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谐波电压电能电力前沿技术----电能质量柔性控制装置(STATCOM)

一、背景及发展过程
随着现代科学技术的发展,一方面,造成电能质量问题的因素不断增长,如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等;另一方面,各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及,人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上述问题的矛盾越来越突出,这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大,电能质量直接关系到国民经济的总体效益。
对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联系的,近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化,对电能质量提出了更高更新的要求。一个计算中心失去电源2s就可能破坏几十小时的数据处理结果而造成上百万元的经济损失。在大型机器制造厂,0.1s的电压突降就可能造成异常的生产状况和质量破坏。当今自动化设备控制的连续精加工生产线,它们对配电系统中的干扰异常敏感,几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱,其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有1~2周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。谐波的严重危害和所造成的损失经常被人们所提及,而无人值守变电站中计算机系统突然出现的死机现象,大多属于电能质量问题。
在我国,虽然总体经济和技术水平还比较落后,但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出。而且,由于各种原因,在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上,我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量,已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。
近段时间提出的系统化综合补偿技术是解决电能质量问题的“治本”途径。对于稳态时的电压质量问题有许多成熟的措施加以解决;但对于动态电能质量问题,依靠传统的无功补偿和常规的滤波装置则不能有效地解决,因为诸如电压跌落(sags)、浪涌(surge)、电压脉冲(impulse)与瞬时供电中断(outage)这类电能质量问题持续的时间很短、变化很快,并且有的电能质量问题还伴随着部分甚至全部的有功损失等情形。
作为facts(基于电力电子技术的灵活交流输电系统)技术与配电系统应用的延伸—dfacts技术已成为改善电能质量的有力工具,该技术的核心器件igbt,它比gto具有更快的开关频率,并且关断容量已达到一定规模,因此dfacts装置具有更快的响应特性。目前dfacts装置主要有:动态电压恢复器(dvr)、配电系统用静止同步补偿器(d-statcom)、固态切换开关(ssts)等。
statcom在svc装置基础上,克服了由于呈恒阻抗特性,使得在电压低时,无法提供所需的无功支持,应付突发事件的能力较弱;而且占地面积大,过多的svc易引发系统振荡的弊端,statcom的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定,在电压低时仍能提供较强的无功支撑,并且可从感性到容性全范围内连续调节,使得其无功输出相当于同容量svc的1.4~2倍;因statcom的灵活调压,还可以大大减少变压器分接头的切换次数,从而减少分接头故障次数。另外,statcom还可以抑制电压闪变,提高系统暂态稳定水平,结合我国的国情和已有的技术,发展statcom应是解决我国电压稳定问题的有效手段,并且也是dfacts技术发展的主要方向。
目前城市和农村配网存在低功率因数和谐波污染问题。大量无功电流在电网中的流动会导致线路损耗增大,变压器利用率降低,用户电压跌落严重。谐波污染则会使用电设备所处的环境恶化,也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波对公用电网和其他系统的危害大致由以下几个方面:
1.谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
2.影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以致损坏。


3.谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,使谐波危害大大增加,甚至引起严重事故。
4.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。
5.谐波对临近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量;重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。
二、用户电力技术
80年代以来,电力电子学已逐渐成为一门新兴交叉边缘学科,与此相对应的现代电力电子技术也得到迅速发展。以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导,开关器件功率处理能力和切换速度有了显著提高。采用电力电子装置等高新技术,在高效使用电能上已越来越多地被人们所认识。
用户电力技术(custompower)是美国电力科学研究院(epri)的n.g.hingorani博士继在1986年提出柔性交流输电技术(flexibleactransmissionsystem,简称facts)之后,于1988年针对配电网中供电质量问题提出的新概念。其主要内容是:对供电质量的各种问题采用综合的解决办法,在配电网和大量商业用户的供电端使用新型电力电子控制器。
facts技术和用户电力技术都是以大功率可控硅为基础,与传统的电力系统技术相比具有精确、快速、灵活等特点,是解决电能质量问题的有效手段。根据解决问题的出发点不同,这两种技术分属于系统侧技术与用户侧技术。柔性输电装置侧重于输电系统,具有工作电压高,装置容量大等特点,其功能常常是为满足一个区域的多数用户而设计的;用户电力装置侧重于配电系统,具有工作电压低,装置容量小等特点,其功能往往是根据少数用户的要求而设计的。尽管两种技术的侧重点不同,使用目的和经济评价标准不同,但是在使电网高度柔性化,提高输电能力的效果上是一样的。有些装置甚至既可以用于输电网,又可以用于配电网,例如有源滤波装置(activepowerfilter)和同步并联补偿器(statcom)等等。因此可以把柔性输电技术与用户电力技术看作同一种技术在电力系统不同方面的应用。
根据工作原理,用户电力技术可以分为基于半可控器件-晶闸管的,利用其开关特性调节无源器件如电容和/或电抗的等效阻抗,以达到改变系统参数的目的的第一代阻抗调节型控制器,如svc和tcsc等。以及以全可控器件如igbt,gto等所构成的电压和电流源变流器所产生的同步电压(或电流)来对系统的电压和电流进行控制的第二代同步电源控制器,如同步并联补偿器statcom,同步串联补偿器和统一潮流控制器upfc等。上述在输电系统中得到迅速发展和经过实际运行考验的控制器实际上均可以有效地应用于配电系统。
目前,facts已被国内外一些权威的专家预测为电力系统“新时代的三项支撑技术(柔性交流输电技术、先进的能量管理系统技术和综合自动化技术)之一”,和“现代电力系统中三项具有变革性影响的前沿课题(柔性交流输电技术,智能控制和基于gps的动态安全分析与监测系统)之一”。
facts采用电子式的开关操作,无机械磨损,速度快(毫秒级);既可以断续调节,也可以连续调节被控系统的参数。这些特点可大大提高控制的灵活性,对系统暂态稳定性、动态品质的提高是有益的。
传统电力系统的电能质量问题一般仅是关注系统的稳态情况下是否供电可靠,事实上,对于大部分传统设备来说,短时间的电压电流变化对设备的影响不大,甚至当供电在一定范围内变化的情况下也可以保证工作。但随着电子和信息技术的飞速发展,企业中自动生产线、精密加工工业、计算机系统、机器人等先进技术使用日益广泛,家庭用户和商业用户中计算机、复印机等现代化办公设备使用也越来越普遍,供电系统故障或电能质量恶化很可能会带来极为严重的影响,因此现在用户对电能质量的要求要远比以前严格。对于敏感的电力电子设备或信息设备来说,即使几个周期的供电中断,或电压跌落都将影响这些设备的正常工作,造成巨大的经济损失。由于用户要求的提高,保证用户的供电质量就成为一个非常重要而困难的课题,比如一次雷击都会影响在方圆几千平方公里内任一敏感负荷的正常运行,因此要保证用户的电能质量依靠传统的设备和方法是不行的。
facts的提出在全世界引起很大反响,各国的电力研究机构、高等院校和制造厂家都开展了这方面的研究工作。美国、日本及欧洲一些发达国家已投入大量资金和人力进行研究开发,包括对现行网络的评估、硬件设备的开发及facts装置在电力系统中的配置应用等。国际大网络会议(cigre)也于1990年成立了相应的专门研究小组,并多次召开专门的国际性学术会议。


三、目前常用设备比较
低压无功补偿装置通常用接触器或者晶闸管控制电容器组投切来实现。由于电容器组投切装置工作原理简单,投资少,效果好,因此它被电力部门广泛采用。但是由于它是依靠并联电容器组来提供无功功率,因而存在如下缺点:

1、响应时间长,通常要几百个毫秒,不能补偿动态无功。
2、补偿容量受到电网电压的限制,电网电压越低,输出无功越小,而此时恰恰需要向电网输出无功,以期抬高电网电压水平。
3、由于向电网并联了电容,有可能因此引起谐波放大,甚至引起谐振短路支路。
4、因为分级投切电容,受电容器额定容量限制,补偿无功容量和系统所需无功有一定的差别,功率因数不能提的很高。

无源滤波装置是由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成。由于无源滤波具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波的主要手段。由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通路,以起到滤波作用,其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的,因而存在以下缺点:

1.谐波特性受系统参数的影响较大。
2.只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用。
3.滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。
4.谐波电流增大时,滤波器负担随之加重,可能造成滤波器过载。
5.有效材料消耗多,体积大。
statcom与以往的无功补偿装置如自动投切电容器组装置和svc相比具有如下创新:
1、响应时间快
自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟,这是受电容器放电时间所限制。国标规定电力电容器放电时间为3秒钟,如果放电时间太少,则电容器的剩余电荷不能放电干净,如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象。
2、不会引起谐振短路
虽然该装置仍然采用并联型结构,但是它与电网之间有连接电抗器,因此不会出现并联谐振现象。
3、可以吸纳无功
该装置不仅可以应用在感性负荷场合,还可以应用在容性负荷的场合,可以提高补偿效果,降低线路损耗。
4、精准电压控制
该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外,还可以按照电压幅值来控制,确保用户获得的电压的平稳性,降低电压纹波。
5.具有自适应功能,实现了动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应。
6.可同时对谐波和无功功率进行补偿,补偿无功功率时不需要储能元件,补偿谐波时所需储能元件的容量不大,且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。
7.受电网阻抗的影响不大,不容易和电网阻抗发生谐振;且可以跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响。
四、意义
发展statcom装置具有巨大的社会效益,对国民经济发展有积极的意义。代表了现阶段无功补偿、电能质量控制的发展方向。

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