随着科学技术的发展,一方面,造成影响电能质量问题的因素不断增多,如大量非线性负荷、大型冲击性用电设备的投入等。另一方面,各种复杂精密、对电能质量敏感的用电设备不断增加,如精密实验仪器、某些新型医疗器械(如CT、核磁共振等)、半导体制造业及某些生产自动控制系统、商业以及通信、计算中心、金融和其它各方面对供电可靠性和电能质量的要求越来越高。而电能质量的谐波畸变、三相不平衡、电压暂降等问题对电网和配电系统造成的直接危害和对工业生产、居民生活造成的损失也越来越大。
许多电能质量调查显示:在所有配电系统事故中,电压暂降占70%～80%;在输电系统事故中,电压暂降所占的比例则超过了96%。电压暂降的原因主要是由于输配供电线路的短路故障造成的。目前在欧美各国对电压暂降的关注程度比其它有关电能质量问题的关注程度要大得多,其中一个重要的因素是在电能质量的诸多原因中,由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题的80%以上,而由谐波、闪变、开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉不到20%。在我国,随着社会经济的发展,电压暂降和短时断电的问题也逐渐引起供电公司、用户及制造厂商的关注。特别是在一些高科技园区、大型医院、军工单位等。因此,对电压暂降等短时间电能质量扰动进行有效地监测和分析,并根据实际情况采取一定的治理措施不仅必要而且十分迫切。
定制电力(Custom Power)概念在1988年由美国电科院的Palo Alto先生提出,并在全世界得到了迅速的发展,它主要针对配电网的供电可靠性和供电质量两个方面,即将静态控制器用于配电系统(1～35kV),提供用户所需可靠性水平和电能质量水平的电力。而静态控制器则是以大功率电力电子开关器件为基础,采用了微处理器、光纤通信、数字信号处理等新技术的新型电气设备,如静止无功补偿器(SVC)、配电灵活交流输电(DFACTS)装置、固态断路器(SSCB)、固态电源切换开关(SSTS)、动态电压恢复器(DVR)、固态电流限制器(SSCL)、有源滤波器(APF)、统一电能质量调节器(UPQC)和相关的储能技术等。
1 技术发展现状
目前,国内外有关电能质量的研究正掀起高潮,从功率理论的研究、电能质量评价指标体系的讨论,到电能质量监测、各种电能质量问题的分析,以及配电柔性输电技术(DFACTS)和定制电力(Custom Power)等电能质量控制技术的研究及装置的开发正深入进行,特别是针对电压暂降,欧美各国和日本等已经研究得相当广泛和深入。美国电科院PEAC(电力电子技术应用中心)小组上世纪90年代初就致力于电压暂降现象的研究,他们和电力公司合作对电压暂降进行了长期的监测,同时还对诸多用电设备及关键部件对电压暂降的敏感程度进行了实际的测试分析,并开发了用于电压暂降在线监测和统计分析的仿真软件。日本在1992年就已经出版了长达数百页的关于电压暂降的技术报告,对电压暂降的原因、危害、分析方法及治理措施进行了全面的分析和总结。目前,在各种国际性电工会议和学术期刊上,有关电压暂降的研究成果主要包括:电网中电压暂降的监测和统计分析;各种设备对电压暂降的敏感程度、暂降特征分析;不平衡系统的暂降特性、暂降标准的制定;暂降过程的仿真计算、配电系统特性对电压暂降的影响以及电压暂降的治理措施等。在我国，部分经济发达地区电能质量问题的影响已经比较突出。目前,国内对电能质量控制的研究大多局限在谐波问题的范围之内。如何提高和保证配电系统的电能质量，已成为电力系统迫切需要解决的重要课题之一。
国外自上世纪80年代末,各公司便开始了定制电力技术措施的专题研究,并陆续地推出了相应的SSTS、DVR、飞轮UPS、DSTATCOM等产品化装置。进行SSTS、DVR、DSTATCOM技术研究和开发的情况分别参见表1、表2和表3。
国外各大电力公司在推出SSTS、DVR、DSTATCOM的同时,又进行能量储存技术(Backup Stored Energy System,BSES)、静态电压调整技术(Static Voltage Regulator, SVR)、故障电流限制器(Fault Current Limiter, FCL)、统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)等技术的开发研究,并陆续推出产品化的装置,进行工程示范。
目前,国内针对SSTS、DSTATCOM和DVR等从事定制电力技术进行理论研究的单位不少,如清华大学、中国电力科学研究院、华北电力大学、西安交通大学等。其中上海电力公司与清华大学合作进行了±50Mvar DSTATCOM工程试验,在提高动态无功补偿、稳定电压水平方面取得了良好效果;中国电科院分别在北京航天城成功投运了10kV SSTS及10kV DVR装置,在上海某高新企业投运了380V DVR装置。
国内已经有不少高新技术开发区引进SSTS装置,以减少因停电或电压质量而引发产品质量造成的损失,如上海华虹NEC电子有限公司为了减少因电压暂降而造成的经济损失,从日本三菱公司引进4套SSTS设备,每套造价高达75万美元。
2 几种定制电力技术解决方案
2.1 能量贮存技术
包括电池后备系统(Battery Backup System, BBS)、超级储能电容器(Super Capacitor)、电动机-发电机组(Motor-Generator Sets)、飞轮储能系统(Flywheel Energy Storage System, FESS)、超导磁能贮存系统(Superconducting Magnetic Energy Storage System,SMESS)以及燃料电池(Full Cells)等。
(1)电池后备系统
电池后备系统的操作运行与电容器储能类似,但是它的能量密度要比标准电容器高。其优点是可以应对深度暂降和停电，获取电池供电以及切换几乎是瞬时完成。缺点是需要额外的硬件和空间，电池寿命相对较短，为保持良好工作的性能需要更多的维护，废弃电池处理不好会造成环境污染等。
(2)超级电容器
超级电容器的优点是可以应对深度暂降和停电,寿命长、充电速度快,容易监视充电状态,维护工作量小。缺点是需要额外的硬件和空间,以及新兴的技术还需进一步研究。
(3)电动机-发电机组
它在暂降和停电时利用其转动惯量向负载供电。其优点是可以应付深度暂降和停电,比较可靠,约可提供15s的电力。缺点是需要额外的硬件和空间,转动部分需要维护等。
(4)飞轮储能
常常和电动机(M)-发电机(G)组配合使用。其优点是可以应对深度暂降和停电,减小了M-G组的体积和重量。缺点是需要额外的硬件和空间,转动部分需要维护等。
(5)超导磁能贮存系统
在这种系统里,超导线圈或磁铁里持续流通很大的电流,以便在需要的时候提供能量。其优点是可靠性高、几乎不需要维护,可进行快速的重复充放电而不影响其性能和寿命。缺点是需要额外的硬件和空间,为了维持低温降低损耗需要复杂的冷却系统,造价高,还要考虑安全性。
(6)燃料电池
燃料电池通过消耗高热量燃料如天然气提供持续的电力供应。其优点是可靠、效率高,维护工作量小。缺点是不能快速响应负载变化,硬件投资费用较高等。
2.2 基于变压器的解决方案
主要包括恒压变压器(Constant Voltage Transformer,CVT)、静态电子分接开关(Static Electronic Tap Changer),有的也称作静态电压调整器(Static Voltage Regulator, SVR)。
(1)恒压变压器
恒压变压器就如同一个1:1的变压器,它工作在B-H曲线的饱和部分,从而提供一个不受输入波动影响的输出电压。在实际应用中,副边通常连接电容器,作用是确保变压器工作在饱和转折点的右上方。当负载额定功率比较大时,CVT的体积就会非常庞大,这是它的一个主要缺点。
(2)静态电压调整器
有载分接开关调压器(Load Tap Changer Voltage Regulator)在电力系统中的应用十分广泛,近年来随着电力电子技术的发展,静态电压调整器作为一项新兴技术用于对电压水平要求比较高的负载。由于SVR使用了静态的半导体开关,调压速度相对传统的机械式分接开关有了很大的提高。通过选择正确的分接位置,其响应几乎是瞬时的,速度比传统的机械式分接开关有了极大的提高。SVR主要由升压器,调压器、短路开关、隔离开关等组成。
2.3 基于逆变器的解决方案
包括不间断电源(UPS)、动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)、配电用静态同步补偿器(Distribution Static Synonous Compensator, DSTATCOM)、统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC)等。
(1)不间断电源(UPS)
UPS通常由整流器、逆变器及能量贮存系统组成,储能装置通常为电池。正常情况下,关键负载由市电经AC/DC和DC/AC变换后供电,电池作为备用只是用来保持逆变器直流侧电压恒定。在电压暂降或短时断电情况下,电池放电维持逆变器的直流侧电压。根据电池容量的不同,UPS通常可维持对负载供电几十分钟甚至数小时。造价低、运行和控制简单已经使UPS成为诸如计算机等低压设备的标准解决方案,但是对于高压设备,变流装置带来的损耗以及电池的维护工作量都比较大等,该方案并不经济可行。
(2)统一电能质量调节器(UPQC)
对于稳态的电能质量,包括电压暂降和谐波可以有特殊控制的DSTATCOM或SVC与有源滤波(APF)相结合加以消除,由于系统存在低频的闪变(10Hz左右)在SVC的控制中加入抑制低频的功能,对更低的系统功率振荡有抑制作用,因此结合DVR、DSTSTCOM、APF、储能部件和无源滤波等构成一个完整的质量控制系统称之为统一电能质量调节器。
2.4 基于固态开关的解决方案
主要包括固态断路器(Solid State Breaker,SSB)、固态切换开关(Solid State Transfer Switch, SSTS)、故障电流限制器(Fault Current Limiter, FCL)等。
(1)固态断路器(SSB)
固态断路器一般由GTO或晶闸管与GTO并联组成,可用于负载或故障电流阻断、故障电流限制、联络断路器及固态切换开关。在正常情况下,电流流经GTO支路,一旦电流超过某一设定值,GTO被关断,晶闸管被触发导通,而在撤掉触发脉冲后的第一个电流过零点自然关断。当然,在实际应用中还要考虑SSB与重合闸及保护系统的配合问题。
(2)故障电流限制器(FCL)
故障电流限制器用来限制馈线电流以便保护装置可以清除故障。出现故障后电流可由一条支路(由GTO阀组成)转移到包含限流电抗器的另一条支路(由晶闸管阀组成)。
3 定制电力技术的工程实践举例
3.1 SSTS工程实例
1996年9月,为了解决美国一个汽车制造厂生产线的电压暂降问题,安装了一台15kV/600A的SSTS装置。该装置由两台晶闸管开关、隔离开关和旁路电路断路器组成,单线图如图1所示(图中两个反并联晶闸管表示反并联晶闸管阀)。两路电源分别来自两条40kV配电线路,经两台主变压器降至13.8kV。图2为SSTS装置在电压暂降过程中运行的记录波形。
3.2 飞轮UPS工程实例
在国外,飞轮UPS被用于以下场合,如互联网和网络数据处理中心、广播和有线电视、医院电信等。
4 结束语
随着微处理器技术、电力电子技术的发展,定制电力技术应用于配电系统为用户提高电能质量水平会越来越广泛。国内相关高校及科研、制造企业需共同合作,将定制电力技术设备的造价进一步降低,为提高电力用户的电能质量,促进经济社会和谐、稳定发展做出应有的贡献。
