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      應(yīng)用STATCOM抑制配電網(wǎng)的電壓暫降

      2014-06-23 02:44:16袁愿
      云南電力技術(shù) 2014年1期
      關(guān)鍵詞:限流電抗器并聯(lián)

      袁愿

      (廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司,廈門 361001)

      1 前言

      電壓暫降是指供電系統(tǒng)中工頻電壓有效值突然下降至額定值的10% ~90%[1],持續(xù)時(shí)間在0.5周波到1分鐘之間的電磁擾動(dòng)。在諸多電能質(zhì)量問題中,電壓暫降首當(dāng)其沖[2],已成為一種突出的電能質(zhì)量問題。隨著現(xiàn)代電力工業(yè)的快速發(fā)展和系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的重大變化,如變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器、自動(dòng)生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等電壓敏感設(shè)備的大量使用,暫態(tài)電能質(zhì)量問題引發(fā)的事故越來越多,歐洲某電力部門的調(diào)查結(jié)果表明:在因電能質(zhì)量引起的用戶投訴中,在工業(yè)化國(guó)家,電壓暫降已上升為最重要的電能質(zhì)量問題之一,目前已受到廣泛關(guān)注,電壓暫降分析與評(píng)估、抑制措施成為研究的熱點(diǎn)[3]。

      2 電壓暫降的產(chǎn)生原因與危害

      電壓暫降是由電力系統(tǒng)中某處電流突然增大造成的,其產(chǎn)生的原因涉及到電力系統(tǒng)和用戶兩方面,既可能源于系統(tǒng)故障,也有可能由用戶負(fù)荷運(yùn)行而產(chǎn)生。電壓暫降的故障原因非常復(fù)雜,有自然因素,也有人為因素,有供電部門系統(tǒng)保護(hù)的因素,也有設(shè)備原因和誤操作等因素,而典型的電壓暫降與系統(tǒng)故障及非正常電流上升的發(fā)生密切相關(guān),如短路、雷擊、開關(guān)操作、感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)、變壓器及電容器組的投切等都會(huì)引起電壓暫降[4]。

      調(diào)查和分析顯示,電力系統(tǒng)短路故障是引起電壓暫降的主要原因,其中輸配電系統(tǒng)單相接地短路故障是產(chǎn)生電壓暫降最主要因素。目前,輸電線短路故障引起的電壓暫降,已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者專家的廣泛關(guān)注。對(duì)于配電系統(tǒng)而言,線路主保護(hù)一般是分段式電流保護(hù),該保護(hù)的最大缺陷就是在線路故障時(shí)不能做到無延時(shí)地切除故障。即使是無延時(shí)保護(hù),其固有動(dòng)作時(shí)間也要6~9個(gè)周期。這樣就會(huì)造成故障線路母線及其附近區(qū)域的電壓降低。如果故障線路或其附近線路上接有敏感負(fù)荷,則在故障期間,線路上的敏感負(fù)荷將跳閘以至被迫退出工作。如果配電線路上再裝有重合閘裝置,由此引發(fā)的電壓暫降次數(shù)將成倍增加。配電系統(tǒng)故障引發(fā)的電壓跌落的幅值大部分都在30%額定值以下[5]。

      從總體上看,電壓暫降帶來的損失是巨大的,其危害性主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:第一、影響用電負(fù)荷的正常運(yùn)行,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失;第二、系統(tǒng)故障或大電機(jī)啟動(dòng)導(dǎo)致的電壓暫降較嚴(yán)重時(shí)將引起敏感負(fù)荷群的欠壓或失壓脫扣繼電器動(dòng)作,造成大面積負(fù)荷損失,由此引起的負(fù)荷沖擊會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾,并且在故障切除后系統(tǒng)出現(xiàn)的有功不平衡也容易引發(fā)頻率問題;第三,某些關(guān)鍵的用電負(fù)荷,如大型醫(yī)院、銀行、數(shù)據(jù)中心等往往是敏感負(fù)荷較為集中的區(qū)域,由電壓暫降導(dǎo)致的設(shè)備停運(yùn)有可能帶來人員受傷、設(shè)備損壞等。

      3 解決方案

      從不同技術(shù)路線考慮,可以將電壓暫降的解決方案歸納為以下三類:

      第一類為改善敏感設(shè)備自身性能。該方案主要采取提高用電設(shè)備的抗擾能力實(shí)現(xiàn)。終端用戶在設(shè)備訂貨合同上應(yīng)向設(shè)備制造商明確提出技術(shù)要求,使所購(gòu)設(shè)備具備一定的抗電壓暫降能力,也可以通過分析,調(diào)整電子裝置內(nèi)部某些環(huán)節(jié)參數(shù)來解決,如果電壓暫降是由于用戶大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的,則應(yīng)改進(jìn)啟動(dòng)方式 (如由全壓?jiǎn)?dòng)改為降壓?jiǎn)?dòng),由硬啟動(dòng)改為軟啟動(dòng))或增加公共連接點(diǎn)的短路容量來解決[9]。

      第二類為基于優(yōu)化供電系統(tǒng)配置的解決方案:主要包括減少公用電網(wǎng)故障次數(shù);通過在敏感負(fù)荷附近加設(shè)供電電源;采用母線分段或多設(shè)配電站的方法來限制同一回供電母線上的饋線數(shù)或在系統(tǒng)的關(guān)鍵位置安裝限流線圈,以增加與故障點(diǎn)間的電氣距離等改變供電方式;采用固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)SSTS縮短故障清除時(shí)間[1];加裝失壓脫扣裝置等。

      第三類是在系統(tǒng)側(cè)或負(fù)荷側(cè)加裝電壓補(bǔ)償設(shè)備。通常,主要可采取安裝不間斷電源 (UPS)、串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 (DVR)或STATCOM裝置實(shí)現(xiàn)。

      對(duì)上述各種方案的比較可知,采用固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)縮短故障清除時(shí)間、加裝UPS、安裝串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR和安裝STATCOM裝置是電壓暫降治理效果較好的四種方案。隨著系統(tǒng)中敏感用戶的增多,多用戶同時(shí)補(bǔ)償技術(shù)存在多個(gè)補(bǔ)償器相互配合、相互影響的問題,在考慮配電網(wǎng)電壓暫降綜合治理方案時(shí),采用從用戶側(cè)補(bǔ)償?shù)碾妷簳航狄种品桨笗?huì)大幅增加總投資和總損耗??紤]到大部分電壓暫降由系統(tǒng)故障引起,故從電壓暫降擾動(dòng)源側(cè) (系統(tǒng)側(cè))統(tǒng)一解決更加有利于提高配網(wǎng)暫態(tài)電壓質(zhì)量的整體水平。下面主要介紹系統(tǒng)側(cè)基于TATCOM的配電網(wǎng)電壓暫降抑制方案的原理及系統(tǒng)組成等。

      4 方案分析

      4.1 工作原理

      基于STATCOM的配電網(wǎng)電壓暫降抑制方案主要由并聯(lián)接入系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的STATCOM、升壓變壓器、限流電抗器、旁路開關(guān)組成。相對(duì)于串聯(lián)型電壓恢復(fù)器DVR方案而言,該系統(tǒng)可被認(rèn)為是一種并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 (也稱為PQIVR),通過快速、精確地注入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流以抵消電壓跌落部分從而實(shí)現(xiàn)電壓暫降的抑制效果。

      下面針對(duì)電壓暫降發(fā)生前后,對(duì)該方案工作原理進(jìn)行分析。圖1為簡(jiǎn)化后的配電網(wǎng)等效電路。其中,為配電網(wǎng)等效電壓,為敏感性負(fù)荷接入系統(tǒng)公共點(diǎn) (PCC)處電壓,為負(fù)荷電流,Zs為配電網(wǎng)等效阻抗,Ψ為系統(tǒng)阻抗角,ZL為敏感性負(fù)荷等效阻抗,φ為負(fù)荷阻抗角。

      圖1 敏感性負(fù)荷供電系統(tǒng)等效電路

      在電壓暫降發(fā)生前,存在如下關(guān)系:

      當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí),電壓暫降發(fā)生,假設(shè)此時(shí)配網(wǎng)等效電壓降低為,PCC點(diǎn)電壓降為,負(fù)荷電流變?yōu)?,則有:

      敏感負(fù)荷接入點(diǎn)處電壓暫降分量為:

      考慮加裝并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器抑制電壓暫降,提高PCC點(diǎn)處電壓,則配電系統(tǒng)等效電路如圖2,補(bǔ)償后,PCC點(diǎn)處電壓為

      圖2 加裝并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器后的供電系統(tǒng)等效電路

      此時(shí),PCC點(diǎn)處的電壓為:

      故安裝并聯(lián)型電壓恢復(fù)器后,電壓暫降分量變?yōu)?

      由 (6)、(7)式可知,當(dāng)安裝并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器后,負(fù)荷側(cè)電壓增大,電壓暫降分量減小,電壓暫降影響得到抑制,圖3為各變量的向量關(guān)系圖。

      圖3 各變量的向量關(guān)系

      同時(shí),由式 (5)可知,為增強(qiáng)電壓暫降抑制效果,可以通過增大STATCOM補(bǔ)償容量,并安裝串聯(lián)限流電抗器實(shí)現(xiàn)。式中,為STATCOM向系統(tǒng)注入的無功電流,表征補(bǔ)償容量,反映安裝串聯(lián)電抗器后的負(fù)荷電流,當(dāng)限流電抗器串聯(lián)入系統(tǒng)后,負(fù)荷電流減小,電壓暫降抑制作用增強(qiáng)。

      4.2 系統(tǒng)組成與工作過程

      圖4為并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的典型接線圖。系統(tǒng)主要由電壓恢復(fù)器、升壓變壓器、限流電抗器、免維護(hù)旁通開關(guān)組成。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 (即STATCOM)通過升壓變壓器連接至配電網(wǎng);免維護(hù)旁通開關(guān)為靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān),其開斷時(shí)間在1/4~1/2周波以內(nèi),當(dāng)電壓正常時(shí),其處于常閉狀態(tài);限流電抗器僅當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)接入系統(tǒng)。

      并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的主要作用是作為電壓支撐設(shè)備保護(hù)敏感用電負(fù)荷免受電壓暫降的影響,其基本工作過程為:當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到受保護(hù)的供電母線發(fā)生電壓暫降時(shí),動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器立即向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流,隨后免維護(hù)旁通開關(guān)斷開,限流電抗器接入供電系統(tǒng),動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器向受保護(hù)供電母線注入的補(bǔ)償電流由限流電抗器流向系統(tǒng),且在系統(tǒng)等效阻抗上產(chǎn)生一個(gè)電壓分量,從而提高敏感負(fù)荷供電母線的電壓;當(dāng)受保護(hù)的供電母線的電壓恢復(fù)至正常范圍內(nèi)時(shí),免維護(hù)旁通開關(guān)恢復(fù)閉合狀態(tài),限流電抗器被旁路,動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器向系統(tǒng)注入的補(bǔ)償電流降至0。

      圖4 并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器典型接線圖

      限流電抗器的作用是增大系統(tǒng)等效阻抗,降低負(fù)荷母線處短路容量,從而增大動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器對(duì)電壓暫降的補(bǔ)償作用。當(dāng)負(fù)荷側(cè)母線電壓需要達(dá)到較高的電壓提升時(shí),往往通過在供電饋線中安裝限流電抗器實(shí)現(xiàn),從而無需增加動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的額定容量,因此,限流電抗器有利于節(jié)省項(xiàng)目投資。在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)預(yù)期的電壓恢復(fù)程度及所接入系統(tǒng)的強(qiáng)弱,決定是否安裝設(shè)限流電抗器。

      動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能夠在數(shù)毫秒內(nèi)檢測(cè)到電壓變化情況,并及時(shí)響應(yīng)電壓暫降事件,且能夠?qū)γ舾胸?fù)荷母線電壓提供高達(dá)60%額定電壓范圍的電壓提升能力。由于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償,因此它也能夠在電壓暫升時(shí),發(fā)揮60%額定電壓范圍的電壓調(diào)節(jié)能力將電壓降低至正常水平[10]。

      此外,動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的直流側(cè)還可配置超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置,以發(fā)揮更大的電壓補(bǔ)償能力。

      與串聯(lián)型補(bǔ)償系統(tǒng)不同的是,動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的電壓暫降恢復(fù)能力不受負(fù)荷的影響。當(dāng)敏感負(fù)荷容量增大時(shí),該解決方案仍具有較好的抑制效果。

      5 結(jié)束語

      綜上所述,有效抑制電壓暫降不僅是提高供電質(zhì)量的重要內(nèi)容,也有利于保障電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。基于STATCOM的并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是抑制電壓暫降的最有效方案之一。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,基于STATCOM的電壓暫降抑制方案能夠有效保障瞬時(shí)電壓暫降發(fā)生時(shí)電壓敏感負(fù)荷的正常工作,從而避免重大損失。

      [1]IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility with Electronic Process Equipment[J] .IEEE Std.1346,1998.

      [2]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制 [M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.

      [3]肖遙,李澎森.供電系統(tǒng)的電壓下凹.電網(wǎng)技術(shù)[J].2001,25(1):73-77.

      [4]劉悅,李勇,劉金陵.電能質(zhì)量電壓暫降問題及應(yīng)對(duì)方案.山東冶金[J].2008,30(5):51-53.

      [5]艾芊.電能質(zhì)量講座第十二講 淺談電壓跌落.低壓電器[J] .2007,(24):58-63.

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