中高压电能质量治理装置SVG的技术材料.docx
- 文档编号:18055741
- 上传时间:2023-08-07
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:201.43KB
中高压电能质量治理装置SVG的技术材料.docx
《中高压电能质量治理装置SVG的技术材料.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中高压电能质量治理装置SVG的技术材料.docx(15页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
中高压电能质量治理装置SVG的技术材料
一、目的和意义
谐波和无功是关系电网质量的两个重要指标,两者的存在对电网或相关设备产生严重的影响和危害。
同时经济的快速发展导致电力系统中非线性负荷大量增加,各种非线性和时变性电子装置带来的谐波和无功问题日益严重。
无功功率对公用电网的影响主要表现在:
1)无功功率的增加导致电流视在功率的增大,无功电流占用大量的供配电设备容量,使发电机、变压器等电器设备容量利用率下降,设备损耗增加,使电力设备得不到充分利用;同时增加了线路输送电流,因而增加了馈电线路损耗。
2)线路及变压器的电压降增加,如果是冲击性负载,还会使电压产生剧烈波动,严重影响电网的供电质量。
谐波对公用电网和其它系统的危害大致有:
3)使电网中的元件产生附加的谐波损耗,如使电动机引起附加损耗、发热增加,过载能力、实用寿命和效率降低,产生脉动转矩;另外降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波电流流过中性线会导致中线过热甚至发生火灾。
4)谐波电流在输电线路上的压降会使用户端的电压波形产生严重的畸变,影响电气设备的正常工作。
谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化,寿命缩短,以致损坏。
5)容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振,造成过压或过电流,使电容器绝缘老化,甚至引起严重事故。
据统计,由于谐波问题引起的电容故障占电容器总故障的71%-83%。
6)导致继电保护和自动装置的误动作,并使电气测量仪表计量不准,影响计量精度。
7)对临近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量,重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。
闪变、振荡对公用电网和其它系统的危害大致有:
1)造成对直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定,时而加速时而制动,由此可能影响产品质量,严重时危及设备本身安全运行。
例如,对于造纸业、丝制业和精加工机床制品等行业,如果在生产运行时发生电压波动甚至会使产品报废等。
2)对电压波动较敏感的工艺过程或试验结果产生不良影响。
例如,使光电比色仪工作不正常,使化验结果出差错。
3)导致电子仪器和设备、计算机系统、自动控制生产线以及办公自动化设备等工作不正常,或受到损坏。
4)导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱,致使电力电子换流器换相失败等。
从以上可以看出谐波和无功,以及电网的不平衡,闪变和振荡问题不仅影响用户的用电质量,增加了用户的用电成本,造成电能浪费,而且易于导致一些电力设备和敏感装置的损坏及误动作,同时引起的各种难以确认和回溯的故障和事故,还使得电力计量和各种测量设备严重偏差,其危害的严重性引起了各国专家和学者的高度重视。
二、国内外研究水平综述
解决上述问题的算法设计以及装置研究,如有源电力滤波器和动态无功补偿器等,在西方工业发达国家己得到了高度重视。
特别是80年代以来,随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展,动态无功补偿器和有源电力滤波器已从研究阶段逐步走向实用并成为改善电能质量的主要电气设备。
我国对有源电力滤波器和动态无功补偿器的研究起步较晚,实际应用研究较少,与国外相比有较大差距,这与我国目前谐波和无功污染日益严重的状况很不相符。
随着我国电能质量治理工作的深入开展和对电能质量问题重视程度的不断提高,治理无功、谐波、不平衡、闪变以及振荡等问题的大功率电力电子设备的研究和应用已经成为重要的方向,具有巨大的社会意义和市场潜力。
目前装置技术上在如何提高补偿容量,降低成本和损耗,进一步改善补偿性能,实现多功能化、装置小型化等实际应用问题都有待进一步研究解决。
本项目的目标是研制系列化新型、高效地治理无功、谐波、不平衡以及闪变,振荡等一系列电能质量问题的补偿装置,实现用户对电网的电能单位功率因数,消除非线性负荷对电网的影响,同时抑制电网自身存在的谐波、不平衡等问题对负荷的影响,改善电网运行环境以及用户的用电条件。
在以下几方面达到国内领先水平:
系列化、补偿容量、补偿效果、响应时间、节能效果及自身能耗、高可靠性、高性价比,其中系列化和补偿容量两个指标达到世界领先。
三、产品技术特点
本产品具有如下主要技术特点:
1、快速的响应能力。
由于采用了先进的算法,使得本产品的控制算法能够在100us时间内计算出下一个开关频率的输出,故而本产品的响应速度不超过100us,对于变化较为频繁的谐波能够实行快速的补偿。
2、高度的可靠性。
本产品具有直流侧过电流、直流侧过电压、直流侧欠电压、交流侧过电流、交流侧过电压、IGBT死区保护以及IGBT综合保护等多种保护功能,确保在系统或设备出现运行异常时,可靠地使设备退出运行或保护系统及设备。
3、大容量的补偿能力。
现有的有源滤波器的补偿能力受到IGBT容量的限制,很难对大容量的谐波进行补偿,本产品能够基本上不受限制地进行并柜扩容,使得对大容量谐波的补偿成为可能,并且大大降低了成本。
4、简单的操作方法和结构。
本产品操作简单,只需与负荷并联入系统,无需进行其他的操作。
本产品的内部结构简洁,变流器为模块化结构,易于安装和维护。
本产品接入系统后,无需人工干预即可正常运行。
5、高性价比。
本产品采用了全面国产化技术,从控制器、变流器以及产品结构等方面,都具有自主的知识产权,具有很高的性价比。
6、节能降耗能力。
相比较无源滤波器而言,有源滤波器不是通过建立一个谐波通路来滤波的,因此,有源滤波器能够将谐波的畸变功率这部分完整地节约下来,这样可以保证用户端即可得到一个直接的节能收益。
四、项目的理论和实践依据
本项目主要研制高效地实现动态电压稳定、谐波滤除、振荡抑制以及闪变消除等多目标连续控制的装置。
该装置用于10kV电压等级,具有电压稳定效果好、响应快、补偿容量大、节能效果显著及自身能耗低、可靠性高、性价比高等特点,投运后将大大降低谐波和无功对用电设备和发电、输变电设备的危害,提高电网及电力系统的可靠性、安全性,减少电能损耗,该项目的实施对大功率电力电子器件的应用、数字处理芯片应用、自动控制技术、测量技术、电磁兼容设计、新型非晶电抗器的设计制造等方面的技术进步将起到巨大的促进作用。
装置采用新型可靠的控制算法,通过对接入点系统侧和负荷侧的电压电流采样,得到系统的运行状态,综合判断得到融合后的装置控制目标,实现对负荷的状态的检测和多目标控制的目的,使得装置具有更佳的总体补偿效果、更快的动态响应速度、更大的扩展容量等优势,从集中补偿电解铝等大型用电负荷的应用看,与国外同类产品相比本产品技术水平已处于世界领先。
研究内容和关键技术在于:
(1)动态电压稳定装置的工作原理
基本工作原理是检测对象的电流和电压,经过指令运算电路得到补偿电流的控制量信号,由补偿电流发生电路获得补偿电流,与负载中的谐波及无功等电流抵消,以获得期望的电网电流和电压。
图1动态电压稳定器单相工作电路结构
(2)拓扑结构设计
为降低电力电子器件的耐压等级,目前最常用的方法就是通过H桥链式技术或变压技术接入电网降低装置的承受电压,H桥链式技术的主要缺点是损耗较大,每只IGBT管未能得到充分利用,变压器方式则体积庞大,而且对材料具有一定的要求,普通硅钢材料损耗也比较大。
本项目采用多电平技术,控制上采用独特的算法,具有低损耗,高效率,高可靠性等优势。
(3)多目标设计原理
从两个方面来考虑:
(i)电网平衡,即电力系统为三相平衡的电压源,而负荷为非线性的谐波源,即负荷为非线性负荷导致其输出的电流为含有各次谐波,同时会导致感性无功电流的产生,以致系统功率因数降低。
以单相来表示,设电网电压为
(1)
负荷瞬时电流为:
(2)
系统向负荷提供的功率分为几部分:
有功功率,无功功率和畸变功率,其中有功功率中包括由于阻抗存在导致的谐波电压和谐波电流产生的谐波有功功率。
负荷瞬时功率为:
(3)
电源输出功率为:
(4)
谐波和电压稳定器输出功率为:
(5)
(6)
无功功率
一个周期内的积分为:
(7)
损耗功率
一个周期内的积分为:
(8)
经电压稳定器补偿后,电源只向负荷输出基波有功功率
和稳定器的损耗功率
。
负荷需要的无功功率
及谐波由电压稳定器抵消。
如果将负荷和稳定器作为一个等效负荷,则该等效负荷的外特性是三相对称的电阻,整个系统的功率因数为1。
即补偿后电源向负荷提供的电流为
(9)
(ii)电网不平衡,即电力系统为具有一定不平衡度的三相不平衡的电压源,甚至由于电网其他负荷的影响,其本身含有一定量的谐波成分。
而负荷仍为非线性的谐波源,即负荷为非线性负荷导致其输出的电流为含有各次谐波,同时会导致感性无功电流的产生,以致系统功率因数降低。
含谐波的不对称的电力系统电压和电流均可分解为各次正序、负序和零序之和。
表示如下:
(10)
(11)
其中,k为谐波次数,下标+,-,0分别表示正序、负序、零序分量。
若uk+、uk-是一个周期变化的量,即电力系统本身含有闪变或低频的振荡。
即需要得到从usa、usb、usc得到三相电压的单位基波正序信号:
(12)
同时,需要获得补偿的参考电流
(13)
使得等效负荷的电流为理想信号
(14)
综上所述,要保证动态电压稳定装置有效输出补偿电流使得等效负荷的输入电流是基波电流三相对称无谐波时有两个关键问题:
(1)保证能准确分辨电力系统电压的基波成分,作为算法计算和补偿的基准;
(2)需能准确获得各种目标电流,保证等效负荷的功率只有基波有功成分。
(4)多目标特征提取
精确、实时地检测出上述电网中瞬时变化的基波无功、谐波、基波不平衡以及振荡信号作为电压稳定装置的多目标输出,是提高动态电压稳定精度的一个关键问题。
针对上一节的分析,将多目标的计算和特征提取分为两大步:
a)首先,在计算过程中电力系统的基波频率和实时相位是十分重要的基准,本项目采用软件三相PLL,利用d、q坐标变换检测相位和频率信息,在频率发生变动时仍能有效地锁定相位,输出同频同相位的正弦波,动态特性较理想,能够满足实时性要求,对不对称、谐波也有较好的抗干扰能力。
设ua、ub、uc为三相电压瞬时采样值,可表示为式(6)。
(15)
其中k=a,b,c;U0k、U1k、Unk、
、
分别为输入量中的直流分量、基波分量幅值、n次分量幅值、基波分量相角和n次分量相角。
且如下的计算均有基波相位关系(m=1,2,3…n):
(16)
图2为三相数字锁相环的原理图,Ts为采样周期;Gu为开环增益,
,PI环节为
,
,
为锁相环输出;
为输入时刻的a相系统基波角度。
图2可变频率的三相锁相环原理图
根据d,q三角坐标变换的意义,可得,uq,ud为:
(17)
将计算得到的电角度进一步处理得到在一个采样周期
内,a相电角度的变化可表示为:
=
(18)
通过低通滤波,可得直流分量:
(19)
稳态时
,
。
表示的是瞬时角速度,经过积分环节即锁定基波正序瞬时电角度。
经过实验仿真分析采用的该PLL具有低通特性,对输入的高次谐波具有抑制作用;并且在直流偏移的影响下输出波形含二倍频谐波;当基波不平衡时,输出信号含三倍频谐波;当输入含有高次谐波分量时,输出信号含有相应的与之同频的削弱的谐波信号;同时输入量的频率变化在较大范围内对三相锁相环的输出没有影响;而且三相锁相环在输入存在直流偏移、不对称、谐波畸变等条件下,都具有较好的抗干扰能力,适合于应用在工作环境恶劣的电力电子装置中。
b)其次,对系统存在的无功、谐波、不平衡以及谐振、闪变等信号进行提取和分析。
近年来,谐波检测发展出多种新方法,如快速傅立叶变换及其改进算法、基于瞬时空间矢量算法还有自适应理论、基于小波变换和基于神经网络的方法和滑模糊控制及模糊控制等现代控制方法。
然而这些新方法在工程上得到了一些应用,但都并不成熟。
其中基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测方法响应速度较快,但该方法对于三相不平衡负荷所产生的无功和谐波电流,补偿效果则不理想,且对硬件检测电路的要求较高。
自适应检测法和自适应线性神经网络检测方法计算精度较高,但计算量较大,影响实时性。
且大多算法不能同时分离出无功电流和谐波电流,不适用于对频繁变化的负载进行补偿。
其中,基于周期离散控制的新型直流侧电压环控制策略的新型谐波和电压稳定控制方法从直流侧电容电压与负荷有功电流的关系出发,并结合有功电流的周期性特点,可以在实现谐波和电压稳定器直流侧电压线性化控制的同时获得负荷电流有功分量。
该方法可以显著提高谐波和电压稳定器补偿谐波的速度,能够有效地避免负荷变化时出现电流畸变现象,并减轻负荷突变对电网的冲击,并且谐波检测的过程十分简单,大大提高响应速度。
由于闪变和扭振信号在原信号中可看作为调制信号,因此可以通过对输入信号的幅值和频率波动的检测得到相应的特征指标。
而基于d-q变换的负序分量提取和谐波提取随着装置的计算能力的提高仍是十分有效和快速的方法,其基本原理如下:
取如图3所示坐标系,i为三相电流相量,e为三相电压相量,以
逆时针旋转;在以
顺时针旋转的d-q坐标系中进行分解,变化矩阵为:
(20)
图3旋转坐标系变换图
输入的三相不对称、非正弦三相电流、电压可以表示为正、负、零序分量之和,如式(6)和(7)所示。
(21)
(22)
其中,m=a,b,c,k为谐波次数,下标+,-,0分别表示正序、负序、零序分量。
采用合适的滤波器,如谐振滤波器就可以提取出任意指定频次分量实现对基波,负序分量及谐波分量的有效提取。
(4)多目标参考电流
等效的参考电流的表示如图所示。
其中,
,其选择参考负荷和电力系统的运行状况来决定,同时参考装置的输出容量,以及当前各个分量占系统总参考电流的百分比来确定,可在线实时调整,以实现在特定情况下的快速反应。
直流侧电压控制采用自适应控制来选择合适的PI参数使得系统稳态时无静态误差,动态响应速度快。
图4多目标参考电流
(5)样机的研制
产品采用模块化结构设计,分为控制模块、变流器模块、输出电抗器模块、输出配电模块,各模块之间采用高性能、高可靠性接插件相连接,使得本产品操作简单,内部结构简洁,易于安装和维护。
产品接入系统后,无需人工干预即可正常运行。
设计采用了新型的变流器模块化结构,不需要增加额外电路,就可以保持开关器件的高速性,同时还缩短了变流模块与电容的电气距离,大大减小了寄生电感降低损耗。
变流器的结构设计充分考虑了电流方向和走线形式,减少了普遍存在的涡流效应和由此产生的杂散损耗。
设计采用了创新的铜排连接方式,集肤效应程度大大降低。
合理的模块化结构使得电流密度与磁场密度分布均匀合理,抑制了电压和电流剧烈变化,减少了电压过高现象对绕组绝缘性的影响。
同时,优化的模块化结构还提高了电路过流及过压能力,有效地延长了功率器件的寿命。
在不增大变流器体积的情况下,实现了低成本的散热方式,使变流器在正常温度范围内稳定工作。
本设计具有如下特点:
(1)采用全新的工频软件锁相环,可以实时检测系统电压的频率变化,为电压稳定系统提供准确实时的相位信息和提供计算基准,保证电压稳定系统快速反应的能力以及电压稳定的精度。
在控制过程中在系统电压存在畸变,如直流偏移、谐波、频率突变、相位突变以及三相不平衡条件下,能够快速、准确地锁定电压相位,并需满足收敛速度快、相位估计精度高、抗干扰能力强、实时性好等几方面要求。
(2)采用优良的算法提取多目标特征值,以调节电网输入的有功能量为目标,保证等效负荷的功率只有基波有功成分。
(3)对于谐波、频率突变、相位突变以及三相不平衡的系统,装置能快速跟踪稳定,具有较强较高的电压稳定精度、自适应性及较强的抗干扰能力。
(4)通过对多目标的协调控制可以最大限度地利用装置本身的输出容量,以达到稳定输出的最优。
(5)高可靠性:
具有直流侧过流、过压、欠压,交流侧过流、过压,IGBT死区保护以及综合保护等多种保护功能。
(6)在样机的制作方面,采用了新型的变流器模块化结构和全新设计的非晶材料变压器的设计、加工等方面具有领先性。
并且具有先进的并机运行控制策略,超大容量的电压稳定能力:
现有的其它产品的补偿能力受到模块容量的限制,不能对大容量的谐波进行补偿,本产品能够不受限制地进行并柜扩容,可实现大容量补偿。
同时应用自动无主从并机均流、冗余技术,使并机系统安全性大大提高。
五、预期目标和成果形式
(一)、预期目标
(1)完成多目标控制算法;
(2)实现一台应用于10kV的SVG样机;
(3)实现多目标控制算法在不同补偿目标下的现场实验。
(二)、成果形式
该成果为一体化实用化自动装置,能独立安装使用。
应能方便批量生产。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中高 压电 质量 治理 装置 SVG 技术 材料