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1SSCB的原理图（SNBR-同期开关）图1表明SSCB由可控硅整流器（siliconcontrolledrectifierSCR）元件和可关断晶闸管（GateTurnOffGTO）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2SSCB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，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，STAT——COM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，25~30ms，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是采用脉宽调制（pulse-widthmodulationPWM）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6DSTATCOM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（insulatedGateBipolarTransistorIGBT）或MOS控制可控硅（MOSControlledThyristorMCT）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BESS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7DSTATCOM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（IntegratedGateXommutatedThyristorIGCT）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（Meissnereffect）。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