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1、我国的暂态电能质量问题与快速动态补偿技术童陆园，姜齐荣，张春朋，李刚清华大学电机系，柔性输配电（FACTS研究所1. 引言电能质量的好坏直接关系到供电安全和用电设备的正常运行。电能质量问题按产生和持 续时间的长短被分为稳态电能质量和暂态电能质量两种。稳态电能质量问题以波形畸变为主 要特征，且持续时间通常大于1分钟，表现为过压、欠压、不平衡和谐波。暂态电能质量问 题以持续时间短为主要特征，表现为脉冲暂态和振荡暂态。以往注重的问题大多是稳态电能 质量问题，目前，我国的稳态电能质量有了显著的改善。然而，随着工业自动化的深入发展， 暂态电能质量问题越来越成为被关注的焦点。2. 暂态电能质量问题概述暂态
2、电能质量问题主要包括：电压暂降、电压暂升、电压中断、电压缺口、电压瞬变、 电压波动和电压闪变。电压暂降是指在工频情况下电压有效值效降低至标准供电电压的1090%，持续时间在 10ms1min。易发生电压暂降的场合有：雷击、系统故障、冲击性负荷或大电机启动等。电压骤升是指工频情况下电压的有效值升高至110180%，持续时间在10ms1min。易 发生电压骤升的场合有：系统故障（例如单相对地故障情况下的非故障相电压）或对大容量电 容器充电。电压中断是指供电电压到10%以下，持续时间不超过1min。易发生电压中断的场合有： 系统故障、设备故障、控制误动、电压骤降发展成中断（如变电所重合闸）。电压缺口
3、是指持续时间小于10ms的周期性电压扰动，电压缺口主要是电力电子装置由 一相换至另一相时，参与换相的电路瞬时短路造成的，它使电压波形在一个周期内有超过两 个的过零点，与电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量很困难。电压瞬变是指两个稳态之间的一种在极短时间内发生的变化，它可能是单方向脉冲，也 可能是阻尼震荡的第一个尖峰。电压波动指电压波动是指每半个基波电压周期均方根值的一系列变动或连续的改变，幅 度不超过标准供电电压的10%。电压闪变是指人的视觉所觉察到的由电压波动引起的光线变化，即人对光线照度波动的 主观视感。闪变值理解为一定频率、波形与强度这三种要素支配的电压变动水平的综合评估， 并
4、用持续一段时间的统计结果表示卓3. 我国暂态电能质量现状上述的暂态电能质量问题对不同用户的影响程度不同。军事、空间技术领域等对暂态电能质量问题非常敏感。例如2004年10月19日某时， 我国某军用机场发现电源出现瞬变干扰（如图1所示），A相电压在3.5ms内连续出现11次幅值过零，导致战斗机无法起飞。这种暂态电能质量问题对军事安排是一种潜在的干扰。U.U 四 U0.07750.02500.07750.D3000.03250.03500.0375图1某机场遭受的电压瞬变干扰豆*一3丘洼笙图2某钢厂电压暂降事件统计在工业自动化领域，最突出的问题是电压暂降。EPRI统计结果表明，美国每年因停电及 电
5、能质量造成15001900亿美元损失，其中电压暂降造成损失占90%以上。从国内用户投诉 的统计看，超过80%的问题是电压暂降造成的。图2所描述的是2005年夏天在我国某大型 钢厂的一段母线上捕捉到的电压暂降事件，可以看到仅在一个夏天中，该母线就发生了 16 次电压暂降事件，其中11次电压暂降到标准供电电压的70%以下。由此估算，整个钢厂每 年的电压暂降事件可能要数以千计。再推而广之，全国的电压暂降事件更是不计其数。所以， 变频器、通信设备、服务器等敏感负荷面临着很多威胁，据估计，80%服务器出现瘫痪以及 用户端45%数据丢失均与此有关。表1给出了部分负荷受电压暂降影响的情况肉表1电压暂降对负荷
6、的影响受影响设备电无眯落造成11勺影峋制冷屯子控心E 80 %时，控制器动作,将制冷电机切除.导 制器 1 fc的经济损失。芯片测试似电压 跄时,芯片烧毁,测试倪停止工作.其内 部屯子电踣主板故障F编程一控制电压50 时.PLC停I .:一些I 设备电压厂 耕PLC90呢fl持续仅凡个周波.被切除.蜻密和的相 由机器人控制对金属部件等精密加，为保证产 卷嚣I冽仇任成堆和安全，工作电压门槛值f 设为90%, 帐 具电压顷、持续时间2zr周期日L跳闸=直流电机电压*四 一电机说闸.损失1万美元次。研喧由和电压7。始、持续6个周期，切除VSDo精加防理世nn机电压90皿续 3个周期，电机跳闸B.、一
7、济垃瞄冥 电压50%持续I个周期，接触器被脱扣：电 春血瞄 压尊.撤端就会脱扣。计穿机 电压小。持绒a技个周期.数据丢关M电压暂降造成的最大损失在使用敏感设备的用户一方。为了保护用户的敏感设备，解决 方案有多种，包括：专用变电站、不间断电源(UPS)、静态转换开关(STS)、统一电能质量控 制器(UPQC)、动态电压恢复器(DVR)、静止无功发生器(DSTATCOM，等等。建设专用变电站投资很大，而且只能在一定程度上缓解电压暂降，不能从根本上避免电 压暂降对敏感负荷的影响。UPS 一般容量较小，运行维护费用也偏高。STS对机械旁路开关 的要求相当高，全球只有极少数厂家能够提供此类设备。UPQC
8、拓扑较为复杂，目前国内外 尚未推广应用。与上述几种方案相比，DVR和DSTATCOM 一次投资较小，运行维护简单，能 够有效的解决电压暂降问题，所以比较容易被国内的用户接受。DVR和DSTATCOM虽然原理 不同，但响应速度都是毫秒级的，都是快速动态补偿技术。4.1动态电压恢复器(DVR)DVR串联在敏感负荷的馈线中，通过快速调节输出的电压，来抵消系统电压暂降对敏感 负荷的不利影响，如图3所示。DVR的主体是基于IGBT的电压源型逆变器，辅以整流电路、 旁路开关等设备，如图4所示。图3 DVR示意图图4 DVR原理框图近几年，我国自主研发的DVR产品已经投入现场使用，有效的解决了电压暂降问题。
9、 一方面，保护了用户的敏感负荷，用户免受巨额的经济损失；另一方面，减少了用户对供电 部门的投诉。图5是在马钢气体分公司动力车间运行的DVR装置，用于保护其制氧机。2005 年12月26日13:40，系统三相发生不同程度的电压暂降，DVR正确动作，确保负荷侧供电 电压正常，如图6所示。(V) 300o o o o)o)o)o 302010-10-20-30 (V)系统电压负载电压图5马钢气体分公司的DVR装置图6电压暂降时受到DVR保护的负荷电压图7是运行在南京网板厂的DVR装置。2006年3月17日3月17日下午19时12分， 南京地区高压供电线路发生故障，引起不向程度的停电及电压跌落。网板厂
10、3#车间的牵引 电机受到DVR保护正常运行，而未安装DVR的其他四个车间的生产线全部停止运转，30分 钟后才逐渐恢复。图8给出了 3#车间的电压波形。图7南京网板厂的DVR装置图8电压4.2配电网静止无功发生器(DSTATCOM)DSTATCOM通常与冲击性负荷并联，通过快速动态无功补偿，减少冲击性负荷对相邻用 户的影响，如图9所示。图9 DSTATCOM示意图近几年，我国自主研发的DSTATCOM产品已经投入工业运行，显著改善了公共连接点的电能质量。图10给出了运行在辽宁中成鞍建钢厂的DSTATCOM装置，用于抑制电弧炉对公共电网的冲击。图11和12分别给出了 DSTATCOM投入前后，母线
11、电压波动和闪变的改善情况。EAF LFDSTATCOM图10用于电弧炉补偿的DSTATCOM装置图11 DSTATCOM投入前（左）和投入后（右），10kV母线A相电压有效值10.0 -I8.0 -6.0 -图124.0 -DSTATCOM昴3所示的是运行在鞍钢集团的入前后，10kV母线无功和闪变的变化情况ATCOM口低轧钢机对10kV母线的冲击，TATCOM产品，用于g以保证轧钢机变频设备的正常运彳0.00.05.010.015.020.025.030.0投运前，10kV母线电压波动范围为9.811kV，曾因电压波动太大导致轧钢机生产线故障停 产。DSTATCOM投运之后，电压波动范围缩小至
12、10.410.6kV，完全满足了安全生产的要求。图13用于轧钢机补偿的DSTATCOM装置DSTATCOM 轧钢机DVR与DSTATCOM相比，一方面，对电压暂降的补偿速度更快(约1ms)，补偿深度更深(可 补偿超过50%的电压暂降)；另一方面，DVR是串联在系统中，而DSTATCOM是并联在系统 中，所以对DVR的可靠性要求更高。不同的工业用户，可根据各自具体情况选择适合的快 速动态补偿手段。5.结论随着工业自动化的不断深入发展，暂态电能质量问题对供电部门和电力用户就越来越重 要，其中电压暂降问题尤为突出。我国已经具有了自主研发的DVR和DSTATCOM等快速动 态补偿产品，能够有效解决电压暂降等暂态电能质量问题，已经取得了良好的效果。我国已经是电力大国，正在继续向电力强国迈进。在此，提倡加强对我国暂态电能质量 问题的监测、统计和分析，对症下药，大力扶持快速动态补偿技术的自主研发和推广应用， 保障供用电的可靠优质。6.参考文献1 杨洪耕，肖先勇，刘俊勇.电能质量问题的研究和技术进展(四).电力系统自动化设备,2004, 24(1): 1-4.2 韩英铎，严干贵，姜齐荣等.信息电力与FACTS及DFACTS技术.电力系统自动化,2000, 24 (19): 1-7.金燕云，罗毅，涂光瑜.配电系统电压跌落问题的研究.继电器,2003, 31(10): 56-62.
