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1、电能质量治理技术专题,思源清能电气电子有限公司 清华大学柔性输配电系统研究所,主要内容,电能质量概述 电能质量治理技术简介 思源清能的QNSVG产品应用案例,第2页,电能质量概述,第3页,电能质量（Power quality）定义,IEEE美国电气和电子工程师协会 （Institute of Electrical and Electronics Engineers） ：给敏感设备以适合该设备的电力供应及接地方式。 IEC国际电工委员会（(International Electrotechnical Commission) ）：电能质量问题是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流幅值或频率
2、偏差。,第4页,常见的电能质量问题,电磁瞬态 电压变动 电压波动与闪变 电压、电流波形畸变 电压、电流三相不平衡 频率变动 波动与闪变、波形畸变、不平衡负荷及谐波可以采用并联补偿器进行有效补偿！,第5页,电压波动和闪变,电压波动（Fluctuation）即电压方均根值（有效值）一系列的变动或连续的改变 闪变（Flick）：由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及可能引起人对灯闪有明显感觉的场合。 各种类型电压波动引起的闪变均可采用符合IEC 61000-4-15:1996的闪变仪进行直接测量，这是闪变量值判定的基准方法,第6页,谐波电流和谐波电压,谐波电流：主要为终端用户负荷引起 负荷母线的
3、畸变电压：谐波电流流过线路阻抗引起,谐波治理责任 (IEEE Standard 519-1992) 用户责任：控制注入电网的谐波电流 电力公司责任：在用户注入电网的谐波电流合格的前提下，控制线路的阻抗水平,第7页,谐波电流的产生,大部分情况下，用电设备的非线性是谐波电流产生的主要原因 电弧炉 整流器和整流设备 UPS电源设备 空调 办公设备 计算机、 复印机、打印机 传真机、影视设备等 电梯、电子式照明设备 电机设备、变频设备 ,第8页,6脉波整流UPS,电网电流的FFT展开,电网电流中含有6k1次谐波（5，7，11，13，17),第9页,12脉冲整流UPS,电网电流的FFT展开：,两个整流桥
4、的5，7，17，19次等谐波相互抵消 电网电流中只含有12k1次谐波（11，13，25),第10页,谐波的危害,电缆： 损耗、温升、绝缘,变压器： 损耗、温升、噪声,带来谐波电压： 整流设备故障、误触发、控制器故障,重要设备用电受到影响,与补偿电容发生谐振,第11页,谐波造成的额外损耗,由于谐波影响，电机等铁芯材料的磁滞增加，使损耗增加，温度升高； 温度升高又导致额外的损耗；温度每升高一度，电机的损耗增加4%； 谐波造成的损耗甚至远大于工频损耗； 研究表明，由于各种因素的影响，50kHz的高频电流，1mA造成的损耗相当于工频电流300A的损耗量。,第12页,公用电网谐波,规定了各电压等级的总谐
5、波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。,注入公共连接点的谐波电流不允许超过限值，限值与当地电网容量有关！,第13页,公用电网间谐波,第14页,2010年6月1日起实施。,三相电压不平衡,适用于标称频率为50Hz的交流电力系统正常运行方式下由于负序基波分量引起的PCC点的电压不平衡 不平衡度指电力系统中三相不平衡的程度。用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示 该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4% 两类主要不平衡负荷：电气化铁路和交流电弧炉,第15页,目前我国制定的电能质量国家标准,GB/T
6、12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 24337-2009 电能质量 公用电网间谐波 GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 GB/T156-2007标准电压 GB/T 19862-2005 电能质量监测设备通用要求,第16页,电能质量治理技术简介,第17页,并联补偿装置：无源和有源,并联补偿：在装置就地将基波无功电流及谐
7、波电流吸收到补偿装置中,无源LC补偿器,有源补偿器 （DSTATCOM/APF),第18页,无功补偿技术三代发展,MSC / MSR 机械投切式 电容/电抗,SVC Static Var Compensator 晶闸管阀 控制与保护 交流电容器组,SVG Static Var Generator IGCT/IGBT阀 控制与保护 连接电抗器 直流电容,第一代无功补偿装置（1970s）,第二代无功补偿装置（1990s）,第三代无功补偿装置2000s ,补偿装置的发展,无功补偿的发展,无源型,有源型,第19页,SVC简介,SVC（Static Var Compensator：静止无功补偿器） 晶闸
8、管控制电抗器（TCR：Thyristor Controlled Reactor） 晶闸管投切电容器（TSC：Thyristor Switched Capacitor） 晶闸管投切电抗器（TSR：Thyristor Switched Reactor） 开关投切电容器/滤波器（FC：Fixed Compensator，BSC：Breaker Switched Capacitor/Filter） 以上各项组合 目前被最广泛使用的SVC，主要是TCR+BSC（FC）形式,第20页,第二代产品SVC：TSC/MCR/TCR,MCR型单线原理图,TCR型单线系统图,TSC型单线原理图,第21页,第三代：静
9、止“调相机”,Uc (M),Us,UL,I,US,UC,STATic Synchronous COMpensator Static Var Generator,第22页,第三代：SVG/APF,SVG、 APF,接入电压等级: 低压：380V 1140V，中高压：3.3kV - 35kV SVG：动态基波无功、不平衡负荷及低次谐波（一般13次及以内） APF：250次稳态谐波补偿，也可以补偿一定的基波无功,第23页,有源并联补偿装置的构成,第24页,SVG的功能及应用,动态补偿基波无功功率 补偿负荷低次谐波电流 补偿不平衡负荷电流,冶金行业电弧炉、轧钢机 电气化铁路 矿井提升机 港口起重机 碎
10、木机，等等,第25页,SVG主电路,变压器多重化变流器：共用直流电容 多绕组变压器变流器：共用直流电容 二极管箝位三电平变流器：共用直流电容 链式变流器：直流电容独立,第26页,瞬时电流跟踪控制,测量环节 补偿参考电流生成环节 电流跟踪控制环节,第27页,不平衡负荷补偿,为了得到三相对称的有功系统电流，不平衡负荷补偿的目标为：消除负序分量（实现平衡）消除或减小正序分量的虚部（功率因数校正）,第28页,不平衡负荷的电纳补偿原理,的大小相等，相位差 ，均与电压相量垂直，负荷已经变成平衡的三相纯有功负荷。,第29页,谐波补偿检测,第30页,补偿谐波对装置容量的要求,只补偿基波无功时，变流器输出电流峰
11、值为1.414Io，变流器输出电压峰值为1.414(1+X%)Us 补偿谐波时，变流器输出电压、电流峰值都将发生变化 电流有效值： 电流峰值： 电压有效值： 电压峰值,第31页,SVG和APF的差别,补偿目标： SVG：动态基波无功电流及低次谐波电流（一般13次及以内） APF：250次稳态谐波电流 装置参数： 连接电抗：SVG：612；APF：3 直流电容：SVG：能耐受大有效值电流的膜电容，容值较小，允许较大电压波动；APF：需要容值大以保证足够的电压峰值，电解电容，对基波无功电流补偿受限制。 开关频率：SVG：较低，等效6kHz一下即可；APF：一般大于10kHz,第32页,无源滤波器（
12、LC）存在的问题,一种参数只能针对特定次数谐波补偿，并且对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大，引起其他事故； 响应速度慢，无法跟踪动态谐波进行动态补偿 只能补偿固定的无功； 系统阻抗小时补偿效果难以令人满意； 改变系统阻抗特性，可能导致谐振； 参数稳定性差，特别是电容参数容易变，导致失谐。,2008-03-14,第33页,与SVC比较：静态特性,系统电压 (p.u.),SVG,TCR,TSC,0.4,容性电流,感性电流,0,1.0,第34页,损耗,典型0100Mvar混合链式SVG,典型0 100Mvar SVC,第35页,损耗,100M SVC如果需要保持额定动态无功输出量，正常时1
13、00M 的可控电抗器（TCR）需运行在满载状态（装置整体输出为空载，固定电容器的容性无功被TCR的感性无功全部抵消），按1损耗计算，每天需2.4万度电，按0.5元/度计算，每年耗电约400万元，是同容量混合SVG的2-3倍。 如果TCR平时运行在空载/轻载状态，则系统电压跌落时无法提供足够的动态无功支撑，作用只相当于一台小容量SVG。,第36页,SVC解决运行损耗需增加TSC,第37页,占地面积,SVG,SVC,第38页,占地面积,SVG占地是SVC的1/51/3,资料来源：SIEMENS,第39页,动态响应,资料来源：ABB,SVC：23周波 SVG：12周波,第40页,响应速度,SVG的快
14、速动态响应 (小于10ms),响应速度越快 对闪变抑制效果越好,第41页,链式SVG的优点,无需变压器接入系统，成本低，效率高(大于99)； 启动冲击小：采用自励方式起动，启动快速且冲击电流限制在很小的幅值； 任意组合的连续补偿范围：可以从额定感性工况到额定容性工况连续输出无功，和固定电容器组合可构成任意范围的连续补偿； 动态响应速度快 10ms以内的快速输出无功特性，因而对快速的冲击负荷具有更好的补偿效果；而传统的SVC响应时间一般在40ms-60ms（太快可能引起电抗和电容器产生振荡）。 优异的谐波输出特性 既可以输出近似正弦波的无功电流（不含谐波，用于电网补偿），也可以输出设定次数的谐波
15、电流（APF），即输出电流是完全有源可控的，完全满足用户的需要；而SVC产生大量不可控的谐波电流，又附带大量不可控的无源滤波支路来实现自身产生的谐波电流的滤波。,第42页,链式SVG的优点,占地面积小 以半导体功率器件构成的逆变器为核心，使用直流电容器储能，无SVC中体积庞大的滤波支路和电抗器，安装尺寸一般只有SVC的1/5-1/3，特别适合于对占地面积要求较高的场合。可做成移动式装置。 高效率 采用新型低损耗IGBT功率器件，直接输出电压范围1kV35kV,省去了连接变压器，装置效率可达99以上；而由于损耗曲线特性优于SVC（SVC空载时损耗达到最大），的等效运行损耗一般只有SVC的1/3-
16、1/2，等效运行耗电量大大低于SVC。,第43页,链式SVG的优点,超强补偿能力 输出电流不依赖于系统电压，表现为恒流源特性，在系统电压跌落到20时仍可以输出额定无功电流，具有更宽的运行范围；而SVC输出电流与系统电压成正比下降，使得达到同等补偿效果SVC+容量可以比SVC容量小2030。 通过对固定电容器组的综合控制，可以更好的满足系统和负荷的补偿范围要求。,高可靠性 采用N+1或N+2冗余主电路拓扑结构，一个（或两个）链节单元损坏后仍可继续满负荷运行；SVC使用了大量电容器电抗器，当外部系统容量与补偿装置的容量可比时，SVC会产生不稳定性而发生振荡，而SVG对外部系统运行条件和结构变化不敏感。链式SVG还避免了功率器件的直接串联,第44页,英国75Mvar SVG（1999）,STATCOM 75Mvar,Harmonic Filter 23Mvar,T
