灵活交流输电与用电节能降耗技术

灵活交流输电与

用户节能降耗技术背景交流输电技术的开展法拉第电磁感应定律的发现第一台交流发电机1923年美国建成第一条230千伏输电线路1970’s苏联建成全国统一电网电力系统的规模化有效提高设备的利用率充分合理地利用各种动力资源提高供电质量和可靠性背景现代电力系统的特点单机的装机容量不断提高电压等级不断上升电网的节点越来越多各种不同电压等级的电网在同一地域内互联交直流输电的综合使用等现代电力系统的问题由于结构复杂使得调控手段严重缺乏运行稳定性问题日益突出对设备绝缘水平、容量及热稳定方面的有了更高的要求远距离大容量电能输送的困难整个电网中合理的潮流分配背景用户电力系统的问题节能降耗电力系统电力供给的可靠性电力系统供电的电能质量用电设备的平安性用户用电设备对电力系统的影响来自其他用户用电设备的影响电能计量背景FACTS技术的准备早在上世纪七十年代中叶，采用晶闸管阀快速控制的静止无功补偿器〔SVC〕就已正式用于输电运行，它可用于调节输出交换的容性或感性电流以使保证或控制电力系统的一些特定参数〔如母线电压〕。目前世界上已有近300台SVC投入运行，在我国500kV输电线路上也有5台。由于SVC可以用来快速动态调节无功功率，被认为是最早实用的FACTS元件。在SVC出现之后，随着电力系统技术和微处理技术的进一步开展，相继出现了静止同步补偿器〔Statcom〕、静止型快速励磁系统〔如PSS、LOEC、NOEC等附加控制〕和超导磁能储存器〔SMES〕等，这些都为FACTS技术概念的成熟提出了成功的技术经验。背景FACTS技术的准备适逢上世纪七十年代，美国Mohave电站发生的两次著名的机轴断裂事故，促使N.G.Hingorani博士深入地研究了此SSR现象，并于上世纪八十年代初设计了以其名字命名的NGH-Damper控制器用来抑制SSR。尽管当时电力系统将SVC、Statcon和NGH-Damper仅作为一个个单一的新型装置，但Hingorani已感到多种FACTS设备将被创造的可能性，因此他综合了上述成果，于1986年在IEEE的冬季会议上正式提出了FACTS这个技术概念。背景FACTS概念的提出FACTS──FlexibleACTransmissionSystems灵活交流输电技术是近年来开展起来的一种集电力技术、电力电子技术、微处理与微电子技术、计算机技术、通讯技术和控制技术为一体综合而成的用于控制交流输电的新技术。1986年美国电力专家N.G.Hingorani提出灵活交流输电技术的概念，迅速得到学术界和电力工业界的认同。各国电力科研单位、高等院校、电力公司和电力制造商都对此做了大量的投入，科技论文和研究报告大量涌现，国际性学术组织〔IEEE、IEC、EPRI、CIGRE等〕也召开各种专题性会议，以交流FACTS技术并促进其开展。1988年，根据用户配电网端电力电子技术的应用，N.G.Hingorani提出了用户灵活交流输电技术〔DFACTS〕的概念。背景IEEE对FACTS的技术支持自1986年起到1997年，为确定FACTS明确定义，IEEE的FACTS工作组设立了一个专题组〔TF〕负责综合FACTS技术概念的定义，1997年在IEEE的冬季会议上，TF提出一份报告，对FACTS做了一个概括性的定义。背景IEEE对FACTS的技术支持电力输送的灵活性是指可适应输电系统中各种变化或适应于可维持足够稳定状态和暂态裕度的运行条件的能力。FACTS即是指电力电子型或其它静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。FACTS控制器是可提供一个或多个交流输电系统参数的电力电子型系统和其它静止设备，可将FACTS控制器按与被控交流输电系统的联结方式分为并联联结、串联联结和串并联结三类控制器。背景并联联接的FACTS控制器蓄电池蓄能系统：

(BESS─BatteryEnergyStorageSystem)静止同步补偿器：

(SSC或称为STATCOM─StaticSynchronousGenerator)静止调相器：

(TATCON─StaticCondenser)静止同步发电器：

(SSG─StaticSynchronousGenerator)静止无功补偿器：

(SVC─StaticVarCompensator)静止无功发生或吸收器：

(SVG─StaticVarGeneratorAbsorber)静止无功系统：

(SVS─StaticVarSystem)超导磁能存储器：

(SMES─SuperConductingMagneticEnergyStorage)晶闸管控制的制动电阻器：(TCBR─ThyristorControlledBrakingResistor)晶闸管控制的电抗器：

(TCR─ThyristorControlledReactor)晶闸管投切的电容器：

(TSC─ThyristorSwitchedCapacitor)晶闸管投切的电抗器：

(TSR─ThyristorSwitchedReactor)无功补偿系统：

(VCS─VarCompensatingSystem)

背景串联联接的FACTS控制器静止同步串联补偿器：

(SSSC或S3─StaticSynchronousSeriesCompensator)晶闸管控制的串联电容器：(TCSC─ThyristorControlledSeriesCapacitor)晶闸管控制的串联补偿器：(TCSCOM─ThyristorControlledSeriesCampensation)晶闸管控制的串联电抗器：(TCSR─ThyristorControlledSeriesReactor)晶闸管投切的串联电容器：(TSSC─ThyristorSwitchedSeriesCapacitor)晶闸管投切的串联补偿器：(TSSCOM─ThyristorSwitchedCampensation)晶闸管投切的串联电抗器：(TSSR─ThyristorSwitchedSeriesReactor)背景串并联接的FACTS控制器相间功率控制器：

(IPC─InterphasePowerControlled)晶闸管控制的移相变压器：(TCPST─ThyristorContorlledPhaseShiftingTransformer)统一功率潮流控制器：(UPFC─UnifiedPowerFlowController)其它类型的FACTS控制器晶闸管控制的电压控制器：

(TCVL─ThyristorControlledVoltagedLimiter)背景TF分类的局限尽管上述划分具有较好的理论性和可接受性，但是由于FACTS技术日新月异的进步，新型FACTS元件不断涌现，使得上述TF报告尚不能全面地包括现在已发表或正处于研究阶段的所有FACTS元件及控制器。例如，电力有源滤波器APF〔ActivePowerFilter〕、灵活短路电流限制器〔FSCCL─FlexibleShortCircuitLimiter〕等。背景FACTS技术的兴起的技术原因和历史背景首先，电力输电网络的运行和开展中存在着各种困难，而FACTS技术为解决这些困难提供了技术上的保证。由于在电力工业生产中发电能源分布地域的广泛性，使发电中心与负荷中心有较长的地理及电气距离，长距离输电的自由潮流取决于电网结构，而自由潮流又常常是不经济的，而UPFC、TCSC等FACTS元件能够实现对网络结构或参数的灵活快速调节以控制输电网络上的潮流分布，大大地提高了输电可控性。电力网络的稳定问提始终是一个电力系统面临着的运行难题。由于系统的增大和电压等级的提高而使这个问题日益突出，而FACTS元件能够迅速调节系统参数以控制系统的稳定，大幅度提高了系统的稳定程度。交流输电线路为改变电网结构或断开故障，现阶段仍采用机械式断路器，而这种断路器速度慢、寿命短，而电子化的控制手段，能够实现机械式控制不可相比的动作速度，而且理论上可以无限制次动作而无磨损。随着社会的开展，资源的利用问题直接影响到电力系统的规划，如输电走廊的征用、环境问题的考虑等都使得原有电力输电网络的负担大大加重，因此，合理分配功率，提高输送能力和稳定极限的要求促使FACTS元件的研制有了一个飞速的开展。其次，FACTS技术的出现是对已有的交流输电系统做建设性补充，并兼容性的支持现有系统。背景DFACTS技术对用户的意义为用户提供节能降耗的方法保证电力系统电力供给的可靠性改善电力系统供电的电能质量提高用电设备的平安性减小用户用电设备对电力系统的影响消除来自其他用户用电设备的影响准确实现用户的电能计量以下介绍用户侧DFACTS设备的原理和应用无功补偿类谐波治理类节能设备类供电可靠类无功补偿技术无功补偿的背景随着区域电网互联的开展和负荷用电密度的增加，最大限度的发挥输电线路的设计容量和提高系统的运行稳定性的问题就日益突出。要解决该问题，首先要考虑系统的电压分布的情况。电力系统中的电压分布的情况和系统中的无功潮流分布的关系十分的密切。因此，为了要调整系统的电压分布，必须要调整系统中的无功潮流的分布。在电力系统中，任何的用电装置以及输配电设备都要占用一定的无功功率。这时无功电流的存在使得线路的总电流加大，所以相对的增大了输配电线路的有功损耗，从而造成了电压下降、电能浪费，进一步恶化了电力系统电能质量。由于电网中的负载绝大多数为感性负载，因而可采用并联电容器组来进行无功补偿。通过对并联电容器组的投切控制来进行无功补偿是一种简单易行的措施，并且已经得到了广泛的应用。系统的无功得到了补偿，系统的电压分布情况就会相对提高。并联无功补偿也是调整系统电压的常用措施之一。无功补偿技术无功的意义为负荷端电压与负荷电流的角差所产生。该角的余弦值定义为功率因数。无功补偿后负荷端电压与负荷电流之间无角差。功率因数为1。负荷相当于电阻性负荷。无功补偿技术无功补偿对于用户的意义国家的强制标准国家对于负荷端无功功率有明确的强制标准，一般功率因数不得低于0.9，低于局部目前采用要求用户支付无功电费的方式处理，高于0.95的，一般可以还得到相应的奖励。但注意：电网一般不希望过补偿形成电流超前于电压的情况。节能降耗的实际表达忽略公式推导，我们也可以理解无功补偿对于节能降耗的作用。如前述，当无功补偿实施后，我们可以得到一个相当于电阻性的负荷，就是说除了必要的有功功率外，多出来的其他局部都已经通过补偿解决，故而无功补偿显然具有节能降耗的效果。用户电压品质的保证如前述，用户侧由于感性无功功率的存在，将导致负荷端电压的下降，因此，无功功率的补偿可以对用户电压品质起到改善作用。无功补偿技术无功补偿技术的种类SVC：静止无功补偿器3.ASVG/Statcom：静止同步补偿器4.并联电容投切的无功补偿1.TSC：晶闸管投切的电容器2.无功补偿技术并联电容投切的无功补偿传统的静止并联无功补偿就是在被补偿的节点上安装电容器、电抗器或者它们的组合，用以向系统注入或从系统吸收无功功率。并联在节点上的电容器和/或电抗器通过机械开关按组别投入或退出。这种补偿方法有三个重要的缺点调节是离散的；调节速度非常缓慢，不能满足系统的动态要求；电压负特性，即当节点电压降低〔升高〕时，并联的电容注入系统的无功功率也降低〔升高〕。一般适用于用户负载固定、无功需求相对较稳定的网络中，通常不能动态地跟踪系统的无功功率的变化，而且还很有可能和系统发生并联谐振，从而导致了谐波的放大，因而并联固定电容的方法目前正逐渐被淘汰。无功补偿技术含电力电子技术的无功补偿随着功率半导体器件和微机控制技术的开展，用微机进行实时检测、跟踪负荷的无功功率的变化并且自动控制补偿电容的投切，就可以实现准确、快速的动态无功补偿，从而到达降低配电线路的线损、改善电网供电质量的目的。电力电子技术的无功补偿的开展经过了三个阶段：电子开关投切并联电容的TSC、采用晶闸管可连续调节无功的SVC、采用IGBT实现有源控制的Statcom。无功补偿技术晶闸管投切的电容器TSC─ThyristorSwitchedCapacitorTSC是由多个电容器组并联组成的，用反向并联的晶闸管阀作为投切开关，响应迅速〔20ms〕，可靠性高。电容器在接通期间，向系统注入的无功功率为无功补偿技术晶闸管投切的电容器TSC─ThyristorSwitchedCapacitor投入的时机一般选在电压过零点，但是切除后电容器的剩余电压在下一次投入时将产生冲击电流，因为假设每次投切时产生冲击电流会对电容器产生影响，故电容器一般选择自愈式电容，但随着使用时间的增长，电容值会发生变化。无功补偿技术晶闸管投切的电容器

TSC

─

ThyristorSwitchedCapacitor解决上述问题的方法一是采用放电线圈将电容器剩余能量消耗掉，当剩余电压为零后，再次投入依然在电压过零点投入即可。此方法的缺陷有二：一是消耗了能量，二是降低了TSC的响应速度，因为要将电容器的剩余电压降到可接受的值需要至少10分钟，也就是说，采用这种方法的TSC在10分钟内不能完成两次投入动作。第二种方法是把投入时机选择在系统电压与电容器剩余电压差最小时投入。这种方法检测电容器剩余电压与系统电压比对，在二者压差最小时投入，显然冲击电流将大为减小。应用上述方法TSC的响应时间在20ms。目前哈尔滨工业大学威瀚电子即采用此方法。投入点无功补偿技术晶闸管投切的电容器

TSC

─

ThyristorSwitchedCapacitor此外，可采取串联电抗器的方法限制冲击电流。这种处理方法还可以进一步调整为某个谐波频率的无源滤波器，在FACTS技术中称为FC或PF，显然，对于高次谐波滤波器，在工频50Hz上能够提供无功功率。多组TSC采用PF方式时，可以针对用户谐波的情况，在每组无源滤波器的配置上进行分配，以保证可对多种谐波的滤除作用。无功补偿技术晶闸管投切的电容器TSC─ThyristorSwitchedCapacitor由上可知，TSC补偿是一个固定的补偿值，在用户无功变化的情况下，会出现补偿缺乏或过补偿。这个问题可以通过增加TSC组数来实现，这使得补偿呈现阶梯效果。此外，TSC只能提供容性无功，也就是说，TSC是一个发出无功的设备，在负荷无功多余的情况下，不能吸收掉多余的无功功率。这个问题TSC是不能解决的。无功补偿技术静止无功补偿器SVC─StaticVarCompensatorSVC的构成形式有多种，但根本元件为晶闸管控制的电抗器〔TCR——ThyristorControlledReactor〕晶闸管投切的电容器〔TSC——ThyristorSwitchedCapacitor〕注意到，TCR是晶闸管控制的电抗器，也就是说，这是一种相控元件，晶闸管在其中的工作不仅仅是电子开关，它同时起一种调节器的作用。无功补偿技术静止无功补偿器SVC─StaticVarCompensator1978年GE公司第一台投入运行后，SVC成为解决无功和电压问题的主要设备。到上世纪末，全世界SVC的技术根本由Simens、ABB、Alstom、日本东芝公司承揽。主要应用于电力系统、电气化铁道、金属冶炼等领域。兴旺国家在上世纪80年代到90年代是应用SVC技术的顶峰时代，本世纪已趋于饱和，因此出现大量的产品输出。我国在本世纪初已掌握SVC的全部技术，目前市场上主要的产品来自鞍山荣信、中国国家电力科学研究院、清华大学FACTS中心等。无功补偿技术静止无功补偿器SVC─StaticVarCompensator根底原理图无功补偿技术静止无功补偿器SVC─StaticVarCompensator由上述的原理图可见，SVC中TCR局部的功能是吸收无功功率，TSC局部的功能是发出无功功率，那么，根据负荷端的实际需要，控制TCR晶闸管的导通角，就可以连续调节无功功率的输出或吸收。由上可知，SVC是一个连续的、可生成正负无功的装置。同时，SVC可以保证响应调节速度在20ms内。无功补偿技术静止无功补偿器SVC─StaticVarCompensatorSVC也具有一些缺陷，一是TCR的相控过程中，不可防止地出现大量的谐波，会影响到系统的电能质量。这个问题的解决方法是可以将TSC做成无源滤波器，以滤除TCR产生的谐波，一般的SVC都采用这种方法，TSC同时备用2、5、7、11次滤波器，其中2次是为了防止晶闸管半面导通引起的半波不对称。二是SVC本身也依然是无源的设备，同样存在着电压负特性问题。这个问题SVC无法解决，只能采用更高端的Statcom来解决。三是SVC的损耗比较大，这是由于功率电子管的导通压降、电抗器的铜耗和升压变压器的各种损耗所引起。这个问题要通过各种工艺设计来解决。无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorABB-250MVar~+80MVarSVC，纳米比亚无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensator目标电力系统和原理图无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorV-I曲线与电抗器无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensator运行效果无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensator主控制室无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorABB，Alaska，115kVSVC无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorABB，Alaska，115kVSVC，安装位置无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorABB，Alaska，115kVSVC，容量和接线无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorABB，WesternCanada，132kVSVC无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorABB，WesternCanada，132kVSVC，安装位置无功补偿技术静止无功补偿器

SVC

─

StaticVarCompensatorABB，WesternCanada，132kVSVC，技术参数无功补偿技术静止无功补偿器SVC─StaticVarCompensator目前国内已开始大量应用SVC，结合无源滤波器对电网、大型的冶炼企业进行无功和谐波的综合治理。“十一五〞期间，通过了“863〞应用工程研究的内容即包括上述的要点。用户应采用这种新技术实现节能降耗和保护用户端电压稳定。无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM

─

StaticSynchronousGenerator技术原理采用了基于直流侧电容电压控制和电流环反响控制，从瞬时有功和无功能量在系统中传递的角度出发，以保持直流侧电容电压和发出的电流为系统的无功电流为目标，建立了双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。控制方法无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM

─

StaticSynchronousGenerator西郊50MVarStatcom结构图无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM

─

StaticSynchronousGenerator链式主接线无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM

─

StaticSynchronousGenerator链式结构无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM

─

StaticSynchronousGenerator控制总框图无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM─StaticSynchronousGenerator补偿效果：在额定内，可以到达完全补偿，不过补且不欠补。补偿前补偿后无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM

─

StaticSynchronousGenerator动态补偿效果：响应迅速，无冲击电流。投入和退出过程动态跟踪过程动态跟踪过程无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM

─

StaticSynchronousGenerator输出的谐波量：谐波含量极低，符合各类标准。仿真实测无功补偿技术静止同步补偿器STATCOM─StaticSynchronousGenerator主要优势：补偿效果好，在额定容量内可以完全补偿动态响应快，可到达即时响应抑制电压波动和闪变能力强无冲击电流和操作过电压等输出无谐波成分补偿后可实现三相平衡可适当补偿局部特征次谐波需要时可提供一定的有功功率输出缺点：价格较贵。无功补偿技术几个结论无功补偿技术还处于不断发展中1.现阶段电容器直接投入的方式仍为主流2.SVC技术将在近两年有较大的实际应用3.以新型变流技术为主导的装置潜力巨大4.有源滤波技术谐波补偿的背景随着电力电子技术的开展，大量由电力电子开关构成的、具有非线性特性的用电设备广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域，如电解装置、电气机车、轧制机械、高频炉等，故国内外电网中的谐波污染状况日益严重。美国电力科学研究院EPRI最近的报告指出，全美因谐波等电能质量损失达几百亿美元。在低压配电网中这些谐波污染问题显得尤为突出，严重影响到各种类大型厂矿的正常生产，如钢铁、煤矿、化工、纺织等企业，以及IT和大规模微电子集成电路企业，造成产品报废，生产线停产，生产设备的寿命骤减甚至损坏。谐波补偿的目标即是通过有效的手段，减少谐波的生成和影响。有源滤波技术什么是谐波用一句话来说，就是与标准的三角函数不一致的波形。一般说来，采用傅立叶分解可以将这些波形分解成为工频的三角函数波形的倍数频率或分数次频率的波形的级数和。谐波补偿后波形应仅含有标准的、工频三角函数波形。波形中其它频次的三角函数波形含量应小于国家标准。有源滤波技术谐波治理对于用户的意义对用户用电可靠性平安性的提高谐波对于用户的用电设备有着极大的影响，谐波治理本身就是对用和自身用电可靠性的一个保证。供电的品质不仅仅在于电力部门提供的电能，也在于用户自身用电对电能质量的维护上。节能降耗的实际表达同样忽略公式推导，我们也可以理解谐波治理对于节能降耗的作用。如前述，当谐波治理后，我们仅剩下标准的工频波形，就是说除了必要的有功功率外，多出来的其他局部都已经通过补偿解决，故而无功补偿显然具有节能降耗的效果。用户电压品质的保证如前述，用户侧由于感性无功功率的存在，将导致负荷端电压的下降，因此，无功功率的补偿可以对用户电压品质起到改善作用。有源滤波技术谐波的危害使旋转电机和变压器过热、振动和噪声，降低变压器额定容量，缩短电机使用寿命使电力电容器组工作不正常，甚至造成热击穿损坏使线路损失加大、电缆过热、绝缘老化，严重时会使电缆“放炮〞影响电力系统中的发电机、调相机、继电保护和自动装置，严重时会引发设备误动作，造成重大事故使电能计量等产生误差严重干扰通信、计算机系统、高精度加工机械，检测仪表等用电设备的使用大大提高了电网谐振的可能损坏电网中敏感设备导致中线电流过大，造成中线发热甚至火灾有源滤波技术电力有源滤波器APF—ActivePowerFilter电力有源滤波器〔APF〕是通过监测实时谐波状况，在线计算出所含谐波分量，产生相应的控制信号，去控制可关断功率器件一般是IGBT构成的逆变电路，产生所需补偿的电流谐波分量，并联接入产生谐波的主回路中，到达迅速的动态跟踪抑制谐波的效果。在需要的情况下，还可以补偿局部无功。有源滤波技术有源滤波器的根本原理断路器合闸后，APF首先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电，这个过程是防止上电后对DC母线电容器的瞬间冲击。当母线电压Vdc到达额定值后，预充电接触器闭合。直流电容作为储能元件，通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。APF通过外部互感器采集电流信号送至控制PCB的谐波别离模块，该模块将基波成分别离，将谐波成分送至调节和监测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和ACTSine已发出的补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。有源滤波技术有源滤波器的结构有源电力滤波器变流器①计算及控制模块②高频输出电抗器③输出滤波电抗器〔可选〕④滤波电容器⑤系统控制电路⑥人机界面⑦通信系统〔可选〕⑧互感器接线端子⑨①②③⑤⑥⑦⑨有源滤波技术有源滤波与无源滤波的比较无源滤波器电力有源滤波器构造与原理由单调滤波器和高通滤波器组成的装置进行谐波补偿采用电力电子装置进行谐波补偿谐波补偿效果仅对某些次谐波有好的补偿效果好，当谐波成分变化时补偿效果变差不局限于某些次谐波的补偿，而且对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿电网阻抗的影响补偿特性受电网阻抗的影响很大补偿特性不受电网阻抗的影响谐振现象特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间发生并联或串联谐振，从而使谐波电流和电压放大与系统电网无谐振现象有源滤波技术有源滤波的主要技术谐波电流检测技术基于频域运算的方法瞬时空间矢量法自适应检测法神经网络实现的自适应检测法补偿电流控制技术滞环比较控制无差拍控制积分复位控制组合变流器载波相移控制直流侧电压控制技术PI控制神经网络控制APF逆变器拓扑结构软开关结构硬开关结构有源滤波技术谐波电流检测及直流侧电压控制根本原理：针对有源滤波器电流谐波分量检测运算复杂，且在负荷电流变化时出现电源电流畸变现象，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，提出了基于直流侧电容电压周期离散控制的新型有源滤波器控制方法。该方法可以在实现有源滤波器直流侧电压线性化控制的同时获得负荷电流有功分量，显著提高了APF补偿谐波的速度，能够有效地防止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。有源滤波技术补偿电流控制技术根本原理:该方法利用直流侧电压与电源电压的测量值,并根据平均电流模型可得到下一周期补偿电流的校正值。由校正值与滤波器输出电流测量值之和作为输出电流的反响值。该算法充分利用了直流侧电压与电源电压的信息，提高了补偿电流的补偿速度和精度。有源滤波技术有源滤波器应用场合各类变频设备不稳定负荷钢铁厂、有色冶金、港口机械、点焊机与电弧炉化工设备高精度自动化生产线各种整流设备、整流变压器各类恒温设备、微波炉中频炉通讯系统基站电脑、复印机、电梯、荧光灯、节能灯等照明负荷不间断电源(UPS)变频冷气机与中央空调有源滤波技术谐波治理案例供配电情况用户主要负荷为冶炼用中频炉，主要生产电机机壳等铸件。用户采用一台400kVA、10kV/0.4kV变压器进行供电实际用电情况经现场实际测量，用户实际用电情况如下：空载情况下，用户侧电压250V；满负荷运行时，用户侧电压235V；满负荷运行时，用电功率600kW；满负荷运行时，用电功率因数0.97超前；满负荷运行时，用电电流910A。有源滤波技术谐波治理案例APF投入前情况采用谐波表对中频炉各种运行状态进行了测量，同时读取用户配电柜表头数据，从设备刚启动到设备满负荷运行，在有源滤波器投入前后，分别得到的数据如下：负荷电流电压有功功率功率因数电压畸变率THDv电流畸变率THDi220A252V166kW0.60滞后6%30%400A240V300kW0.97超前7.3%28.3%905A235V600kW0.97超前10%24.5%负荷电流电压有功功率功率因数电压畸变率THDv电流畸变率THDi220A252V160kW0.80滞后5.8%7%400A240V300kW0.99滞后6%7.5%905A235V600kW0.99滞后7.5%8.8%有源滤波技术谐波治理案例录波波形有源滤波技术有源滤波器前景和市场用户在国家节能减排要求下促进了有源滤波器的市场现阶段大多数谐波源用户均采用了无源滤波设备有源滤波器市场的主要困难是价格问题国内自主技术的有源滤波器已逐渐形成规模现阶段正在出台相关的国家标准，有望实现强制性治理当前国内的主要厂家：西安塞卜、湖北追日、清华水木源、河南森源电气国外主要品牌：ABB、梅兰日兰、诺基亚等新型节电技术结构不尽合理，供需不够平衡存在浪费和利用用率偏低现象煤炭资源紧缺，价格大幅上涨节约电能的必要性及紧迫性我国能源现状

电容补偿技术可控硅技术变频技术抑制浪涌技术电磁调控技术

第一代

第二代

第三代

第四代

第五代新型节电技术现代节电技术的开展新型节电技术

省能及降低各类损耗

能源回收利用

提高设备运行效率节电技术的分类新型节电技术

稳压节电技术

谐波抑制技术本讲座讲解的节电技术新型节电技术针对于电网电能过剩供给通常由于用电设备距离电源较远，在用电顶峰期，势必引起电网供电线路末端电压下降。为了弥补这种损失，电网公司所输送的电网电压总是比用电设备所使用的额定电压高出一局部。另外，由于区域性用电负荷和不同时段用电负荷的不均衡性，造成了电压随时间和用电负荷变化而波动，电网电压不可防止地在有些时候高于用电设备的额定电压。这局部多出来的电压，就形成了电能的过剩供给，也就是通常说的“大马拉小车〞现象。过剩电压施加于用电设备时，会使用电设备长期工作在超负荷的状态下，这不但造成电力能源的浪费，还会直接缩短用电设备的使用寿命。因此，在保证用电设备正常工作的情况下，适当地降低电网输送的电压幅值，不仅解决了电能过剩供给的问题，节约了电能，也保护了用电设备。稳压节电技术新型节电技术

针对于各类负荷的电压静特性电热电炉等电阻性负载 电动机〔轻载状态下〕 整流设备及交流接触器等 白炽灯、荧光灯等 空调 稳压节电技术新型节电技术

谐波源电力电子装置，包括变速传动装置、不间断电源〔UPS〕、整流设备及整流变压器、逆变器、开关电源和晶闸管控制系统。电弧装置，包括点焊机、电弧炉、荧光灯、水银灯和节能灯等照明设备。饱和设备，如变压器、电动机和发电机等。轨道交通，地铁及磁浮等。各类变频设备和不稳定负荷。化工设备，钢铁厂，有色金属，港口机械，高精度自动化生产线等。各类恒温设备，微波炉。中频炉。通讯系统基站。电脑，复印机，电梯。变频冷气机及中央空调。谐波抑制节电技术新型节电技术

畸变功率当有谐波存在时，视在功率S不仅仅是由有功功率P和无功功率Q构成的。畸变功率〔伏安值〕D被定义来计算两者的差异：事实上，通常意义上的电能指的是能被人们所利用的有功功率P，而畸变功率D是无法被利用的。当畸变功率到达比较大的值时，它就变得不容无视。畸变功率的存在消耗了很多功率，造成了电能损耗。所以，谐波抑制技术的运用，减少了谐波所造成的不必要的电能损耗，起到了节约电能的作用。谐波抑制节电技术新型节电技术电压稳定调节器RVS〔RegulatorforVoltageStabilization〕谐波抑制器THS〔TrapforHarmonicSuppression〕通过可控硅触发角的控制，调节模块等值阻抗值，使负荷端电压稳定在理想值，减少用电设备有功功率的消耗。

通过抑制负荷零线给定次的谐波量，减少畸变功率的损耗。新型节电装置的组成新型节电技术电压稳定调节器RVS主电路调谐电容调制电感对极触发可控硅保护局部吸收回路①②③④⑤⑤新型节电技术RVS触发角定义

RVS稳态向量图

RVS参数选取

新型节电技术RVS算法——滤涉及同步处理数字滤波传递函数锁相环锁定相位并使幅值恒定为1A

同步处理新型节电技术算法——滤涉及同步处理效果线路电流Iline

滤出的基波电流I0

相位比较新型节电技术算法——电压自动稳定调节

U为负荷端实时电压，U0为基准电压；调节步长L0取0.0001s，即以1.8°为步长对可控硅触发角进行调节；累加器初值D0一般设为0.0015，即可控硅触发角初始值为27°。新型节电技术谐波抑制器THS主电路调谐电容调谐电感串联小电感保护局部吸收回路①②③④⑤新型节电技术R&T节电装置结构原理图新型节电技术RVS应用接线原理新型节电技术RVS工作特性线路电流IlineRVS两端电压U调谐电容电流Ic调制电感支路电流IT新型节电技术THS应用接线原理新型节电技术THS应用效果——线路电流未投入THS投入THSTHS的投入使用使得线路电流由原来的一个较大的尖脉冲变成了两个小的尖脉冲，大大降低了对系统的冲击。且幅值有很大的下降。线路电流的谐波量，尤其是三次谐波，得到了很好的抑制。新型节电技术THS应用效果——零线电流

未投入THS投入THSTHS的投入使用使电路零线的谐波分量大大减少，尤其是三次谐波量。零线电流幅值有很大的下降。新型节电技术R&T应用效果——线路电流未投入R&T节电装置投入R&T节电装置R&T节电装置的投入使用使得线路电流由原来的一个较大的尖脉冲变成了两个小的尖脉冲，大大降低了对系统的冲击。且幅值有很大的下降。线路电流的谐波量，尤其是三次谐波，得到了很好的抑制。新型节电技术R&T应用效果——零线电流未投入R&T节电装置投入R&T节电装置R&T节电装置的投入使用使电路零线的谐波分量大大减少，尤其是三次谐波量。零线电流幅值有很大的下降。新型节电技术节电效率计算

负荷端电压U(Vrms)239.41视在功率S(VA)35595.18负荷有功P(W)27712.56负荷无功Q(Var)12796.71畸变功率D(VA)18310.52D/S(%)51.44R&T节电装置未投入使用时的功率情况

大容量分布式开关电源负荷谐波问题比较严重，其产生的畸变功率占总功率的比重非常大。新型节电技术节电效率计算

R&T节电装置投入使用后的情况

负荷端电压U(Vrms)220210200触发角α(°)43.2046.8050.04视在功率S(VA)27361.4027628.2527197.64负荷有功P(W)24041.2221961.7116316.40负荷无功Q(Var)12060.6615394.0220651.79畸变功率D(VA)5020.606635.336854.95ΔD(VA)-13289.92-11675.19-11455.57D/S(%)18.3524.0225.20ΔP(W)-3671.34-5750.85-11396.16节电效率ηD(%)72.58363.7662.56ηP(%)13.2520.7541.12新型节电技术电动机节电效率计算

未使用R&T节电装置负荷有功P(W)6356.37

定子相电压U(Vrms)115110105使用R&T节电装置触发角α(°)42.6646.8048.96

负荷有功P(W)5219.584646.764120.53

ΔP(W)-1136.79-1709.61-2235.84节电效率ηP(%)17.8826.9035.17新型节电技术空调节电效率计算

电压(Vrms)242220198制冷有功P(W)349131342963制热有功P(W)644052215357ΔP(W)制冷-357-528制热-1219-1083节电效率ηP(%)制冷10.2315.12制热18.8316.82新型节电技术节电效果评价虽然上述计算的节电效果较好，但并不意味着上述技术真的可以到达如上理论的节电效果一是因为上述节电效果是针对一种单一负荷的计算，对于复杂负荷并不能将电压随意降低二是并非所有的负荷都含有谐波成分，而且除三及三的倍数次谐波外，其余频次谐波THS不起作用三是RVS运行到谐振区附近难以控制，故电压的运行点对RVS有所约束新型节电技术技术总结主要的节电技术包括以下几种：变频器、无功补偿、滤波技术、稳压技术、带通滤波、阻波技术等在“大马拉小车〞的运行方式下，变频器的节电效率最高，可到达40%—70%在设备正常运行方式下，任何原理的节电器的用户侧节电效率都不可能超过15%节电效率在7—12%的节电器技术已属于领先节电不能只关注用户电费，还应关注电力系统的情况现阶段无功节电是国家关注的主要内容谐波节电需要新的计量和国家标准的支持稳压节电是易于实现且易于度量的节电形式THS对于三次谐波起作用，有节电的实际效果新型节电技术节电器的前景和市场节电器市场一直处于稳步开展中各种节电器技术都离不开前述的几种形式节电器的效果与其市场销售价联系密切当前节电器市场存在两大问题，一是盲目吹嘘，二是电费分账的付款方式，这些有可能断送节电器市场开展国内的厂家林立，良莠并存国外品牌较少，通常只有变频器等高端设备可靠供电技术供电可靠问题的提出电力供给的可靠性主要在于电力的持续供给由于可能发生的电力故障，使得电力持续供给并不能获得完全的保证电力持续供给的中断包括：永久性断电、短时性断电、电压陡降、电压跌落、电压波动等在DFACTS技术中，可对供电可靠性提供解决方案，除永久性断电外，其余的问题可以得到一定程度的解决解决上述问题的DFACTS装置称为动态电压调节器可靠供电技术动态电压调节器DVR——DynamicVoltageRestorer通过测量系统电压与负载电压的瞬时值的差值，通过计算来决定补偿负载电压的大小，消除系统电压跌落、浪涌、闪变以及电压谐波对负荷的影响，解决负载电压稳定和负载动态电压质量问题。DVR着重于电压质量的改善，由于在补偿过程中仅需提供局部负荷功率，因此，补偿容量较小。DVR为解决配电系统电压质量问题提供了一种经济实用的解决方案。可靠供电技术动态电压调节器DVR——DynamicVoltageRestorer动态电压调节器的结构系统电压直流连接串联变压器充电支路电压源逆变器用户负荷可靠供电技术动态电压调节器DVR——DynamicVoltageRestorer动态电压调节器的特点治理目标为负荷侧电压质量问题。DVR主要针对系统电压的跌落和浪涌进行治理。当浪涌和跌落时，能在5ms内使负载电压恢复正常，并使系统电压在正负20％变化维持负载电压根本恒定。补偿容量小。电压变化局部的功率所占比重较小，装置仅需要补偿变化局部的功率。运行本钱低。系统电压正常时，装置可以工作于旁路状态可靠供电技术动态电压调节器DVR——DynamicVoltageRestorer三个单相逆变器构成的三相DVR可靠供电技术动态电压调节器DV