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基于整流器的无功补偿与谐波治理应用研究
第1章引言
电能作为一种清洁能源,其给当代社会的工业生产以及居民生活带来的方便、快捷不言而喻。
作为一种必不可少的能源,电能的发展水平早已成为衡量一个国家综合国力和发展水平的重要标志。
随着科技的进步和社会的发展,不同种类的电子器件得到了广泛应用,增加了居民的生活幸福指数。
可是伴随负荷的逐年增加,存在于电网中的电流波形、电压波形随之发生畸变,尤其近些年,现代工业技术得到了飞速发展,计算机网络技术的得以普及和推广。
在供电系统中,供电质量的好坏直接关系到电器产品的使用寿命和使用质量。
特别是在一些重要的工业生产环节,供电的中断会给社会和国家带来巨额损失是无法估量的。
因此,在保证电量总产量的基础上,如何科学、合理提高供电系统的供电质量已经成为当代科研工作者亟待解决的重要课题[1]。
首先从电网中谐波的存在和无功功率输出科研背景出发,对谐波污染的治理及无功补偿的主要方法和其重大现实意义进行探讨,详细阐述谐波污染治理技术以及无功补偿技术的国内外发展现状及科研现状。
1.1电网中谐波以及无功功率的存在与原因
1.1.1电网谐波的存在和其产生原因
在世界范围内,几乎各个国家的电力供电系统都是基于正弦的供电方式。
供电电源往往以单一不变的频率(一般为50Hz或60Hz),进行规律正弦变化着,以此向电网中提供电力输送,简单说,系统中不同点的电压、电流都是以相对单一、稳定的供电频率,伴随时间以正弦规律动态变化的量。
电力的普及和电力电子技术的飞速发展,使得电力系统中的非线性负载的比重逐年增加,这就直接导致了供电电网中电压和电流的波形发生畸形变化。
从频域的观点,在这些电流和电压的波形中,不但包含了基波分量(与供电电源同频率的正弦量),同时还包括一定的高次谐波分量(一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量)[2],所有这些正弦分量的集合被统称为“电力谐波”。
电力系统中,正弦电压被作用于线性无源元件电容、电阻以及电感中,其电压与电流分别为积分关系、微分关系和比例关系。
可是,当正弦电压一旦被作用于非线性电路上,电流自动就转变,转变为非正弦波,这种非正弦电流可以在电网的阻抗上产生一定的压降效果,同样间接导致电压波形也随着改变为非正弦波;当非正弦电压作用于线形电路上,电流自然也属于非正弦波。
我们通过狄里赫利条件,可对频率进行分解,分解成为频率为大于1的整数倍基波频率的谐波分量以及基波分量,其中的谐波次数等于基波频率和谐波频率和整数比值,同样,其完全适用于对于非正弦电流的情况。
伴随时变性以及非线性的电力电子设备、电子装置在电力系统中的广泛普及,电网资源中的谐波含量愈发被放大、增加。
在电网中,产生的各类谐波主要源于以下3大方面:
(1)在各个环节的输配电系统中可以产生的谐波污染。
输配电系统产生的谐波主要源于各类变压器,主要有其自身的工作特性和工作原理决定,因而存在“奇次”谐波的必然性。
(2)供电电源本身也可以产生一定的谐波。
我们知道,发电机中的铁芯以及三相绕组在制作工艺上不能保证和确保做到绝对的一致和统一,可这种原因所出现概率很小[3]。
(3)各类用电设备可以产生的不同程度的谐波。
这里的谐波主要是由与电力系统连通的各种类型的非线性负载生成。
综上所述,电力系统中成为谐波源的各类原因众多,但罪魁祸首则就是我们使用的各类非线性用电设备,对于公共电网的电能质量影响来说,非线性用电设备其产生的谐波必须进行有效的处理和应对。
1.1.2无功功率输出和其产生原因
在日常生活、工业生产以及电力系统所使用的负载中,几乎所有的网络元件的阻抗都是电感性的,荧光灯管、家用电动机和各类变压器等生活中常见的电力设备,这些都是阻感负载的典型代表。
在电力系统提供的无功功率中,各类变压器以及异步电动机它们所消耗的无功功率占有的比例较高。
当然,存在于电力系统中的各类架空线、电抗器等也会不同程度的消耗一定的无功功率,阻感负载只有在吸收无功功率的前提下才能够正常运转,这主要是由其自身的性质和特性所决定。
尤其对于各种类型的相控装置,这些非线性装置不同程度地消耗了无功功率。
例如相控交流功率、相控整流器对周波变流器以及供电电路的调整等,设备一旦工作,基波电流便会滞后于电网电压,这个过程会损耗一定的无功功率。
此外,这些设备还伴随产生了很多的谐波电流,这些谐波源对无功功率的消耗起到负面影响。
同电网电压相位大致相同的二极管整流电路的基波电流相位,虽然基本不损耗基波的无功功率,可是其在运行过程中也产生很多谐波电流,故也消耗一定量的无功功率。
此类电子设备还很多很多,存在于日常生活中的各个层面上,除了以上的电力电子装置以外,直流斩波器、逆变器以及间接DC变换器的应用也不少,可这些装置设备所需的直流电源大多源于整流电路引发,其谐波问题以及无功功率问题也很突出,亟待解决[4]。
1.2谐波治理与无功补偿的治理的现实意义
1.2.1谐波治理的实际意义
可以说从开始使用交流电进行输送时,电力系统中的谐波问题就已经伴随并产生,延续至今,尤其近代社会,伴随非线性设备的广泛使用,使得谐波问题日益突出。
在一般情况下,存在于电网中的谐波虽然不一定都会对电气设备及电网构成十分严重的麻烦,可是在一些特殊条件下,谐波成分则会对电气装置构成严重影响,这种影响间接导致装置上的其它设备无法正常运转,甚至有可能会波及到电力系统的稳定、安全运行。
如:
2005年,南京供电局“10.19”大范围停电中断,其最终原因就是由“谐波污染”引发,其畸变电路波形,造成了这次大区域、大范围的供电中断;2006年,长沙市一家企业就因谐波的5次、7次、11次指标严重超标,直接导致生产秩序的全面垮塌、企业损失惨痛,金额巨大;杭州电网曾因为事故频发的高铁等电气化铁路所产生的谐波电流及负序电流等影响,致使继电保护装置错误频发,京广线因此中断数十个小时之多。
由此可见,谐波污染的危害是十分巨大的,归结起来,其主要体现在以下8大方面:
(1)谐波污染增加了电机旋转的损耗强度,通过谐波可以引发电机过热同时还附加损耗功率,伴随而来是产生噪声、谐波过压和机械振动等。
所有这些因素都会缩短电机的使用寿命,更为严重的情况还会殃及电机自身。
(2)电力资源中的电容器会导致的谐波的效果的放大。
在谐波电压作用下,各类电容器自身特点会使得其容抗远小于在基波电压作用下的容抗,进而使得谐波电流的波形畸变影响远远大于谐波电压的波形畸变效果。
(3)谐波增加了变压器的物理损耗速度。
当谐波电流通过变压器时,主要增加了变压器的铜损耗的影响。
(4)缩短了输电线路的寿命,并在一定程度上增加输电线路的损耗标准。
在输电线路上,谐波电流产生的谐波压降会使输电电网中的电流有效值陡然增加,直接导致附加输电损耗。
(5)导致电力的测量误差不精确。
市面上一般的测量仪表大多是在纯正弦波情况下进行测量和校验,若供电电源的波形发生特殊畸变,各类仪表则非常容易产生误差。
(6)使自动装置以及继电保护设备工作紊乱。
存在的各类谐波非常有可能对保护继电器的一般动作特性进行改变,这与继电器的原理和设计特点有直接关系。
(7)谐波会对通讯系统进行干扰。
谐波污染引发的通信系统噪声,不但降低了通讯过程中的通话质量,干扰严重时甚至危及人身的安全。
(8)对电弧熄灭造成延缓事故。
在长距离且超高压的输电电网中,不同程度的谐波电流会引起电弧熄灭的延缓,可以直接导致单相重合闸失效,后果严重。
总之,我们对电能质量的定位除了电压、频率这两项基本指标外,衡量电能质量好坏还有一个非常重要的因素就是谐波。
所以,无论是从保障用户的用电设备安全、正常运行的角度出发,还是从保护电力系统运行的经济、稳定、安全角度考虑,对谐波进行有效治理,打造一个纯净、平稳的电网环境及绿色电网,已成为科研工作者首要解决的问题之一[5]。
1.2.2无功补偿的实际意义
由于电容元件、电感元件的普遍存在,在供电系统中,除了有功功率,还存一定范围的无功功率。
无功功率虽然其自身不消耗能量,可是会在能量的相互交换过程引起不必要的电能损耗。
伴随电力行业中电子技术的飞速发展,无功问题构成的危害日益严峻,若不进行必要的无功补偿操作,不仅会使电气设备得不到充分使用,损耗加剧,电缆的网络传输性能下降,更为严重时有可能导致系统瘫痪和设备损坏。
在电力系统中,无功功率产生的负面影响主要包括以下几方面:
(1)当供电系统中的无功容量不足时,可以导致负荷端的供电电压低于正常电压,直接影响居民的正常生活和企业的生产活动;反之,当无功容量过多时,会使得电网电压高于正常电压,导致电压波动率的偏离。
(2)增加了电网中的总电流量,如果传输相同的有功功率,电网中的总电流的增加直接导致输电线路和输电设备损耗增加。
(3)电力系统中的发电设备,也会随着无功电流的放大,增加发电电机中转子的去磁效应,进而降低电压,供电不能得到保证[6]。
(4)无功效率会降低电网的功率因数,导致大量电能的损耗,伴随功率因数下降,电能的损耗也随之提高。
总之,电力系统中,需要保持无功平衡输出和稳定,否则将致使系统的供电电压偏离正常值,严重时,会直接致使系统瘫痪。
由此可见,解决电力系统中的无功补偿问题意义重大,并对供电电网的节能和降耗研究有着更为重要的现实意义。
1.3谐波治理与无功补偿的科研现状和主要方法
1.3.1谐波治理的主要方法及科研现状
对于谐波治理的方法主要分为主动治理和被动治理两种。
所谓主动治理是指从产生谐波设备的源头(自身)出发,改造电力电子装置和设备,使谐波源产生的谐波减少或者不产生谐波;而被动治理是指通过外加谐波补偿装置的方式,防止电力系统的谐波注入负载端,或者预防谐波源头产生的谐波流入电网中,被动治理适用于任何谐波源的控制。
本节我们将对电网谐波被动治理方法出发对其科研现状进行论述。
在电网中,关于谐波被动治理的方法主要包括以下3种[7]:
(1)PPF,即无源电力滤波器,其根据PPF对某特定次谐波的共振特点,在公用电网连接节点或者谐波源头附近装备滤波器实现。
其运行和维护相对简单,且在吸收谐波电流的过程中还可实现电网的无功功率补偿。
(2)APF,即有源电力滤波器APF,此方式的应用广泛,其可以对幅值以及频率都发生变化的谐波进行实时跟踪,并进行有效补偿,但设备造价较高。
(3)HAPF(HybridActivePowerFilter),即混合型有源电力滤波器。
其属于APF的分支及技术拓展,兼具了APF高性能的特点以及PPF低成本、易维护的优点。
其种类较多,大致可分为两类:
即PPF的混合以及同其它变流器的混合。
全球范围内,在治理谐波的方法中,无源电力滤波器PPF被得到了广泛采用,其技术成熟,且成本相对低廉。
其原理是利用电容元件及电感对某次谐波的谐振特点,在阻抗分流回路中形成低阻抗支路,通过这种方式减小或避免流向电网的谐波电流。
可是PPF还存在很多方面不足之处,具体包括:
(1)对于所滤波型的特性过于依赖电源情况以及电网参数。
(2)其仅能针对特定次频率进行滤波操作,在整个过程中容易受到滤波器的滤波参数影响,且影响很大。
(3)PPF体积过大,占地面积过大,在处理过程中还消耗大量的有色金属,费用支出较高。
(4)在同一个电管系统中,如果装有较多滤波器,要想取得高次谐波流入平衡和负载均衡是十分困难的,几乎难以实现。
(5)有可能发生与系统阻抗串并联谐振的现象,不能保障电网的供电质量。
有源电力滤波器(APF)同传统的PPF一样,其也是在谐振频率处,给谐波电压或谐波电流提供一个等效阻抗为无穷大的串联网络或者等效导纳为无穷大的并联网络,但是在理论上,一台有源电力滤波器能够具有无穷多个谐振频率。
与传统的PPF相比,有源电力滤波器具有优点包括:
(1)其可以动态追踪电网谐波的变化、运行情况,实时性能好,第一时间进行谐波处理操作,且体积相对较小,运输灵活、方便,空间占有率低。
(2)滤波实际效果同电网中的阻抗系数没有直接关系。
(3)对于输出限制,APF装置可以自身调节,当谐波含量产生波动较大时,也不会超过过载区间。
(4)其不受限于电网频率的变化,且具有多种谐波补偿功能,可以集中治理对多个谐波源,也可以对负序以及无功功率进行有效补偿操作[8]。
目前,在全球范围内,有源电力滤波器作为电能质量改善的一项重要技术,在美国、西欧、日本等发达国家已经得到大范围的普及和推广,其广泛用于国民经济生产的各个环节,谐波补偿的补偿次数标准提高迅猛,且单机装置的容量也在不断提高。
目前,APF的最大单机容量高达50MVA,APF的应用跨度已经从补偿客户谐波整体过渡到全电力系统供电质量改善的方向迈进。
有源电力滤波器技术发展至今已经有很多年,目前,已经出现了诸多种类的拓扑结构。
继美国、德国、日本等国之后,在有源电力滤波器APF的应用科研工作上,我国企业界和学术界予以充分关注和重视,可与电子工业发达的国家相比,仍存在很大差距。
截止目前,国内也有类似的APF的产品,并且已经投入试运行状态。
1992年,北京供电公司、冶金部自动化研究院以及华北电力试验研究所联合研发的有源高次谐波抑制设备装置率先在北京投入工业运营;西安交大提出的四重化变流器方法可以有效地解决开关频率以及大容量相互矛盾的问题,可成本过高,一些具体实现环节上也需要做在更深入的研究。
总的来说,我国目前对于有源电力滤波技术的科研攻关尚处于试验和起步阶段,尤其在APF的控制方法、控制策略以及优化系统参数的诸多技术环节还有许多技术及理论有待进一步学习和探讨。
1.3.2无功补偿的科研现状和采用的主要方法
SC,即SynchronousCondense(同步调相机),该装置作为传统的无功功率且动态补偿的硬件设备,主要用于制造无功功率输出和控制,在欠励磁或过励磁的不同情况下,可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。
SC不仅能补偿固定的无功功率,还可以动态补偿变化的无功功率。
可其缺点过多,如噪声过大,且损耗严重,系统响应速度较慢,设备的运行和维护复杂、繁琐,一般情况下,SC无法满足快速无功功率控制的实际需要。
早在70年代后,SVC,即StaticVarCompensator,静止型无功补偿装置已基本上取代了同步调相机设备,目前,很多发达国家已经不再使用此类设备。
英国的GEC公司在1967年就制造世界上首批饱和电抗器型静止无功补偿装设备。
后来的一段时间内,几乎所有的静止无功补偿设备都是基于SR,SaturatedReactor(即饱和电抗器)类型。
饱和电抗器比同步调相机的优点是静止及反应速度快,可由于其内部的铁心需达到磁化的饱和状态,其噪声较大且易损耗,在运行过程中还存在非线性电路的很多基础性问题,尤其SR在补偿负荷的不平衡方面不能实现分相调节,这些缺点直接导致静止无功补偿装置的市场份额越来越小,几近枯萎[9]。
伴随电力技术、电子技术的飞速发展,以及电力控制系统中的迫切需要,静止无功补偿装置中使用的晶闸管技术被首推上无功功率控制的科技前沿。
美国的GE公司在1977年就率先在实际电力系统中设计研发了晶闸管的静止无功补偿装置,并就这类电控装置投入实际运营。
之后的若干年,全球各大电气公司都先后推出了各具特点的电控设备和电控产品。
20世纪80年代以来,我国的电力科学研究院以及西安电力机械制造公司等很多电力企业也掌握了此项技术,具备了自行设计、自行制造这类装置的水平,目前,我国较多企业已经先后承接了很多此类工程项目,并向其他国家提供技术出口,且反映良好。
基于晶闸管的静止无功补偿设备的性能优良,近几年来,在整个领域又获得较大的发展,在长距离输电以及输电系统的分段补偿方面已被广泛应用。
SVC的重要特性之一就是其可以对补偿装置的无功功率进行连续调节。
作为SR的典型代表是TCR+FC(FixedCapacitor+ThyristorControlledReactor)即(固定电容器+晶闸管控制电抗器),还有一种也较为常见TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)即晶闸管投切电容器。
ASVG(AdvancedStaticVarGenerator),即先进静止无功发生器,它是20世纪80年代后出现是全新的电控技术,其特点是在静止无功补偿装置中采用自换相变流电路技术,是一种更为先进、更为高效的静止无功补偿装置。
为了保障电力系统的正常运行,供电电压以及供电频率必须稳定在一定的范围内。
供电频率的控制与有功功率密切相关,而实现电压控制与管理的重要方法之一就是控制电力系统的无功功率输出。
无功功率的控制方法有很多种,具体包括:
(1)同步电动机,其主要位于用电大户位置,不同于同步发电机,其主要位于各大发电厂。
(2)同步发电机,由于其位置原因,主要用于对励磁电流的调整,保障其运行在超前功率的系数下,可以输出无功功率,同时也可以输出有功功率。
(3)并联电容器,该设备主要装设于各大降压变电所,其可以提供超前的无功功率,根据需要也可实现就地补偿。
(4)同步调相机,其主要装备于各大枢纽变电所,供电系统中一旦同步电动机空载运行,在这种不带负载的条件下,向电网及时输送无功功率。
(5)静止无功补偿装置,此类装置虽然投资较大,可其运用广泛。
具有调相机的功能特点,在传统的无功补偿装置中,其阻抗是固定不变的,不能实时跟踪负载的无功需求变化而改变,不能真正意义上实现对无功功率的动态补偿要求。
随着电力系统的飞速发展,对无功功率快速进行动态补偿的需要越来越迫切[10]。
1.4课题背景及各章节安排
本文从某企业的实际情况出发,以低压大电流大容量谐波治理以及无功补偿需求作为研究基础和研究背景,对一系列关键技术及相关装备进行研究。
本课题立足于从工程实际应用中有源电力滤波器和无源电力滤波器的关键技术难点进行攻关,在多个方面开展大量的研究。
具体包括:
对实际情况(现场)进行仿真分析、设计整体框架和解决方案、建立仿真模型,并对实践装置进行参数设计和参数控制、后期对于系统的软件、硬件资源进行布置和实现,完成实验后期长期复杂的调试、优化等。
本文的研究的主要内容及各个章节构成如下:
第一章,对于谐波及无功的产生进行简单说明,指出了谐波治理以及无功补偿的重大现实意义;同时,对于在这两个方面的国内外研究现状和目前采用的主要措施进行阐述;最后给出本文的各个章节的主要安排。
第二章,给出了企业的谐波治理及无功补偿的治理方案。
从企业的实际情况出发,首先对企业的整流电源的谐波和无功的总体情况进行需求分析,构建了这个企业的整流电源的仿真模型;并针对整流电源的不同特点,提出了两套方案,对方案中的装置特性和原理进行简要介绍;同时,对于谐振放大现象(PPF、IVC以及APF一同运行时),做了MATLAB仿真数据处理,对电流谐波在不同参数选取下放大、失真的可能性进行理论验证。
第三章,谐波治理及无功补偿系统控制策略及快速无差分频控制方法的研究。
本章首先建立了有源电力滤波器采用不同控制策略时,APF和PPF组成的混合系统运行时的电气模型,并详细分析了不同控制策略时系统的内在运行机理及工作特点;提出了一种适用于谐波治理及无功补偿系统的分频运行策略和基于广义积分的快速无差分频控制方法,确保了系统的稳定性、可靠性及滤波效果;并进行了仿真比较,验证了采用此方法的可行性和先进性。
对于谐波治理及无功补偿装置研制,首先对APF、PPF及IVC的主电路参数等进行了优化设计;着重对APF的主控制器TMS320F2812嵌入式DSP控制器、外围接口电路板等的研制方法进行了详细阐述,同时还对控制器的软件设计做了简要介绍;最后,针对该装置投运前后该企业的谐波及无功情况对比分析,结果表明本文设计的方案对于治理谐波和无功是可行和有效的。
本文最后的结论部分首先总结了本文的研究工作,给出了本研究的主要特点及研究中的各个创新点,同时还指出以后工作的研究方向和研究重点。
第2章谐波及无功的分析和治理方案研究
作为非线性负载的整流装置设备,不但会导致功率因数降低,同时还将给电网带来伴随性的严重谐波污染,对于用户来说,必然造成较大经济损失。
通过前期调研,我们发现谐波污染主要源于表面处理机的高压整流电源设备。
在本章中,根据提供的整流装置系统信息和电网参数数据,通过PSIM电力电子仿真软件详细分析了其配电网谐波及无功输出基本情况;为有效减小谐波污染,同时进行必要的无功补偿,以保障和改善供电质量,降低线路整体损耗,从而提高电气装置的工作效率和使用寿命,达到国际标准。
为了装置设备安全、可靠运行,本章还提出了谐波污染的动态治理方案和无功补偿的三维一体解决方案,最后对滤波和无功补偿系统投入运行后,系统的安全性、可靠性进行论证和分析,并提供仿真分析了整体滤波及无功补偿效果,验证仿真结果表明本方案的可行性和有效性[11]。
2.1现场工况分析
2.1.1企业的配电系统简介
1.配电系统的主要组成
这个企业的主要项目所选用的供电装置主要是基于表面处理机的整流电源装置以及生箔机。
本项目的总配电由厂区变电所(35kV)提供,其变压器型号是SZ7/35,容量为16000kVA。
企业的主变压器将35kV进行变压调节,分别应用于10kV不同的电源负载,以维持其正常电力需要。
企业一共有6台容量不同的10kV变压器,通过这些变压设备给12脉波整流电源以及6脉波可控整流电源提供电力供应。
在企业配电系统内,存在有不同型号的变压器,其的主要的数据参数,如下表2.1所示。
表2.1配电系统变压器主要数据参数
型号
SZ7-16000kVA/35
SGB10-2500kVA
-10/0.4kV
SGB10-2000kVa
-10/0.4kV
容量
16000kVA
2500kVA
2000kVA
连接的组
D/Yn11
D/Yn11
Ynd11
阻抗电压(%)
%7
%5
%5
35kV短路容量
645MVA
10kV短路容量
247MVA
如图2.1所示,即本企业35kV电力配电系统的示意图:
图2.1该企业35kV电力配电系统的总体示意图
整流电源供电系统的主要构成包括:
(1)表面处理机电源三台。
这主要由不同电压等级和不同容量的6脉波可控整流电源构建起来,其中在每台表面处理机中含有21台次的整流电源,详细信息如下表2.2所示。
表2.2单台表面处理机供电电源
电源规格
数量
整流方案
50A/20V
3
全部基于三项可控的6脉波整流方式
50A/40V
2
100A/50V
3
500A/40V
4
700A/30V
5
4000A/25V
6
(2)生箔机,其总共可以控硅12脉波整流电源数量总数为12台,具体规格为50kA/6.5V。
系统这样配置,其中的每四台设备都由一台2000kVA的变压器提供电力供应,变压器的总台数是3台,其中使第二台移相+10度,第三台也移相-10度,以上调节都相对于第一台即可。
具体的数据参数如下所示[12-15]:
a)电源整流器交流输入是交流电流,总共590A,三相AC260V;
b)电源变压器的输入容量数据是390kVA;
c)电源整流器的直流输出数据是7.0V,DC40000A,;
d)其中整流器选择了具有平衡电抗器整流回路,一组初级连接成三角形结构,另一组初级接成星形结构,最后将两组结构进行并联,形成等效每组30000A的12脉波。
2.本配电系统中的等效阻抗
够进行求取,一般通过短路试验或者空载试验既可。
依据该企业所提供的变压器配电系统的等效阻抗对于企业配电网来说至关重要,尤其对治理装置的可靠性,同时对于等效阻抗也可体现在谐波治理及无功补偿的效果上。
可以说,治理装置的数据参数设计好坏的重要依据就是配电系统的等效阻抗配置。
变压器的构成主要是电网等效阻抗。
在分析电力系统时,我们一般选用的,也是最为常见的变压器模型就是T型等效电路模型,当然也包括一些
型等效电路模型以及
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