电能质量治理技术-会议

1、A Result Of The Second Silicon Revolution电能质量治理技术简介柔性输配电系统FACTS与大功率电力电子技术的应用满足电网发展，负荷增长以及对电能质量的新需求主要内容电能质量正引起广泛关注无功补偿技术及用户的新要求链式高压大容量谐波及有源滤波技术若干电压暂降/暂升与治理技术第2页一、电能质量（PQ）正引起广泛关注美欧PQ问题每年造成巨大的损失-电压暂降-欧美每年各损失1200亿以上我国PQ问题造成损失逐年增大传统工业领域PQ问题仍突出-冲击性非线性负荷多-电弧炉、变频器、冲击负荷等电力电子设备的大量应用导致PQ问题突出-谐波污染、变频器对电压暂降/升敏感，

2、并联谐振问题新能源、分布式发电电能质量 微电网中PQ问题成主要问题之一第3页二、无功补偿技术及用户的新要求各种无功补偿技术-固定式电容器、电抗器-机械投切电容器、电抗器-晶闸管投切电容器（TSC）-TCR型SVC-MCR型SVC或第4页各种无功补偿装置比较第5页类型速度连续谐波低压效果主要问题调相机秒级连续无好难噪声、损耗、机械开秒级否无差难慢、冲击TSC TSR几十ms否无差易冲击SVC几十ms连续有较差易谐波/SVG20ms连续无好易0无功精度、 LVRT用户的新要求响应速度快-有效抑制电压波动与闪变适应能力强-各种场合与负荷配合不发生谐波放大-弱系统振荡问题（、均有）占地面积小-大部分场

3、地已固定，征地电压偏低与偏高时均具备强的无功补偿能力运行可靠稳定-系统冲击、电压暂降/升均能运行能同时治理谐波与不平衡等多种电能质量问题运行节能第6页应具备的LVRT能力电压暂降时能够提供快速动态无功支撑目前大部分电压暂降时闭锁退出！应具备的低电压穿越能力第7页三、链式高压大容量若干主电路技术控制技术低电压穿越技术目前链式结构的主要问题第8页（1）主电路技术-如何实现高压大容量？-如何减小谐波？-如何实现无功、谐波、负序、零序综合补偿？-如何降低损耗？第9页链式结构主电路星接（Y）结构三角接（）结构Y结构链节少，容量小； 结构链节多，容量大如何实现无功、谐波、负序、零序综合补偿？如何降低损耗？

4、第10页星接（Y）结构相量图复合方案：Y结构+零序滤波器实现综合补偿三相三线中点电压为零，只能补偿正序无功电流；中点电压浮动，可适当补偿负序三相四线中点接地，只能补偿正序无功；中点电压浮动，可适当补偿负序、零序，控制复杂第11页星接不对称补偿方案第12页三角接（）结构相量图可补偿无功、负序、谐波，不能补偿零序！第13页（2）的控制技术系统级控制-满足电力系统多目标装置级控制-电流底层控制-载波移相与直流电压平衡控制第14页多目标协调控制策略设计好多个单项控制功能，根据电网状态变化确定需求，优选控制模式以实现多目标优化协调。QTVRU220QrefI220abQRCRU500bcU220I500

5、caQCVRU35I35开关状态量QDR第15页QCQRIref _Iref _Iref _U pccUpccPline装置级控制电压源控制易过流-采用电流控制链式特有问题：直流电压平衡控制X较小，系统电压不对称、突变时易引起装置过电流，弱系统更是如此！第16页直流电压平衡控制技术脉冲轮换技术-因iS时刻不一样，瞬态时效果差已有平衡控制电容电压平衡有功功率与电流平方成正比，与差异不匹配！第17页变系数直流电压平衡控制技术不匹配引起小电流时控制效果差变系数k的控制方法k0为常数，is1为与is基波电流同相且幅值为1电容电压平衡有功功率-与差异功率匹配：第18页变系数平衡控制技术控制效果变k值控制

6、方法固定k值控制方法第19页（3）低电压穿越（LVRT）技术电压暂降时可能出现最有效的办法：电压时刻紧随系统电压第20页200MVA采用的LVRT技术第21页（4）目前链式的主要问题无功控制精度不够高（5%Qn均难以实现）；-直接电流控制为比例控制，精度不够。0补偿难以实现尤其是不能长时间低损耗闭锁；-小电流时直流电压平衡控制很难，仅靠以根本解决问题。不对称时综合补偿能力差；LVRT能力较差;难引起的振荡-时有发生,但机理不清!第22页（5）链式技术改进改为旋转坐标系d、q电流控制，瞬时电流可用PI控制，增加控制精度H桥模块上增加硬件电路控制电压；逐步推广角接模式或星接+变压器型；模块上增加超

7、级电容储能，提高LVRT能力；控制策略中增加振荡抑制环。第23页四、谐波及有源滤波技术电力谐波及其危害谐波是困扰供电部门与用户如冶金、电铁、化工等的远未解决的老问题。信息社会电力电子装置大量应用，产生大量谐波，已成为重要的谐波污染源-如AC/DC电源、变频器。谐波问题是最为常见的电能质量问题。谐波引起的严重问题：影响配电线路运行稳定性及电能质量严重影响用电设备安全（电容器、电、变压器、电缆等）4的3次谐波，异步电机4的5次谐波，异步电机缩短15缩短8第25页某办公大楼实测的供电电压谐波含量第26页谐波的治理技术无源滤波器（L、C滤波器）有源滤波器（APF，ActiveerFilter）混合滤波

8、器（L、C滤波与APF组合）第27页有源滤波器（APF）的基本原理第28页APF的第29页主电路发展（1）-直流侧共用的两电平结构优点：传统电路简单，综合补偿能力强。缺点：1、开关频率高2、器件耐压高3、带变压器第30页主电路发展（2）-直流侧共用的三电平结构优点：开关频率低。缺点：每个桥多2只二极管；直流电压平衡控制复杂；电优点：省一个桥臂。缺点：直流电压平衡控制难。路复杂，维修。第31页主电路发展（3）-直流侧分开的H桥结构优点：模块化好；可串联升压；可提高等效频率；控制简单；维修方便缺点：个数较多第32页主电路发展（4）-链式结构星接（Y）结构三角接（）结构可降低开关频率，降低损耗可适用

9、于高压谐波补偿第33页APF主电路的发展历经共用直流侧的三（四）相桥、三电平桥、三单相桥等多个阶段目标：提高等效开关频率、提高利用率、提高功率密度、提高性能、减小体积、降低成本。应从容量、不平衡补偿能力、开关频率、性价比进行优选出合适结构的有源滤波器！第34页柔性输配电系统控制器基本结构(DSP+FPGA)数据总线初始化说明： DSP_B向FGPA写保护阈值，并读回；故障中断后数据总线说明： DSP_B从FPGA读故障类型状态字；采样频率保护功能系统电压瞬时值保护；直流电压瞬时值保护；霍尔电流瞬时值保护； FPGA对A/D采样瞬时值实现比较保护，保护阈值由 DSP_B下发，故障状态通过数据总线

10、送DSP_B；25.6kHz（512点）同步12路预留3路系统电压/滤波前3路系统电压/滤波后39us控制周期数据总线说明：DSP_B从FPGA12路模拟通道，E同步phase信号，瞬时功率；读写状态串行总线说明：读写启动I/O通道晶闸管DSP_A从DSP_B12路模拟通道3路霍尔电流3路系统电流（系统电压未滤波、直流电压、霍尔电流、系统电流），phase信号，瞬时功率，3路谐波总电流；16位数据总线16位数据/10位地址总线串行总线说明：DSP_B向DSP_A写控制参量，并读回;3路霍尔电压地址线故障中断I/O通道3路霍尔电压保护指令人机通讯FPGA预处理完3路霍尔电流3路电容电流/系统电压

11、成中断第35页谐波计算完成标志启停标志位8路干节点开出1故2路障反馈8信路号输入1+12路2EN输出串口通信并触发DSP_A中断液晶DSP_B（控制频率25.6kHz）（FFT计算、谐波电流瞬时值反算、保护、有效值计算、人机通讯；）1）DSP_A所需的液晶下行指令由 DSP_B通过串行总线发送给DSP_A; 2）A、B、C三相总谐波参考电流 IrefA、IrefB、IrefC，以及12路模拟通道，phase信号及瞬时功率由DSP_B经串行总线(DMA)传输给 DSP_A;DSP_A（控制频率25.6kHz，开关频率6.425.6kHz可调）（直流电压控制、负序控制、电流、电压谐振抑制、电流稳差

12、控制、生成）开入开出逻辑锁相瞬时功率计算FPGA双口RAM1）3路电压带通滤波电路；2）无硬件保护电路； 3）24路模拟通道/3路PT端子3路CT端子3路PT/CT端子6路霍尔电流端子6路直流电压端子24路7606-6（选配）3路 串行A/D（选配）3路 串行A/D7606-67606-6光纤接口子板或电接口2种版本子板谐波检测技术发展提取基波分量法（电流-电流基波）各次谐波分离自适应检测法（以电压为基准）基于瞬时无功理论的检测方法ipiq检测法 （无法分离单次谐波）正序、负序及零序检测法单相矢量筛选法基于FFT的数字分析法（计算量大）采用快速DSP+FPGA第36页ipiq检测法Udcsin

13、cosePLLiaUPIpdc_refip ipifiafiiiLPFibfaahiiiib icCCibhCCiicffq3223qLPFich只能够将电流分离为基波正序有功、正序无功电流和其它当系统三相电压不对称时，检测得到的无功电流确第37页正负零序三相电流检测算法tPLLektaktiii kpCk iii kpq+qak+ktkt+iicki kipipik LPFaiiCpqk pqCCbiciqiqabc _ 0iiLPF k0ktktipipiLPFCk 00kiipqqqLPF sin kt cos ktsin kt sin ktcos kt sin kt 2sin kt2

14、cos ktCk k 0TCk 0CpqCk sin ktcos kt pqcos ktpqcos ktpq三相电流分解为正、负、零序基波、谐波，算法复杂第38页Ck 0TpqC 0_ abcibkLPFCk pqpiqLPF单相矢量筛选法Csin(2 tcos(C1 sin( 20t) t)2)cos( t00)0可将单相电流分离为基波有功、无功电流和其它将0，用n 0代替，就可检测得到第n次谐波第39页基于FFT的数字分析法到各次谐波大小与相位；可以进行延时（相位）校正。第40页电流控制方法电压开环控制间接电流直接电流控制控制第41页直接电流控制LsL2L1CusCf基于负载电流检测Rdi

15、Li2*i*udc2udcLsL2L1Cusis基于系统电流检测-可抑制振荡Cfi1i*1*udcudc第42页两种控制策略的控制效果对比0.10-0.1Bypass the Ding Resistor Rd0.90.920.940.960.9811.021.041.061.081.10.10-0.1Bypass the Ding Resistor Rd0.90.920.940.960.981Time (sec)1.021.041.061.081.1第43页System Current (kA)System Current (kA)柔性输配电系统APF滤波效果-电流波形图第44页690V/45

16、0A APF工业样机-补偿后系统电流与负荷电流波形第45页有源滤波器的优点优点-同一滤波器适用不同的非线性负载；-具有动态谐波补偿功能，响应时间约几毫秒；-接入系统后不会改变系统阻抗特性；-不会引起补偿缺点-价格较高；-弱系统易产生谐振。即补偿谐波与无功的。目前：参数不能自适应调整；并联谐振问题；2550次谐波滤波效果差。第46页混合型有源滤波器目前APF存在？-对电压源型谐波源治理适应性差-多台相互作用引起振荡,尚未解决.第47页五、电压暂降、暂升与治理电压暂降/暂升最常见电能质量问题电压暂升电压暂降电压暂降/暂升已造成很大危害！第49页电力电子装置对电压暂降/暂升很敏感电力电子装置的控制保

17、护系统对电压暂降非常敏感，常常引起装置跳闸；电力电子开关元件如、IGCT等的驱动，如果采用自取电，电压暂降将导致IGCT故障。电压暂升也会造成危害。闭锁、链式-轻型直流装置电压暂降/暂升时会闭锁。电压暂降/暂升成为影响电力电子设备正常工作的主要问题！第50页频电源LVRT要求大型汽轮发电机组辅第51页电压暂降/暂升的改善与治理新建变电站：投资巨大，只能一定程度改善。UPS：能适应短时停电，用于小容量用户（80-100kW）；大容量时，投资大，占地大，损耗大，运行费用大，极少应用静态转换开关SSTS；飞轮、超导等储能型动态补偿装置；动态电压调节装置DVR；并联型补偿技术变频器直流侧加装DC/DC储能装置，成本高且无法解决电压暂升问题从适应能力、响应速度、综本及国外的实际应用情况看，各种短时间动态补偿方案是首选。第52页固态切换开关关键：SW1与SW2需具备快速断开的能力特殊设计或式开关，5ms断开第53页动态电压调节装置DVR的基本工作原理第54页动态电压调节（恢复）器技术方案无电压暂降时，晶闸管旁路；运行没有功率损耗电压暂降时，利用逆变器在晶闸管两边产生瞬时反向电压，强制关断（1ms）。接着补偿电压与无功，维持设备供电电压。第55页电源电压负荷端电压据该厂只有安装DVR的电机没有停运，其它生产线全部