电网供电质量提高策略研究论文

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摘要:对如何解决电网污染进行了研究如何进行动态无功优化补偿和降低线损进行了分析,有源滤波方面,对有源滤波器的实时谐波检测技术､仿真平台､有源滤波器的主电路拓扑结构､有源滤波器PWM控制技术以及混合有源滤波器进行了初步的探讨和分析,得出以有源滤波器为基础的混合有源滤波器可以很好的解决电网的谐波污染问题的结论｡

关键词:电网;供电质量;有源滤波

1引言

1.1影响电网供电质量的原因

随着现代照明､通信设施､开关电源等的快速普及,使电网中非线性负载量剧增,曾有统计表明,几十年前,电网中非线性负载与线性负载量之比为1∶9,而现在,非线性负载与线性负载量之比则为8∶2｡非线性负载主要有:1.具有铁磁饱和特性的铁芯没备,如:变压器､电抗器等;2.以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:气体放电灯､交流弧焊机､炼钢电弧炉等;3.以电力电子元件为基础的开关电源设备｡

以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网吸收非正弦电流,也就是说,即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压,但由于它们具有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性,使得流过电网的电流是非正弦波形的,这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成,即产生了谐波,使电网电压严重失真,同时还会产生大量的无功功率｡

1.2电网污染的危害

这些设备运行所产生的大量的谐波和无功功率会对电网的运行产生很大的影响:消耗无功,增加线路损耗,使电能的生产,传输和利用效率降低;引起设备过载,电器设备过热,降低设备绝缘等级;降低负载工作性能,例如使电机产生附加力矩和噪声;设备故障,引起电力系统局部发生串联谐振或者并联谐振,危害电网安全稳定运行;谐波发生放大,造成电容器过热,膨胀甚至产生破裂;电能计量失准,导致继电保护和自动化控制装置误动作;对通信和电子设备产生电磁干扰｡

1.3电网污染的解决方法

因此电力系统谐波抑制及无功补偿问题变得日益迫切,目前滤波和补偿是治理电网污染行之有效的方法｡滤波就是在污染源附近防止谐波电流的产生,补偿就是对已经被污染的电网进行补偿,改善功率因数､滤除系统谐波､减少向系统注入谐波电流､稳定母线电压､降低三相电压不平衡度等,提高供电系统承受谐波的能力｡传统的谐波抑制和无功补偿多采用无源滤波技术,即使用由电力电容器等无源器件构成无源滤波器,它与需补偿的非线性负载并联,为谐波提供一个低阻抗通路,同时也提供负载所需要的无功功率｡无源滤波具有简单､方便的优点,但它也存在突出缺点:只能抑制固定的几次谐波,并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大;只能补偿固定的无功功率,对变化的无功负载不能进行精确补偿;其滤波特性受系统参数影响较大,并且其滤波特性有时很难与调压要求相协调等｡针对传统无源滤波技术的上述缺点,本文在动态无功优化补偿､有源滤波以及混合有源滤波方面进行了研究和探讨｡

2动态无功优化补偿和降低线损研究

在配网线路中装设补偿电容器,实质上就是通过改变电网无功功率的分布,即降低线路中的电流,降低电压损耗,以提高功率因数,改善电压质量,从而达到降低线损的目的｡但往往由于电容器投切手段落后,不能根据无功需求的变化及时调整电容补偿容量,导致经常发生欠补或过补偿现象｡通过配网自动化系统的“遥信､遥测､遥控”功能可较好地实现无功动态补偿｡

配网主站系统从10kV线路采集电压和电流数据并进行逻辑计算,按照节点电压､无功所处的分区位置(见图1)来控制电容器组投切,确保电压和功率因数在设定范围之内,实现就地无功平衡和线路电压稳定｡

2.1配网自动化主站系统对电容器无功补偿的运算

(1)当配网主站系统采集节点的无功功率,即过补偿时,则:

①工作区域在1区(U>UH),切电容器｡

②工作区域在4区(ULQ1,c,继续运行,否之切电容器｡

③工作区域在6区(U(2)当配网主站系统采集节点的无功功率Q1=3UIsinQ1>QH,即欠补偿时,则:

①工作区域在3区(U>UH),切电容器｡

②工作区域在5区(ULQ1,,不允许投入,否之投电容器｡

③工作区域在8区,投电容器｡

(3)当配网主站系统采集节点的无功功率QL①工作区域在0区(UL②工作区域在2区(U>UH),切电容器｡

③工作区域在7区(U以上无功和有功的采样,均以20s为一采样周期,避免引起频繁动作｡其中,取T周期内的平均值｡

2.2电容器投切的闭琐条件

(1)电压极限闭锁:U≥12kV或U≤8kV,配电主站系统闭锁住投切电容器的操作｡

(2)在动作时间间隔5min内,发出相反的操作指令时,闭锁住电容器的投切｡

(3)电容器出现故障突变电流时,闭锁住电容器的投切｡

(4)超过每日设定的投切最大次数,闭锁住电容器的投切｡

(5)柱上开关拒动时,闭锁住电容器的投切并报警｡

(6)当电容器采样装置报出异常时闭锁操作指令并报警｡

(7)柱上开关处于停运或检修状态时闭锁相应远方操作指令｡

10kV线路补偿是靠配网主站系统从10KV线路采的电压信号和电流信号,通过逻辑计算,由计算机来确定电容组的投切,确保电压和功率因数在设定范围之内,实现就地无功平衡和线路电压稳定｡

3有源滤波

二十世纪70年代国外提出了用PWM变换器构成电力有源滤波器(activepowerfilter,简称APF)｡与无源滤波器相比,APF具有可控和快速响应特性,并且能跟踪补偿各次谐波､自动产生所需变化的无功功率,其特性不受系统影响,无谐波放大危险,相对体积重量较小等突出优点,因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段｡有源滤波的原理是实时检测电网谐波,利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等,相位相反的电流注入到电网中去,与电网中原有的谐波分量相互抵消,最终消除谐波｡无源滤波采用的是将滤波支路等效阻抗降低从而使谐波更多地分流到滤波支路上的方法,APF采用的则是从相位上完全抵消谐波的方法｡APF产生的谐波大小和相位是由系统当前状态决定的,不会随温度和时间的变化而变化｡有源电力滤波器具有补偿各次谐波､抑制闪变､补偿无功,自动跟踪补偿变化的谐波等技术优势｡

电力有源滤波器一般由PWM变换器构成｡根据变换器直流侧储能元件的不同,可分为电压型APF和电流型APF｡电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制,使直流侧电压维持不变｡电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制,使直流侧电流维持不变｡电压型APF的优点是损耗较少,效率高,是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构｡但是电流型APF由于开关器件不会发生直通短路现象,随着超导储能磁体研究的进展,也将促进多功能电流型APF投入实用｡3.1实时谐波检测

目前有源滤波器中,基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多｡

3.2有源滤波器仿真平台

对于以往的仿真平台,多采用MATLAB来搭建,MATLAB是基于数学分析的软件,其对电路在实际应用中可能遇到的各种情况,如温度变化､各部件参数漂移､开关损耗与导通和关断时间等,进行仿真模拟｡其提供强大的数模混合仿真能力,尤其适用于数字化控制系统｡MATLAB与Saber在应用方面存在很大的差异｡Saber专注于混合信号系统､混合信号电路以及电源系统设计｡MATLAB注重数学分析,一般用于顶层(传函级､算法级)分析,缺乏实际的器件级模型(半导体元件､执行机构等),因此对实际工程应用的支持力度不够｡而Saber则是混合信号系统分析领域的工业标准,其不仅能够对设计进行顶层传递函数､算法级分析,也能够支持底层的器件电路级分析｡

3.3有源滤波器主电路拓扑结构及控制

根据有源滤波器的主电路拓扑结构,目前主要研究的有源滤波器可以分为:两电平有源滤波器､三电平有源滤波器以及级连多电平有源滤波器｡两电平有源滤波器主电路拓扑结构,两电平有源滤波器主电路拓扑结构以及相关的组成部分如图2所示:

系统主电路部分主要由PWM有源滤波器､高次谐波滤波器组成｡有源滤波部分从电网吸收基波电流维持直流电压恒定,输出与负载谐波电流反相的电流,消除电网谐波;高次谐波滤波器负责消除有源部分由于开关作用产生的高次谐波,避免由PWM有源滤波器在功率器件开关过程中产生额外的高次谐波注入电网｡

4混合有源滤波探讨

混合型APF是APF与无源L-C滤波网络共同使用｡无源滤波消除低次谐波,LC进行无功补偿的任务;APF消除高次谐振,同时消除阻尼无源LC网络与线路阻抗产生谐振,从而使APF的电流､电压额定大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下),降低了APF的成本和体积｡目前工程上应用的有源滤波器多与无源滤波器同时使用构成混合APF系统｡混合型APF是将有源滤波器(APF)与LC无源滤波器(PF)联合使用,以减少APF体积和成本｡

对于两电平有源滤波,实际的应用来看主电路拓扑结构有:A､并联APF与并联PF组成混合有源电力滤波主电路方案,如图3所示;B､APF通过变压器与PF串连然后并联到电网的混合有源电力滤波主电路方案｡

仿真中PF滤波器的参数选择如下:(1)5次谐波滤波器c5=180uF､l5=2.251mH;(2)7次谐波滤波器c7=91.87uF､l7=2.252mH;(3)高通滤波器ch=30uF､lh=2.8mH､rh=10;有源滤波器参数如下:电压环采样频率:2kHz;电流环采样频率:10kHz;电感Lre:3.5mH;电感寄生电阻Rre:0.5Ω;直流母线电压给定Vdc*:600V;三相输入电源频率f:50Hz;负载电阻R:50Ω;直流母线端电容C:5000uF｡负载为带阻值为100Ω的三相二极管整流器谐波源｡

参考文献

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