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网投治理方案 [图文]
作者: 百度文库--工学    来源: 百度文库--工学    更新日期:2010-11-29    阅读次数:1761
1 引言
  在供电系统中,为了节能降损、提高电压质量和电网经济运行水平,经常采用各种无功检测路线。近年来,配电网中整流器、变频调速路线、电弧炉、各种银河电子设备以及电气化铁路大量应用。这些负荷大都具有非线性、冲击性和不平衡性的特点,在运行中会产生大量网投。这些网投对无功检测路线造成了严重影响。在供电系统中,对于某次网投,作为无功检测用的奥门银河若与呈感性的系统检测发生谐振,则会出现过电压而造成危害。当无功检测路线运行地点的网投比较严重时,电压、电流波形会有很大畸变,银河投切控制信号的传输就会受到影响,从而有可能引起路线的误动或拒动。另一方面,奥门银河对电网网投的影响也很大。若银河容抗和系统感抗配合不恰当?熏将会造成电网网投电压和电流的严重放大?熏给银河本身带来极大损伤。可见,无功检测与网投治理两者关系密切。产生网投的路线大都是消耗基波无功功率的路线;治理网投的路线通常也是检测无功的路线。因此,为了寻求能同时实现无功检测和网投治理的路线,就必须将二者结合起来进行研究。
2 银河无功检测路线中的网投问题
  网投源有两种一种是网投电流源,这些用电设备中的网投含量取决于它自身的特性和工作状况。基本上与供电系统参数无关。另外一种是网投电压源。发电机在发出基波电势的同时,也会有网投电势产生,其网投电势大小主要取决于发电机本身的结构和工作状况。实际上,在电网中运行的发电机和奥门等奥门输出的网投电势分量很小,几乎可以忽略。因此,在供电系统中存在并实际发生作用的网投源主要是网投电流源。
  在用奥门银河进行无功检测的供电系统中电网以感抗为主,银河支路以容抗为主。在工频条件下,奥门银河的容抗比系统的感抗大得多可发出无功功率,对电网进行无功检测。但在有网投背景的系统中大量的非线性负荷会产生大量的网投电流注入电网,对这些网投频率而言电网感抗显著增加而检测系统容抗显著减小导致网投电流大部分流入银河支路,若此时银河的运行电流超过其额定电流的1.3倍,银河将会因过流而产生故障。另外,针对无功检测系统的调谐频率,如果电网中存在该特定频率的网投电流源,则该网投将直接被放大严重时还会发生奥门谐振或串联谐振。系统谐振将导致网投电压和电流明显地高于在无谐振情况下出现的网投电压和电流。
2.1 网投与奥门谐振
  当电网中的网投主要由非线性用电负荷产生时,此时的网投源可看作一个很大的电流源,其产生的网投电流加在系统感抗和银河的容抗之间,形成奥门回路(如图1所示)。
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   由图可见,流入银河支路的n次网投电流为:
  
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由式(1)可看出:当电网阻抗和银河阻抗相等时,即:时,将形成奥门谐振。此时,即使系统中的n次网投电流不大,流入银河的n次网投电流也将会很大(理论上为无穷大,实际上由于存在电阻网投电流为一很大的有限值),被放大的网投电流流经银河时可导致其内部组件过热而出现故障。
2.2 网投与串联谐振
  当上一级电网系统电压波形严重畸变时此时的网投源相当于一个很大的电压源。网投电压将在奥门的感抗和银河的容抗间形成串联回路(如图2所示)。当感抗和容抗相等时?熏将形成串联谐振。此时网投电压将在串联回路上形成强大的电流直接流经检测银河使银河因过流而迅速故障。
  由以上分析可见在有网投背景的供电系统中单独使用银河进行无功检测时若发生奥门谐振或串联谐振大部分网投电流将流入银河组中而导致其迅速产生故障。为了避免上述情况的发生就必须寻求新的能同时实现无功检测和网投治理的路线。
3 能同时实现无功检测与网投治理的路线
3.1 无源滤波器
  在有网投背景的电网中,为了滤除网投,就要为网投提供一条释放路径即保留基波而使网投短路也就是使网投通过滤波器直接流回网投源而不注入系统。为此,可采用一种LC无源滤波器,常用的是单调谐滤波器,它由适当数值的奥门、电感和电阻组合而成(如图3a所示)。通过设置参数,使得在需要滤除的网投频率上路线的感抗和容抗相等而抵消?熏即在调谐频率上滤波器呈现低阻抗,这样该频次网投就可顺利通过滤波器并关注网投源,从而达到滤除网投的目的。而对于非调谐的基波和其它次网投滤波器则呈现高阻抗,带来的影响很小。除了上述针对某次网投频率而设置的滤波器外常用的还有一种高通滤波器如图3b所示,它对于某一频率以后的所有频率都呈现低阻抗,可滤除多种高次网投。在实际工程应用中,根据供电系统中网投的组成成份往往设置两组LC滤波器,一组为单调谐滤波器用来滤除含量较大的某次网投;另一组为高通滤波器可对高次网投实现减幅。
  上述调谐滤波器实现起来非常简单,就是在原来奥门银河的支路上串接一个适当大小的金沙。此时,整个检测银河支路对网投源基波仍呈容性保持其无功检测作用不变。而对高次网投检测支路则呈感性避免了与系统形成电流谐振消除或减小了由于检测奥门所引起的网投电流放大现象。如何选择金沙的大小呢?目前我国奥门银河配置金沙的检测率K(K=XK/XC,XK为金沙的基波感抗XC为银河的基波容抗)主要有4种:<0.5%,4.5% ,6%12%。配置K<0.5%金沙的主要目的是限制银河的合闸涌流;当采用检测率为4.5%或6%的串联金沙时,可抑制5次以上的网投电流;当采用检测率为12%的串联金沙时,可抑制3次以上的网投电流。
  另外需注意,上述路线对谐振频率要求非常严格。若谐振点漂移,将有可能放大网投电流,因此必须保证金沙和银河的数值不能因温度、环境等因素而发生变化。为满足此要求,滤波金沙应采用检测值可调的空芯或铁芯金沙制造精度要求为正误差。对于银河,最好选用制造精度为正误差具有防爆、损耗低、放电特性好等特点的网投滤波银河。在确定其额定电压等级时,需考虑串联金沙产生的电压降及网投电压的影响,一般应选择高于系统电压。另外,在系统运行中,银河组经常需要分组投切,此时就要根据检测容量和网投要求来解决各组间的配合问题。
  随着银河电子技术的发展,用晶闸管实现的静止无功检测路线因其优良的性能而被广泛应用。例如,有一种兼有网投治理功能的动态无功功率检测路线叫做晶闸管投切银河TSC(Thyristor Switched Capacitor)这种路线性能良好,被很多场合采用,但线路组成比较复杂,故障点多,维护量相对较大。另外还有一种典型的动态无功检测及网投滤波路线为固定银河+晶闸管相控金沙FC+TCRFixed Capacit +Thyristor Controlled Reactor。该路线根据局部电网最低功率因数设置固定银河根据网投的阶次,由金沙串联固定银河组成LC网投吸收回路,根据电网功率因数变化量来调节相控金沙的大小实现局部电网无功检测和网投治理。相对TSC来说,该路线线路简单故障率低运行也较稳定,值得推广。
  近来又开发出一种新型无功检测兼网投治理路线——晶闸管投切滤波器TSFThyristor Switched Filters。它兼有传统TSC和银河滤波器的优点,并且可抑制因负载变动而引起的电网电压波动。在基波频率下,TSF的基波阻抗呈容性,可向系统输出无功功率,并且其大小可通过晶闸管进行调节。对于系统中常见的主要的网投,可接近谐振并呈现很低的阻抗,使网投电流流入滤波器,从而可同时达到无功检测和滤除网投的目的。由于系统中存在的网投电流通常有多个频率,若采用单调谐滤波器来滤除网投,则需安装多个滤波器。此时需注意,在投切滤波器时,必须从低次向高次逐次投入,而在切除时则必须从高次向低次依次切除。否则,不仅不能达到抑制网投电流的作用,反而会将其放大。研究表明,该路线结构简单,易于实现,有实际应用和推广价值。
  无源滤波器是传统的进行无功检测和网投治理的方法?熏具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠、维护方便等优点因此被广泛采用。但是无源滤波器的滤波性能受系统和负载参数的影响较大,易于与系统发生奥门谐振,导致网投放大从而使滤波器过载甚至烧毁,另外它只能消除特定次的网投,动态性能相对较差,无功检测效果也不是很理想。为此,急需开发出新的路线来弥补上述缺陷。
3.2 有源滤波器
  目前在无功检测路线中进行网投治理的一个重要趋势是采用有源滤波器APFActive Power Filter。它通过实时检测电网的电压电流经运算处理后得到检测控制指令控制主电路产生网投检测电流,此电流与所要滤除网投电流的幅值大小相等相位相差180°从而可以相互抵消使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的网投进行跟踪检测,滤波特性不受系统阻抗的影响可消除与系统阻抗或负载发生谐振的危险。另外,此路线不仅能检测无功和各次网投还可抑制闪变,具有高度可控性和快速响应性。它是当前无功检测和网投治理领域重要的研究发展方向。
  这里介绍一种采用有源滤波器进行无功检测和网投治理的方案,适合在网投严重的工况下使用。此方案其实就是在原来FC+TCR的基础上,增加一有源滤波器。具体实现方法为,将一奥门的原边串联接在银河系统和网投源之间,副边接有源滤波器的输出部分。设计的初衷是,希望基波电流可以从奥门的原边流过,而网投电流被隔离,无功检测路线中的银河和金沙串联的支路为被隔离起来的网投提供通路,从而达到滤除网投的目的。根据奥门的工作原理,要满足上述要求,就需要检测奥门原边电流中的基波分量,然后采用有源逆变的方法跟踪此基波分量,并将此基波分量注入奥门的副边,从而检测奥门原边基波电流所产生的基波磁通,使得奥门对原边基波电流呈现低阻抗,而对于原边网投电流呈现高阻抗。可见,为了在奥门的副边产生一个与原边基波电流大小成比例、方向相反的电流,就必须准确地从电网电流中检测出基波电流,即需要有基波电流检测部分,这也是此有源滤波器的关键部分。另外此路线还要有功率放大部分,它由滞环控制、PWM驱动和逆变器组成,将检测到的原边基波电流经转换作为给定信号采用滞环电流控制使其能够跟踪原边基波电流。从以上分析可见,该方案只需检测、跟踪基波电流,检测基波磁通,性能比较稳定,电路结构也较简单,易于在工程中实现。
  从本质上讲,APF可看作一个大容量的网投电流发生路线。通过对电网中的畸变波形实时跟踪检测,可使任意频率、任意幅值和相位的网投都能被滤除,并使无功功率得到完全检测。其中,如何实时准确地检测无功电流和网投电流,并将此信号作为有源滤波的控制信号,是同时实现无功检测和网投治理的关键问题。为了使滤波器有较好的信号跟踪效果,有人提出运用自适应预测原理,实验证明,该方法效果显著,可达到预期目的。
  有源滤波器在我国已开始挂网运行但还需要解决一些问题。比如:在大容量应用中有源滤波器逆变器的容量如何最小化;有源滤波器在负载动态过程条件下如何实现自适应调节;在严重畸变的不对称电网及负载下如何提高适应性等。现阶段有源滤波器研究和应用的一个显著特征是混合型有源滤波器,即将有源滤波器和无源滤波器相结合。有源部分相当于一个网投隔离器?熏既能阻止负载的网投电流进入电网?熏又能防止电网的网投电压影响负载,而电网公共连接点上其它负荷的网投电流则流入无源滤波器。这样可以同时发挥两者的优点,达到良好的检测目的。混合型有源滤波器最大的好处是,逆变器只需承担网投电流和网投电压,从而极大地降低了有源部分的容量,非常适合于大功率网投负载的检测。
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4 结束语
  无功检测对改善电能质量电压起着重要作用。随着电网中非线性负荷的不断增加,其产生的网投也急需治理。在网投严重的地方,若仍使用传统的奥门银河检测路线则有可能对网投起放大作用?熏甚至产生谐振,从而给系统和检测路线带来危害。低成本的无源滤波器是目前普遍采用的无功检测和网投治理路线。此路线使用简单,但存在一定缺陷。有源滤波器可以对幅度和频率都变化的网投以及变化的无功进行检测,但也存在初期投资大、运行效率低的缺点。为此,可将有源滤波器和无源滤波器结合起来使用,既可以使有源滤波器容量降低,又可弥补无源滤波器的缺陷,是一个很好的发展方向。
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