重的设备, 数据传输及通信线路应远离电磁干扰严重的环境, 采用屏蔽式电缆。测量结果如图2所示。

对采集到的数据进行实时记录和计算统计, 时间间隔为1 s, 整个测量时间为40 min, 记录不同时间的各个测量参数数据, 为分析煤矿电网电能质量提供准确的数据基础。结合不同时间启停的设备, 可以准确分辨出电能质量问题的来源。

3.1 电压及电流有效值

交流电压、电流有效值的计算方法:undefined, 其中I为有效值, Im为峰值; (2) 真有效值原理:有效值等于规定时间间隔内所获取的电压、电流参数瞬时值的平方作算术平均后的平方根, 如每周期128点采样值的有效值为

undefined

根据图2记录的数据, 求得各时间点的电压、电流的真有效值变化趋势, 得出大致的电压幅值变化范围, 如图3～6所示。从图3可看出, 该煤矿电网标准6 kV电压偏差最大值为3.3%, 符合GB12325—1990《电能质量供电电压允许偏差》的规定[2];从图4～6可看出, 该煤矿电网电压运行在正常范围内, 未出现过电压和欠电压现象, 符合GB12326—2000《电能质量电压允许波动和闪变》的规定[3]。

3.2 电网谐波

电压总谐波畸变率为谐波电压含量UH与基波电压U1的百分比, 其计算公式为

undefined

式中:Uh为各次谐波电压含量。

电流总谐波畸变率为谐波电流含量Ih与基波电流I1的百分比, 其计算公式为

undefined

式中:Ih为各次谐波电流含量。

由式 (2) 和式 (3) 可得到各个时间点的电压总畸变率和电流总畸变率, 如图7所示, 可见两者分别小于4%和2.2%, 总谐波畸变率小于6 kV母线电压畸变率允许最大值 (4%) , 符合GB/T14549—93《电能质量公共电网谐波》的规定[4]。

3.3 电网频率

采用测量周期法来测量电网频率偏差。该方法通过硬件电路对波形的过零点处进行检测, 结合倍频计数法求出波形周期T, T的倒数即为电网频率。测得的该煤矿电网频率变化范围大致为[49.965, 50.035], 偏差频率为[-0.035, 0.035], 如图8所示, 小于正常频率偏差允许最大值 (0.2 Hz) , 符合GB/T15945—95《电能质量电力系统频率允许偏差》的规定[5]。

3.4 功率因数

功率因数是衡量用电设备效率的重要参数。该煤矿功率因数平均值由治理前的0.83左右上升到0.95左右, 节能效果明显。

4 结语

主要介绍了电能质量常用测量装置、监测注意事项等内容, 同时结合某矿电网电能质量项目整改, 对电网电压偏差、频率偏差、电压有效值、谐波畸变率、三相不平衡、功率因数、有功功率等参数进行了实时测量记录, 经整理、计算后得到了电网治理后的数据变化, 对这些数据进行对比和理论分析后得出了电网电能质量是否符合国家标准及是否需要治理的结果, 由此总结出了煤矿电网的常用测量方法及对测量数据进行计算处理的方法。再结合煤矿常用设备的额定值、启停时间等特征, 可得到电网中具体时刻、具体设备的电能质量问题。

参考文献

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社, 2010.

[2]国家技术监督局.GB12325—1990电能质量供电电压允许偏差[S].北京:中国标准出版社, 1990.

[3]国家技术监督局.GB12326—2000电能质量电压允许波动和闪变[S].北京:中国标准出版社, 2000.

[4]国家技术监督局.GB/T14549—93电能质量公共电网谐波[S].北京:中国标准出版社, 1993.

[5]国家技术监督局.GB/T15945—95电能质量电力系统频率允许偏差[S].北京:中国标准出版社, 1995.

电网电能质量 篇2

大气污染防治已迫在眉睫，被视为治理雾霾重要手段之一的电能替代战略在各界的重视下正加速推进。本月8日，国家电网公司正式提出电能替代战略，以期通过提高用电而不是直接烧煤烧油，减少城市大气污染物排放，缓解雾霾困扰。

【三大领域推进替换】

相关战略明确，力争到2015年累计替代电量1000亿千瓦时，相当于全国年用电量的2%；随着支持到位，到2020年累计替代电量达到10000亿千瓦时。到2020年，国家电网预期跨区输电能力将达到4.5亿千瓦，向中东部东区输送电量1.87亿千瓦时，减少中东部电煤消耗8.5亿吨。

据悉，国家电网已于8月全面启动电能替代工作，将在供暖、交通和居民生活三大领域采取措施：一是在城市集中供暖、工商业等重点领域实施大型热泵、电采暖、电锅炉等以电代煤代气项目；二是在电动汽车领域建设运营充换电设施，在城市轨道交通领域做好配套供电建设；三是推广家庭电气化，促进居民生活用电增长，在城郊和农村推广煤改电。

【多地已先试先行】

事实上，在国家电网正式提出电能替代战略前，多地早已进行电能替代的试点工作。

9月6日，《国网冀北电力有限公司电能替代实施方案》正式印发，重点在内部示范工程、供冷（暖）、生产、居民生活、电动汽车和轨道交通发展及综合试点城市等六大领域全面开展电能替代工作，计划到2015年，国网冀北电力争取实现替代电量累计达58.6亿千瓦时。

9月12日，国网甘肃省电力公司印发并实施电能替代实施方案。该方案提出建设特高压电网，把甘肃省丰富的风电、太阳能发电远距离、大规模输送到东部，在能源终端消费环节实施以电代煤、以电代油（气），支援东中部地区解决能源消费问题。

山东省也全面启动“彩虹蓝天”电能替代工程,通过推广热泵、电采暖等举措实现以电代煤、以电代油,减少空气污染物排放。年内山东省将完成替代电量9亿千瓦时。

【投资布局三大板块】

电网电能质量 篇3

【关键词】电动汽车 充放电 电网 电能质量 专利

1 引言

电动汽车作为新能源汽车的代表，在环保、清洁和节能等方面具有明显的优势。国家电网公司在其智能电网发展规划中也指出要大力开展电动汽车充放电关键技术的研究并全面推广应用。因此，随着电动汽车和充电站数量的不断增加，电动汽车将成为电网中的一种新型的重要负荷。由于大量的电动汽车的随机性的充电行为，电动汽车接入电网充电对电网的影响问题逐步凸显，如可能导致配电网络局部的负荷变大，甚至导致配电网过负荷。因此，电动汽车接入电网必须考虑对配电网负荷平衡的影响。另外，由于充电设备中包含大量的电力电子装置，当电动汽车入网充电时，所产生的谐波对配电网系统的电能质量将产生影响。本文试图从专利申请的角度，在对国内相关专利申请数据进行检索和分析的基础上，研究国内相关专利申请的技术重点和热点，为相关技术的开发研究提供参考。

2 近年国内相关专利申请概况

利用国内专利数据库，对减小电动汽车对电网电能质量影响的相关的发明专利申请进行了充分检索，得到了近年（2010-2014）相关的国内发明专利申请数据（共43件）。从图1中所示的发明专利申请量变化趋势可以看出，从2011年开始，相关的专利申请量有较大的增长，由于专利申请一般是自申请日起满18个月才公开，所以图1中的曲线下拐点并不表明相关的专利申请量的下滑。另外，通过统计申请人可以得知，专利申请量主要集中在国家电网（14件）和华北电力大学（6件），其它大学和公司也有相关的专利申请，例如上海交通大学、东南大学、广西电网公司等等，但是并没有明显的数量集中。

图1 近年发明专利申请量变化

图2 主要专利申请人分布

3 相关专利申请的主要技术分析

通过对这些发明专利申请中的主要的发明专利申请所公开内容的分析，从技术角度可以将它们分为以下几类：针对充电装置电路的改进、针对充电装置主电路控制方法的改进、有源滤波器的使用、电动汽车与新能源发电的结合以及电动汽车的充放电的调度。下面，将对它们进行详细说明。

（一）针对电动汽车充电装置电路的改进

通常，电动汽车的充电装置即充电桩的电路一般是由整流电路和DC/DC变化电路两级电路组成。经过分析发现，只有少量的专利申请涉及充电电路的改进。例如，在专利申请CN103078388A中公开了一种新型电动汽车动力电池充电机电路，该充电机电路包括依次连接的Z源网络（AC/AC变换器）、π形滤波电路和不可控整流桥。该充电机电路不同于传统的充电机电路，采用的电力电子器件大大减少，允许桥臂直通或者开路，电压调节范围大，能够缓解冲击并抑制谐波。而在另一专利申请CN103107583A中，公开了一种电动汽车充电站主电路拓扑结构，该专利申请主要针对的是充电站中的主电路的改进，将一般的分布于每辆电动汽车上的整流结构整合为一个高压PWM整流器，每辆电动汽车上只是存在非隔离型DC/DC变换器，能够提高了整体效能，减小谐波的产生。涉及充电电路结构改进的专利申请相对较少，这可能与已经比较成熟的电力变换技术有关。

（二）针对充电装置主电路控制方法的改进

经过统计和分析发现，涉及充电装置的主电路控制方法的改进的专利申请的数量相对较多，占据了全部申请量的近17%。例如，专利申请CN103023117A公开了一种高电能质量电动汽车充电系统，该系统的PWM整流器的控制系统采用PI调节电压外环和无差拍控制电流内环的双闭环控制结构，能够减少电动汽车充电系统对电网诸如的谐波电流，改善电能质量。专利申请CN103647281A以由电压型PWM变流器和对称半桥LLC谐振式双向DC/DC变换器构成的主电路为基础，也是通过采用PWM控制方式使得一级功率变换器电网侧电流接近正弦波，减小谐波含量。专利申请CN102570566A将高频整流器和基于高频变压器的DC/DC变换器进行组合，对高频整流器的控制采用内环为交流母线电流、外环为DC/DC变换器的输出电压或电流的双闭环结构，实现输入侧无功电流的控制，从而提高功率因数。专利申请CN103647281A和CN103187729A实质上都是基于由双向PWM变换器和DC/DC变换器构成的两级电路的控制方法的改进，将有源滤波谐波补偿方法应用于双向功率变换器的控制，在电动汽车的充电电池与电网的能量能够双向流动的同时，实现电网谐波的就地补偿。专利申请CN103545899A提出了一种针对电动汽车充放储一体化电站的无损增值效益控制方法，其利用储能电池的增值控制或者变流装置电容的增值控制或者将二者进行比例融合的增值控制，即利用，从而降低非线性负荷产生的谐波和无功。由此可见，由于充电装置主电路拓扑结构的技术的成熟，更多地关注主电路的控制方法的改进也是必然。而且，其中相当多的专利申请是借用了无差拍控制、电流电压双闭环控制、有源滤波谐波补偿控制等经典控制算法。专利申请CN103545899A提出的利用变流装置的富余容量对电网谐波和无功功率进行无损增值控制的方法较为独特。而且，综合这些专利申请的技术内容，其中的变换器电路都能够实现电动汽车电池与电网之间的能量的双向流动，即V2G模式。

（三）有源滤波器（APF）的使用

有源滤波器虽然能够较好地实现谐波补偿从而提升电能质量，但是其制造和使用成本较高。经过分析发现，采用有源滤波器的相关的专利申请主要是关注如何降低APF的使用成本。例如，CN103872684A公开了一种消除电动汽车谐波的装置及方法，虽然其采用的主要的装置仍然是APF，但是其关注点在于如何减少所使用的APF的数量。该专利申请将每个充电桩看成一个节点，如果节点间引起的谐波相互叠加，则判定节点间存在一条边。计算网络中所有任意两点之间的最短路径，所有最短路径路过每条边的次数为每条边的介数，启动安装在最大的边上的有源电力滤波器。这样，只是采用少量的APF便能消除大量分散的电动汽车充电桩充电时产生的谐波，提高供电质量。CN103928930A公開了一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，将有源滤波和无源滤波相结合并安装在电网侧，通过采用双阶段间谐波检测方法，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其滤除，第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取谐波分量，从而去除该间谐波分量，最终将加入电网侧的谐波减小到最小。另外，CN103812109A公开了一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其主要是针对充电站并联有源滤波器之后的谐波放大效应的问题所作出的改进，通过计算描述该放大效应的系数来指导有源滤波器的容量选型。

（四）电动汽车与新能源发电的结合

由于新能源发电的快速发展，利用能量存储技术、并通过合理的调度电动汽车的充放电，可以使得新能源发电效率的提升并增强配电网络的电压稳定性。例如，CN102361334A公开了光伏储能电动汽车充电站系统及储能系统状态切换方法。利用该系统中的储能系统与光伏系统、电网以及充电系统的能量互动，既提高了充电站对太能能的利用率，还可以保证供电稳定性。CN102324752A公开了风力发电的纯电动汽车有序充放电协调控制系统，将每个充电站的信息传送至电网调度中心，由调度中心判断当前电力系统的状态，生成相应的充电控制模式。调度中心通过充电站集中协调控制系统的通信网络将调峰指令发送给各个电动汽车的动力电池，动力电池接收命令实现调峰同时向电网反馈剩余电量。

（五）合理调度电动汽车的充放电

除了对充电装置的电路结构及控制方法进行改进之外，通过合理地调度电动汽车的充放电也是提高电能质量的措施之一。例如，电子科技大学在CN103855767A中提出一种电动汽车充电的调度方法，相比于通常的就近调度策略，其考虑各条道路的交通状况（非机动车辆的影响、边摩阻的影响、大型车流量的影响），选择出更合乎实际情况、更精确的电动汽车驾驶路径。同时考虑充电站的气象因素和充电情况，选择出谐波最小的充电站调度方案提供给电动汽车，从而优化电动汽车充电站的调度，减小电动汽车充电产生的危害电网的谐波。

4 总结与展望

由此可见，随着电动汽车的逐渐普及，其对电网电能质量的影响越来越受到相关企业的关注，这也体现在相关的发明专利申请的数量变换上。从专利申请的数量上看，国家电网公司是申请量最为集中的申请人，这也与其作为电动汽车入网应用的主要建设者和推动者的身份是吻合的。另外，从国内的相关专利申请的技术信息可以看出，为了降低电动汽车充放电对电网的影响，虽然有少量的关于充电机主电路拓扑结构的改进，但是近期较多的关注点仍在于针对充电电路中电力变换器的优化控制，而且这些控制方式都是在V2G模式的基础上进行的，可见，V2G模式相关的技术已经得到了广泛的开发。APF已经比较成熟，专利申请主要是针对如何减少APF的应用成本或者提高其应用效率。除此之外，有人提出了通过优化电动汽车充电的调度方法来降低谐波污染的专利申请，在充电装置的电路结构和控制方法日趋成熟和完善的情况下，进一步开发电动汽车与电网的协调优化经济运行可能是今后的一个研究方向。

针对涉及减小电动汽车对电网电能质量的影响的发明专利申请，进行了统计和分析，总结了近期专利申请的技术热点和方向，供技术人员参考，可以在专利申请公开的技术内容的基础上进一步开发，节约研究成本。另外，将来可进一步开展的工作是针对国外的专利申请的挖掘和分析，以进一步了解國外的技术动态并加以利用。

参考文献：

电能质量对英国电网的影响 篇4

近些年, 电能质量这一参考因素受到了越来越多诸如公共设施, 终端用户, 厂商以及其他使用者的重视。这一术语是用来衡量驱动电力负载的电能是否具有合适的功能性。如果没有合适的电能在做驱动, 电力设备 (或负载) 就很有可能出现故障、永久性的失灵或者根本运行不起来。一般来说, 有很多种方式都可能导致电能出现很低的电能质量, 因此出现这种状况的原因也是多种多样。这对于电力供应者以及电力用户都是一个很重要的考量因素。

目前英国电网的电能频率和我国类似, 都是维持在50 赫兹上下 (图1) 。任何的频率扰动都会影响到电能质量, 从而导致电压的不稳定, 甚至可能引发大规模的停电。由于目前英国电力供应普遍采用一些传统的发电站, 比如天然气, 核能以及煤炭, 因此, 已经很久没有出现因为电力频率没有保持在一定的幅值范围内而发生电力故障的事件了。

然而, 由于大量的不稳定的可持续能源并网, 并且呈现了越来越高的比重, 英国的电能质量出现了逐步下滑。这将很有可能在未来导致一个不良的趋势:越来越多的英国家庭会遭受到诸如电压不稳, 灯光闪烁以及骤然停电等糟糕情况。与此同时, 储能技术以及可持续能源稳定技术尚在初步阶段。为了更好的提供稳定的电能, 英国毫无疑问应该在现有电网的基础上继续改善电能质量。

1 电能质量的影响因素

1. 1 电压骤降

根据国际上普遍采用的定义 (欧洲标准EN50160) , 当电能电压在一分钟内下降到90% 的标准电压, 称之为电压骤降。然而, 多数情况下, 电压骤降只会持续短暂的不到十分之一秒, 在这之后, 电能供应的标准电压就会恢复。电压骤降并不是电能中断, 因为在电压骤降出现的期间, 电能供应并没有因此而中断。

1.1.1 电压骤降的成因

切换操作和任何类型的电路故障都可能会引起电压骤降。典型的切换操作包括大型电机负载的启动引起的大电流负荷。其他的可能的原因包括闪电、植被、第三方干扰、动物以及挖掘带来的干扰。可以想象的是, 当闪电击中或者击中电缆线附近时, 亦或者植物茎秆压倒在电缆上时, 都会在很大程度上影响电网供电的电能质量。

1.1.2 电压骤降的解决方案

目前, 有多种可以采用的方式来解决电压骤降问题。工业上, 由于短路电流通常很大, 可以用串联反应器来降低由此引起的大电流。快速耦合晶闸管反应器可以应用于一些中压馈线。为了防止出现可能的电路故障, 以上这些措施对于限制电流大小以及减少骤降深度都提供了实质性的解决方案。

动态电压恢复设备可以提供电压注入, 对于保护敏感负载引起的电压骤降以及供应电压时的短暂中断有着很好的效果。动态无功补偿提供了电流注入, 适用于保护配电网中的分布载荷。

1.2 谐波

由于基波电流产生畸变从而形成了谐波 ( 图3) 。换句话说, 谐波就是目标信号或者波形的频率对于参考信号或者波形的频率的比例。

电力系统中谐波的一个主要危害就是增大系统电流。尤其对于三次谐波而言, 会造成零序电流的激增从而导致中性线电流的增加。这都应该在设计电力系统非线性负载时作为特别情况而考虑进去。除此之外, 电力设备也会或多或少的受到谐波的影响从而影响其稳定性和使用寿命。

由于传统的谐波解决方案显得较为昂贵, 目前, 最普遍的用来减缓谐波影响的措施包括采用无源滤波器和有源滤波器。

1.2.1 无源滤波器

无源滤波器是串联电容和谐振电抗组成的设计构成的滤波电路, 经调谐之后将高电抗回路降低为基波频率而把低电抗回路升高为特定的频率 (例如5th - 250Hz, 7th - 350Hz) 。由于此类应用需要持续工作以提供有效的谐波抑制, 通常他们连接于发电站的独立负载。

1.2.2 有源滤波器

有源滤波器描述了一个过程, 在这个过程中, 由负载产生的谐波电流持续的被监测从而产生了一个相同波形的非线性比例负载电流的自适应波形。和无源滤波器不同的是, 有源滤波器可以在额定功率下的任何负载情况提供谐波抑制。

2 智能电网与电能质量

2.1 电能质量的重要性

由于敏感数字电子设备在19 世纪60 年代初期的引入, 电能质量问题开始逐渐受到了人们的重视。但最初发现电能质量扰动问题是在人们开始使用电能时。然而, 由于技术限制, 相比现在, 那时候的电能扰动显得更加可以被理解。如今, 当越来越多的制造商开始持续的减小设备中电路和电子元件体积的时候, 他们同样也在减小这些设备的需求电压。结果是, 设备运行能力更强大, 速度更快, 但也更加易受电能扰动的影响。

因此, 电能质量对于任何依赖于敏感电力扰动的设备和系统都是至关重要且具有实质性的影响。仅仅是非常小的变化就会对于商业上造成时间损失, 产量亦或是收益损失的惨痛代价。

2.2 英国智能电网和电能质量

智能电网是一种新型的电网形式, 它使用信息和通信技术收集电网瞬时信息, 并且实时监测以达到供应和消耗的平衡。和其他经历过工业革命的国家一样, 二战之后英国的电网大规模的扩大以支撑整个国家的经济发展。智能电网并没有减少对于传统电网的加固, 相反, 更加有效地使用基础设施可以最小化甚至退后对于投资此类设施的需求, 以此快速减少投资并且加速低碳技术的进程。根据政府可持续能源战略的报告, 到2020 年, 英国的电力需求中有35% 将由可持续能源作为发电。

未来的智能电网应该包括能源监测系统来改善电能质量。通过合适的实时监测和与此对应的自动平抑机制, 以及其他一系列的措施, 会使得智能电网运行更加有效、可靠。

3 电能质量的经济分析

从上述分析可知, 电能质量会很大程度上影响机构运行的效率, 因而, 随之而引发的经济问题也比以前变得更加受到重视。

3.1 电压骤降

对于单一的电压骤降而言, 其深度和时间长度几乎等同于一个小的或者长的电能中断。根据供电来源的不同, 电压骤降造成的影响会是造成中断的50%-100%。对公司甚至是工厂而言, 电压骤降与电能中断的经济影响比很有可能大于1。

3.2 谐波

相比于其他已经提及的电能质量经济损失, 谐波所造成的经济损失可能更难以定量。谐波可能会造成电气设备更短的使用寿命, 更少的能源使用率以及更加易于受到跳闸的影响。当然, 设备更短的使用寿命意味着更加昂贵的成本支出。诸如变压器等, 正常使用寿命是30 到40 年, 一旦长期受到谐波影响, 可能就会锐减到只有7 到10 年, 这无疑会造成非常严重的经济损失。而避免这些情况发生的成本花费就相对要小很多, 只要设备选型和安装适当即可。其实, 安装比计算得到的最小花费的电缆多出一倍到两倍的大小只会对增加很小的初期投资。

4 结论

本文主要围绕英国电能质量问题展开, 介绍了电压骤降, 谐波以及电能质量对于经济成本的重要性。因此, 在电网以及配电网中, 持续的电能质量检测显得日益重要。尽管低电能质量的花费越来越高, 减少谐波造成的影响不仅节能, 且会增加供应其他负载的能力。

参考文献

[1]Moreno-Munoz, A.2007.Power quality:mitigation technologies in a distributed environment.Springer Science and Business Media.

[2]Sannino, A., Miller, M.G.and Bollen, M.H.2000.Overview of voltage sag mitigation.In Power Engineering Society Winter Meeting, 2000.IEEE (Vol.4, pp.2872-2878) .IEEE.

[3]Bochner, S.2012.Harmonic analysis and the theory of probability.Courier Corporation.

[4]Liu, J., Yang, G.J., Li, Y., Gao, H.W.and Su, J.Y.2014.Eliminating the third harmonic effect for six phase permanent magnet synchronous generators in one phase open mode.Journal of Power Electronics, 14 (1) , 92-104.

[5]Rivas, D., Moran, L., Dixon, J.W.and Espinoza, J.R.2003.Improving passive filter compensation performance with active techniques.Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 50 (1) , 161-170.

[6]Moe, S.S.2014.Design and Simulation of Active Harmonic Filter for Reducing Harmonic distortion and Improving Power Factor in Industrial Load.

[7]Nutkani, I.U., Loh, P.C.and Blaabjerg, F.2014.Droop scheme with consideration of operating costs.Power Electronics, IEEE Transactions on, 29 (3) , 1047-1052.

电网电能质量 篇5

1 合环操作时环流产生的原因和危害

1.1 电网环流的产生原因

合环操作往往是在配电线路的维护或者需要倒负荷的情况下被使用。在操作中配网中会引起环流, 从而使过流保护, 速断保护发生误动。可以提高配电网的供电可靠性, 但其环网电流对电力系统特别是过流保护存在潜在的危险性。

1.1.1 合环开关两侧的母线电压差产生环流。

两侧的母线是并联运行的。正常状况下, 两个母线的电压差不是很大, 流过联络开关的电流也不是很大。但是当系统发生故障时, 比如短路或者雷击后, 配网运行的平衡将会被打破, 有可能使得一段线路的保护跳闸, 之后再退出运行, 此时联络开关可能会有大电流通过, 这将可能引起保护单元的误动作, 发生大面积的停电事故。

1.1.2 合环开关两侧母线对系统短路阻抗不同产生环流。

母线系统的短路阻抗也会对环流产生比较大的影响, 即使有时候合环开关两侧的母线电压数值相同, 但对系统阻抗差异较大时也会产生很大的环流。这是一个很容易被运行维护人员所忽略的原因, 但这却是造成合环操作失败的一个主要原因。

1.1.3 合环开关两侧母线所带负荷相差过大产生环流。

在平时的运行维护中发现, 即使在合环开关两侧的母线电压数值上相等, 并且对系统的短路阻抗差距也很小时, 如果两侧的母线所接的负荷有过大的差距, 到一定程度时, 同样会引起很大的环流出现。

1.2 电网环流的危害

在电网出现环流问题的情况下, 电网系统很可能产生功率因素的波动, 由于电网系统需要使用逆变器装置进行功率输出, 而电网持有的功率又分为有功功率和无功功率两种, 造成电网的环流问题只能在逆变器的影响之下产生较为强烈的波动。另外, 电网环流问题产生之后, 很多环流功率容易被容量装置影响, 因此, 在逆变器的应用过程中, 一些震荡性因素很有可能受到流动率因素的影响, 在电网环流程序的推进过程中, 很多电网环流程序可能在负载功率的影响之下产生较为强烈的功率变动。

2 电网电能质量的应对措施

由配网中因合环操作产生环流的原因可知, 若合环点两侧有电压差或两侧对系统短路阻抗的不同, 进行合环操作后会出现环流, 这可能引起环网内保护单元的继电器动作跳闸。为了避免合环操作时出现过大的环流, 使得正常维护, 倒闸操作时合环操作正常进行, 需采取相应的措施应对。

2.1 环网内参与合环的变电站中母线的相序和相位相同, 尽量满足合环点两侧的电压值相同。

可以采用调整变压器分接头和投退无功补偿装置的办法。

对于一个稳定运行的配网系统而言, 当配网的运行方式合负荷被确定后, 理论上各节点的相角差就基本上没有变化。而在实际操作中, 变压器的分接头位置会经常被变动。合环开关两侧的变压器的阻抗将会对合环产生的环流大小造成较大的影响, 而在变压器投运后, 变压器的阻抗大小由变压器分接头所处的位置合变压器的具体型号共同决定。变压器阻抗的变化会导致配网系统中其他节点的电压发生改变, 进而使合环电流的大小受到影响。通过分析可知, 若把变压器的抽头位置改变一个档位, 就使得合环电流产生几十安培的变化。由此可见, 通过调节配网中变压器分接头的位置可以预防合环电流超限现象的发生。

2.2 当环网内负荷较轻时进行合环操作。适当调整合环点两侧的负荷大小和功率因数, 使两侧相差不致过大。

如果保证合环点两侧的母线电压幅值不变而减小母线电压的相位差, 会发现合环点两侧的电压差和流通的合环电流数值明显的降低。所以, 在两段母线所带负荷差异不大的前提下, 如果可以越多地切除配网系统中所带的负荷, 那么系统中流通的环流就会越小, 相应的对配网系统的冲击也会越小。合环操作最好能选在用电的低谷期进行, 或通过改变运行方式, 使环网内的负荷减轻, 这样可以充分保证供电的可靠性, 不停电操作, 最大限度的降低电力系统受到的影响。

还应当注意, 合环两侧负荷之和不应超过两侧开关的额定负荷, 否则即使条件满足也不能互相替代。

2.3 环网中合环点两侧的母线对系统的阻抗相差不宜过大。

采用改变配网系统内运行方式:减小两侧变电站母线对系统短路阻抗的差值, 或者是提高对系统短路阻抗较大一侧的母线电压以降低短路阻抗数值。

除此之外, 还可以给配网中加入合适的限流电抗器。投入电抗器可以限制网络中电流的大小, 这点适用于限制环流。加入电抗器后可以降低合环电流给配网系统的带来的不良影响。

结论:合环操作是油田配电网运行和维护人员的常用操作。因此, 针对环流产生原因制定了相对应的预防措施, 使得配电网内实现不停电倒负荷。给予日常工作中的运行维护工作一定的参考, 能够很大程度上提升电网环流问题的应对质量, 保证电网系统的平稳进行。

参考文献

[1]杨亚坤.环流对交流微电网电能质量的影响[D].兰州理工大学, 2014.

[2]楼建杭.10KV配电网带负荷倒电的方法[J].浙江电力, 2000 (3) .

风电场并网对电网电能质量的影响 篇6

我国的风电自2003 年进入高速发展时期。 2006年, 中国新增风电装机1337MW, 占全球新增装机的8.9%, 同比增长165.83% , 累计装机达到260 万k W, 占全球风电装机的3.5%。到2013 年, 我国风电装机容量已达9000 万k W。 以“陆上三峡”为代表的千万级风电场正在积极筹备和建设中。 如此大规模的风电接入电网, 必然对电力系统的运行控制及电能质量带来一系列影响。

在风力发电场并网前, 应该评估并网对电网的影响。 风电造成的电压波动、闪变和谐波与当地的风力资源状况、风电机组的特性及当地的电网情况密切相关, 因此风电接入电网的电能质量分析和评估必须结合具体项目开展。

1 风电场电能质量技术标准

风电场电能质量技术标准包括:《风力发电机组-电能质量测量和评估方法 》GB/T 20320 -2006/IEC61400-21:2001;《风电场接入电力系统技术规定 》GB/T 19963-2011;《国家电网公司-风电场接入电网技术规定 (修订版) 》2009/2;《公用电网谐波 》GB/T14549-1993; 《 供电电压偏差 》GB/T 12325 -2008; 《 电力系统频率偏差》GB/T 15945-2008;《三相电压不平衡》GB/T 15543-2008;《电压波动和闪变》GB/T 12326-2008。

2 主要研究方法及内容

以某风电场 (总装机容量100MW) 为例, 根据风能分布、风力机、发电机的结构与参数及风电场的接线方式与参数, 基于PSASP和PSCAD, 建立计算仿真模型, 包括风速模型、变速机构模型、异步发电机模型。 研究内容包括:

(1) 基于风电场投产年该地区电网数据, 针对不同的无功控制模式, 在风电场接入系统最严重运行方式下, 进行电压波动的分析研究。

(2) 针对风电场的接入方案和风电机组的闪变系数, 计算短时间闪变水平值和长时间闪变水平值。

(3) 针对风电场的接入方案和风电机组的实际情况, 计算风电场注入系统公共连接点的谐波电流值和谐波电压含量。

(4) 针对风电场引起的其他电能质量问题进行定性分析, 包括电压偏差问题和系统频率问题等。

3 风电场概况

该风电场海拔在1000~1300m之间, 盛行风向稳定。 夏、秋季风速较大, 冬季风速相对较小, 风速日内变化幅度较小。 80m风速分布频率主要集中在3~8m/s风速段, 80m风能主要集中在7~15m/s风速段, 风速风能分布较为集中, 利于风电机组对风能资源的有效利用。

该风电场规划分为两期建设, 分别设计安装25台UP105-2.0 型风力发电机组, 发电机组主要参数见表1。

该风电场采用110k V电压等级上网, 升压站110k V配电装置采用单母线接线方式, 主变容量终期2×50MVA、 本期1×50MVA, 无功补偿终期规模2×10Mvar、本期1×10Mvar。 接入点选择该地某220k V变电站, 导线型号为LGJ-400, 线路长度29.6km。

4 计算模型搭建

4.1 风速模型

风速的主要成分:

(1) 基本风, 可以由风电场测风数据获得的威布尔分布参数近似确定。 由威布尔分布的数学期望值可得:VA=A·Γ (1+1/K)

(2) 阵风, 描述风速突然变化的特性, 可表示为:

(3) 渐变风, 表示风速的渐变特性, 可表示为:

(4) 随机风。 风速的随机性一般用随机噪声风分量来表示:

综合上述4 种风速成分, 模拟实际作用在风力机上的风速为:V=VA+VB+VC+VD

分析表明, 电压波动与闪变的主要影响因素是阵风和随机风, 仿真分析中应尽可能地精确描述这两种风对电力系统的影响。

4.2 双馈变速风电机组模型

PSASP电力系统软件中双馈风电机组模型结构如图1 所示, Pele为发电机电磁转矩;Uterm为发电机端电压;Pgen、Qgen为发电机有功、无功出力。

双馈型风机的定子侧直接与电网连接, 转子由2个“背靠背”连接的电压型脉宽调制变换器 (即转子侧的变换器和网侧变换器) 进行励磁。 转子侧变换器完成定子磁链定向矢量控制任务, 实现最大风能的捕获和定子输出无功的调节;网侧变换器控制维持直流母线电压并控制交流侧电压与电流的相位。

5 电能质量分析

5.1 电压波动分析

对接入点变电站110k V侧母线的电压波动情况进行分析。 分别采用恒功率因数控制模式和恒电压控制模式对风电场一期规模及终期规模进行仿真。

5.1.1 电压波动限值

根据GB/T12326-2008《电能质量-电压波动和闪变》, 该风电场在PCC (系统公共连接点, 接入变电站110k V母线) 点产生的电压波动限值为dHV=2.5%。

5.1.2 恒功率因数控制模式

风电机组功率因数按1.0 考虑, 风电场最大出力按装机容量的90%考虑, 阵风周期取25s, 初始风速为3m/s, 阵风幅值为7m/s。 基础风速波形、 接入变电站110k V电压波动分别如图2、图3 所示。

5.1.3 恒电压控制模式

风速模型、风电场最大出力不变, 风电机组运行在恒电压控制模式下, 且机端电压控制在1.0p.u时, 风电场出力从零到最大出力变化时的系统电压波动情况如图4 所示。

对风电场一期规模及终期规模分别进行仿真, 计算结果如表2 所示

根据风电场设计方案, 升压站本期无功补偿规模为1×10Mvar, 终期为2×10Mvar。对补偿后PCC电压波动进行计算, 结果见表3。恒功率因数控制模式下投运10Mvar/20Mvar动态无功补偿设备后, 电压波动减小到0.44%/1.5%。 能够满足规程要求。

5.2 闪变分析

风电机组的输出功率具有波动性, 除了风速的自然波动特性外, 风电机组自身的一些固有特性也是引起其输出功率波动的原因。 虽然变速风电机组输出功率的波动及其引起的电压波动和闪变程度要相对小于同容量的定速风机, 但是对于网络较弱的接入点仍需对风电机组引起的闪变进行分析。 对风电场所用UP105-2.0 型风电机组在连续运行、切换运行方式以及在不同发电机之间切换的最恶劣工况下的闪变进行计算。

5.2.1 闪变限值

依据GB/T12326-2008《电能质量-电压波动和闪变》规定, 该风电场一期接入工程在PCC点产生的闪变允许值为0.870; 终期接入工程在PCC点产生的闪变允许值为0.904。

5.2.2 闪变计算

依据国标GB/T20320 -2006/IEC61400 -21:2001《风力发电机组-电能质量测量及评估方法 》对该风电场在各种运行方式下的PCC点闪变进行计算, 计算结果如表4 所示。

由表4 可见, 在各种运行方式下, 该风电场系统接入点的短时闪变和长时闪变均满足要求, 且裕度较大。

5.3 谐波分析

5.3.1 谐波限值

根据国标GB/T14549-1993 《电能质量-公用电网谐波》的要求, 并结合接入变电站110k V母线最小运行方式下的短路容量Sdmin=1608.65MVA计算得出接入变电站110k V侧的各次谐波电流允许值, 如表5 所示。

5.3.2 谐波计算

根据厂家提供的UP105-2.0 型风电机组实测的各次谐波电流情况, 计算风电场注入到公共连接点的各次谐波电流。

两个谐波源的同次谐波电流在一条线路的同一相上迭加, 当相位角不确定时, 计算式为:

式中, Ih1为谐波源1 的第h次谐波电流, Ih2为谐波源2 的第h次谐波电流, Kh系数按表6 选取。

两个以上同次谐波电流迭加时, 首先将两个谐波电流迭加, 然后再与第三个谐波电流相迭加, 以此类推。 由此计算得出该风电场注入系统公共连接点的谐波电流、谐波电压, 均远远小于允许值。

5.4 电压偏差分析

依据 《国家电网公司-风电场接入电网技术规定 (修订版) 》规范要求, 该风电场接入电力系统后, 并网点电压的正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%, 一般应控制在额定电压的-3%~+7%。

以接入变电站作为平衡点, 选取115k V为基准电压, 根据无功配置方案, 考虑风电机组各种运行方式, 对该风电场接入进行潮流计算分析。 计算得出风电场110k V母线电压波动范围为116.107~119.820k V, 能够满足规程要求。

6 结语

根据风电场风力资源状况、风电机组的特性及当地的电网情况考核风电场并网的电能质量影响是项目开展前期的必要环节。

参考文献

[1]吴国英.中小型风电场接入系统探讨[J].电工技术, 2008, (01)

[2]马艺玮, 陈渊睿, 曾君.风电场电能质量分析与评估[J].控制理论与应用, 2008, (02)

电网电能质量 篇7

电能是一种经济适用、清洁方便的能源形式, 其生产、输送、分配和转化直至消耗是同时进行的。电力系统的电能质量始终处在动态变化中, 其状况相互影响。在发、供、用构筑的整体中, 不论哪个环节引起电能质量问题, 质量一旦达不到标准要求, 都会对相关设备的安全运行构成威胁。

2 电能质量问题存在的原因及产生的危害

专家认为, 对现代电能质量的定义应该理解为“导致用户设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差, 造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题”。则表征电网电能质量好坏的技术指标有五个方面。下面首先从这几个方面所产生的原因和由此造成的危害进行主要阐述。

电压偏差

电压偏差是指电力系统电压缓慢变化, 其实际电压与系统标称电压之差。由于系统网架结构不合理, 供电电源不靠近用电负荷中心, 供电半径过大, 无功负荷没有遵循就地平衡的原则, 都会产生电压偏差。其超标的危害主要表现在用电设备会由于过电压或过电流而损坏;对电网的稳定、经济运行也造成危害, 可能产生同步运行稳定破坏或电压不稳定的严重电力系统事故。

频率偏差

在电力系统中, 发电机发出的功率与用电设备及送电设备消耗的功率不平衡时, 将引起电力系统频率变化。无论电力系统低频率运行还是高频运行, 都会对发电厂和电力用户产生不利影响, 引起恶性循环, 危害电力设备的绝缘, 增加用户和系统的损耗, 甚至造成严重事故。

三相不平衡

随着经济的发展, 不断出现的大量不平衡负荷以及一些大容量负荷, 使电网三相不平衡日趋严重, 危及电力系统的安全和经济运行, 特别是当电网中同时存在谐波时, 对电网的安全运行是有严重威胁的。如区域电网内10k V工业干为某一钢厂供电, 钢厂采用中频电弧炉炼钢。电弧炉在熔化期三相电极不规则的调整, 其电弧电阻的非线性导致大量谐波注入电网引起三相负荷的不平衡, 严重的三相不平衡使采用三相四线制系统供电的配电网中性线过负荷, 在中性线上产生不平衡电流, 引起零电位漂移, 导致临近某学院多台计算机烧损, 损失严重。

电压波动与闪变

电压波动和闪变大多产生于配电系统, 并通过配电变压器传递到低压侧的用户电源端。有些电压波动尽管在限度以内, 但可能产生照明闪烁、干扰计算机等电压敏感型设备的正常运行。

公用电网谐波

非线性用电设备是谐波产生的主要原因, 由于非线性设备产生的谐波电流通过系统网络注入系统电源中, 畸变电流流经系统阻抗使母线电压发生畸变, 如化工行业的高频炉、钢铁行业的炼钢炉等;随着电子设备应用的大量增加, 具有UPS电源、电子调速设备及家用电器中的计算机、微波炉等各类非线性设备使用集中地区谐波污染也已相当严重。谐波污染的影响使电能质量明显下降, 对电力系统的安全、经济运行及电力用户的可靠用电都造成了威胁。

值得一提的是, 谐波污染还会引起变电站的并联或串联谐振, 造成电压互感器等设备损坏;造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗, 引起变压器、电力电缆等设备发热、电容器损坏。例如局域网某变电所投产初期, 由于非线性负荷比重较大, 并联电容器组投入时电容器的谐波阻抗小, 注入电容器组的谐波电流大, 造成电容器的过电流和过电压, 致使电容器的损耗增加、发热异常, 绝缘加速老化。同时, 谐波使工频正弦波形发生畸变, 产生锯齿状尖顶波, 在绝缘介质间引发局部放电, 局部放电也同时加速了绝缘介质的老化, 致使该变电所电容器在短期内多次损坏。

3 区域网现状及所面临的问题

区域电网结构复杂, 运行方式特殊, 由220k V变电站8座, 220k V线路总长1200km;110k V变电所22座, 110k V线路总长1500km;35k V变电所13座等构成, 由省网和俄网共同供电, 供电半径大, 负荷情况复杂, 使电网稳定、经济运行压力较大。

区域电网高耗能, 仅工业园区就有工业硅冶炼企业七家, 供电容量在200MVA以上, 化工企业陆续投产, 使非线性负荷所占比重越来越大。这些工业负荷一般都安装有无功补偿电容器, 由于供电系统在网络中都呈感性, 电容器的存在就创造了谐振的条件, 因此可能放大来自非线性负荷的谐波电流, 从而引起电网中电压畸变率的增高产生其他问题。

风电场接入电网后, 在向电网提供电能的同时, 也会给电网的运行带来一些负面影响。风能作为一种无污染的可再生能源, 在未来的能源系统中发挥着重要的作用, 在风能资源丰富的区域, 得到了快速发展, 近两年来, 局域电网就有多家风电场并网运行。风电是一种清洁能源, 但是随自然条件变化的, 风速与风向的随机变化, 造成风力发电机组出力的随机性和间歇性, 随着风电场的建设和装机容量在系统中所占的比例的增加, 大风速扰动会对系统的电压和频率产生较大影响, 且机组启动时从系统大量吸收无功, 并网瞬间的冲击电流为额定电流的2~3倍, 造成系统电压水平下降, 危及系统稳定。

商业负荷和民用负荷对局域配电网系统电能质量的影响也不容忽视。商业客户中大量的不间断电源、电信交换机、压缩机等交流调速装置都是典型的非线性设备, 而家用电器也都会产生谐波, 虽然单个容量较小, 但是数量巨大。在以三相四线制供电的配电系统中, 这些非线性负荷所产生的谐波电流会导致供电线路的中线导体过热、变压器过热以及干扰通信系统。

电能质量测试在预防、检修中的作用

要保障电网的安全、经济运行, 就必须及时地对电网中的污染源进行定量的分析, 采取适当的措施加以限制和管理, 目前无法进行准确的定量分析, 只有依靠测量手段。

2009年初, 工业园区合盛硅业投运前, 对其进行了接入谐波评估测试。该负荷由220k V爱辉变35k V八号线 (俄网) 供电, 主要用电设备总容量为12600k VA (三台单相变压器, 单台容量4200k VA) , 主要负荷为交流电弧炉, 额定出力为12500k W, 这类设备在冶炼过程中, 工作电流极不稳定, 会产生较大数量的谐波电流注入电网, 引起区域网电压波形畸变, 其电弧炉运行时三相电机不能保持同步升降, 形成三相负荷不对称, 造成电网电压三相不平衡。通过测试所得, 该企业生产时所注入的各次谐波电流中, 3、5、7次都超出国家标准规定的允许值要求, 爱辉变35k V八号线母线电压谐波的总畸变率为5.5%, 超出国家标准规定的限值 (3%) 。要求合盛硅业对谐波源进行综合治理, 必须采取滤波补偿措施。该企业采用高压并联电容器、串联电抗器的补偿措施, 补偿装置投运后, 进行实测, 生产时所注入的3、5、7次谐波电流显著减少, 爱辉变35k V八号线线母线电压谐波的总畸变率为2.67%, 符合国家标准规定的限值。通过监测手段, 加强了电网中谐波源的管理, 限制了用户谐波源注入电网的谐波电流, 有效预防各种危险谐振现象的发生。

在区域电网进行电能质量定期监测, 还可以及早捕捉系统中出现的问题, 及时进行检修预防, 减小系统潜在危险。如某变电所在短时期内先后发生两次因10k V母线过电压造成对地短路, 绝缘子爆炸, 引线、刀闸烧毁的事故。经过对此变电所进行电能质量监测, 发现发生事故的母线电压不平衡 (电压互感器二次电压最低相为55V, 最高相为62V) , 各项电压谐波含量很高, 其三次谐波含量达22%, 且该母线所带的各负荷进线的电流谐波含量并不高, 仅为1.5%。经分析验证, 确定为该10k V母线上的电压互感器中性点接地不良造成的。检修排除故障后, 三相电压恢复平衡, 电压谐波降至1.1%的正常值。结合此次事件, 对同等情况的变电所进行了排查, 避免同类事故的再次发生。

4 结语

电网电能质量 篇8

随着电力电子技术的飞速发展, 非线性负载大量增加, 各种电力电子器件和装置在工业生产中得到了广泛应用。但它们在为企业带来巨大经济利益的同时, 也带来了一系列的电能质量问题。在工业生产现场, 厂矿企业使用大量的非线性负载产生巨大的无功冲击, 引起电网电压跌落及电压波动, 严重时使电气设备不能正常工作, 降低生产效率;较低的功率因数也给企业带来了经济损失;且负载传动装置中产生了大量的高次谐波, 使电网电压发生严重畸变, 影响生产线中其它精密电子设备和电气控制元件的正常工作, 易使开关误动作, 甚至烧坏可控硅和造成其它电气设备故障, 影响安全生产。

本文介绍一种电能质量综合补偿系统, 用以减轻谐波电流对电网的污染。

1 系统硬件结构

电能质量综合补偿系统分为串联补偿单元、并联补偿单元和直流储能单元3个部分, 如图1所示。串联补偿单元主要包括串联变流器T1和换流桥1, 用于动态调节负载端的供电电压;并联补偿单元包括并联变流器T2和换流桥2, 用于补偿谐波电流和无功电流, 减轻非线性负荷和冲击性负荷对电网的影响;直流储能单元由变流器T3、换流桥3和储能电容组成。该系统既可用于三相三线制、三相四线制供电系统, 也可使用于单相供电系统, 给敏感负荷提供稳定电源, 并在非线性负载和电网之间起隔离作用, 减轻谐波电流对电网的污染。

2 系统工作原理

图2为电能质量综合补偿系统的等效原理图, 其中, us包括usf和ush两个部分, usf为电网电压的基波分量, ush为谐波电压分量;i1包括基波正序有功分量、基波负序电流分量和无功分量。当电网电压发生跌落或波动时, 串联变流器提供的补偿电压与电网电压中的畸变成分大小相等、方向相反, 从而使负载侧的电压保持为正弦波;并联变流器提供的补偿电流可以补偿基波负序电流分量、谐波电流和无功电流, 这些引起电流波形畸变的成分不再进入电网而直接由并联变流器补偿, 最终电网电流is中只含有负载电流中的基波正序有功电流。

us-电网电压;uc-串联变流器提供的补偿电压;u1-负载两端的电压;is-电网电流;i1-流过负载的电流;ic-并联变流器提供的补偿电流;Z-非线性负载

在分析电能质量问题时, 可以通过坐标变换的方法将三相对称静止坐标系转换成与电网基波频率同步的旋转坐标系。经过坐标旋转变换后, 三相对称静止坐标系中的基波正弦交流量将转换为两相同步旋转坐标系中的直流量。这样可以简化电能质量问题的复杂性, 有利于补偿系统的分析与设计。

笔者采用电力系统中的矢量变换理论及三相物理量 (三相电压、三相电流或三相功率等) 的通用矢量表示方法, 基于瞬时无功功率理论检测补偿信号的算法来分析坐标系之间的转换关系, 即在电压发生畸变及不对称情况下, 采用坐标变换的方法来检测补偿信号:串联型变流器补偿电网电压中的电压跌落及波动、谐波电压和基波电压负序分量;并联型变流器补偿负载电流中的谐波电流、基波负序电流和无功电流。

根据三相电路瞬时无功功率理论, 得出a、b、c三相电路的电源电压在α-β两相坐标系中的表达式为

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式中:usa、usb、usc分别为a、b、c三相电路中的瞬时电网电压;U+1、U-1分别为各相电压基波正序分量和基波负序分量的有效值;φ+1、φ-1分别为a相电压基波正序、基波负序分量的初相位;U+k、U-k分别为k次谐波电压正序、负序分量的有效值;φ+k、φ-k分别为a相k次谐波电压正序、负序分量的初相位。

串联变流器在电能质量综合补偿系统中的作用主要是补偿电网基波正序电压的跌落、骤升和波动, 同时补偿基波负序电压和谐波电压, 即:

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式中:Δu+1为电压基波正序分量跌落、骤升及波动分量, 即:

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式中:Δu+1RMS为电压基波正序分量跌落、骤升及波动分量的有效值。

电网电压中的基波负序电压分量为

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供电电压中的谐波电压为

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电网电压中的基波正序电压分量为

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根据三相电路瞬时无功功率理论, 可得串联变流器补偿的电网中基波正序电压跌落、骤升、波动分量、基波负序电压分量和谐波电压分量的总和在两相坐标系中的表达式为

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补偿后的负载电压为满足电能质量要求的基波正序电压分量, 该分量在α-β两相坐标系中的表达式为

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3 仿真实验

前面通过坐标变换的方法从理论上得到补偿后的负载电压为满足电能质量要求的基波电压正序分量。下面采用Matlab软件中的Simulink仿真模块进行仿真, 以检测补偿信号的正确性。

3.1 电压跌落信号

设原始电压信号为U=660sin (100πt+20°) , 在0.02～0.1 s时电压发生跌落, 电压跌落的幅值为原始电压信号的一半。在整个仿真的过程中, 加入5次谐波电压U5=-20sin (250πt-100°) 和7次谐波电压U7=-10sin (350πt+100°) 。发生跌落的待检测电压信号波形如图3所示。

由电网电压得到的a相电压的过零点作为同步参考信号, 在系统正常工作所需电压的情况下, 可以确定a相电压的表达式, 然后以a相电压为基准, 得到a、b、c 三相对称正弦电压的表达式及其仿真波形, 如图4所示。

从三相电路的原始电压信号中减去三相对称电路的参考基波电压, 即可得到电能质量综合补偿系统串联侧补偿电压跌落信号, 如图5所示。从图5可看出, 该电能质量综合补偿系统在0.02～0.1 s时能实时地检测出电压跌落的起始时刻、终止时刻及跌落幅值大小, 系统工作的实时性好且准确度高。

3.2 合成电压信号

以a相电压为例说明谐波电压信号的检测。设原始电压信号为Ua=660sin (100πt) , 并加入5次谐波电压Ua5=77.68sin (500πt) 、7次谐波电压Ua7=43.27sin (700πt) 、11次谐波电压Ua11=21.12sin (1 100πt) , 合成后的电压信号波形如图6所示。

经过同步电压检测电路得到a相电压的检测信号, 将其过零点作为同步参考信号, 在系统正常工作所需电压为660 V的情况下, 可以确定a相电压的表达式。并以a相电压为基准, 计算出a、b、c 三相对称正弦电压的表达式, 得到的三相对称正弦电压波形如图7所示。

从三相电路的合成电压信号中减去对应的参考基波正弦电压, 即可得到电能质量综合补偿系统串联侧引起电压发生畸变的谐波电压信号, 如图8所示。从图8可看出, 该电能质量综合补偿系统能够较好地检测出合成电压信号中的谐波电压成分, 工作实时性好, 数据检测和计算处理基本没有造成时间上的延迟。

4 结语

本文给出了电能质量综合补偿系统的硬件电路, 并基于瞬时无功功率理论分析了α-β坐标中电压发生畸变及不对称情况下的检测算法, 并对该检测算法进行了仿真分析。实验结果表明, 该电能质量补偿系统在0.02～0.1 s时能实时地检测出电压跌落的起始时刻、终止时刻及跌落幅值大小, 系统工作的实时性好且准确度高;可较好地检测出合成电压信号中的谐波电压成分, 数据检测和计算处理基本没有造成时间上的延迟, 具有一定的可行性。

摘要：针对供电系统存在的电网电压跌落及电压波动、功率因数低、大量的高次谐波等问题, 提出了一种电能质量综合补偿系统的设计方案, 给出了系统硬件结构, 基于瞬时无功功率理论分析了α-β坐标中电压发生畸变及不对称情况下的检测算法, 并对该检测算法进行了仿真实验。实验结果表明, 该电能质量综合补偿系统在0.020.1 s时能实时地检测出电压跌落的起始时刻、终止时刻及跌落幅值大小;可较好地检测出合成电压信号中的谐波电压, 数据检测和计算处理基本没有造成时间上的延迟。

关键词：供电系统,电能质量,补偿,电压跌落,电压波动,功率因数,谐波

参考文献

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电网电能质量 篇9

甘肃电网在西北电网中具有地理核心位置,是西北电网的枢纽和省际功率交换中心。甘肃省的地理位置、气候特点及工业分布特点决定了其负荷分布具有特殊性:风力发电、电气化铁路负荷以及各类工业冶炼负荷在甘肃电网中分布相对集中,这些大容量非线性、冲击性负荷的接入,必然会对甘肃电网电能质量造成不同程度的影响。一方面,这些特殊负荷本身的电能质量特性将会对电网产生影响;另一方面,多种特殊负荷集中区域的电能质量问题叠加后对电网的影响将会表现出新的特性。此外,在稳态极端工况或暂态情况下多种特殊负荷对电网的影响,也是值得探讨与分析的。

目前,对风电[1,2,3,4,5]、电气化铁路[6,7,8,9]以及冶炼负荷[10,11,12,13]本身的电能质量特性及其治理措施的研究较多,已取得较为成熟的成果。在电能质量叠加问题方面,文献[14,15,16]对谐波叠加问题进行了理论分析,采用随机相位概率分析法、Monte Carlo模拟法、电磁暂态仿真模型等方法对多谐波源系统的谐波叠加及抵消等问题进行了一系列的研究。但多种特殊负荷集中区域的电能质量问题叠加特性,以及稳态极端工况或暂态情况下特殊负荷对电网的影响特性方面的研究尚少。因此,本文对该方面问题进行了分析,以掌握多种特殊负荷集中可能对区域电网电能质量产生的最严重影响,从而避免多种特殊负荷集中的电能质量问题给电网带来的损失。

本文首先对风电、电气化铁路及冶炼负荷本身的电能质量特性进行系统的总结和介绍。然后,通过对甘肃电网某区域电网的仿真分析,研究了多种非线性负荷同时工作在最大功率、不对称负荷接入电网、冲击性负荷投切、牵引负荷过电分相等暂态和极端情况下的电网电能质量问题,分析结果可以作为该区域电网电能质量治理及管理的参考依据。

1 特殊负荷的电能质量问题

1.1 风力发电的电能质量特性

风力发电的电能质量特性主要是:电压偏差、电压波动与闪变以及谐波特性。

1.1.1 电压偏差特性

无功功率在电网中流动是造成电网电压偏差的主要原因。对于定速风电机组,由于其吸收的无功功率随发出的有功功率增大而增大,因此会造成电压偏差。而对于变速风电机组,虽然能够通过有功和无功的解耦控制实现风电场与电网无功交换为0,但当期出力较高时,输出的较大有功功率在输电线中也会引起无功损耗,从而引起电压偏差。此外,当输电线路较长时,线路对地电容将导致风电场在出力较低时风电场端电压高于电网电压。

1.1.2 电压波动与闪变特性

风电机组输出功率的波动是引起电网电压波动与闪变的主要原因。引起风电机组输出功率波动的原因有很多,风速的随机性、风力机组的类型和控制策略、风电机组的操作、风力机结构特性以及风电机组所接入电网的结构都会引起输出功率变动[1]。

1.1.3 谐波特性

风电机组中大功率的电力电子装置是谐波问题的主要来源。包括双馈机和直驱式风机的变速风机,在电网侧采用PWM逆变器,逆变器装置的结构设计、控制方法及相应滤波器的设计将使风电机组表现出不同的谐波特性,并且该谐波电流与风机的输出功率基本呈线性关系。随着电力电子技术的发展,高频逆变技术将使风电机组的特征谐波集中于易于滤除的高频区域,并产生一定量的高频间谐波成分。

1.2 电气化铁路的电能质量特性[6]

电铁负荷的电能质量特性包括谐波、负序、电压偏差和电压波动特性。其中,谐波和负序是电铁负荷的主要电能质量特性。

1.2.1 谐波特性

由于电铁负荷具有单相不对称、波动剧烈的特点,因此其产生的谐波有别于其它电力用户产生的谐波。电铁负荷谐波特性主要表现在:①特征谐波相比普通负荷有所不同;② 谐波初相角分布广泛,可在复平面的0～360°之间随机分布;③ 谐波幅值随机剧烈波动并在一定条件下具有日周期性;④ 谐波从110kV或220kV(330kV)电压等级直接注入电网等。

1.2.2 负序特性

由于电气化铁路是单相负荷,当三相电力系统对其供电时,它将向电力系统注入负序电流。单相工频交流电气化铁路的首要问题就是拓扑结构的不对称,加之单相负荷的独立性和变化的随机性,使得其返回系统的负序问题颇为复杂。电气化铁路接入系统一般会采用轮流换相的方法进而减小其单相性对电网各公共连接点的影响。

1.3 冶炼负荷的电能质量特性

冶炼类负荷的类型多种多样,包括交(直)流电弧炉、电热炉、中频炉、精炼炉以及电解设备等。该类负荷主要的电能质量特性包括谐波和电压波动特性,此外对于不对称冶炼设备还具有负序特性。

1.3.1 谐波特性

冶炼设备的谐波特性主要取决于两方面:非线性电阻特性和整流电路特性。如果冶炼过程中存在电弧,而这些电弧是非线性电阻性的,因此电弧燃烧时就产生了谐波电流。该谐波电流由于电极的阳极和阴极压降不同,因此存在偶次谐波成分。此外,由于电弧的导电率和长度随时间变化,谐波幅值也会随机变化,从而产生连续的谐波频谱,使主要的谐波频谱都存在边频带,即间谐波。如果冶炼负荷存在整流电路,则整流装置将使冶炼负荷产生特征谐波注入电网。

1.3.2 电压波动特性

各类冶炼负荷所消耗的功率均存在不同程度的冲击性和随机性特点,而无功功率变化所带来的主要电能质量问题就是电压波动与闪变。其中,电压波动与闪变问题最严重的就是电弧炉设备。电弧炉的电压波动特性主要取决于其熔化期的电气特性[10]。

1.3.3 负序特性

交流电炉均存在不同程度的负序问题,其负序特性主要取决于电炉的大电流电感支路。大电流电感支路包括变压器二次侧连接、电极导线以及电极。一方面,由于导体的几何对称性总会存在偏差,在强磁场的作用下产生不对称的互感系数,从而使电感支路表现出静态不平衡性。另一方面,大电流电感支路在电炉运行时会改变它们之间的相对位置,从而表现出动态不平衡性。

2 多种特殊负荷集中区域电网的电能质量问题仿真分析

2.1 仿真模型的建立

根据甘肃省的电网结构和负荷情况,选取了上述三类负荷较集中的区域,依据实际电网参数和电能质量测试数据,在PSCAD/EMTDC中搭建了相应的仿真模型,对不同工况下多种特殊负荷集中区域电网的电能质量情况进行了仿真分析。

图1给出了仿真时所采用的区域电网结构图。其中,等效电源为与该区域电气距离较远的330kV系统变电站,为了分析最严重的情况,采用该站的330kV母线最小短路容量作为等效电源数据;变电站1、变电站3、变电站6为330kV变电站,其余系统变电站均为110kV变电站;3座电厂经升压变接入110kV电网。该区域共有4座风电场接入110kV电网,3个牵引站直接接入330kV接入系统,其中牵引站1、2共同接入变电站1的330kV母线。冶炼负荷通过110kV接入系统变电站7中。各系统变电站均考虑了所带其他一般负荷以及加装的补偿装置。

仿真中,风电场的输入为各个风电场接入点的测试数据,电铁牵引站的输入为该站短时最大功率情况下对应的基波和谐波电流数据,同时考虑了牵引站的轮流换相,冶炼负荷的输入是基于典型电弧炉模型的输出数据。

2.2 稳态电能质量

为了考察极端情况下三种负荷对电网电能质量的影响,将风电场、电铁负荷以及冶炼负荷同时以最大容量接入电网中,分析该情况下主要母线的谐波、负序以及电压波动的情况。

2.2.1 谐波问题

表1给出了主要母线的电压谐波总畸变率仿真结果。

通过表1可以看出,冶炼负荷相邻的系统变电站母线的谐波含量较高,并且已经接近国标中110kV电压谐波总畸变率为2%的限值。此外,与电气化铁路相连的系统变电站1由于有两个牵引站同时接入,相应的谐波含量也较大。图2给出了变电站6的110kV的母线电压波形。

由于仿真时考虑了系统变电站集中加装的滤波和补偿装置,减小了谐波在电网中的传播,因此仿真结果均未出现超标现象。在冶炼类负荷和电气化铁路接入系统时,需对其产生的谐波采取相应的治理措施,避免大量谐波注入系统对电网产生恶劣影响。

2.2.2 负序问题

表2给出了直接接有特殊负荷的主要公共连接点三相电压不平衡度仿真结果。

由表2可以看出,有电气化铁路接入的系统变电站母线相应的三相电压不平衡度较高。当电气化铁路接入电力系统时,应当考虑优化牵引系统的供电方式,通过轮流换相、选择合适的牵引变压器类型和装设补偿装置等措施减小电铁负序对电网电能质量的影响。图3中给出了变电站1的330kV母线电压相量图。

2.2.3 电压波动

风力发电以及冶炼负荷都是波动性很强的负荷,这种负荷同时接入电网会给电网带来很大的电压波动问题。表3给出了主要公共连接点在三种负荷共同作用情况下的电压波动数据。

从表3可以看出,与冶炼负荷相邻的系统变电站的电压波动较大。图4给出了变电站6的110 kV母线电压有效值。因此,对于有冶炼负荷和风电场接入的公共连接点,需采取一定的治理措施,避免带来相应的经济损失。

2.3 暂态电能质量

为了考察负荷在投入(切除)或变换运行方式的情况下,是否会对其他负荷及系统产生影响,本节对冶炼负荷投入和牵引负荷过分相进行了仿真分析。由于风电场的投入和切除受调度的影响,并且风电场并网时须满足并网条件,故不特别针对风电场的并网进行暂态电能质量分析。

2.3.1 冶炼负荷投入

当冶炼负荷投入时,将从系统电源汲取比正常工作时大得多的电流。流经系统电源阻抗的电流突然增大,造成电源阻抗分压增加,从而引起公共连接点电压降低。反之,当其从系统中切除时,电压会随之升高。

当系统电压降低时,对电气化铁路、风力发电厂等重要负荷的供电都会有一定的影响,严重时更可能造成负荷解列,带来严重的社会经济损失。

图5给出了当额定容量为100MVA的冶炼负荷在1.5s投入时,电压降低最严重的母线(变电站6的110 kV母线)的电压有效值波形以及冶炼负荷接入点的电流波形。

仿真结果表明,当冶炼负荷投入时,系统电压均会有一定程度的降低,越接近冶炼负荷的接入点,降低幅度越大,其接入点(变电站6的110 kV母线)的电压降低幅度约为4.1%。此时,与风电场相连的系统公共连接点电压降低约为1.9%,基本不会对风电场及电铁供电造成严重的影响。其余母线的电压降低均在3%以下,对系统及负荷不会产生严重的影响。冶炼负荷投入后的电压波动,是由冶炼负荷的随机性和波动性引起的,在该区域电网结构下,该波动幅度较小,对电力系统影响较小,可忽略。

2.3.2 牵引负荷过分相

通过对牵引负荷的实测,估计牵引站出现电压变动最大的运行工况为:同一牵引供电臂上一列机车过分相后牵引运行另一列机车从惰性转为牵引运行,此时相当于有两列机车同时牵引时,造成的电压变动最大。

仿真中,在牵引站1中模拟该工况(4 s时发生),结果显示变电站1的330 kV母线上电压降低最大,为0.17%,基本不会对系统产生影响。图6给出了该母线的电压有效值。

由于牵引负荷接入点的系统变电站的短路容量较大,而该情况下的功率冲击与短路容量相比微乎其微,故其带来的电能质量问题可以忽略不计。但是,当系统短路容量较小时,该问题应引起注意。

3 结束语

(1)当同一系统母线接有多种非线性负荷时,该母线谐波含量较大,经集中治理后可有效减小谐波在电网中的传输,减小区域电网内的总体谐波水平;

(2)电气化铁路属单相负荷,该类负荷接入系统会引起供电母线的严重三相不平衡,因此在牵引负荷接入时,需对供电方案等内容进行审核,进行电能质量问题评估,并采取相应的治理措施;

(3)风力发电和冶炼负荷等波动性较大的负荷,会带来较大的电压波动问题,需对其采取治理措施;