电能优化管理系统（共7篇）
电能优化管理系统 篇1
0 引 言
“分离模块航天器”(F6)英文全称为:Future,Fast,Flexible,Fractionated,Free-Flying Spacecraft United by Information Exchange,直译为通过信息交换连接的“未来、快速、灵活、分离模块、自由飞行航天器”[1,2]。分离模块空间系统组成决定了单个分离模块提供的能量不能满足大功率设备的能量消耗,需要无线电能传输模块为其提供能量,因此无线电能传输是分离模块空间系统的重要组成部分,也是分离模块系统功能实现的保障[3]。
在研究无线电能传输机理的基础上,构建系统分析的等效互感模型,对各种谐振拓扑和工作模式下的电能传输系统的传输特性进行了全面分析,给出了一种适用于谐振耦合电能传输系统的分析方法,采用Buck-Boost电路进行优化等效阻抗,从而实现整个系统电能输出的性能的最优化。
1 电流型谐振耦合传输系统
谐振耦合电能传输技术利用了电磁感应理论与松耦合变压器理论,结合了当今最新的电力电子技术与微电子技术,实现了电能的非接触式传输,典型的磁谐振耦合电能传输技术的原理框图如图1所示。系统主要由工频整流滤波电路部分、高频逆变电路部分、磁共振耦合部分、接收线圈的整流及稳压部分、用电设备的供电控制部分等五部分组成。为了减少系统的无功功率容量,提高系统的传输效率,通常对原、副边电感采用谐振补偿的方式来提高系统传输效率,但是采用补偿网络以后系统很容易发生失谐,失谐条件下,很难完成电能的有效传输,原因主要有:线圈内阻、开关损耗[4]、负载阻抗变化等。这些因素在频率较低时对传输效率的影响不明显,但系统高频(MHz)工作时它们的影响却不能忽视。其中,线圈内阻和开关损耗都能改进,负载阻抗的变化则需要通过特定的电路设计来优化。
2 基于阻抗变换的效率优化
在接收电路之后加入整流和Buck-Boost环节,如图2所示。副边接收电压经过电容Cs谐振补偿,再经过整流滤波电路之后,得到直流电U1,该直流电经过Buck-Boost环节后给负载RL供电,其输出电压为Uo。其中,Ropt是谐振网络之后的等效电阻,随着传输距离的改变而变化,R1为整流滤波电路之后的等效电阻,是固定值。
设Buck-Boost电路的占空比为δ(0<δ<1),根据能量守恒定律:
且Buck-Boost电路输出电压与输入电压的关系满足:
因此可得到R1与RL的关系:
由于交流阻抗Ropt和直流阻抗R1的关系满足[5] :
可得占空比:
δ的取值范围为0～1,对于不同的负载RL,都可得到相应的占空比。
但如果占空比太小,电感电流容易出现断续。对于Buck-Boost电路,其工作于连续导电模式下的条件为[6]:
式中:Lf是Buck-Boost电路中的电感;fs为Buck-Boost电路的工作频率。
即占空比δ还需满足:
通过控制Buck-Boost环节中功率开关的导通和断开时间来调整占空比δ,使得交流等效阻抗Ropt与输入阻抗共轭匹配,从而实现传输效率的最优化。
3 基于阻抗变换的仿真分析
为了验证阻抗变换电路对效率分析的正确性,根据图2所标注的元器件参数值,可求得系统此时的优化负载电阻值Ropt=32 Ω。由公式(4)可计算出δ=0.416,取占空比为0.4,用PSpice进行瞬态分析,得到Buck-Boost调压环节的仿真结果,如图3所示。
式中:W(Lf) 是电感的功率;I(Lf)是电感电流;V(Cf:2)是输出电压;V(Lf:1)是电感电压。电感电流始终为正值,说明该电路工作在连续状态。
由波形图可以看出,电路在4～29 μs时段之间的工作过程是Buck-Boost电路的第一个工作周期,此后电路重复上述过程继续工作,一直到稳定状态。在此过程中,电感开始是存储的能量大于释放的能量,直到电感吸收的能量等于其释放的能量,电感进入稳定状态;电容也是一样,只是除了自身存储能量以外,还要在开关闭合时给负载提供能量,直到电容充电能量等于放电能量时,电容进入稳定工作状态,输出电压稳定。稳定时负载上的电气特性如图4所示。
由图可以看出,电感电流为锯齿波,负载两端的电压稳定在40 V附近,而且功率也在70 W保持不变,这非常有利于电能的无线传输,而且稳定工作时的效率很高。
为了说明加入Buck-Boost电路以后系统的优越性,也做了一组不加阻抗变换电路的实验,如图5所示。
由图5可以看出,加入阻抗变换电路之前,系统的传输功率大概在15 W左右;加入阻抗变换电路后,对于同样阻抗的负载RL,系统的传输功率得到了很大地提高,达到72 W左右,实验验证了理论分析的正确性。
当供电的有效载荷发生变化时,可以通过调节占空比δ来改变最优化阻抗Ropt,从而使系统的传输效率达到最优。在分离模块空间系统中,当模块间距离发生变化时,耦合系数跟着变化,这时可以通过调节Buck-Boost电路的占空比来同步调节有效载荷的等效阻抗,使系统的传输效率达到最优。也就是说可以通过调节Buck-Boost电路的占空比来增加分离模块电能传输距离。这对于实际应用中非常重要,因为随着传输距离的增加,系统收发线圈的漏磁加大,耦合系数随之减小;耦合系数的减小不仅降低传输功率,而且影响传输效率,使大量的能量耗散在空间磁场中。加入Buck-Boost环节以后,不仅可以调节有效载荷的等效阻抗,而且可以存储能量,当分离模块之间不能传递能量时,器件自身存储的能量可以继续供给负载,不至于能量供应中断。
4 结 语
分离模块空间系统是一种完成空间使命任务的新方法和航天器设计的新思想,拓展了空间系统发展的思路,丰富了未来空间体系结构的选择, 建立了审视空间系统的独特视角。该项研究开发对于增强空间技术创新能力,提高新型航天器研制水平,实现空间技术跨越式发展,引导航天技术向国际领先地位迈进,有着明显的作用和意义。无线电能传输技术是开发分离模块空间系统过程中遇到的最大挑战。磁谐振耦合式电能传输是最新出现的一种电能传输方式,其传输效率高,传输距离相对较远,最有希望应用于分离模块空间系统。
参考文献
[1]王景泉.未来分离模块和因特网融合的军事卫星系统[J].国际太空,2011(1):39-50.
[2]朱毅麟.新概念航天器-模块化分离式卫星[J].中国航天,2008(8):37-38.
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[5]HU A P.Selected resonant converters for IPT power sup-plies[D].Auckland:University of Auckland,2001.
[6]王聪.软开关功率变换器及其应用[M].北京:科学出版社,2000.
电能优化管理系统 篇2
随着当今居民住宅小区、厂矿车间、店房门面等用电场所的自动化、现代化、智能化发展, 传统的人工抄表、手工输入、逐条核算、挨户收费的方法已不符合现代电力管理人员精简、高效集成、方便迅捷、采核准确等高标准要求[1]。另外, 电能计量中的“防窃电”问题也是电力部门长期下大力气治理的问题。窃电的技术和装备也在“日益进步”, 大量的窃电、漏电行为不仅扰乱了电力企业的正常运营, 造成其大量损失, 而且造成了用电紊乱, 甚至引发大面积停电、火灾、爆炸等安全隐患。基于以上问题, 本文有针对性地提出了基于无线采集与监视的自动抄表系统, 并在当前普遍应用的自动抄表系统进行优化改进, 以期更好地实现电能计量的采集和监视功能。
1 电能计量的无线采集与监视系统组成
1.1 远程自动抄表系统
远程自动抄表系统是将网络、微电子、计算机、通信等技术高度集成, 通过远程控制实现数据传输、信号采集、数据转换、参数计量、分析诊断、故障处理等功能, 该系统有抄收迅捷、核计精准、实时同步、便于拓展等优点。采用远程自动抄表系统可以大幅精简人员、降低误差, 并能实时监控线路损耗。
由于当今的配电网络趋于结构复杂、数据繁冗、分布散乱, 因此, 通信环节的稳定畅通是保证系统可靠运行的基础。目前常用的通信方式包括:无线电、电话线、载波和光纤, 然而无线通信所涉及的频率申报、载波技术、费用过高等问题严重阻碍了远程抄表的实现。
近年来GPRS网络覆盖面大幅扩展, 目前已形成遍及全国的辐射网络, 其高效、便捷、低耗、经济等特点可以为电力部门所用, 实现远程自动抄表以及监控工作。
1.2 图像监控系统[2]
图像监控是各行业广为关注和研究的重点技术, 它以界面形象直观、信息丰富具体、对话简单容易被广泛应用。通过分析监控所实现的目的及其所应用的环境和条件, 综合设置并集成涉及图像的采集、处理、传输、管理、控制等相关元件设备, 使其形成有机统一整体。
由于通过图像获取信息较为直观、形象、生动, 再加之很多场合由于客观条件限制, 不便或者无法直接获取作业现场的相关信息, 此时, 图像监控系统就成为延伸的“眼睛”帮助人们进行观察和监控。
图像监控系统主要用于对目标景物进行实时监视和控制, 其中核心控制元件用于精准、全面、如实地再现图像, 通过控制、调节、完善, 以求达到高质高效的图像质量。另外, 大多场合需要将监视过程和图像、影像资料进行截选或者全部进行存录, 便于以后参考和查阅, 目前已有许多先进的处理软件和存储硬件广泛应用, 帮助解决了这一难题。
1.3 GPRS网络技术
GPRS (即通用分组无线业务) 是在GSM系统基础上引入新的部件而构成的第2.5代移动通信系统, 主要用于在移动终端和Internet结点之间传输分组数据。GPRS作为一种分组交换系统, 特别适用于时断时续、无规律突发、少量而频繁以及不时的大量数据传输。
2 现有系统技术组成及其不足和改进方向
2.1 现场总体构成
电能计量的无线采集与监视系统的组成及其功能罗列如下, 其组成包括电表、采集器、集中器、GPRS模块、监控中心、上位机终端等, 各组成部分功能如下:
(1) 电能表数据采集终端, 用于进行用电计量和数据采集。
(2) 现场单元由摄像 (负责捕获窃电现场的图像证据) 、通信 (负责与GPRS进行网络通信) 、控制 (负责总体控制协调) 3个模块组成。
(3) GPRS网络作为串联整个系统的媒介, 负责信息、语音、IP、X.25等数据的传输和接发。
(4) 控制终端负责数据信息的接收、分析、处理以及指令的编制、确认、发送。
(5) 管理中心是操作终端, 用于操作人员对现场情况进行实时监控, 并对各种数据进行管理。
2.2 现场单元组成
现场单元各组成部分如表1所示, 结构框图如图1所示。
2.3 现有系统的不足及改进方向
虽然目前实际应用的系统可以在一定程度上实现既定功能, 但还有一些方面需要完善和改进, 现将其罗列如下:
(1) 大多系统遵循ABB协议, 造成国产电能表“水土不服”, 以下将对此进行改进。
(2) 大多系统采用电子邮件方式发送现场单元获取的数据, 但在实际应用中常会出现服务器繁忙、数据不畅、邮箱满溢等现象, 需要对无线通信模块的数据传输方式进行改进。
(3) 缺乏参数设置的人机界面。在用的系统虽然也可在一定程度上实现操作界面的人机交互, 但一些参数的设置需要修改参数并将其通过仿真器下载到单片机芯片中, 这就需要就这一问题进行改进, 在操作界面实现参数设置功能。
(4) 由于现场单元需要完成AC-DC转换, 同时考虑到外部接入可达性以及断电时系统工作持续性等问题, 应在现有系统中进行设置, 解决这3方面问题。
3 系统优化改进
3.1 多功能电能表通信协议DL/T645
DL/T645标准适用于本地系统, 通过设置并规定电能表的费率装置的数据交换方式中的物理连接、通信链路及应用技术规范等进行制定。
该标准是参照国际标准IEC关于本地和总线之间数据通信的有关内容, 同时结合我国电力系统多功能电能表使用中的实际情况编写的, 协议各层级及其构成和原则如表2所示。
3.2 无线通信模块的Socket通信
本系统采用的无线通信模块是内嵌TCP/IP协议的GPRS Modem, 它包括GPRS模块 (采用工业级的西门子MC35) 和IP (内嵌TCP/IP协议栈) 模块2部分, 这2个模块之间彼此独立。
要实现Socket通信, 管理中心必须具有公网IP地址及相应的服务器软件, 首先要实现内网IP服务器建设, 本系统通过端口映射程序, 将网关的一个端口映射到本机的一个端口, 在网关上执行端口映射软件如图2所示。
3.3 人机界面的软件设计
参数设置的程序包括管理中心上执行的VB程序和现场单元上执行的汇编程序2部分, 一般通过RS232串口实现管理中心和现场单元的通信, 完成现场单元参数的设置。
在参数设置之前, 现场单元和管理中心的串口需要进行事先连接, 在管理中心中选择好串口并按要求设置VB程序参数。
3.4 电源的改进
为了便于AC-DC转换以及设备选配, 在原有系统基础上内设了DC电源, 对外提供AC220接口。另外, 为了保证在停电情况下系统依然能够正常运转, 内设一个备用电源, 主备用电源工作情况如图3所示。
当AC220 V正常供电时: (1) U1输出12 V, 经U2输出9V, JP1常开闭合接通备用电源进行充电; (2) 12 V经U3、U4连续转换, 输出3.3 V电压为单片机供电。
当停电的时候, U1停止工作, JP1常闭闭合, 则备用电源通过U3、U4连续转换, 输出3.3 V给单片机供电。
3.5 现场单元改进
现场单元电源模块将AC220 V转换成DC12 V, 所配置的备用电源负责在停电状态下为现场单元提供电源;无线通信模块负责在GPRS网络上进行数据传输;摄像模块和感应模块用于感应启动照相。
现场单元安装使用时必须注意以下几点: (1) 现场单元的感应模块和摄像模块应正对要监视的区域, 并且应选择合适的高度; (2) 现场单元的安装位置必须在中国移动通信公司的GPRS网络覆盖范围内; (3) 确保接好天线的接头; (4) 用电现场的电能表应是具有RS485接口的全电子式电度表; (5) 现场单元机壳应在安装现场可靠地接地。
4 结语
本文在对电能计量采集与监视系统的应用现状、结构组成及不足之处进行分析的基础上, 着重从4个方面进行了优化改进, 有针对性地解决了这4个方面的问题, 希望可以为工程实践提供一定的参考。
摘要：在对电能计量采集与监视系统的应用现状、结构组成及不足之处进行分析的基础上, 着重从通信协议、数据传输、人机界面、电源系统4个方面进行了优化改进, 有针对性地解决了这4个方面的问题, 可为此方面的应用研究提供参考。
关键词：电能计量,无线采集,监视,优化
参考文献
[1]白海成.学生公寓智能电能管理系统的设计与实现[D].大连理工大学, 2005
电能优化管理系统 篇3
磁耦合谐振式(Magnetic Resonance Coupling,MRC)无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)技术以电磁场为媒介,利用2个或多个具有相同谐振频率、高品质因数的线圈,通过磁耦合谐振作用实现电能无线传输。该技术具有高效、非辐射能量传输、对环境影响较小、无严格的方向性、穿透性良好等优点。相比于电磁感应耦合式WPT系统,其传输距离更远;相比于电磁波辐射式WPT系统,其传输效率更高。2007年MIT完成MRC-WPT系统实验[1]后,迅速掀起了新一轮WPT系统研究热潮,并在便携式移动设备、特殊场合(如煤矿、化工等)无线供电、电动汽车无线充电等领域显示出广阔的应用前景[2,3,4]。
WPT系统的主要性能指标为系统传输距离、传输功率、效率等,目前国内对该技术的研究主要针对这几个方面。现阶段对MRC-WPT技术的研究还处于起步阶段,相关的理论和实验研究很少,尤其是对传输效率影响的研究还不够。阻抗匹配器作为电路系统中的重要模块,对WPT系统的优化有显著作用。参考文献[5]在验证其结论时,只在结构中列出了阻抗匹配器这一模块,并没用具体介绍其应用效果;参考文献[6]设计了一种有自动阻抗匹配器的MRC-WPT系统,详细分析了其工作原理及优化效果,但是只针对传输效率,在功率方面介绍较简略。本文从基本的电磁谐振电路出发,对MRC-WPT技术基本原理进行研究,详细介绍了阻抗匹配原理及其设计原则,提出了一种有阻抗匹配器的MRC-WPT系统。该系统结构较普通结构能有效提升系统传输功率。
1 MRC-WPT系统基本理论及模型
目前国内外研究者对MRC-WPT系统的原理和建模分析主要采用耦合模理论、散射矩阵理论和电路理论3种方式[7]。耦合模理论比较抽象,不易理解;散射矩阵理论常用于天线领域研究,忽略了系统内部参数;电路理论是常用的电气研究方法,易于理解。因此本文采用电路理论对MRC-WPT系统进行建模分析。
1.1 MRC-WPT系统原理
MRC-WPT系统根据共振原理,合理设置发射线圈与接收线圈的参数,使2个线圈及整个系统具有相同的谐振频率,并且在该谐振频率的电源驱动下达到一种“电谐振”状态,此时线圈回路阻抗达到最小值,大部分能量往谐振路径上传递。一个完整的MRC-WPT系统除了2个发生自谐振的线圈外,还必须有电源和负载,如图1所示。其中C1为发射线圈匹配电容,ZS为电源阻抗,C2为接收线圈匹配电容,ZL为接收端负载阻抗。
电源给发射线圈供电,频率为系统谐振频率。此时发射线圈发生谐振。由LC谐振耦合电路可知,当电源频率与收发电路的LC固有谐振频率一致时,发射线圈和接收线圈阻抗最低,即使在不高的供电电压下,由于发生谐振,也能产生较大的电流。此时,在一定传输范围内,发射回路大部分能量被接收回路吸收,发射线圈匹配电容的电场能因谐振与电感中的磁场能不断进行交换。而发射线圈中一部分磁力线铰链到接收线圈,交变的磁场在接收线圈中感应出电流,从而将能量传递到接收端。在接收端,接收线圈匹配电容中的电场能和电感中的磁场能也因谐振不断进行能量交换,最终将能量传递给负载。MRC-WPT系统等效电路如图2所示,其中U为电源电压,R1为发射线圈等效电阻,L1为发射线圈电感,I1为发射线圈电流,R2为接收线圈等效电阻,L2为接收线圈电感,I2为接收线圈电流,M为收发线圈之间的互感。
根据基尔霍夫电压定律,可得等效电路的回路方程:
式中ω为系统频率。
发射线圈等效电阻为辐射电阻和损耗电阻之和,但是在高频下线圈的辐射电阻远小于损耗电阻,因此本文中发射线圈等效电阻即为线圈损耗电阻。当电源频率为线圈自谐振频率时,系统发生谐振,即有式(2):
发射线圈参数可由式(3)—式(5)确定[8]:
式中:μ0为真空磁导率;δ为铜线电导率;n为线圈匝数;r为线圈半径;a为铜导线直径;D为收发线圈之间的距离。
本文中收发线圈结构一样,因此线圈参数也一致。令,解式(1)可得MRC-WPT系统的电流I1,I2,从而可得此时MRC-WPT系统传输功率:
1.2 基于阻抗匹配器的MRC-WPT系统模型
信号或电能在传输过程中,为实现信号的无反射传输或最大功率传输,要求电路连接实现阻抗匹配[9]。阻抗匹配方式有2种:①共轭匹配,即负载阻抗等于信号源内阻抗的共轭值,此时负载上能够获得最大传输功率,称为最大输出功率匹配;②传输线的阻抗匹配,负载上的反射信号叠加在原信号上会改变原信号的形状,如果传输线负载阻抗与传输线特性阻抗匹配,此时信号传输到负载上完全被负载吸收而无反射波,又称为无反射匹配[10,11,12]。本文以共轭匹配为例进行分析,使负载获得最大传输功率。图3为一种典型的阻抗匹配电路。
图3中电源传输到负载上的功率为
当电源阻抗ZS的共轭与ZL相等(ZS*=ZL)时,电源阻抗和负载阻抗是匹配的,负载功率最大,为
阻抗匹配电路可被看作二端口网络[2],其结构如图4所示,其中U′为负载两端电压。
图4所示结构可用二端口网络理论中的T参数矩阵表示为[13]
当参数满足式(10)、式(11)时,满足匹配条件[6]。
基于上述分析可计算出阻抗匹配器中的参数。对于MRC-WPT系统,传输距离容易改变,其收发线圈互感受传输距离的影响较大,而互感的改变会影响系统阻抗,进而降低系统传输性能。若系统加入阻抗匹配器,可有效改变系统阻抗,使系统高效工作。将谐振线圈(即收发线圈)与负载作为一个整体,将阻抗匹配器整合到MRC-WPT系统,得到系统整体结构,如图5所示。谐振线圈与负载作为一个整体,不论是负载单独变化,还是谐振线圈参数变化,又或者两者同时变化,都看作是整个系统的负载变化。通过调整阻抗匹配器的相关参数,可使电源在任何时候都以最大功率输出。
本文采用较简单的L型匹配电路[14]。XS,XL为阻抗匹配器的阻抗参数,其值可由式(10)、式(11)计算得到。
2 仿真分析
由于MRC-WPT系统传输距离较灵活,而距离变化会影响谐振线圈的互感参数,所以仿真实验是在不同传输距离、相同负载条件下,比较有无阻抗匹配器时负载消耗的功率,从而证明阻抗匹配器的优化效果。将图5(b)所示系统电路用互感理论等效,在Simplorer环境下进行仿真,仿真电路如图6所示。
图6为已去耦合等效电路,电源内阻抗ZS=RS,负载阻抗ZL=RL;阻抗匹配器参数XS=LS,XL=CP;电源频率为13.56MHz,幅值为10V。线圈参数[15]:谐振线圈自身电感L=2.634×10-5H,电容C1=C2=5.229×10-12F,去耦电感L1=L2=L-M,线圈匝数n=10,线圈半径r=5cm。线圈电阻忽略不计,高频功率放大电路的输出阻抗一般为50Ω,取RS=RL=50Ω。表1为传输距离D变化时计算出的阻抗匹配器参数值。
以D=12cm为例介绍仿真数据处理过程。图7为无阻抗匹配器时仿真结果。可看出随着时间推移,负载两端电压趋于稳定。由仿真结果的Data Table图可得到负载两端电压稳定值,再根据功率计算公式计算出负载功率。
仿真数据见表2,其中U1为无阻抗匹配器时RL两端电压幅值,U2为有阻抗匹配器时RL两端电压幅值。由表2可知,随着传输距离增大,2个谐振线圈之间的互感逐渐减小,相应的负载两端电压也慢慢减小,但U2始终大于U1,即MRC-WPT系统有阻抗匹配器比无阻抗匹配器时输出电压高。
MRC-WPT系统有无阻抗匹配器时负载RL上消耗的功率如图8所示。可看出在传输距离相同的情况下,加入阻抗匹配器的MRC-WPT系统输出到负载上的功率比无阻抗匹配器时大。
3 结语
MRC-WPT系统传输距离较远,因此收发线圈之间距离容易发生变化。而MRC-WPT系统性能对传输距离的变化比较敏感,主要原因是距离增大会使收发线圈之间耦合强度减弱、互感减小。从阻抗匹配角度出发,将收发线圈互感的变化等效成系统阻抗参数的改变,用互感理论分析了MRC-WPT系统的传输机理,简单介绍了阻抗匹配理论及其参数计算方法,提出了一种具有阻抗匹配器的MRC-WPT系统,并采用仿真方法验证了系统的优化效果:在同样条件下,具有阻抗匹配器的MRC-WPT系统可有效提高负载端功率。
摘要：以互感理论分析了磁耦合谐振式无线电能传输系统原理,介绍了阻抗匹配理论及相应的参数计算方法,提出将收、发线圈互感的变化等效成系统阻抗参数的改变,建立了含有阻抗匹配器的磁耦合谐振式无线电能传输系统模型。仿真结果验证了在相同的条件下,具有阻抗匹配器的磁耦合谐振式无线电能传输系统可有效提高负载功率。
电能优化管理系统 篇4
近几年,感应耦合电能传输技术 ( InductivelyCoupled Power Transfer,ICPT) 被广泛应用于小功率领域,如移植器官、便携手机、办公桌面用电等[1,2,3]。目前,中大功率的家用电器也在涉足该技术领域,中国海尔集团自主研发生产的无尾厨电就是典型的代表。随着科研人员对ICPT技术探索的不断深入,系统稳定性控制及原副边补偿拓扑等方面的研究有了长足的进展[4,5,6]。目前,无线电能传输系统主电路逆变拓扑多采用全桥逆变方式[7,8],少部分采用半桥逆变方式[9]。由于以上两种电路拓扑成本较高、体积较大、控制复杂,基本没有能够投入到市场应用当中。
本文提出了一种用单个开关管逆变就能实现感应耦合电能传输的系统。通过对主电路参数的合理优化设计和PWM + PFM组合的控制方法,既可使开关管实现零电压开通和零电压关断,又使系统在开关管开通和关断期间均可传输能量,从而降低了开关损耗,增加了可靠性,并且完成了较高的功率输出,保证了电能的高效利用。
2 电路模型和动态分析
图1为用单个开关管实现无线电能传输的系统主电路。
通过控制主电路开关管Q的开通和关断可使电路发生谐振,原副边线圈之间产生互感,从而将能量从原边传输到副边。电路主要波形如图2所示。
由图2可知,无论开关管处于开通还是关断状态,都有能量从原边传递到副边。下面是一个开关周期中各阶段的动态过程分析。
[t0~ t1]: 开关管Q导通,电感Lp电流正向增大,t1时刻达到最大。
[t1~ t2]: 开关管Q关断,Lp和Cp相互交换能量而发生谐振,t2时刻开关管Q电压和原边补偿电容Cp电压均达到最大。
[t2~ t3]: t2时刻电感Lp电流开始反向增大,直到谐振电容Cp电压降为零时达到最大。
[t3~ t4]: t3时刻开关管闭合,由于二极管导通,开关管电压被钳位于零,没有电流通过,直到t4时刻电感Lp电流降为零,二极管自然阻断,开关管开通。
由图2可知,t2a时刻,开关管Q两端电压降为零,此后开通该开关管可以实现零电压开通。t3时刻,开关管虽然开通,但是并没有电流通过,在经过了t3~ t4的时间后,二极管自然阻断,主开关才真正开通,则实际占空比D'小于开关驱动脉冲的占空比D,造成占空比的丢失。这是该变换器必然存在的现象,只要电路参数选配合适,不会有不利影响。
3 系统主要参数的优化设计
本文以一个额定输入电压为220VAC、额定输出功率为1k W、开关频率为21k Hz、额定负载为50Ω的家用电气设备的ICPT系统为例,分析并优化主电路中相关参数。
为了方便研究可将图1主电路的副边等效到原边,其等效电路如图3所示。
图中:
图3原边等效电路
Fig. 3 Equivalent circuit of primary side
式中,rp为原边线圈内阻; Zr为副边等效到原边的阻抗[9]; M为原副边线圈之间的互感; Zs为副边总阻抗。
图4为副边电路的等效模型,图4( a) 中Uocs为原边对副边的互感电压; rs为副边线圈内阻; Ls为副边线圈的电感; Cs为副边的补偿电容; Ro为负载电阻。可将图4( a) 等效为图4( b) ,则Zs为副边总阻抗。
由图4可得:
Ro
式中,Ip为原边输入电流。
该系统的电压增益函数为:
由图4( a) 可得:
1
将式( 1) 、式( 3) 、式( 4) 、式( 6) 代入式( 5) 化简可得:
式中,Δ = rprs+ ω2M2- ω2LpLs+ j( ωLsrp+ ωLprs)
本设计原副边均采用电感和电容并联的补偿方式,为了达到最大功率输出,需对原副边谐振频率加以调整,使之能工作在系统开关频率附近。
对于副边而言,式( 4) 为其总阻抗Zs的表达式,可将它化简为:
( 8)
令式( 8) 虚部为零,可得其谐振角频率ω0如式( 9) 所示,当ω0等于系统工作频率ω时,输出电压和电流同相位,功率因数为1,此时电路可实现最大电压增益传输。在已知输出阻抗Ro和副边电感Ls的前提下,可由式( 9) 求得副边补偿电容Cs。
图5给出当副边谐振频率为21k Hz时,系统输出电压增益随开关频率的变化曲线,可知当开关频率在21k Hz附近时,电压增益达到最大,满足设计需求。
由图3原边等效电路可知,从一次侧看入,包含Cp的等效阻抗Zp为:
将式( 1) 和式( 2) 代入式( 10) 可得:
( 11)
( 12)
令Zp虚部为零,即式( 12) 等于零,可得原边回路谐振角频率:
原理上讲,当原边回路谐振角频率ω1等于副边回路谐振角频率ω0时,原边回路输入电压和输入电流同相位,此时可以实现最大功率传输。
本文在已知开关频率f = 21k Hz( 开关角频率ω= 2πf ) 、Ro= 50Ω、Lp= 225μH、rp= 0. 09Ω、Ls=55μH、rs= 0. 06Ω、M = 32μH的前提下,令ω0= ω1=ω,由式( 2 ) 、式 ( 4 ) 、式 ( 9 ) 、式 ( 13 ) 可解得: Cp=198n F。
图6给出不同Cp时开关管两端的电压曲线。显见,当Cp= 198n F时,开关管实现不了零电压开通,有较大的开关损耗。并且随着Cp的减小,开关管耐压逐渐增大。若想使电路既实现ZVS,又不使开关管耐压过高,而且留有一定的死区时间,可令Cp= 150n F。此时将Cp值代入式( 13) 可得ω1> ω。所以该电路的设计要求原边回路谐振频率大于系统开关频率。
按照要求,该类型的ICPT系统原副边线圈之间的水平距离要保持在3. 6cm左右,这就导致线圈之间的漏感比较大,较紧耦合变压器耦合系数比较低。由式( 7) 分析可知,互感M存在一个最优值Mb使电压增益达到最大。通过测量一次侧、二次侧电感值,互感M和耦合系数k可以由式( 14) 和式( 15) 计算得到:
式中,lsk为原副边顺接串联电感值; lrk为原副边反接串联电感值。
图7给出不同耦合系数k时的电压增益Mv的曲线,其中Ro= 50Ω,Lp= 225μH,rp= 0. 09Ω,Ls=55μH,rs= 0. 06Ω。可知k越大,增益曲线越陡峭,而且最大增益处偏移谐振频率点,对频率的变化愈敏感,愈难保持输出电压的稳定; 当k减小时,谐振点附近的电压增益曲线变化缓慢,但电压增益值降低,相同的输出电压所需的输入电压和原边电流增大,线路的损耗增大。所以该设计中k可折中选取在0. 3附近。
4 仿真和实验验证
基于上文的分析,本设计采用表1所列电路参数进行仿真和实验。
形,可知该电路可以实现零电压开通和零电压关断,满足设计要求。
图9为电压增益的理论计算值和实验值随开关频率变化的曲线图,理论值和实验值的差异主要由整流桥的线性等效和一些损耗的忽略引起。由图9可知,当开关频率f = 21k Hz时,可得系统输出的最大功率为1k W,这时通过功率表读数输入功率为1. 12k W,可知输出1k W时的系统效率为0. 89。
5 结论
本文提出一种利用单个开关管就能实现无线电能传输的系统。仿真和实验表明,只要对主电路相关参数进行合适的优化设计并使用精准的PWM +PFM组合控制方法,完全可以使开关管既实现零电压开通和零电压关断,同时又可以使系统在开关管开通和关断期间均可传递能量。该设计方法为进一步对单管无线电能传输进行研究打下基础,也可为其他形式的无线电能传输系统进行参数优化设计时提供参考。
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电能优化管理系统 篇5
社会在不断进步, 人类的环保意识也随着素质的提高而逐渐觉醒, 污染问题一方面涉及到环境, 另一方面也涉及到利益, 因此越来越受到人类的重视。对于电力污染而言, 顾名思义涉及的问题就是电力设备在周边环境所产生的不良影响, 即所谓的电磁环境问题。本文着重探讨了导致电能质量降低的原因和可能产生的危害, 同时也提出了针对危害应当采取的防范措施。随着社会的逐步发展, 非传统用电设备因其使用数量的增加, 从而导致在用电系统中所占的比例逐渐扩大, 这几乎发展成了世界的共同趋势。然而在这些非传统的电力设备当中, 许多非线性的负载例如:节能荧光灯系统, 计算机, 使用不间断电源的负载, 变频的驱动设备, 晶闸管直流整流的驱动等等, 都会对电网的内部造成一定的污染, 致使电能的质量降低, 而且供电设备也会因此故障, 最终将对用户用电造成影响, 更为严重时甚至会发生火灾事故。
2 电力设计发展现状
作为电力工业的辅业, 电力设计的发展趋势和市场前景与电力工业的发展息息相关。然而, 电力工业是国民经济的重要的基础产业和公用事业。20世纪80年代以来, 随着工业化和能源化的推进, 我国正在经历一个特殊的过程, 即以电能来代替非电能源与用电范围不断扩大的过程。电在终端能源消费结构中所占的比例不断增加, 经济社会的发展对于电力的需求和依赖程度越来越高。从规模上来说, 中国已经是世界电力消费和生产大国, 年平均发电量位居世界第二位, 正处于城市化和工业化平行发展的紧张阶段, 在未来很长时间内, 电力需求仍然会有大幅度的增长空间, 输电和发电领域的投资依然在不断增加。
3 电能污染
3.1 暂态的电能污染
暂态的电能污染, 是指电网操作所产生的系统冲击问题, 或者内部故障问题, 或者电网遭受外来的侵袭干扰, 性能指标主要有电能跌落, 瞬时电能中断, 电能浪涌、脉冲。这些性能指标决定了暂态电能污染主要来自电源污染, 然而电源污染表现为浪涌冲击和雷击, 电压值偏差以及三相不平衡。
3.1.1 浪涌冲击和雷击
雷电波和浪涌冲击的入侵导致系统发生闪变, 所谓闪变是指时间小于一毫秒的电压瞬时脉冲, 这一种脉冲可以具有带显著的振荡性质或者直流分量, 也可以是负极性或正极性。这些脉冲通常也被称作:干扰、尖峰、毛刺、突变或者缺口。研究人员在较大范围内, 深入研究了电压畸变, 得到结果如表1所示。
3.1.2 电压值偏差
实际电压偏移了标称的额定值的总称为电压值偏差, 按照偏移持续时间长短区分, 可分为瞬时的和持续较长的, 一般将前者称为电压波动, 指的是一个或者不到一个的多个正弦波峰的值, 低于或者超过标准值, 大概从半周波延伸到几百个周波, 也就是从10ms~2.5s。对于正值偏差也就是过电压来讲, 普通的过电压保护器和避雷器不能使过压波动消除甚至完全消除, 人们往往忽视了此种情况, 导致控制系统、计算机等等敏感设备发生故障甚至停机。另一种情况就是欠压波动, 指的是在一段时间内正弦波的峰值比标准值低, 或者按照通常的所说, 是指降落或者晃动。这种低电压由于持续时间比较短, 不会直接导致电气设备的损坏, 但是一般会引起逻辑系统与自动控制系统工作紊乱或者失败。
3.1.3 三相不平衡
交流三相电力系统的电流和电压的A、B、C三相幅值相等才为正常系统, 而且相位差应都为120°, 一旦破坏了这个条件, 就会导致三相不平衡, 最终产生一定的危害。
3.2 稳态的电能污染
稳态的电能污染最核心而且最严重的问题就是其中的谐波污染问题, 目前许多相关的资料表明对谐波污染所产生的危害进行了大量研究, 而且得到了大量可支撑的系统性结论。具体介绍谐波污染的表现以及各自产生的危害。
3.2.1 污染输电线路
当系统发生谐振时或者谐波被放大时, 谐波会将电网所受损坏的程度大大增加。一般情况下, 谐波电流和基波电流相比, 后者所占的比重较大, 前者所占比例较小, 但是谐波的频率高于基波, 谐波所增加的电阻由于导线集肤效应的产生而增加很多, 但是谐波产生的附加耗损也将同时很大。另外, 在选用电缆输电的系统中, 谐波还有可能使电能的波形产生尖峰, 从而加速电缆的绝缘老化, 增加了介质的损耗并使温度升高增加, 最终将导致电缆使用寿命缩短。一般而言, 额定电能越高的电缆, 谐波所产生的危害也会越大。
3.2.2 污染旋转电机
转子是汽轮发电机当中较为敏感的一个部位, 国内曾经发生很多次这种情况, 就是当汽轮发电机往电铁供电的时候, 由于转子部件的嵌装面过热受损从而导致发生事故, 主要原因在于汽轮发电机其转自身的谐波和负序的温升大于定子的温升, 而且在局部较为突出的高温部位存在。另外, 当负序电流流经发电机时, 产生了负序的同步转矩和负序的旋转磁场, 发电机也产生了附加震动。而且谐波的产生也会由于致使发电机振动从而产生噪声, 如果振动的时间持续较长时, 可能会使金属疲劳甚至机械损坏。
3.2.3 污染电力变压器
变压器的绕组谐波电流使附加损耗增大, 而且影响显著。此外, 还会导致外壳的硅钢片、外层以及某些紧固零件发热, 局部过热现象的发生还会加速变压器的老化, 使其寿命大大缩短, 这种污染的危害需要及时预防。而且负定电流使电力系统变压器额定出力不足以及三相电流不对称。
3.2.4 污染电力测量仪表的准确性
谐波对目前电力测量仪表的污染十分严重, 比如磁电型和感应型电表, 特别是电能表, 如果谐波很大时将使计量发生混乱, 导致测量结果误差较大。
3.2.5 污染继电保护和自动装置
谐波在负序量的基础之上会产生干扰。对于以负序的滤波器为启动元件的自动装置而言, 谐波会对其造成较大干扰。因为继电保护功能是由负序量的整定而决定的, 如果整定的值越小, 那么灵敏度就会越高。
4 优化电力设计降低电能污染
对电力的优化设计是一个比较复杂的过程, 因为整个系统中每一个节点上的电能都不同, 而且运行条件也有差别, 因此, 需要根据系统具体的情况来选择合适的方法进行电力设计的优化。
4.1 对电网无功功率的分布进行优化设计
对电网无功功率分布的优化设计, 将改变元件的电阻和电抗以及电网的参数, 也可以改变无功功率。当原有导线的截面积比较小的时, 使导线的截面变大, 降低电阻从而降低无功功率, 这样负荷的功率因数才比较高的配电线路上的有效, 其他情况一般不推荐采用此种方法。使电网的接线方式改变, 如果投入或切除双回线路的一回线路, 投入或者切除变电站里面的部分的并列在运行的变压等等。对于以上方法, 要考虑不显著的增加功率损耗以及供电可靠性不降低等因素, 因此很少采用投切路线方法。然而, 减小线路的电抗是电网中最经常采用的方法。在超高压输电线路中采用分裂导线, 就能在很大程度上降低线路中的电抗。分裂导线的采用, 不仅可以降低线路电抗, 还可以减少导线周边电场强度以及减小电晕放电, 在我国, 500k V的线路采用的是四分裂, 而220k V的线路采用二分裂。
4.2 无功补偿优化设计
在变压器和线路进行传输功率的过程中, 会产生无功功率, 因此如果对变压器和线路等电网元件进行改变, 则会改变了电网电能污染的大小。通过无功功率的表达式我们可以了解到, 有两种方法可以改变无功功率: (1) 改变网格参数, 可以通过串联电容, 由于串接的电容和电感上的电能相位差为180°这个特点, 最后抵消了部分电抗; (2) 改变电网元件的传输功率, 当满足负荷的有功功率时, 很难改变线路传输和供电变压器上的有功功率。因此改变无功功率就是改变线路传输和变压器的传输功率的改变。
5 结束语
当前社会工业化水平的逐步提升, 电能污染现象在电网中日益严重, 电能污染带来的危害也变得日益严重起来。当前的重点就是改善电能的指标, 这是对电力设计进行优化的唯一的手段, 同时优化电力设计是降低电能损耗主要手段, 也是优质供电的必要条件。随着对电能技术监督的不断强化, 以及国家法律中与电能有关的条款的执行和实施力度的加强, 使得优化电力设计的重要性日益彰显。因此, 文章通过分析电网的不同类型的电能污染, 确定了其所产生的危害并制定除了相应的危害防范措施, 为以后的电力设计的优化, 以及电能污染的有效降低提供了重要的借鉴。
摘要：由于社会工业化水平逐步攀升, 电能的需求也日益增加, 在满足需求的过程中存在严重的电能污染问题, 对电力运行影响重大, 因此有必要加强电力设计的优化工作, 需要及时制定针对危害的治理措施从而减少污染。本文在浅谈电力设计发展现状的基础上, 阐述了电能污染的表现、原因以及危害, 介绍了优化电力设计的必要性, 并提出了如何采取措施降低电能污染。
关键词：电力,优化设计,电能污染
参考文献
[1]陈其峰.探讨如何优化电力设计降低电能污染[J].科技研究, 2013 (7) :145~146.
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电能表计量准确性优化措施 篇6
1 影响电能表计量准确性的因素分析
影响电能表计量装置准确性的因素多且复杂, 在这些影响因素中既有电能表计量装置本身的技术因素也有人员管理等的因素。造成电能表计量误差的设备因素主要包含有:电能表本身的性能、互感器、二次导线压降、电能的计量方式、谐波因素的影响等。人员管理因素所导致的电能表计量误差主要有人员的违规操作、巡检规范以及校验等方面的因素。
1.1 电能表因素所导致的误差
电能表所导致的误差通常表现为以下几种形式:[1]在电能表的使用过程中接线错误、断线、接线压实不到位导致的打火、短路等。[2]所使用的电能表在性能上存在一定的缺陷从而导致电能表计量存在误差。[3]电网负载特性所造成的误差, 负载功率变化会产生计量误差、负载越低会导致电能表计量产生的误差越大。
1.2 互感器所引起的电能表计量误差
互感器所引起的电能表计量误差主要是由:[1]所选用的互感器的精度过低, 无法达到所需要的使用要求。[2]未采用专用的互感器二次绕组, 从而使得所需测量的电能在通过互感器接入到电能表中时, 一次电流通过电流互感器一次绕组会在二次绕组上产生感应电动势, 从而消耗一部分的电流, 使得测量的数值与实际值之间存在一定的偏差。 (3) 在电压互感器二次输出端与电能表的输入端之间存在接触器触点、熔断器、开关等元件, 会使的电流流经这些元件时产生一定的压降, 从而使得电能表计量产生误差。
2 如何提高电能表计量的准确性
提高电能表计量的准确性有助于提高供电企业的经济效益与供电效率, 保障用电用户的合理用电, 对于促进经济的快速发展有着十分重要的积极意义。为提高电能表计量的准确性可以从以下几个方面入手:[1]做好电能表计量时互感器二次负荷的合理配置, 互感器二次负荷是电能表计量中的重要影响因素, 应当将互感器二次负荷测试纳入达到管理机制中, 对于电能表计量中发现的的二次负荷超过标准的现象应当立即予以处理, 在电能表计量的过程中电感互感器的二次负荷应当控制在额定范围的25%~100%, 而且需要注意的是, 在互感器二次容量的选用上不是越大越好, 而是一个系统性的工程, 在选用时应当合理选择, 并在设备采购的过程中严把质量关, 选择合理、合规的设备。 (2) 在电能表计量的过程中改善电能的计量方式, 在计量方式的选择上需要使其能够与设备进行良好的结合, 如何因计量方式的选择不当而导致计量装置与计量方式存之间不匹配等将会对电能表计量的测量存在较大的误差, 比如在计量设备中的中性点绝缘应当采用三相三线的方式而非三相四线方式。[3]做好电能表与互感器的等级匹配。电能表的功能、工作稳定等是否正常与互感器的配置密切相关, 在电能表的选择上应当注重选择性能可靠、质量达标的合格产品, 同时在电压等级与额定电流的确定过程中需要注意两者与电能表之间工作表现的规律性, 通常来说, 配置合理, 性能款可靠的电流表对于误差的控制能力也越强, 对于电能表与互感器的配置时应当注意配置的合理性与规范性, 杜绝不当操作, 减少电能表计量的误差。 (4) 减少接入电能表的二次压降, 在电能表计量中电压互感器回路中的二次压降的减少可以有效的提升电能表计量的准确性。在供电的过程中, 对于35k V的高压电能计量装置中在装设熔断器, 二人无需装设隔离开关等, 为减小电能表接入中的元件压降对电能表计量所带来的影响, 可以增大导线的截面积, 其中导线的截面积应超过2.5mm2, 除此之外还可以通过缩小二次回路的长度或是降低二次负荷的方式等来实现降低压降对电能表计量所带来的影响。 (5) 做好对于电流互感器的一次电流的优化, 电流互感器额定一次电流的优化可以有效的确保负荷的正常运行, 其中一般实际负荷值应当控制在额定值的1/3~4/5, 并以负载制的60%为最优数值, 减少电流波动的变动可以有效的降低电流互感器所带来的误差。 (6) 做好对于谐波源的控制优化, 在电网中存在着谐波所带来的影响, 电网中的谐波会对电能表的计量产生较大的误差, 同时也会加大电力输送的损耗, 因此, 为有效降低电网中的谐波对电能表计量准确性所造成的影响, 应当在将电流引入到电能表的过程中做好对于谐波电流的控制, 可以通过采用有源滤波装置或是无源滤波器等加入到电网中, 从而降低电网中的谐波对电能表计量准确性所带来的影响, 将电能表计量数值控制在允许范围内。 (7) 积极引入新技术, 做好对于电能表计量准确性的优化。电能表计量的准确性与技术密切相关, 在电能表计量时需要积极的引入先进的技术来优化电能表计量方式与装置, 通过技术的引进与应用提高电能表计量的智能化与自动化, 减少中间环节对电能表计量准确性的影响, 提升电能表计量的稳定性与可靠性, 建立健全电能表计量的网络化与智能化。可以通过对变电站计量进行遥测、配变计量监测和低压集抄等技术集成到自动化控制系统中, 从而实现对于电能表计量实时、动态的监控, 确保电能表计量的准确性与可靠性。 (8) 及其对于电能表计量中的人员管理, 人员因素是影响电能表计量准确性的又一个重要的影响因素, 对于以下低压电能表以及互感器应当建立起定期的巡查及抽检制度, 及时的排查隐患并保障电能表计量设备能够正常工作, 对于在运行及检查过程中发现存在问题的电能表计量装置要及时的维修或是更换, 并做好维修与更换设备的记录工作, 并作为后续的参考。建立健全电量、电费和相关装置的使用情况的定期检查和备案制度, 对于电能表和互感器的出装或是更换需要及时的记录在案并加强等级, 落实好对于电能计量装置、互感器等设备的定期巡检制度, 及时发现问题、及时处理问题, 加强对于电能表计量装置的安全性保护, 避免人为的非法修改而影响电能计量装置的准确性与可靠性。建立健全电能表计量的规章制度, 并积极加以落实, 减少人为误差对于电能表计量准确性的影响, 对于电能表计量装置内的转动滑轮由于主要依靠螺丝来进行调节, 触碰螺丝将会使得移动滑轮的力矩发生变化, 从而影响到电能表计量的准确性, 在电能表计量装置的安装过程中应当加强规范化管理, 提高电能表计量装置安装的可靠性。 (9) 提高关口计量装置的准确性, 在供电系统中, 关口计量主要针对的是大型或是特大型的电力用户, 供电的电压等级高、倍率大, 因此一点读数错误将会造成极大的误差, 为提高关口电能表计量的准确性可以通过:[1]添加主副表的方式来提高度数的准确性, 其采用的方法是子啊关口计量点共同用同一套电压互感器、电流互感器与二次回路装设两块同等级的关口表, 提高电能表计量读数的准确度。[2]采用母线电量平衡法, 在母线的各进出线出均装设开关E1表, 当其中的一块关口表出现超差或是故障时, 可以根据母线电量平衡原理, 通过该母线上的所有其他关口E1表的电量以及母线的线损计算出该关口表的电量。[3]线路两侧表法, 线路两侧表法依靠的是在关口线路两侧各装设一套电能计量装置, 并将其中一套设置为主装置, 另一套与之对比参考, 如果数值在误差范围内则认为电能表计量数值是准确的。
结语
电能表计量的准确性是供电企业发展的核心之一, 做好对于电能表计量准确性的管理, 积极引入新技术与加强对于人员的管理, 通过提高供电企业的服务质量促进供电企业效率与经济效益的提高, 推进电力企业的健康、持续发展。
参考文献
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电能优化管理系统 篇7
湖南建长石化股份有限公司化工厂在生产装置中投用大量电加热设备用于催化剂的干燥和焙烧, 2005年, 化工厂使用集束 (法兰) 式电加热器替代圆筒瓦斯加热炉, 风道式电加热器替代蒸汽加热器。目前化工厂在用12台大功率电加热炉, 总装机功率近2400 k W, 由大低压室的两段回路分别供电 (表1) 。这些大功率电加热设备投用后, 供电电网电能质量明显下降。催化剂生产行业特点决定这些设备使用时间段无规律, 在不同时段表现出不同特征, 电气设备故障主要表现为低压室母排振动噪声加大、发热严重;电能质量恶化, 高次谐波电流超标导致电气元件频繁烧坏;更为严重的是造成上级高压室同段配出的离心式空气压缩机异常振动。
综合分析认为, 造成供电系统电能质量下降的主要原因是大功率电加热设备多采用可控硅对实际输出功率进行调节, 设备调功方式对供电系统产生较大污染。为此优化电加热设备调功方案, 减少电力电子设备对电能质量的影响。
二、原因分析
1. 冲击电流较大
一期重整装置F201/2、F202/2、F203/2、F204/2、F209/2和流化床加热器M202/1, 总装机功率1317 k W。5台加热炉采用SSR调功, 工艺需要完成升温、恒温和降温过程, 温度控制精度要求在±2℃以内。M202/1采用SCR调功, 工艺上没有升温、降温条件约束, 只需要1个恒定输出温度。6台电加热设备投用后低压室Ⅱ段供电回路出现母排振动噪声加大、母排发热严重的现象。现场查看Ⅱ段主回路电流表在700~1600 A波动。分析认为, 造成冲击电流加大主要原因是6台新增加热设备中有4台分配在同一段供电回路, 且采用同一种调功方式, 造成冲击负荷过于集中。当4台设备同时工作时母线电流冲击较大, 较大的冲击电流和电动力效应导致母排振动、噪声和发热。
2. 电压、电流波形畸变
二期二甲苯装置F501、F502、F503、F504和流化床风道加热器M202/2、M202/3, 总装机功率1070 k W, 6台电加热设备均采用SCR调功。新设备投用后低压室供电电能质量进一步恶化, 经检测发现Ⅰ段供电回路5、7、11次谐波电流超标 (表2) 。Ⅰ段2000 A的低压隔离刀闸触头熔毁, 电容柜因谐波电流发生并联谐振而损坏。分析认为主要原因是新增6台设备使用SCR调功, 当使用负荷<30%时, 由于截波使得电压、电流波形不完整, 造成波形畸变, 产生较大高次谐波电流。谐波电流的频率为基波电流的整数倍, 当高频电流流过导体时, 因集肤效应的作用使隔离刀闸触头表面发热、熔毁。同时谐波电流流经电容器柜时, 容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振, 谐振电流放大几倍甚至几十倍, 造成过电流, 引起电容器烧毁。
3. 产生过零噪声
还原F204/2氢气加热炉于2006年投用, 除工作电流较大外无其他异常情况。但是近期综合车间在同一高压室配出的离心式空气压缩机出现异常振动。设备管理部门通过观察和实验, 发现当还原F204/2氢气加热炉运行时空压机振动明显加剧, 该加热炉停运时空压机振动值立即下降。分析认为主要原因是电网过零噪声破坏了F204/2周波 (CYC) 过零触发方式, 造成供电系统电压、电流和频率突变。过程分析:为了在电压过零时接通负荷不致产生瞬态过电压, 周波控制器需检测电压的过零点, 以确定负荷的接通时间。当供电回路上有高次谐波时, 在过零处电压变化率很高且难于判断, 实际上在每个半波里会产生多个过零点, 导致周波控制器误动作;其次周波 (CYC) 过零触发以1个正弦波为最小控制单位 (20 ms) 。当负荷输出为50%时, 负载投切频率最高 (50次/min) , 正常情况下投切不会对电网电压、电流和频率造成影响。但是当电网中的谐波电流产生过零噪声时导致周波控制器误动作, 其造成的影响会成倍放大。例如在F204/2电加热炉输出负荷为50%时, 周波控制器最小控制单位会小于1个波形的时间 (20 ms) , 600 k W的负载投入、切出次数远远超出50次/min, 造成供电系统电压、电流和频率波动, 加剧电压波形畸变, 并形成系统电压切痕。谐波电流通过变压器一次侧反送到高压系统, 使得对电能质量高度敏感的离心式压缩机振动加剧。
4. 中性线过热
低压室Ⅰ段母线检测出较大的3次谐波电流, 分析认为主要原因是电加热设备三相负载不平衡。特别是风道电加热器的翅片式电加热管单只功率大, 电阻丝容易烧断, 使用一段时间后负载失衡率达20%。在中性点直接接地的三相四线式供电系统中, 当负荷产生3n次谐波电流时, 中性点上将流过各相3n次谐波电流的和。实际检测发现中性线电流超出任何一项的相电流, 较大电流使得中性导线发热, 线路损耗增加。
5. 变压器温升过高
变压器温升过高的主要原因除了本身负载损耗还有系统谐波电流的影响。公司变压器使用Yyn的接线方式, 由于二次侧负荷产生3n次谐波电流, 其中性线上除有三相负荷不平衡电流总和外, 还将流过3n次谐波电流的代数和, 使得变压器铁损和铜损增加, 设备发热加剧。
6. 谐波畸变率超标 (表2)
由表2可以看出, 该低压室Ⅰ段供电回路电流谐波畸变率THD=9.04% (该段回路负荷未全开) , 严重超出GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中规定0.38 k V系统<5%的范围。
三、电能质量改善措施
1. 错开冲击负荷
以还原F204/2氢气加热炉电气控制柜改造为例 (图1) , 为降低系统电流冲击, 对F204/2氢气加热炉12条供电回路进行分组控制, 新增1台同型号SSR周波控制器 (型号ZAC10-P/I, 输入4~20 m A DC, 输出0~12 V脉冲) 。DCS分两个通道输出4~20 m A温控信号, 分别进入两个周波控制器, 一路正常触发, 一路延时半个周期 (1 s) 触发, 使F204/2运行冲击电流降低50%。
2. 减小调功负荷
以M202/1流化床加热器电气控制柜改造为例, 将原厂设备260 k W全负载调功柜改造为50 k W调功柜。根据风道加热器加热空气流量、温度计算得知夏季 (平均气温26℃) 所需功率为200 k W;冬季 (平均气温8.5℃) 所需功率230 k W。由于工艺对流化床升降温条件的限制, 该厂将原设备的260 k W全负荷调功改造成3条用接触器控制直连, 共计210 k W固定回路加1条50 k W调功回路 (图2) 。功率分配:90 k W (接触器) +90 k W (接触器) +30 k W (接触器) +50 k W (SCR调功) 。夏季生产时使用90 k W+90 k W+50 k W (SCR调功) , 冬季生产时使用90 k W+90 k W+30 k W+50 k W (SCR调功) 。3台流化床加热器改造后, 由原来260 k W×3调功负荷变成50 k W×3调功负荷。目前3台流化床风道加热器已正常投用1年, 工艺上完全满足生产要求, 电气检测发现单机谐波电流降低80%。
3. 避开电网过零噪声
调整还原F204/2氢气加热炉周波控制器进行跳线设置, 将周波 (CYC) 过零触发改为周期 (PWM) 过零触发, 重新整定F204/2氢气加热炉温控程序的PID控制参数 (表3) 。该措施成功避免电网过零噪声引起周波控制器的误动作对电网电压、电流和频率波动的放大效应。该措施实施后对F204/2氢气加热炉进行试验运行, 温度控制完全满足工艺生产要求, 离心式压缩机异常振动现象消失。
4. 调整单机三相不平衡
根据三相负载不平衡产生3次谐波电流的特点, 安排电气维修人员逐支检测加热丝, 更换已经烧断的加热管, 调整平衡三相负载。后期装置开工后检测系统中性线电流明显减小。
5. 均衡分配各类负载
对Ⅰ段、Ⅱ段上的移相触发和过零触发设备重新搭配, 避免同一种调功方式的设备集中在同一段供电回路。重新调整负荷后测试Ⅰ段供电回路谐波电流和Ⅱ段供电回路冲击电流均有降低。
6. 扩展系统容量
目前该厂现有低压供电系统负荷已接近85%, 超出低压系统70%安全运行要求。为确保低压系统的供电安全, 新增1台S1U-M-1250/6型变压器 (容量1250 k V·A) 和第三段供电回路。新增的容量分担了原供电系统部分负荷, 同时为装置的后期扩能提供了容量储备。
7. 增加降温设备
湖南地区夏季极限气温高达40℃, 加上电气设备超负载运行产生的温升, 若不采取降温措施, 电气设备很容易出现故障。目前该厂在低压室增加降温空调, 变压室和低压隔离刀闸增加强制降温风扇。降温设备投用后, 变压器、隔离单闸和母排温度有效降低10℃左右。
四、改造效果