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        智能電網(wǎng)環(huán)境下典型行業(yè)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理綜述

        2012-06-01 06:58:40廣東省輸變電工程公司沈志偉
        電子世界 2012年21期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)電場(chǎng)諧波電動(dòng)汽車

        廣東省輸變電工程公司 沈志偉

        智能電網(wǎng)環(huán)境下典型行業(yè)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理綜述

        廣東省輸變電工程公司 沈志偉

        電壓和諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。隨著智能電網(wǎng)的逐步深入,電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波問(wèn)題面臨更大挑戰(zhàn)。本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、軌道交通3個(gè)行業(yè)領(lǐng)域,著重對(duì)負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析3個(gè)內(nèi)容進(jìn)行了綜述和 討論。分析結(jié)果表明,SVG型無(wú)功補(bǔ)償裝置和APF型諧波治理裝置在綜合性能和經(jīng)濟(jì)性上的平衡優(yōu)勢(shì),是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件。

        智能電網(wǎng);動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償;諧波治理

        1.引言

        電壓和諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電壓水平直接反映為無(wú)功的平衡程度。機(jī)械式投切電容器和電抗器為代表的第一代靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置以及同步調(diào)相機(jī)為代表的第一代動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便的優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用。由于機(jī)械開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度(10-30s)無(wú)法跟蹤負(fù)荷無(wú)功電流的快速變化,且易引起沖擊涌流和操作過(guò)電壓,70年代晶閘管等電力電子器件取代機(jī)械開(kāi)關(guān),誕生了第二代無(wú)功補(bǔ)償裝置,代表設(shè)備有晶閘管投切電容器TSC、晶閘管控制電抗器TCR和磁控電抗器MCR。第二代裝置在調(diào)節(jié)響應(yīng)速度上大大提升,但仍屬于阻抗型裝置,補(bǔ)償性能受制于系統(tǒng)參數(shù),且TCR/MCR本身就是諧波源,易產(chǎn)生諧波振蕩放大等嚴(yán)重問(wèn)題。70年代末,通過(guò)大功率電力電子器件高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量變換的第三代無(wú)功補(bǔ)償裝置—自換相技術(shù)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(Static Var Generator,SVG)誕生,實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償功能的飛躍。

        智能電網(wǎng)(Smart Grids)是應(yīng)用智能傳感和測(cè)量技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制方法及決策支持系統(tǒng)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全為目標(biāo)的電網(wǎng)智能化,其主要特征包括自愈、激勵(lì)用戶、抵御災(zāi)害、滿足用戶高電能質(zhì)量需求、容許各種不同發(fā)電形式的接入、資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行等。無(wú)功補(bǔ)償和諧波問(wèn)題在智能電網(wǎng)環(huán)境下面臨了新挑戰(zhàn):1)電力電子器件和智能組件大量應(yīng)用,使得無(wú)功補(bǔ)償和諧波問(wèn)題更加復(fù)雜;2)電力負(fù)荷對(duì)電壓和諧波指標(biāo)提出了更高要求;3)智能電網(wǎng)特性要求無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理設(shè)備更智能、更快速響應(yīng)、更高效。因此,研究智能電網(wǎng)環(huán)境下典型行業(yè)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

        本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車和軌道交通3個(gè)行業(yè)領(lǐng)域,對(duì)其發(fā)電或負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析3個(gè)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)討論。分析結(jié)果表明,SVG型無(wú)功補(bǔ)償裝置和APF型諧波裝置在綜合性能和經(jīng)濟(jì)性上的平衡優(yōu)勢(shì),是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件。

        表1 可供風(fēng)電場(chǎng)選擇的無(wú)功補(bǔ)償方式經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

        表2 電動(dòng)汽車諧波防治方式經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

        2.風(fēng)力發(fā)電

        2.1 發(fā)電特征

        風(fēng)速、風(fēng)向的不確定性以及風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性(風(fēng)電機(jī)組類型復(fù)雜多樣,其中感應(yīng)異步電機(jī)型風(fēng)電機(jī)組數(shù)量眾多),使得風(fēng)電機(jī)組輸出功率是隨機(jī)波動(dòng)的,導(dǎo)致并網(wǎng)功率因數(shù)不合格、電壓波動(dòng)和穩(wěn)定性差等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓暫降。輔助組件大量采用電力電子器件,產(chǎn)生大量諧波電流。

        2.2 智能電網(wǎng)環(huán)境下的需求分析

        風(fēng)力發(fā)電是世界各國(guó)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。智能電網(wǎng)環(huán)境將極大促進(jìn)各類型、各規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)快速發(fā)展(發(fā)電容量比重超過(guò)10%),因此目前風(fēng)力發(fā)電的低效、脆弱和低可靠性問(wèn)題必須得以解決,使得:

        1)滿足風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求,補(bǔ)償傳輸線路、升壓變壓器和風(fēng)電機(jī)組無(wú)功損耗,保持功率因數(shù)在0.95以上;

        2)減少系統(tǒng)電壓的波動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)的影響,減少切機(jī)次數(shù);

        3)使風(fēng)電場(chǎng)具有較好的低電壓穿越能力;

        4)配套裝置成熟高效、維護(hù)簡(jiǎn)單、 成本適中。

        2.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

        可供風(fēng)電場(chǎng)選擇的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有以下幾類:①分組電容器;②串聯(lián)電抗器;③TCR型或MCR型可調(diào)式電容器組(SVC);④SVG;⑤SVG+FC(補(bǔ)償電容器組)5種類型。此5種類型無(wú)功補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 對(duì)比如表1所示。在目前工程實(shí)際中,通常取方案②或取經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)折中的方案⑤,進(jìn)而根據(jù)需要合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償裝置容量:

        1)對(duì)于接入節(jié)點(diǎn)為電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的風(fēng)電場(chǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng),須以潮流計(jì)算為依據(jù),并充分考慮系統(tǒng)現(xiàn)有補(bǔ)償能力和風(fēng)機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)能力,以確定無(wú)功補(bǔ)償容量,目前我國(guó)西北風(fēng)電基地常用的補(bǔ)償方案為SVC+FC,SVC單獨(dú)運(yùn)行。

        2)對(duì)于中小型風(fēng)電場(chǎng),考慮到其對(duì)電網(wǎng)影響相對(duì)較小,可按以下原則設(shè)計(jì):對(duì)于恒速恒頻風(fēng)電機(jī),補(bǔ)償容量可按風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的50%-60%設(shè)計(jì);對(duì)于變速恒頻風(fēng)電機(jī),補(bǔ)償容量可按風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的30%-40%設(shè)計(jì);對(duì)于直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī),補(bǔ)償容量可按風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的20%-30%設(shè)計(jì);補(bǔ)償方案通常選較經(jīng)濟(jì)的MCR型SVC。

        3.電動(dòng)汽車

        3.1 負(fù)荷特征

        主要負(fù)荷為電動(dòng)汽車充電機(jī)和充電站系統(tǒng)。其負(fù)荷特征主要有:

        1)電動(dòng)汽車充電機(jī)和充電站系統(tǒng)為非線性負(fù)載,充電過(guò)程中將給電網(wǎng)注入較大諧波電流,諧波次數(shù)主要為6 1k±次,k=1,2,3,…,即5次、7次、11次、13次等奇次諧波,次數(shù)越高,諧波幅值越小。

        2)諧波與基波關(guān)系不固定,負(fù)載越輕,則諧波越大,基波越??;濾波電感越大,則諧波越小,基波越大。

        3)大規(guī)模保有量的電動(dòng)汽車實(shí)際充電行為是隨機(jī)的,導(dǎo)致電力系統(tǒng)多個(gè)變電站負(fù)載率隨機(jī)波動(dòng),常規(guī)無(wú)功補(bǔ)償難以應(yīng)對(duì)。

        3.2 智能電網(wǎng)環(huán)境下的需求分析

        目前常用電動(dòng)汽車充電設(shè)備主要有以下兩類:

        1)不控整流設(shè)備+DC/DC變換器。優(yōu)點(diǎn)是體積小、直流側(cè)電壓紋波小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、高頻隔離,缺點(diǎn)是變換效率低、電網(wǎng)側(cè)電流總畸變率大(在30%左右),5次、7次、11次和13次等奇次諧波超出國(guó)標(biāo)要求。

        2)PWM整流設(shè)備+DC/DC變換器。優(yōu)點(diǎn)是體積小、輸出紋波低、動(dòng)態(tài)性能好、功率因數(shù)高、變換效率高、電網(wǎng)側(cè)電流總畸變率低,不需要配置的諧波治理裝置,但由于目前價(jià)格昂貴,應(yīng)用較少。

        電動(dòng)汽車是世界各國(guó)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)相互影響、共同推動(dòng)。智能電網(wǎng)環(huán)境極大促進(jìn)電動(dòng)汽車以及各規(guī)模充電機(jī)(站)快速發(fā)展(我國(guó)規(guī)劃目標(biāo)是2020年電動(dòng)汽車保有量達(dá)到500萬(wàn)輛以上);電動(dòng)汽車充放電特性可有效平抑電網(wǎng)負(fù)荷峰谷波動(dòng)、接納間歇性能源以及提高電網(wǎng)利用效率。因此目前電動(dòng)汽車充電的低效、低可靠性、對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響大、造價(jià)昂貴等問(wèn)題必須得以解決。

        3.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

        可供電動(dòng)汽車充電機(jī)(站)選擇的諧波防治裝置主要有以下幾類:①無(wú)源濾波器;②有源濾波器(APF);③無(wú)源+有源混合性濾波器3種類型。此3種類型諧波防治裝置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析對(duì)比如表2所示。

        在目前工程實(shí)際中,基于經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能的綜合考慮,通常取方案②或取經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)折中的方案③,進(jìn)而根據(jù)需要合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償裝置容量,其容量設(shè)計(jì)公式為:

        式中:K為可靠系數(shù),取1.05-1.20;η為充電機(jī)充電效率;ξ為充電機(jī)在交流電源輸入端產(chǎn)生的諧波電流含有率;S充為單臺(tái)充電機(jī)功率。

        對(duì)于充電容量較大的充電站,還需考慮電力系統(tǒng)周邊電容性補(bǔ)償容量引發(fā)5次、7次諧振的可能,在規(guī)劃工作中需做進(jìn)一步做測(cè)試分析,必要時(shí)需考慮對(duì)電容性補(bǔ)償容量進(jìn)行改造(改為4.5%或6%電抗率)。

        4.軌道交通

        4.1 負(fù)荷特征

        主要負(fù)荷為軌道交通的牽引和輔助供電系統(tǒng)。其負(fù)荷特征主要有:

        1)行車頻率的不連續(xù)性引起牽引負(fù)載率變化大,主變無(wú)功損耗和負(fù)荷電流變化大,因此,主變所需補(bǔ)償容量變化范圍大,需采用可靠的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

        2)在負(fù)載率較輕時(shí)(行車間隙),無(wú)功功率過(guò)剩,功率因數(shù)低;在負(fù)載率較重時(shí)(行車期),無(wú)功功率不足,功率因數(shù)同樣低。

        3)列車在行車過(guò)程中加速、制動(dòng)、乘客人數(shù)、坡度、操作等因素亦使得牽引負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)。

        4)軌道交通普遍存在多條線路由同一變電站供電的現(xiàn)象,受各條線路規(guī)劃先后影響,供電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和供電線路長(zhǎng)度逐年增長(zhǎng),供電網(wǎng)絡(luò)充電功率變化導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償需求變化。

        5)城市軌道交通供電系統(tǒng)通常采用環(huán)網(wǎng)方式,且運(yùn)行方式復(fù)雜,對(duì)無(wú)功補(bǔ)償要求高。

        4.2 智能電網(wǎng)環(huán)境下的需求分析

        軌道交通是電動(dòng)汽車在有軌公共交通領(lǐng)域的延伸,在歐洲、美國(guó)和我國(guó)有著重要戰(zhàn)略地位。近年來(lái),我國(guó)城市軌道交通迅猛發(fā)展,截止2012年,城市軌道線路五十余條,運(yùn)營(yíng)里程約1600公里,預(yù)計(jì)到2015年全國(guó)22個(gè)城市擁有79條城市軌道線路,運(yùn)營(yíng)里程2259.84公里。因此軌道交通的高速發(fā)展、高速大牽引力機(jī)車對(duì)電網(wǎng)的影響、合理控制造價(jià)等問(wèn)題必須得以解決,使得:

        1)經(jīng)濟(jì)且合理地補(bǔ)償軌道交通的牽引和輔助供電系統(tǒng)的無(wú)功需求;

        2)不對(duì)接入的城市電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染;

        3)運(yùn)行損耗小,節(jié)能降耗效果顯著;

        4)占地、電磁干擾等滿足城市設(shè)施建設(shè)指標(biāo)。

        4.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

        可供軌道交通選擇的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有以下幾類:①分組電容器;②TCR型或MCR型SVC;③SVG;④SVG+FC;⑤有源電力濾波器(APF)5種類型,類型①-④的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析詳見(jiàn)表1-1,類型⑤是一種特殊的SVG,經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能可參考③。

        在目前城市軌道交通工程實(shí)際中,由于SVG占地面積小、布置和擴(kuò)展靈活、無(wú)需配套加裝濾波設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),使得采用SVG設(shè)備的方案在施工建設(shè)總投資費(fèi)用上要優(yōu)于采用SVC設(shè)備方案。

        此外,SVG具有不產(chǎn)生諧波;運(yùn)行損耗??;運(yùn)行噪聲低;電磁干擾?。痪哂锌焖匐妷褐文芰?,可以充分提高牽引供電能力、提高牽引變壓器等設(shè)備的利用率等突出優(yōu)點(diǎn),因此,不同于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域補(bǔ)償方案選擇的多樣化,采用SVG設(shè)備的方案是城市軌道交通領(lǐng)域的最優(yōu)選擇。

        5.結(jié)論

        本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、軌道交通3個(gè)行業(yè)領(lǐng)域,對(duì)其發(fā)電或負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析3個(gè)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)討論。分析結(jié)果表明,非線性、隨機(jī)型負(fù)荷大量涌現(xiàn)是智能電網(wǎng)重要特征,現(xiàn)有傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置和諧波治理裝置難以應(yīng)對(duì),SVG型無(wú)功補(bǔ)償裝置和APF型諧波治理裝置在響應(yīng)速度、可靠性等綜合性能以及土地和空間占用、損耗、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)上的具有更好的平衡優(yōu)勢(shì),可作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵組件。

        本文目前僅就典型行業(yè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理中的負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析等問(wèn)題進(jìn)行了綜述。事實(shí)上,在行業(yè)規(guī)模(如不同規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的差異、電動(dòng)汽車充電站規(guī)模差異)、設(shè)計(jì)差異(如周邊電容性補(bǔ)償容量對(duì)電動(dòng)汽車充電站諧波治理裝置容量設(shè)計(jì)的影響、城市空間對(duì)軌道交通補(bǔ)償設(shè)備土地和空間的限制)、需求差異(如電動(dòng)汽車分散式充電樁和集中式充電站)等問(wèn)題上,動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作存在差別,其研究對(duì)于工程實(shí)際具有重大價(jià)值,本文因篇幅問(wèn)題留作后續(xù)詳細(xì)討論分析。

        [1]鄢家財(cái).靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)的研究及應(yīng)用[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

        [2]百度百科.有源電力濾波 器[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/605245.htm.

        [3]百度百科.智能電網(wǎng)[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/2222513.htm.

        [4]石新春,楊京燕,王毅.電力電子技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

        [5]羅斌,綦光澤.大型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題及解決方案[J].電力設(shè)備,2008,9(10):19-23.

        [6]石巍,張彥昌,張超.風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)與補(bǔ)償方式研究[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2011(3):76-80.

        沈志偉(1983—),男,廣東興寧人,電氣工程碩士,工程師,現(xiàn)供職于廣東省輸變電工程公司,主要從事電力設(shè)計(jì)方面工作。

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