Transcript 电能质量问题分析与治理——中电普瑞科技有限公司

电能质量问题分析与治理
中电普瑞科技有限公司
任丕德（教授） 副总经理
2015年4月13日
中电普瑞科技有限公司是国家
电网公司全资组建的高新技术企业，同时挂
靠有国家发改委批准成立的输配电及节电技
术国家工程研究中心。公司拥有世界先进的
研发、试验及生产设备和手段，历经近二十
年的发展，已成为目前中国电力电子行业的
一面旗帜和电能质量全面解决方案的主要集
成商。
普瑞科技致力于灵活交流输电、电能质
量监测治理、可关断电力电子器件应用、新
能源接入等技术领域，提供集研发、试验、
制造、工程实施为一体的全套解决方案，不
断为输电网和工业配电客户提供优质的产品
与服务。
世界领先的电力系统
仿真实验中心
亚洲最大、世界领先的
电力系统电力电子实验室
国际一流的特高压
试验基地
世界首套1000kV固定串补装置
（南阳、长治1000kV固定串补装置）
世界首套750kV可控并联电抗器
（敦煌750kV可控并联电抗器）
世界首套500kV故障电流限制器
（瓶窑500kV故障电流限制器）
我国首套500kV固定串补装置兼世
界上补偿容量最大的可控串补工程
（伊冯500kV可控串补装置）
我国首套国产化500kV
直流融冰兼SVC装置
（益阳500kV融冰兼SVC装置）
我国首套国产化电网大容量SVC
（鞍山红一变 SVC装置）
静止无功补偿器（SVC）100余套
联众(广州)不锈钢有限公司160吨
交流电弧炉SVC工程
TCR容量达200Mvar居国产工业
配电网SVC容量之首
静止无功发生器（SVG）数十套
天津钢管有限责任公司
一期90吨交流电弧炉
125Mvar SVC工程
有源滤波器（APF）10余套
固态切换开关（SSTS）
动态电压恢复器（DVR）
迄今为止，普瑞科技荣获国家级奖、省部级奖、国家电网公司科
技奖等奖项共50余项，国家火炬项目1项。
2008年，“输电系统中灵活交流
输电（可控串补）关建技术和推广
应用”获国家科技进步一等奖
2006年，“静止无功补偿器核
心技术的研发及应用”获国家
科技进步二等奖
普瑞科技共获得授权专利60余项，其中发明专利20余项；2009年，
“一种可控串联补偿晶闸管的电子触发系统”获第十一届中国专利奖金奖。
党和国家领导人以及国家电网公司领导十分关注普瑞科技的发展，对普瑞科
技的自主创新最新成果给予了充分肯定和鼓励。
目录
一、电能质量基本概念
1. 电能质量基本概念
二、电能质量治理领域
2. 电能质量国家标准简介
三、电能质量治理典型案例
四、太阳能行业解决方案
电能质量基本概念
 电能质量问题的由来
随着国民经济的发展，用电负荷日趋复杂化和多样化，大量具有非线性、冲
击性和不平衡特性的负荷接入电网，电能质量日趋恶化；同时，现代工商业大量
使用的计算机系统、快速发展的高新技术产业对电能质量的要求却越来越高，尤
其是一些电能质量敏感企业一旦发生问题，会产生很大的经济损失。
电能质量涉及国民经济各行各业和人民生活用电，优质的电力可以提高用电设
备效率，增加使用寿命，减少电能损耗和生产损失，电能质量关系到电力可持续
发展，也关系到国民经济总体效益，是实现节约型社会的必要条件之一。
电能质量基本概念
 电力系统常见电磁现象
一个良好的电能应该是连续的，电源的电压和频率总是保持在允许
范围内，且电压和电流具有纯正的正弦波曲线。以下是电力系统中常见
的电磁现象。
电能质量基本概念
 电能质量指标
电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度
、暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降……
 电能质量指标特点
空间上、时间上不断变化
需要供、用电双方共同合作维护
一、电能质量基本概念
1. 电能质量基本概念
二、电能质量治理领域
2. 电能质量国家标准简介
三、电能质量治理典型案例
4. 电能质量工程治理典型案例
四、太阳能行业解决方案
输配电领域
14
工业领域
中厚板直
制造棒材 流电机和
的整流传 变频调速
动系统
电机
冷轧钢板 制造线材
直流电机 的整流传
和变频调 动系统
速电机
15
工业领域
制造型钢
的整流传 金属加工
动系统
炼钢炉
制造无缝
钢管的整
流系统
（交流电弧
炉、直流电
弧炉、精练
炉、中频炉）
16
工业领域
卸船机
石油
磕头机
港口门机
石油
海上平台
17
其它领域
18
不同负荷电能质量特点
 交流电弧炉
交流电弧炉是利用电弧能来冶炼金
属的一种电炉，电弧炉的冶炼过程分两
个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，
相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固
体，电弧阻抗不稳定。谐波含量大.电
弧炉的基波负序电流也较大，最大负
序电流都发生在两极短路时。交流电弧炉从系统吸收的有功功率、无功功率
大幅度变化，并引起电压水平降低、电压波动和闪变，降低了输入电炉的有
功功率，延长了冶炼时间，降低了钢产量。电弧炉在整个冶炼过程中功率因
数在0.1-0.9之间变化，平均功率因数较低。
不同负荷电能质量特点
 直流电弧炉
三相负荷基本平衡，负序电流减少；
谐波分量较少；
随着整流器相数的增加，谐波的频谱
向高次方向动；
产生的无功功率冲击略为同容量交流
电弧炉50% ；
直流电弧比交流电弧更加稳定，因此
，直流电弧炉引起的电压闪变很小。
20
六脉冲
15
十二脉冲
10
5
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18
不同负荷电能质量特点
 矿热炉
三相负荷基本平衡，负序电流减少；
谐波分量较少；
负荷波动不大，电压波动不大。
功率因数较低。
 精炼炉
三相负荷基本平衡，负序电流减少；
谐波分量较电弧炉少；
负荷波动不大，电压波动不大。
功率因数较低。
不同负荷电能质量特点
 电解铝
三相负荷基本平衡，负序电流减少；
谐波分量较少；
负荷波动不大，电压波动不大。
功率因数较低。
 中频炉
三相负荷基本平衡，负序电流减少；
谐波分量较大；
负荷波动不大，电压波动不大。
功率因数较低。
不同负荷电能质量特点
轧机
三相负荷基本平衡，负序电流减少；
谐波分量较大；
大型轧机负荷波动较大，电压波动较大。小
型轧机负荷不大，电压波动不大。
功率因数较低。
一、电能质量基本概念
1. 电能质量基本概念
二、电能质量治理领域
2. 电能质量国家标准简介
三、电能质量治理典型方案
四、太阳能行业解决方案
电能质量治理的流程
电能质量测试/评估
分析计算方案设计
治理设备
设备安装、调试运行
电能质量测试
 电能质量测试/评估
电能质量测试设备
电能质量测试/评估
电力系统仿真软件（PSCAD）
分析计算 方案设计
谐波潮流分析软件（PSAF）
治理设备-SVC
•静止无功补偿装置（SVC）
SVC是由静止元件构成的并联可控无
功功率补偿装置，其静止的含义是相对
于发电机、调相器等旋转设备而言。
SVC是通过改变其容性或感性等效
阻抗来调节输出，以维持或控制系统电
压和无功功率。
SVC主要类型有：
1.晶闸管控制电抗器（TCR）型；
2.晶闸管投切电容器（TSC）型；
3.晶闸管投切电抗器（TSR）型；
4.晶闸管控制高阻抗变压器（TCT）型；
•磁控电抗器（MCR）型；
•自饱和电抗器（SR）型；
TCR型和TCR/TSC组合型SVC是静
止无功补偿的主流。
TCR型SVC主接线图
治理设备-SVC
广
泛
应
用
于
电
气
化
铁
路
、
冶
金
和
输
电
网
治理设备-SVC
工作原理：
TCR由晶闸管控制的并联电抗器组
成，通过控制晶闸管阀的导通角来使
其有效电抗值实现连续快速变化，起
调节感性无功功率的作用。
滤波器支路中串联电抗器与电容器
串联谐振于特定谐波频率，对特定谐
i
波呈现低阻，实现谐波滤除功能。同
时，对50Hz工频呈现容性，在SVC
系统中提供容性无功。
u
TCR
i
0
e

α
2

3

1 cycle
TCR单相电路原理及波形图
装置组成
滤波电容器组
相控电抗器
晶闸管阀组
控制保护系统
治理设备-SVC
技术指标
额定电压：6~66kV
额定频率：50Hz
额定容量：0~300MVA
响应时间：<15ms
冷却方式：水冷/热管
负荷功率因数：0.95~1
治理设备-DVR
工作原理
DVR（Dynamic Voltage
Restorer动态电压恢复器）
是面向电力用户的串联型动态电能
质量调节装置。当电网发生某种电
压质量问题时，DVR会在5毫秒之
内向系统注入电网正常状态和故障
状态下的电压差，使得负载上的电
压保持恒定不变。
系统
负载
Vdvr
~
U sag
故障
U load
DVR
治理设备-DVR
技术指标
额定电压：
0.38~10kV
额定频率：50Hz
额定容量：0~4MVA
响应时间：<5ms
补偿时间：10s
负荷功率因数：0.5~1
补偿范围： 0.1-0.5p.u.电压总谐波畸变率：<5%
治理设备-SSTS
馈线1
主电源
固态切换开关SSTS（Solid
Static Transfer Switch）主
要用来解决电压跌落和电力短
时中断的问题。在主供电源出
现故障时快速切换至备用电源。
馈线2
备用电源
复合开关1
复合开关2
高速机械开关
PS1
高速机械开关
PS2
晶闸管阀TS1
晶闸管阀TS2
关键负荷
SSTS的电气主结构
治理设备-SSTS
技术指标
额定电压：0.38~10kV
额定频率：50Hz
额定电流：0~1000A
响应时间：<10ms
治理设备-STATCOM/SVG
500 kV Bus
STATCOM（STATic synchronous
220 kV Bus
COMpensator，即静止同步补偿器）基于
35kV
Sa
可关断电力电子器件，是柔性交流输电
iab
技术的主要装置之一，它代表着现阶段
Vga
电力系统无功补偿技术新的发展方向。
Vgc
Sc
B
相
0.5X
换流链
Rs
Spb
C
相
ica
ibc
0.5X
Spa
Vgb
Sb
A
相
0.5X
Rs
Spc
Rs
链节
vdca1
Va1
vdcaN
VaN
Con.N
Vb1
vdcb1
vdcbN
VbN
Con.N
0.5X
vdcc1
Vc1
vdccN
VcN
Con.N
0.5X
0.5X
静止同步补偿器-SVG
STATCOM的工作原理-无功输出
电网
V1
P, Q
I
容性
V2  V1
V2
X
I
V1
.
.
I
V1
.
jX I
.
V2
X
V2
电压源
换流器
I dc
.
感性
V2  V1
V2
X
I
V1
V1
.
I
P
VV
1 2
sin 
X
Q
.
V2
.
jX I
V1 V1  V2 cos  
X
Vdc
STATCOM
基本拓扑结构
通过控制电压源换流器（VSC）输出电压V2的
幅值和相角，调节装置无功输出。
静止同步补偿器-STATCOM/SVG
STATCOM的工作原理-换流链
链式STATCOM单相换流链结构
vs
Vdcn
单相换流链输出电压波形
Vdc2
Vdc1
t
PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的
技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形
（含形状和幅值）。
装置组成
集装箱成套设备
连接电抗器
换流链
控制保护
治理设备-STATCOM/SVG
技术指标
额定电压：3~35KV
额定频率：50Hz
额定容量：0~100Mvar
响应时间：<5ms
装置损耗：<1%
运行温度：－40°～ 40°C
最大调节范围：土100Mvar连续调节
治理设备-APF
APF（Active Power Filter 有
源滤波器）是一种用于动态抑
制谐波、补偿无功的新型电力
电子装置。它能够对大小和频
率都变化的谐波以及变化的无
功进行补偿。
治理设备-APF
技术指标
额定电压：380~690V
（可升压）
额定频率：50Hz
单台电流：300A
响应时间：<5ms
滤波范围：2~25次
开关频率：15kHz
无功补偿：模式可选
运行方式：多台并列运行
电能质量综合治理方案
电能监测 数据采样、分析
SVG/SVC 电压波动、闪变、不平衡、无功
无源滤波器 谐波、无功
DVR 电压暂降、波动、闪变
APF/FC 谐波、无功
SSTS 双电源切换
治理后电能质量测试
SVC应用案例：某钢厂高速线材(直流轧机)生产线
方案：在高压母线加装了5、7、11三组滤波器及1个TCR支路
•平均功率因数：
投运前0.7024，投运后为0.9599
•谐波电压总畸变率：
投运前2.966％,投运后为1.270％
•各次谐波电流：
5、7、11次谐波电流含
量大幅降低，满足国标要
求
 某钢厂120吨精炼炉SVC工程110kV治理效果案例
SVC投运前
电压波动：5%
电压闪变：Pst=2.08
冶炼档位：12档
每天炼钢：24炉
功率因数：0.78
SVC投运后
电压波动：0.5%
电压闪变：Pst=0.78
冶炼档位：16档
每天炼钢：27炉
功率因数：>0.95
每炉钢缩短冶炼时间6～8分钟，节能4.8%！
治理后电能质量测试
APF应用案例：某钢厂变频调速系统380V母线
方案：在380V母线加装了1组150A APF
APF补偿前母线电流波形
APF补偿后母线电流波形
治理后电能质量测试
DVR应用案例：某卫星制造厂10kV母线
方案：在10kV进线处加装了1套DVR
电网侧电压波形
负载侧电压波形
10kVDVR录波波形
10kVDVR现场照
片
STATCOM工程案例
某钢厂钢管生产线STATCOM
实际问题
无功波动大
需要响应速度快
需要调节母线电压
老厂房，场地有限
最终方案
10kV 2Mvar柜式
STATCOM
解决方法
测试确定补偿容量
动态响应速度<10ms
感性/容性补偿
紧凑化设计
STATCOM工程案例
电
DSTATCOM未投入
压
曲
线
DSTATCOM投入
一、电能质量基本概念
1. 电能质量基本概念
二、电能质量治理领域
2. 电能质量国家标准简介
三、电能质量治理典型方案
四、太阳能行业解决方案
光伏系列产品
光伏逆变器系列
并网逆变器
2.5KW 至 1MW
微电网逆变器
双向储能逆变器
10KW 至 500KW
25KW 至 100KW
功率预测软件
智能防雷汇流箱
光伏防雷汇流箱
监控软件
功率预测软件
监控软件
光伏系统应用
后台监控系统
光伏组件
储能介质及其管理系统
通讯
储能控制器
通讯
通讯
双向逆变器
双向
逆变器
后台监控系统
管理系统
管理系统
储能
控制器
储能
控制器
通讯
光伏组件最大功率跟踪
通讯
通讯
DC母线
通讯
通讯
通讯
通讯
通讯
多种储能介质协调控制
可控功率输出
无缝切换
光伏组件
超级电容管理器
锂电池管理器
铅酸电池管理器
管理系统
成组
超级电容器
工装
成组
锂电池
工装
成组
铅酸电池
工装
其它
成组介质
工装
光伏解决方案
太阳能组件
直流电缆
中电
普瑞
解决
方案
汇流箱
逆变器、变压器
监控系统
电网接入
公共电网
计量
光伏工程业绩
公司地址：北京市海淀区清河小营东路15号 邮编：100192
产业基地：北京市昌平区南邵镇南中路16号 邮编：102200
电话：010-82813888
传真：010-82813880
售后服务：4008-107-188
网址：www.epri.sgcc.com.cn/zdpr
邮箱：[email protected]