电网负载（通用3篇）
电网负载 篇1
我国低压电网系统多采用三相四线制连接方式, 当单相负载不均衡等问题出现时, 配电变压器就会处于三相不平衡运行状态, 造成配变损耗与线路损耗等负载问题, 同时影响电能质量。造成三相不平衡的原因多样, 例如一相断路、单相接、单相用户用电不均衡等问题都会导致三相不平衡, 因此三相不平衡运行状态随时都可能发生, 必须完善相应对策。
一、中性线断裂影响电能质量
当三相负载在不对称状态下依旧工作运行时, 配电变压器的三相电流会出现不对称现象, 此时中性线就会产生零序电流。而零序电流感受到电动势的变化之后会造成二次侧电压不对称, 中性点会有移位现象发生。因此, 在实际情况中, 中性线电流的正常运行常常会因为三相负荷不平衡而受到影响, 出现电流过大现象, 造成中性线断线事故。例如, 当中性线断裂时, A相正与B相连接, 灯甲与灯乙会出现串联现象, 380V的电流力量就直接加在灯甲与灯乙上。而类似这种电阻大的小功率电器在大量电流通过时, 承受的电压过大, 导致电器被烧毁。
某供电公司在统计由于中性线故障而导致家用电器被烧坏的事故数量时发现, 2009年出现事故16起, 2010年出现事故28起, 2011年出现事故33起, 逐年上升的事故数量让电力企业不得不对此更加重视。而根据居民家用电器损坏相关办法规定, 供电公司要对出现这一问题的居民进行经济赔偿。这不仅影响了居民的正常生活, 也导致供电公司出现较大经济损失。
二、线路损耗影响
(一) 变电器损耗
配电变压器的接线方式一般采用三铁心结构, 当三相不对称运行时, 变压器一次侧无零序电流, 二次侧则因零序电流形成励磁电流, 并且随之产生零序磁通, 造成电流无法在铁心闭合, 只能利用铁箱壁闭合, 进而损坏铁箱等附件, 极大的增加了配电变压器的损耗。其总损耗 (单位KW) 可计算为:
。其中, 三相负荷电流分别为IA, IB, IC, 二次测电阻为R1。
三相平衡状态下每相组的电流应该为 (IA+IB+IC) /3此时三相绕组的总损耗为Pf2=[ (IA+IB+IC) /3]2×R1×10-3。而三相不平衡状态所产生的附加损耗是△Pf=Pf1-Pf2。若某供电台区的配电变压器型号为SJ-315KVA, 则该变压器的绕组电阻为R1=0.00849Ω, 零序电阻为R0=0.122Ω, 零序电抗为X0=0.174Ω。实测某一时刻的电流IA=181A, IB=235A, IC=269A, I0=81A, 则可以根据以上公式得到铁损P0=0.8k W, 附加铜损为△Pf=0.033k W, 总损耗功率△P=P0+△Pf=0.833k W, 一年中损耗总电量为W=△P°T=7279k W°h。从此案例中可知, 配电变压器造成极大损耗的原因往往是因为三相不平衡, 因此若将变压器损耗降低, 则能保证变压器的正常寿命。
(二) 输电线路损耗
在三相不平衡运行时, 输电线路损耗极大 (如表1所示) 。
由表1可知, 要想避免损耗, 就必须要保持三相负载对称;而当其相等且相角不对称时, 此时则能达最低线损;反之, 当三相电流模值不等且相角对称时, 损耗就会增加。损耗明显与相角以及电流模值存在联系, 要想控制线损, 就应该控制三者之间的平衡关系。
三、解决三相不平衡负载问题的相关对策
在低压电网系统的运行中, 无法完全避免三相不平衡状态的发生, 但是可以利用各种方面的不同措施将三相不平衡的可能性降低。解决这种问题的方式较多, 主要可以从以下两个方面采取措施。
(一) 管理上的相关对策
1加强配变电压器的日常维护。为了保证配电变压器时刻都能正常运行, 需要定期检查没有装置配变检测仪的地方, 现场测量电压器的三相负荷电流是否出现问题。若问题较为严重, 则要及时将线路所带负荷进行调整, 保持其分配比例的正常, 让三相负荷回到平衡状态。此外, 要定期实时跟踪已经装置配变电压器检测仪的地方, 查看检测仪是否在正常进行工作, 并且记录三相电流不平衡情况, 根据统计结果进行分析, 有效调整线路所带负荷分配比例。
2应该合理选择中性线截面。能够供以选择的中性线截面并不多, 所以在选择时中性线截面要尽量与相线截面相等, 可以有效减低中性线截面被烧毁的可能性, 从而降低电能损耗。同时, 要保证中性线在工作中能够稳定输送电流, 不得在中性线上安装熔断器和开关、刀闸之类的设备, 以免造成更大电力事故的发生。
(二) 技术上的相关对策
由于三相不平衡现象时有发生, 许多厂家都已经注意到这一现象, 并且研发出许多调补装置。在满足一定条件后, 供电企业可以进行调补装置的安装工作, 虽然调补装置种类繁多, 但其工作原理是相同的。一般来说, 调补装置内部都有十二台电力电容器, 单相400V, 在控制三相不平衡时, 每一台电容器都能与相线或零线相接, 实现三相平衡的目的。每种电容都有5种接法, 如电容全投、电容全不投、A相与B相间投、B相与C相间投、A相与C相间投。每个配变电压器的容量都不相同, 可以根据实际情况决定调补装置内的电容器组数量, 利用负荷系统产生的电感, 让最终投入的补偿量达到系统需要的无功补偿量, 实现调整三相不平衡的目的。
结语
本文将三相不平衡造成的影响进行逐一分析, 然后从管理与技术方面提出了尽量完善三相平衡的优化对策。望相关部门能够重视电网系统低压三相不平衡负载问题, 并及时进行解决, 实现节能降损、提高供电质量的目标。
参考文献
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电网负载 篇2
关键词：电网,非线性负载,谐波畸变率,仿真
0 引言
保证电能质量是电力部门和用户共同的责任。近几年来,随着科学技术的进步,新型用电设备不断投入使用,大量谐波源设备接入电网,使电网受到严重“污染”,电能质量变劣,对电网安全运行和广大用户安全用电构成极大威胁,曾造成发电机掉闸,继电保护误动作,发电机转子烧毁,用户电容器和电动机等用电设备烧损。为提高和改善电能质量,保障电网安全和广大用户的利益,各级电力部门应依据《电力系统谐波管理暂行规定》,加强电网谐波的管理,此行意义重大。
近年来随着工业中非线性负载的广泛应用,电力系统中的谐波畸变问题日益严重。工业上控制谐波问题曾采用的方法是大量使用单调谐滤波器来给谐波信号提供低阻抗通路,在工业范畴内,只有大量谐波的产生者才会采取谐波滤波措施来减小谐波的重重干扰,这类干扰也许会超出测量点而影响到灵敏设备。这种抑制谐波的方法成本高,商业设施及居民设施中通常都不予采取。本文从实用和经济方面入手,主要介绍四种抑制电网中由非线性负载所产生谐波畸变率的方法,具体内容如下:(1)网络拓扑重构;(2)短路电流比增大;(3)多脉波变流器消除谐波;(4)电抗器串联。
1 网络拓扑重构
网络拓扑重构是网络中信息的一种计算方法,包括以下步骤:收集网络的拓扑信息及备选路由器的信息;利用收集到的信息生成满足多种性能指标要求的网络重构拓扑;将生成的所述网络重构拓扑通知其他路由器并进行拓扑重构。本发明的实施例提供一种拓扑重构装置和设备。通过使用本发明的实施例,在重构过程中对可靠性、全网建设费用、全网利用率等多种性能参数进行动态地优化,达到最优的优化升级效果。减小未滤除谐波影响的有效措施之一就是进行网络重构。有必要对那些向系统中注入大量谐波电流设备的部门及用户进行识别,并能描述谐波内容的具体特征。居民和用户设施中常常利用相同的配线或通过附加电路重新设置负载,这是一个大幅度减小谐波干扰的有效方法,非常经济。
最大的非线性负载布置在不同的馈电线之间,就好比在三相系统中设置平衡单相负载一样,是非常有益的。该措施有助于减小贯穿于单条线路的谐波电流畸变率所引起的过多的电压降。
2 供电模式刚性增强
增加短路电流和负载额定电流的比值会使某一点的供电能力增强。例如,供电公司增加变电所容量或工业用户在供电母线上增加一些余热发电来确保用电高峰期系统的正常运行,这些措施都增加了系统的供电能力。
稳定的交流电源增加了系统的短路电流,人们经常用短路电流与负载电流的比值来衡量电源的稳定性。供电能力强的点能更好地吸收电网中的瞬时干扰,对较大的变压器涌流、电缆电压及大功率负载电动机启动产生的谐波的衰减效果好,也应用于流向变电所的谐波电流。理由是无论在稳态下还是存在高频电流的情况下,稳定度高的电源的内阻都较低,因而内压降较小。
在谐波频率下,非线性负载系统的感抗和容抗是频率的函数:
稳定度高的电源主要影响系统的感性装置。谐波电流畸变率产生的电压降受系统感性装置电抗的影响,系统的感性装置包括馈电线和变电所元器件。针对较短馈线,电源阻抗是主要的感性元件。在此条件下,谐波电流最可能到达变电所且在电源阻抗上产生电压降,因此稳定度高的系统中谐波畸变是比较小的。近年以来,为尽可能减少停电次数,最大限度地避免重复停电、临时停电和非计划停电,本地供电公司通过加强停电计划刚性管理,大力实施带电作业,有效提高了设备可用率和停电计划兑现率。
3 采用多脉波变流器消除谐波
为了限制直流分量的谐波,在小功率负载的应用中常采用单相变流器。因半波整流器产生的直流分量会使变压器饱和,所以推荐使用全波整流器。
基本的多相变流器是6脉波装置。理论上,12脉波装置能够消除较低次数(5次和7次)的谐波,首先出现的谐波为11次和13次谐波,其次是23次和25次谐波。通过引入附加的倍相来减小其他的谐波电流是可能的。如果一个6脉波装置不能满足要求,可以采用两个相互有15°相移的6脉波装置(即12脉波装置)来消除谐波电流畸变率。如图1所示。
图2描述了非线性负载处和电源处的电流和电压波形,以及18脉波变流器的谐波频谱分析。
4 串联电抗器抑制谐波
电抗器作为谐波衰减元件,我们能够在变电所或中性线接地连接的电机或功率变压器中看到串联电抗器,电抗率为5%的电抗器安装在功率变流器的电源侧,可以有效减小谐波畸变问题。作为能量存储与电流变化速率成反比的装置,串联电抗器理论上可以提供双向衰减谐波电流畸变。这表征着,从任何非线性装置流向交流电源的谐波电流被衰减,并且从邻近的用户或配电系统中产生的电涌流向变流器的谐波电流也被衰减。这种技术值得注意的是,除了能抑制谐波电流以外还可作为抗干扰的一种方法。例如,可以减小由于电容器组或长电缆换路导致的在电力线路侧产生的瞬时事件或由于线路故障造成的瞬时干扰。
几点建议:(1)新建的变电所的电容器装置中串联电抗器的选择必须慎重,不能与电容器任意组合,更不能不考虑电容器装置接入处的谐波背景。(2)对于已经投入运行的电容器装置,其串联电抗器的选择是否合理需进一步计算,并组织现场实测,了解电网谐波背景的变化。(3)电能质量的综合治理是系统工程,在并联电容器回路中串联电抗器仅是抑制谐波的治标之举,要真正做到标本兼治必须遵循谁污染谁治理、多层治理分级协调的原则。
5 结论
谐波滤波器的成本是比较高的,因此谐波滤波器主要在工业设施中应用。本文介绍的这4种减小谐波畸变率的方法针对广大居民和用户,充分体现了其经济和实用的价值,应用效果良好。
参考文献
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电网负载 篇3
逆变器是新能源和电网的接口, 具有将新能源发出的电能转变成交流形式并向电网输送的重要作用[1]。随着分布式电源数量的增加, 对于分布式电源和电网系统之间交互影响的研究也在迅速发展[2,3]。当分布式电源系统与电网相连情况越来越多时, 线路阻抗和变压器漏感较大, 电网则呈现弱电网特性, 其主要电气特性表现为低短路容量和高电网阻抗。
目前, 对于弱电网情况, 多数文献都是采用阻抗分析法来分析逆变器系统和电网系统的动态交互影响, 如文献[4]。文献[5] 是利用阻抗分析法, 通过设计虚拟阻抗提高系统的控制性能来提高控制系统的稳定性。而文献[6] 则利用该方法对谐振进行研究。该方法优点在于在无需并网逆变器精确参数的情况下, 利用某种方法 (如特定谐波注入法) 来获取并网逆变器的等效输出阻抗, 通过研究电网阻抗Zg (s) 与并网逆变器等效阻抗Zinv (s) 的比值来研究电网阻抗对并网系统稳定性的影响。但是, 它利用Zg (s) /Zinv (s) 来表征并网系统稳定裕度, 是存在误差的, 无法反映系统真实的稳定状态。文献[7]也是利用该方法, 同时考虑锁相环对于系统稳定性的影响, 将阻抗分析法进行了拓展。阻抗分析法能够判定系统的绝对稳定性, 但对系统的相对稳定性判定则存有误差。
阻抗分析法并未考虑公共耦合点的接有本地负载的情况, 使得对并网系统的研究并不全面。在实际应用当中, 由于分布式能源容量较小, 在其公共耦合点处都会接有本地负载, 当输出功率大于本地负载所需功率, 剩余功率再送至电网端。根据GB/T 29319-2012 光伏发电系统接入配电网技术规定, 分布式发电系统中光伏发电系统的并网结构如图1 所示[8]。本地负载在分布式能源的应用中是不可忽略的。本地负载并不会对并网系统的绝对稳定性产生影响 (即并网系统的极点始终在s平面左侧) , 但是其会对并网系统的相对稳定性 (稳定裕度) 产生重大影响, 因此, 在理论分析中本地负载是不可忽略的。
本文首先简单讨论三相并网逆变器的基本拓扑结构, 提出并建立了弱电网下计及本地负载的并网系统数学模型, 将电网阻抗以及本地负载的数学模型归纳到逆变器控制系统中。在提出的模型基础上, 通过理论分析证明阻抗分析法存在的固有误差。并且, 阻抗分析法只采用相角裕度单一指标描述系统, 是具有其局限性的。根据新的模型, 得到关于电网阻抗对于并网系统影响的本质原因, 最后利用仿真验证所得的结论。
1 基本拓扑结构
本文研究对象是三相并网逆变器, 假设三相电网电压以及负载均对称[9,10]。图2 所示为三相并网逆变器的电路拓扑结构图。L1、L2和C分别为LCL滤波器的逆变器侧电感、网侧电感和滤波电容[11]。upcc表示公共耦合点的电压, Zld和Zg分别为负载和电网阻抗, Udc为直流电压, us为等效电网电压[12]。其中, G (s) 为外环控制器, 一般为PI或PR控制器。Kc为内环比例控制。目前并网逆变器的控制系统数学模型所建立的范围仅限于逆变器部分, 而负载和电网阻抗部分则是弱电网下需要着重考虑的情况, 为本文研究重点。
2 弱电网下的并网系统的阻抗稳定判据
根据文献[13], 将电源子系统表示为诺顿等效电路, 如图3 所示。并网逆变器可看作电流源Is并联输出阻抗Zinv, 电网看作理想电压源us串联电网阻抗Zg。得到并网电流表达式为
令H (s) 等于式 (1) 右边第二项, 则有
逆变器输出稳定, 但也具有相对稳定性, 即有一定的稳定裕度。阻抗分析法并未该部分, 只采用Zg (s) /Zinv (s) 来表征系统稳定裕度, 显然存在误差。接有本地负载时, Zinv与Zld并联得到Zpal, 此时是采用Zg (s) /Zpal (s) 来表征系统稳定裕度。
3 计及本地负载的并网系统数学模型
本文所建立的弱电网下的数学模型, 如图4所示。其不同于传统并网逆变器模型之处在于考虑了公共耦合点的负载及电网阻抗。Kpwm为逆变器等效放大系数[14]。当采用不同控制策略时, 即图4 的控制环以及反馈变量可能会有所改变, 但负载- 阻抗部分是一样的, 因为弱电网下本地负载和电网阻抗的电路关系是确定的。
控制系统采用两相静止坐标系[15,16,17], 根据KVL和KCL, 由图2 可得式 (3) 。实际电网中, 公共耦合点是接有本地负载, 且本地负载会对系统稳定性产生影响, 因此必须考虑本地负载的作用。
由于电网阻抗和公共点负载的电路关系是固定的, 因此不管逆变器前端控制系统的控制策略如何变化, 或者滤波器类型变化, 如采用L型滤波器, 建立并网系统数学模型的方法都是一样的。由式 (3) 可以证明图4 中的负载- 阻抗部分的正确性。根据系统传递函数, 可以分析当电网阻抗变化和负载变化时, 系统此时的稳定裕度以及截止频率, 从而判断系统的稳态性能和动态性能。
4 阻抗分析法的误差性
阻抗分析法利用H (s) 中的Zg (s) /Zinv (s) 来表征弱电网下并网系统的稳定裕度是有误差的。考虑公共耦合点接负载时, 根据图4, 并网系统闭环传递函数Gcl (s) 为
逆变器输出阻抗与公共耦合点负载并联, 并联后等效阻抗Zpal (s) 为
此时H (s) 为
其中A1~A4如式 (4) 所示。此时并网电流为
进一步化简有
且Gcleq (s) H (s) =Gcl (s) , 可得Gcleq (s) 为
其中n1~n3如式 (6) 所示。接有本地负载时, 等效电流源Ic (s) =Iref (s) Gcleq (s) , 阻抗分析法的应用前提是电网阻抗为零时, 逆变器输出稳定。既无负载也无阻抗时, 并网逆变器闭环传函Gcl1 (s) 为
由式 (10) 可得, 并网逆变器稳定时, 则Gcleq (s) 是稳定的 (负载稳定) 。因此, 利用H (s) 的稳定裕度代替Gcleq (s) H (s) 的稳定裕度, 对于系统真实稳定裕度的描述, 是存在误差的。
外环控制器G (s) 为PI控制, 电网阻抗为纯感性Lg, 负载为阻感性Rd+Lds时, 计及本地负载时并网系统开环传递函数为
由上式得并网系统的特征方程为
以电网阻抗Lg为增益, 有
其中Geq (s) 为
5 仿真验证与分析
5.1 阻抗分析法的误差性
为了验证第四部分的正确性, 仿真采用三相并网逆变器, 电网阻抗为纯电感Lg, 本地负载Zld为Rd+Lds。本地负载大小为10k W+4k Var, 计算得 (15+j36) Ω。采用三组数据来对比说明。仿真电路主要参数如表1 所示。
例1:
当Kp=0.5 时。利用阻抗分析法得到的系统相位裕度与系统真实相位裕度存在误差。图5 为计及负载时Zg (s) , Zol (s) 和Gop (s) 伯德图。此时阻抗分析法的相位裕度为30.5deg, 开环截止频率fc为1190Hz。而并网系统实际相位裕度为41.3deg, 且开环截止频率为86Hz。阻抗分析法所表征的相位裕度是有误差的, 且截止频率相差较大, 对于并网系统的带宽估计也有较大影响。
例2:
PI控制器取表1 参数值时, 即Kp=1, 由式 (5) 和 (11) 得到图6。图6 所示为Gop3 (s) 和Zg (s) 以及Zpa1 (s) 伯德图。由图中可以看到, 由阻抗分析法得到系统的相角裕度PM为21.8deg, 截止频率为1190Hz而系统真实的相角裕度应为67.8deg, 截止频率为124Hz。随着PI控制器比例参数Kp的增大, 并网系统的开环截止频率增大。而阻抗分析法的相角裕度不仅与与真实相角裕度误差较大, 且带宽并未反映出控制参数对于系统的影响。
例3:
PI控制器参数同表1, 假定电网阻抗由Zg (s) 由3m H变化为4m H。图7 所示为Zg (s) , Zpal (s) 与Go (s) 伯德图。电网阻抗增大时, 阻抗分析法的相位裕度为27deg, 截止频率为1140Hz, 但并网系统实际PM为65.7deg, 截止频率为111Hz。由阻抗分析法得出的系统性能指标与实际相差较大。
5.2 阻抗分析法的局限性
阻抗分析法只采用相角裕度来评估系统, 单一的评估指标, 具有局限性, 无法全面反映系统真实的真实状态。图8 为电网阻抗Lg分别为0.5m H、3m H、8m H和12.8m H时并网系统开环伯德图, 其它参数如表1 所示。其中箭头方向为电网阻抗增大方向。从图8 和表2 看出, 电网阻抗增大时, 系统明显的改变是开环截止频率的减小。图9 所示为采用表1 参数大小时, 根据式 (14) 得到电网阻抗Lg的根轨迹。由图9 可看出, 电网阻抗无论如何变化, 整个并网系统的极点均在s平面的左半平面。由此可证明, 电网阻抗并不会对并网系统绝对稳定性产生影响, 只影响相对稳定性。
图10 所示为Zg为8m H时系统开环传函Go (s) 和Zg (s) 以及Zpal (s) 伯德图。由阻抗分析法得到此时系统的相角裕度有两个, 分别为98.7deg和52.3deg, 由提出的数学模型得到系统的GM为11.6d B, PM为58.9deg。此时并网系统是稳定的。但是, 由后者还可得到, 此时系统开环截止频率为81Hz (工频为50Hz) 。并网系统的截止频率较小, 导致系统带宽小, 系统的瞬态响应会较差, 将无法达到预期的控制要求。图11 (a) 所示为电网阻抗分别为0.5m H和3m H, 逆变器输出电压和并网电流波形, 其中电流放大三倍显示。电网阻抗较小时, 输出电压和并网电流波形较好, 谐波畸变率在合理范围内。图11 (b) 所示为电网阻抗分别为8m H和12.8m H时逆变器输出电压和并网电流波形。当电网阻抗逐渐增大时, 输出电压和并网电流波形开始出现畸变。根据本文提出的模型, 其原因在于并网系统截止频率过小, 无法满足控制要求。而由阻抗分析法, 并网系统的相位裕度都较好, 并网系统处于稳定状态, 但其无法全面评估系统的真实状态。
于是可得以下结论:电网阻抗增大, 并不影响整个并网系统的绝对稳定性 (即并网系统的极点均在s平面左侧) , 但影响系统的相对稳定性即稳定裕度。电网阻抗增大导致入网电流质量变差的本质原因在于电网阻抗的增大使并网系统的截止频率变小, 系统带宽过小, 无法达到预期的控制效果。由阻抗分析法并不能得到该结论, 因为其对于系统的描述仅使用相角裕度的指标。
7 结论
计及本地负载情况下, 本文提出了弱电网下并网系统的数学模型, 不同于传统数学模型之处在于将电网阻抗和公共耦合点的负载归纳到并网控制系统中, 因此电网阻抗和公共耦合点负载对于整个系统的影响, 可以直接利用经典控制理论中的知识去分析。当并网逆变器的控制策略改变时, 弱电网下不可忽略的电网阻抗和负载模型是不变的, 所以该模型具备通用性。
利用阻抗分析法所采用的相角裕度, 是有误差和片面的。文章对于该误差进行了详细的证明。其片面性在于, 只采用相角裕度描述并网系统, 无法反映系统的真实状态。根据所提出的模型, 得到一个重要的结论, 即电网阻抗的变化并不会对系统的绝对稳定性产生影响。但是其值增大会直接导致系统截止频率的减小, 进而影响整个控制系统的控制效果, 使入网电流质量变差。由阻抗分析法无法得到此结论。下一步讨论将重点讨论当电网阻抗在一定范围内变化时, 如何较好的选取控制器参数, 使并网系统依旧具备良好的控制效果进而保证入网电流质量。
摘要：当前对于弱电网的研究, 主要的研究方法为利用阻抗分析法来对逆变器并网系统进行探讨。其优点在于在无需并网逆变器精确参数的情况下, 利用某种方法 (如特定谐波注入法) 来获取并网逆变器的等效输出阻抗, 利用电网阻抗和逆变器等效输出阻抗的比值研究并网系统的稳定性。但是, 由该比值表征并网系统的相角裕度, 是模糊和不精确的。并且仅由此指标来描述系统, 也是片面的。本文将给出整个弱电网下系统的数学模型, 即弱电网下不可忽略的电网阻抗和公共耦合点的负载, 都将被归纳到并网逆变器控制系统中, 从而更加直观和精确的研究电网阻抗和公共点负载变化时, 对整个控制系统的影响。在证明阻抗分析法所述系统相角裕度存在误差的基础上, 最后由仿真验证本文提出正确性以及阻抗分析法描述系统的局限性。