1、改善电能质量的新设施改善电能质量的新设施 来源：陈警众发布时间：2010-11-09分类：杂志期刊 关键词：近年来，改善电能质量的新设施已开发出很多，各有其用途，有时也需几种新设施联合应用。但共同的问题是还未能大批量生产和应用，价格昂贵。1 固态断路器（SSCB）固态断路器的主要功能是可在少于0.5周波内将电源侧故障馈线快速断开，但可通过涌流和故障电流几个周波（此即负荷侧的下游故障），且能对下游故障电流进行限流。SSCB的原理图见图1。图1 SSCB的原理图（SNBR-同期开关）图1表明SSCB由可控硅整流器（silicon controlled rectifier SCR）元件和可关断晶闸管
2、（Gate Turn Off GTO）元件以及限流电抗器和ZnO避雷器等组成。SSCB的容量取决于所用的SCR及GTO的额定容量和运行特性。GTO可在控制侧施加压力一个关断脉冲后立即断开电流，因此可在小于0.5周波内完成断路动作。SCR则需在交流的第一次过零时断开回路，因此动作时间必定大于0.5周波，但可能小于一个周波。GTO价格比较昂贵，因此用于清除下游故障的非常大的冲击电流是不经济的。最合理经济的办法是采用GTO快速清除上游故障（电源侧故障）而结合采用SCR加限流器来通过已限流的足以保护下游装置安全的下游故障电流（负荷侧故障）。因此，SSCB由两个并联回路组成，一个回路是GTO组成的固态开
3、关，另一个回路是SCR串接限流电抗器（或电阻器）组成的固态开关（见图1）。GTO开关是用于瞬时清除故障由主断路器，其额定值是最大正常线路电流而不是故障电流。GTO开关是常闭的并能无阻碍地通过电流，待电流值达到预定水平就迅速断开电流。这种性能有些类似限流熔断器，其“允许通过”电流是预先设定的GTO最大通过电流。并联的SCR开关侧用以通过故障电流。图2 SSCB配置接线图GTO开关中的GTO元件是组装在反向并联（背对背并联）的空气冷却模件中。要得到能用于配电系统中SSCB所需的电压和容量，就要将模件串并联，成为SSCB的各相组件。SSCB在配电系统中的配置是和和的机械断路器配合使用的，以节约投资，
4、其接线示意图见图2。馈线A和馈线B分别经过变压器同电源侧高压线连接，并分别供给两个负荷。馈线A供只能断电少于1个周波的要求严格的电力负荷（CL），采用SSCB1。馈线B供常规机械负荷，采用常规机械断路器。固态断路器SSCB2是常开的母联开关，因而馈线B的上游或下游故障对要求严格的电力负荷均CL均不发生扰动。如馈线A的上游（1）处发生故障。在一个周波内可断开SSCB1并合上SSCB2，要求严格的负荷就不会“感受”到断电，因而不受故障影响。但是，如故障发生在（2）处（SSCB1的下游），就无法保证负荷的供电。因此，这种配置并不能满足负荷CL的要求。为此，需要采取更为高级也更昂贵的配置，即SSCB1
5、和SSCB2的位置采用常规机械断路器，再增加SSCB3和并联的STATCOM（静止补偿器）。STATCOM具有高速控制能力（响应时间在10ms以内），能保证电压不变，可解决配电系统的正常电压波动，并使线路电压和电流中不存在谐波。当故障发生在SSCB3电源侧的任何地方（例如（2）处），SSCB3能极快地断开（在1个周波内），使负荷CL与故障隔离而免受扰动，同时STATCOM侧继续向负荷CL供电，其持续时间应足够适应常规机械断路器清除故障或将负荷CL转移到无故障的馈线上或备用电源上。即使在SSCB3断开的瞬间，STATCOM能使母线电压保持在对负荷CL无影响的水平上，因此负荷CL既“感受”不到断电
6、或故障扰动，也“感受”不到电压波动，完全达到负荷CL的要求。SSCB的用途固态断路器SSCB的用途很广泛（见图3）：a) 可用作带STATCOM的断路器以保证要求严格的负荷的可靠供电（如上述的说明）；b) 可以两台联动成为快速切换开关（以后将详细说明）；c) 可以和限流器并联使用；d) 可以用作大电动机的软起动器；e) 也可用作配电系统的母联开关。目前，SSCB的用途还在发展中。2 固态切换开关（SSTS）固态切换开关SSTS是用来替代常规机械断路器，以便将电力负荷快速地从一条馈线切换到另一条馈线上，当然也可切换到一个不间断电源系统上。SSTS是由两台SSCB组成的，其应用方式见图4。敏感负荷
7、由电力公司的辐射形线路供电。当配电网发生故障或扰动时，往往采用自动重合器来清除瞬时性故障。但这个重合动作的短暂断电已足以使用户设备脱扣而造成生产停顿。因此，要有另一条并联独立的且有足够容量的馈线。如自动重合器是在中压系统的，切换系统将立即将敏感负荷转移到第二个电源。在正常运行时，接到第一电源的开关是常闭的而接到第二电源的开关是常开的。如发生电力扰动，例如电压下跌，短路或断电发生在第一电源馈线上，负荷将可在几个毫秒内转移到第二电源。图4 固态切换开关解决瞬时、暂时、持续断电为了使切换开关能有效发挥作用，相关的配电系统必须满足下列要求：a) 两条馈线要来自不同的变电站；b) 后备馈线要有备用配电容
8、量；c) 变电站要有备用配电容量；d) 要有优质电能的可靠输送。图5 系统故障时从第一电源切换到第二电源的负荷侧电压曲线图5 为SSTS的负荷侧电压在切换前、切换中和切换后的变化曲线。可以清楚地看到切换过程只有10ms（图中的0.01s），故对负荷不会有影响。如负荷的敏感程度较低，例如，2530ms，则可用低价的机械切换开关（MTS）组合装置来替代SSTS。这种组合装置通常包含智能控制装置、现代化传感器、真空开关和最新开发的快速磁操动机构，安装在两个标准尺寸的中压间隔内，以便使电力系统能在无损耗和最小维护量状态下经济地进行切换动作。3 配电静止同步补偿器（DSTACOM）DSTATCOM是采用
9、脉宽调制（pulse-width modulation PWM）技术的与电力系统并联的电压源变换器。DSTATCOM能替代常规的电压和无功控制元件、有载分接开关、电压调整器和自动投切电容器。图6 DSTATCOM简化示意图图6是DSTATCOM的简化示意图，是由可关断晶闸管（GTO）或类似器件如绝缘栅双极晶体管（insulated Gate Bipolar Transistor IGBT）或MOS控制可控硅（MOS Controlled Thyristor MCT）连同由直流储能装置驱动的变流器及一台交流变压器组成。交流器通过变压器和母线并联。事实上，回路要复杂得多。DSTATCOM是一个交流
10、同期电压源。在系统正常供电时，DSTATCOM可作为无功电源或牌低耗备用状态。在发生电压波动时，DSTATCOM立即响应，向电力系统注入具有适当幅值和相角的电流使系统电压立即恢复正常例如电弧炉的非线性负荷会产生闪变，采用DSTATCOM后可使电压恢复正常。图7表明了DSTATCOM对闪变的作用。4 动态不间断电源（DUPS）DSTATCOM如和SSCB及一个储能装置（例如BESS）联用，SSCB安装在系统电源和敏感负荷之间，而DSTATXOM及BESS则和敏感负荷并联装置，这样的综合装置称为动态不间断电源（DUPS）。当发生断电时SSCB立即将敏感负荷和电力系统隔离，而DSTATCOM则从BE
11、SS将电能供给敏感负荷。发生断电到重新供应电力网的间隔时间极短，可使敏感负荷感受“不到曾瞬时断过电，因而成为名副其实的间断电源。图7 DSTATCOM对电弧炉闪变的抑制作用5 动态电压恢复器（DVR）DVR就像一台DSTATCOM，也有一台变压器，一个由SCR和GTO组合起来的变流器和一个储能装置，但变压器是串接在线路上向敏感负荷供电。补偿是双向的，既能提高已下跌的电压，也能降低已升高的电压，其响应时间极短，完全可使要求严格的负荷和敏感负荷“感受”不到电压波动。DVR的原理见图8和图9。图8 用DVR解决电压下跌DVR的关键部件包括：开关装置，升压变压器，电力滤波装置，2台组合门极换向可控硅（
12、Integrated Gate Xommutated Thyristor IGCT）电压源变流器，直流充电装置，控制和保护系统以及储能系统。图9 线路电压下跌时用DVR恢复正常电压电力系统正常供电时，DVR处于低耗备用状态，升压变压器的变流器侧是短路的。IGCT则可减少DVR损耗。当电源侧电压质量明显不符合要求时，DVR通过串接的注入变压器向馈线各相分别注入三个单相交流电压，以补偿故障后和故障前的电压差，而注入的每相电压可独立控制其幅值和相角，从而“恢复”负荷侧的电压质量。由于注入电压的幅值和相角都是可控的，DVR和配电系统之间交换的有功和无功功率都可控制在预先设定的正限（供应功率）和负限（吸
13、收功率）的范围内。DVR和配电系统之间交换的无功功率是在DVR内部发生的，不需要任何交流无功装置如电抗器或电容器等。在DVR交流侧所交换的有功功率则必须在DVR直流侧配备外部电源或储能装置。在系统电源电压下跌时，DVR向敏感负荷供应部分功率，在系统电源电压恢复正常时，储能装置则用DVR从配电系统再充电储能。即使在没有存储能源的情况下，DVR也能补偿由于负荷变动而引起的电压变动。这是因为DVR能注入一个对负荷电流成90的滞后电压的办法来限制故障电流，从而增加了馈线的有效故障阻抗。决定DVR成本的是补偿电压的最大值和负荷电流值。根据美国电力研究院（EPRI）对24家电力公司的79条馈线上的222个
14、供电点的统计结果，由系统扰动引起的电压波动幅度大多数小于正常值的40%，且持续时间小于10个周波。从统计中可以看到，在最大补偿值为正常电压的30%时（即DVR的额定容量是负荷功率的30%），大约可消除95%以上的扰动事件。图10为所有三相都进行15%电压下跌补偿的实测，从而验证了DVR的设计和性能是好的。第一组曲线表明馈入的供电电压。第二组的曲线表明电源和负荷的电压。第三组曲线表明负荷电流而最后一组为直流联结（DC-link）电压。快速而准确的响应可确保DVR的动作超过预料，使其成为一个经济上值得采用的装置。6 功率因数控制器（PFC）用于校正工厂功率因数的无功功率补偿是使用户获得生产过程效率
15、和避免不良功率因数罚款的必要条件。迄今的常规装置是按无功功率要求进行投切的并联电容器。这种投切操作会对电力系统导致快速操作突波而千万用户的工序中断（或数据损失）和设备损坏（例如电路板）特别是会影响目前常用的电子设备的寿命。所以，常规功率因数校正设备虽提供了功率因数的解决办法但又对用户形成一个电能质量干扰源。图10 三相15%电压下跌补偿的实测近年开发的功率因数控制器（PEC）（见图11）可重点解决常规设备的这种缺陷并提供了一个革新的综合解决办法。PFC系统一般包括一个或几个开关操作的电容器组以及安装在中压开关柜内的智能控制装置（参阅SSTS节关于MTS的说明）。采用磁性操动机构的断路器能进行可
16、明显减少一切操作突波的受控同步切换操作。此外，通过采用实测功率因数、目标功率因数和电容器状态信息的方法，控制装置能判断出要使实际的功率因数尽可能接近目标功率因数而需要投切的电容器组容量，从而提供了一个比常规设施更精密的功率因数补偿。图11 具有磁性真空开关和15Mvar电容器组的PFC7 超导磁场储能系统（SMES）超导现象是20世纪的重要发现并已逐渐为人们认识和利用。在温度和磁场都小于一定数值的条件下，导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的性质称为超导性。1911年荷兰物理学家HKOnnes首先发现汞（Hg）在液氦温度（42K）下失去电阻的现象并取名为超导性。物体从正常过渡到超导态的温
17、度称为临界温度（Tc）。1933年，W.Meissner和R.Ochsenfeld又共同发现金属处于超导态时体内磁感应强度为零，即能把原来在其体内的磁场“排除”出去，这个现象称为迈斯纳效应（Meissner effect）。当磁场达到一定强度时，超导性就将破坏，这个磁场限值称为临界磁场值。同样，当温度超过Tc时，超导性也将遭到破坏。但是当温度再冷却到Te以下时，经过短暂时段又可恢复其原有超导性。这种可逆性是十分有用的，例如超导故障限流器就充分利用了这种可逆性，不需复置，不需更换零部件。早期超导材料都是用液氦冷却的低温超导材料，成本昂贵，应用范围受到相当大的限制，较多采用的是铌钛（NBTi）合金
18、或Tc为18K左右的铌锡（Nb3Sn）合金。这些都称为低温超导材料。以后，陆结发现了铋系和铊系超导材料，提高了临界温度。1986年底，发现钇、钡、铜的氧化物（简称YBCO，其中Y为钇，B为钡Ba，C为铜Cu，O为氧化物）的临界温度可达90K左右，在液氦（77K）中呈现超导性，这引起全世界的注意，并称之为高温超导材料。从而为21世纪扩大应用超导技术提供了极为有利的条件。目前，世界各国对超导技术在电力工业上的应用一燕尾服了多方面的研究，主要的有超导发电机、超导电动机、超导电力变压器、超导电力电缆、超导故障限流器和超导磁场储能系统（Superconducting Magnetic Energy St
19、orage SMES），都取得了相当进展。其中超导磁场储能系统SMES对解决电能质量问题有很重要的作用。超导磁场储能系统SMES的原理是简单的。该系统将电网交流电源转换成直流后流入利用超导材料制成的线圈中，并以其所产生的磁能形式储存起来。在需要时再将储存的磁能转变为电能送回电网或作他用。超导线圈无电阻，不发生损耗，所储存的是电磁能，不需经过其他形式的能量转换，且可长期无损耗储存。SMES的运行能耗仅为保持超导材料的冷却和少许辅助机械之用，因此其返回效率（round-trip efficiency）极高，可达90%95%。超导磁能系统通过大功率电力电子设备和电网连接，响应速度极快，能适应高电能质
20、量的要求。SMES一般由4个部分组成，它包括超导线圈和对电网连接的电力调节系统（power conditioning system PCS）两个主要部分以及冷却系统和控制管理系统两个辅助部分。线圈是用超导线材料螺旋盘绕成的筒形线圈，并将此筒形的线圈制成环状，为了增加SMES的容量（能量或功率或两者兼有），可采用多根并行超导线并绕，其绕制方式示意于图12。这种方式可满足大电流的需要而使何种最小，同时可确保体内磁场强度不超过临界磁场值，从而保证其超导性，这些线圈匝均由玻璃纤维加强的塑料结构来支承，足以承受电磁动力，同时还用作电气绝缘。线圈结构还装有惰性吸热物质，用作万一发生超导性能流失（如冷却系统
21、故障使线圈突然升温或线圈故障造成超过临界磁场值等）时紧急排热以保护线圈。超导线圈需安置在真空容器内，以最大限度减少外界室温对线圈的热干扰。线圈对外连接的引出接头是个复杂问题，它担负着冷却剂（液He或液N2）温度到室温的转变和过渡，热梯度很大，必须要开发出新颖装置。目前已研制出一种称为“可变电流雾状冷却接头”variable current vapor cooled leads VCVCL)，比过去使用的“雾状冷却接头”（vapor cooled leads VCL）提高了效率，大幅度降低了运行成本。图12 SMES线圈绕制方式示意图电力调节系统PCS是SMES与公用电力网或专用用户的接口。PC
22、S将输入的交流电变换成直流电送给SMES储存起来，再根据需要将直流电逆变为交流电送给电力网或用户。PCS装置是由可控硅整流器（SCR）和可关断晶闸管（GTO）混合配置的换流器，其简化示意图见图1。冷却系统及控制管理系统等辅助部分均属常规装置，不再详述。上述四个部分构成SMES的完事系统以并联方式与公用电力网连接，见图13。图13 SMES连接电力网的原理接线图SMES可分为大型、中型和小型三类，这不仅是容量上差别，主要是作用各有不同。大型SMES的储能功能主要用作电力网的可调发电电源，对电力网进行控制和调节。如频率控制、增加旋转备用容量、动态快速响应和削峰填谷调平负荷以及防止系统解五角星瓦解等
23、。大型SMES的功率可高至10000MW及以上、储能容量可达1000MWh左右开弓，以至最终可和抽水蓄能电站相竟争。SMES和抽水蓄能电站相比有其优点，如不受地形限制，可建造于负荷中心等。但因费用过高、尚有若干应用技术问题有待解决以及超导材料的不断发现改进和成材问题，目前大型SMES尚未实现。中型SMES主要适用于大功率远距离输变电系统，其主要功能有：a) 提高输电稳定性，可瞬时吸收过剩能量，避免系统解列，与现有大电网稳定装置（如电气制动等）相比，有呼应速度快、过剩能量能回收等优点；b) 进行电压/无功支持，可使电压水平极为稳定，波动很小。c) 调节负荷，将负荷曲线调平。中型SMES的储存能量
24、并不大但应有相当大的功率容量，例如200MVA。中型SMES已在有的发达国家中投入使用。小型SMES一般为0510MVA，其作用主要是改善电能质量和提高供电可靠性。SMES可同时控制和调节有功和无功，且有功和无功可完全互不相关地控制。小型SMES的主要功能如下。71 电压控制和功率因数调整SMES可发生或吸收数量可调节的无功，因此可调整功率因数，事实上，静止无功补偿器（SVC）也能完成此项功能，但与负荷并联的SMES还能控制母线电压。较14表明了SMS对母线电压的补偿作用。72 产变抑制电压的反复波动会造成灯光的高精度变化，这种变化有时能为肉眼感觉到而被除数称为闪变。关于闪变的定义和计算已在第
25、一讲中说明。对应于电压波动的幅度，每一个电压波动的频率都有一个临界值，低于此临界值则闪变影响就可不为肉眼所感觉。肉眼最大感觉的波动频率是88Hz左右，春对应的电压波动幅度为03%。采用SMES后可使电压保持不变或至少比限值低，从而可抑制闪变。图14 SMES的电压补偿作用73 电压下跌和瞬时断电保护在电力质量问题中，近乎90%电压下跌和瞬时断电。这些情况即使持续不到1S，已足以引起大型制造厂停工，造成巨大损失，采用SMES可保护对电能质量要求特别严格的负荷。当电压下跌时，SMES能保持其联接的母线电压并向该负荷提供所需电能。SMES就是一台大功率低储能的DUPS和SVC。74 三相不平衡的校正
26、三相不平衡的扰动根源大多数是单相负荷，平平衡的负序分量主要影响电动机和电子设备。通常，可接受的适时不平衡应小于1%。在电力变流器中，不平衡会产生直流脉动和交流侧谐波。为了校正不平衡，SMES电力变流器有必要注入与不平衡电流成180的相同幅值电流。只有电压源变流器能满足此条件。如不平衡十分严重，就必须采用三个单相SMES，可以是电流源的也可以是电压源，但必须是相同的。75 支持再生能源的发电系统理想的光电装置应能将有功功率从最小值到最大值之间进行调整，并有吸收或发生无功功率的若干容量以调整所联接的母线电压。当有功功率很小而消耗的无功功率却相当大时，对所联接母线的电压十分有害。此外，这种装置生成的
27、有功功率取决于光照度，而日间的光照度是变化很大的。采用SMES后就可维持输出功率更恒定，电压更稳定。同样，风力发电也有类似问题，发生的有功功率取决于气候条件，因此就要靠SMES的支持，使输出功率为平滑。同时，SMES还能注入无功功率以控制所联接母线的电压。76 支持联合发电联合发电有多种形式，如自备柴油发电机组、燃气轮机组和某些工厂的余热发电机组。由于业主可获得相当大的经济效益，这种趋势还会继续发展。但是，当这些联合发电装置和电网连接后，带来了若干问题。SMES系统的的可以很好地解决这些问题,从而维持了联接母线的电压和频率。当电网发生振动时，SMES还能防止这些联合发电装置解列和孤立运行。8
28、有源电力滤波器（APF）消除谐波影响的常规装置是L-C滤波器，近年来，已开发出以大功率电力电子元件为基础的有源电力滤波器，用来解决谐波问题。有源电力滤波器APF的基本原理是利用电力电子技术动态地产生一个与谐波源相反的谐波，从而有效地消除其影响。图15 APF注入回路APF的结构与DSTACOM类似，主要是1台逆变器（Iverter）,其动作原理也相似，当系统出现谐波时能作出快速响应，立即向电力系统注入具有适当幅值、相角和频率的电流，使系统电压立即恢复正常。APF的一个重要特性是针对谐波源的第13次及以下各次谐波同时发出相应于各次谐波的电流，从而可全面消除第13次及以下各次谐波的影响。对于第13
29、次以上谐波，则需与L-C装置联用。APF的注入回路见图15。APF在动态注入IAPF后，系统电压V立即恢复正常，在此系统上的用户可完全“感受”不到谐波影响，见图16。图16 APF的谐波电流补偿APF的特性明显优于常规的L-C特性，主要有以下各方面。a) APF可瞬时检测出各次谐波（根据傅里叶分析），并瞬时检测出p和q。LC滤波器需事先测定无功电力的分配和发生共振的技术条件和严重程度，而事先测定的数据往往和实际运行情况有差别，从而影响其准确性。b) APF能大范围补偿第13次及以下的任意频率的谐波，13次以上的高次谐波则需与LC滤波器联用，通常其幅值（即LC滤波器容量）都很小。常规L-C滤波器则完全不同，需要事先测定各次谐波的分量并分别设置各次谐波的调谐装置，不仅数量多、费用大而且往往不能完全符合实际运行工况，因而影响滤波效果。c) APF可不受温度影响，而LC装置会因温度变化而影响其调谐效果。d) APF能动态地适应谐波源的各次谐波，因此不会发生过负荷。LC装置则是以固定容量应付变化的谐波量，因此有发生过负荷的可能性。e) APF能动态地发出（或吸收）无功电力，以补偿系统无功电力的需要，LC装置则以固定无功容量对系统补偿，不可能保持无功电力的完全平衡。
