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)的動態(tài)無功補償與諧波治理綜述
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)無功補償和諧波問題面臨更大挑戰(zhàn)。本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、軌道交通3個行業(yè)領(lǐng)域,著重對負荷特征、需求分析、經(jīng)濟技術(shù)分析3個內(nèi)容進行了綜述和 討論。分析結(jié)果表明,SVG型無功補償裝置和APF型諧波治理裝置在綜合性能和經(jīng)濟性上的平衡優(yōu)勢,是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件。
智能電網(wǎng);動態(tài)無功補償;諧波治理
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功的平衡程度。機械式投切電容器和電抗器為代表的第一代靜態(tài)無功補償裝置以及同步調(diào)相機為代表的第一代動態(tài)無功補償裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟方便的優(yōu)點,在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用。由于機械開關(guān)響應(yīng)速度(10-30s)無法跟蹤負荷無功電流的快速變化,且易引起沖擊涌流和操作過電壓,70年代晶閘管等電力電子器件取代機械開關(guān),誕生了第二代無功補償裝置,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)重問題。70年代末,通過大功率電力電子器件高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量變換的第三代無功補償裝置—自換相技術(shù)靜止無功補償裝置(Static Var Generator,SVG)誕生,實現(xiàn)了無功補償功能的飛躍。
智能電網(wǎng)(Smart Grids)是應(yīng)用智能傳感和測量技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制方法及決策支持系統(tǒng)技術(shù),以實現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟、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)化高效運行等。無功補償和諧波問題在智能電網(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,使得無功補償和諧波問題更加復(fù)雜;2)電力負荷對電壓和諧波指標(biāo)提出了更高要求;3)智能電網(wǎng)特性要求無功補償和諧波治理設(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)的動態(tài)無功補償與諧波治理具有重要現(xiàn)實意義。
本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動汽車和軌道交通3個行業(yè)領(lǐng)域,對其發(fā)電或負荷特征、需求分析、經(jīng)濟技術(shù)分析3個內(nèi)容進行了詳細討論。分析結(jié)果表明,SVG型無功補償裝置和APF型諧波裝置在綜合性能和經(jīng)濟性上的平衡優(yōu)勢,是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件。
表1 可供風(fēng)電場選擇的無功補償方式經(jīng)濟技術(shù)分析
表2 電動汽車諧波防治方式經(jīng)濟技術(shù)分析
風(fēng)速、風(fēng)向的不確定性以及風(fēng)電機組的運行特性(風(fēng)電機組類型復(fù)雜多樣,其中感應(yīng)異步電機型風(fēng)電機組數(shù)量眾多),使得風(fēng)電機組輸出功率是隨機波動的,導(dǎo)致并網(wǎng)功率因數(shù)不合格、電壓波動和穩(wěn)定性差等問題,嚴(yán)重時可導(dǎo)致節(jié)點電壓暫降。輔助組件大量采用電力電子器件,產(chǎn)生大量諧波電流。
風(fēng)力發(fā)電是世界各國智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。智能電網(wǎng)環(huán)境將極大促進各類型、各規(guī)模風(fēng)電場快速發(fā)展(發(fā)電容量比重超過10%),因此目前風(fēng)力發(fā)電的低效、脆弱和低可靠性問題必須得以解決,使得:
1)滿足風(fēng)電場接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求,補償傳輸線路、升壓變壓器和風(fēng)電機組無功損耗,保持功率因數(shù)在0.95以上;
2)減少系統(tǒng)電壓的波動對風(fēng)機的影響,減少切機次數(shù);
3)使風(fēng)電場具有較好的低電壓穿越能力;
4)配套裝置成熟高效、維護簡單、 成本適中。
可供風(fēng)電場選擇的無功補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(補償電容器組)5種類型。此5種類型無功補償裝置的經(jīng)濟技術(shù)分析 對比如表1所示。在目前工程實際中,通常取方案②或取經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)折中的方案⑤,進而根據(jù)需要合理設(shè)計補償裝置容量:
1)對于接入節(jié)點為電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點的風(fēng)電場或大型風(fēng)電場,須以潮流計算為依據(jù),并充分考慮系統(tǒng)現(xiàn)有補償能力和風(fēng)機無功調(diào)節(jié)能力,以確定無功補償容量,目前我國西北風(fēng)電基地常用的補償方案為SVC+FC,SVC單獨運行。
2)對于中小型風(fēng)電場,考慮到其對電網(wǎng)影響相對較小,可按以下原則設(shè)計:對于恒速恒頻風(fēng)電機,補償容量可按風(fēng)電場裝機容量的50%-60%設(shè)計;對于變速恒頻風(fēng)電機,補償容量可按風(fēng)電場裝機容量的30%-40%設(shè)計;對于直驅(qū)同步風(fēng)電機,補償容量可按風(fēng)電場裝機容量的20%-30%設(shè)計;補償方案通常選較經(jīng)濟的MCR型SVC。
主要負荷為電動汽車充電機和充電站系統(tǒng)。其負荷特征主要有:
1)電動汽車充電機和充電站系統(tǒng)為非線性負載,充電過程中將給電網(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)模保有量的電動汽車實際充電行為是隨機的,導(dǎo)致電力系統(tǒng)多個變電站負載率隨機波動,常規(guī)無功補償難以應(yīng)對。
目前常用電動汽車充電設(shè)備主要有以下兩類:
1)不控整流設(shè)備+DC/DC變換器。優(yōu)點是體積小、直流側(cè)電壓紋波小、動態(tài)響應(yīng)快、高頻隔離,缺點是變換效率低、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標(biāo)要求。
2)PWM整流設(shè)備+DC/DC變換器。優(yōu)點是體積小、輸出紋波低、動態(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,但由于目前價格昂貴,應(yīng)用較少。
電動汽車是世界各國智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。電動汽車與智能電網(wǎng)相互影響、共同推動。智能電網(wǎng)環(huán)境極大促進電動汽車以及各規(guī)模充電機(站)快速發(fā)展(我國規(guī)劃目標(biāo)是2020年電動汽車保有量達到500萬輛以上);電動汽車充放電特性可有效平抑電網(wǎng)負荷峰谷波動、接納間歇性能源以及提高電網(wǎng)利用效率。因此目前電動汽車充電的低效、低可靠性、對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響大、造價昂貴等問題必須得以解決。
可供電動汽車充電機(站)選擇的諧波防治裝置主要有以下幾類:①無源濾波器;②有源濾波器(APF);③無源+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)濟技術(shù)分析對比如表2所示。
在目前工程實際中,基于經(jīng)濟技術(shù)性能的綜合考慮,通常取方案②或取經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)折中的方案③,進而根據(jù)需要合理設(shè)計補償裝置容量,其容量設(shè)計公式為:
式中:K為可靠系數(shù),取1.05-1.20;η為充電機充電效率;ξ為充電機在交流電源輸入端產(chǎn)生的諧波電流含有率;S充為單臺充電機功率。
對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)劃工作中需做進一步做測試分析,必要時需考慮對電容性補償容量進行改造(改為4.5%或6%電抗率)。
主要負荷為軌道交通的牽引和輔助供電系統(tǒng)。其負荷特征主要有:
1)行車頻率的不連續(xù)性引起牽引負載率變化大,主變無功損耗和負荷電流變化大,因此,主變所需補償容量變化范圍大,需采用可靠的動態(tài)無功補償裝置。
2)在負載率較輕時(行車間隙),無功功率過剩,功率因數(shù)低;在負載率較重時(行車期),無功功率不足,功率因數(shù)同樣低。
3)列車在行車過程中加速、制動、乘客人數(shù)、坡度、操作等因素亦使得牽引負荷隨機波動。
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)模和供電線路長度逐年增長,供電網(wǎng)絡(luò)充電功率變化導(dǎo)致無功補償需求變化。
5)城市軌道交通供電系統(tǒng)通常采用環(huán)網(wǎng)方式,且運行方式復(fù)雜,對無功補償要求高。
軌道交通是電動汽車在有軌公共交通領(lǐng)域的延伸,在歐洲、美國和我國有著重要戰(zhàn)略地位。近年來,我國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,運營里程約1600公里,預(yù)計到2015年全國22個城市擁有79條城市軌道線路,運營里程2259.84公里。因此軌道交通的高速發(fā)展、高速大牽引力機車對電網(wǎng)的影響、合理控制造價等問題必須得以解決,使得:
1)經(jīng)濟且合理地補償軌道交通的牽引和輔助供電系統(tǒng)的無功需求;
2)不對接入的城市電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染;
3)運行損耗小,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)。
可供軌道交通選擇的無功補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)濟技術(shù)分析詳見表1-1,類型⑤是一種特殊的SVG,經(jīng)濟技術(shù)性能可參考③。
在目前城市軌道交通工程實際中,由于SVG占地面積小、布置和擴展靈活、無需配套加裝濾波設(shè)備的優(yōu)點,使得采用SVG設(shè)備的方案在施工建設(shè)總投資費用上要優(yōu)于采用SVC設(shè)備方案。
此外,SVG具有不產(chǎn)生諧波;運行損耗??;運行噪聲低;電磁干擾??;具有快速電壓支撐能力,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,因此,不同于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域補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。
本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、軌道交通3個行業(yè)領(lǐng)域,對其發(fā)電或負荷特征、需求分析、經(jīng)濟技術(shù)分析3個內(nèi)容進行了詳細討論。分析結(jié)果表明,非線性、隨機型負荷大量涌現(xiàn)是智能電網(wǎng)重要特征,現(xiàn)有傳統(tǒng)無功補償裝置和諧波治理裝置難以應(yīng)對,SVG型無功補償裝置和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、運行維護費用等經(jīng)濟性指標(biāo)上的具有更好的平衡優(yōu)勢,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)動態(tài)無功補償和諧波治理中的負荷特征、需求分析、經(jīng)濟技術(shù)分析等問題進行了綜述。事實上,在行業(yè)規(guī)模(如不同規(guī)模風(fēng)電場的差異、電動汽車充電站規(guī)模差異)、設(shè)計差異(如周邊電容性補償容量對電動汽車充電站諧波治理裝置容量設(shè)計的影響、城市空間對軌道交通補償設(shè)備土地和空間的限制)、需求差異(如電動汽車分散式充電樁和集中式充電站)等問題上,動態(tài)無功補償和諧波治理的規(guī)劃設(shè)計工作存在差別,其研究對于工程實際具有重大價值,本文因篇幅問題留作后續(xù)詳細討論分析。
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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)計方面工作。