(惠州市鸿业电力有限公司 广东惠州 516008)
摘要:现代社会中,电能是一种最为广泛使用的能源,其应用程度标志着一个国家的科学技术和国民经济的发展水平。然而,随着电力电子技术的广泛应用和发展,供电系统中接入了大量的电力电子设备,使得电网的运行环境受到了不同程度的污染。从家用低压小容量的变流装置,到工业上广泛应用的调速电机、整流逆变装置,甚至大规模的高压直流输电设备,都会向电网注入谐波而产生谐波污染。另外,一些用电设备如电弧炉、轧钢机和电力动车等在使用过程中产生冲击性、波动性负荷,使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重,这些因素不仅会导致用电设备本身的安全性降低,还会严重削弱和干扰电网的经济运行,造成对电网的公害。因此,电能质量问题越来越受到关注。
关键词:电能质量;综合管理系统;应用
为了保证电网安全、稳定运行,提高电能质量,首先要对用电设备电能质量的电压、频率、谐波、三相不平衡度等电能指标进行实时监测和汇总分析,然后针对不同的电能质量问题采用相应的电能质量解决方案,如存在大量谐波采用有源电力滤波器治理。因此,有必要研发一种电能质量监测和控制综合管理系统,实现电能质量检测与控制、监测与电能管理、电气安全监测、能源管理等功能,有效的改善电能质量,最终达到安全和节能的目的。
一、电能质量的概念
电能质量是衡量电力企业基于公用电网为电能用户端提供的交流电能的品质特性。从理论层面来讲,通过公用电网输送到用户端的电能,其频率、正弦波形必须是恒定的,并且必须是标准电压。但实际生活中,有谐波源、冲击负荷和不对称负荷接入电网,通过下列几个名词可以对电能质量的概念有更深入的理解:
电压质量:实际电压和理想电压的偏差。通过电压质量可以衡量电力企业向电能客户输送的电能合格与否。
电流质量:该指标反映了与电压质量有密切关系的电流的变化,实际运行中对电流波形与供电电压相位有非常严格的限制条件,以确保高功率因素运行,提高电能质量,降低线损。
供电质量。该指标反映电压质量和供电可靠性,供电企业从客户投诉的反映速度来侧面衡量供电质量。
二、电能质量综合管理系统的总体结构
文中设计的电能质量综合管理系统的总体架构如图1所示。该系统平台继承了国内外多种工业现场通信规约,可支持第三方智能化设备或进口设备的接入。冗余的网络结构保证了网络数据传输的可靠性,先进的系统架构支持信息共享和WEB发布,采集的数据可通过Internet传送给市、省及国家级监管中心,实现远程调度监控管理。各种专家报表、谐波数据、电流曲线、报警记录等可自动生成,在很大程度上减轻了值班人员的工作量,提高了电能质量管理的工作效率。
图1电能质量综合管理系统结构
三、电能质量综合管理系统的硬件设计
电能质量监测及控制综合管理系统包含两大子系统,即电能质量监测子系统、电能质量控制子系统。其中,电能质量监测子系统是电能质量监测装置对厂区各变压器的电能质量进行实时监测;电能质量控制子系统是电能质量治理设备(有源电力滤波器APF、静止无功发生器SVG)对厂区设备产生的谐波污染及无功问题进行治理。
(一)电能质量监测子系统硬件设计
文中电能质量监测系统硬件框图如图2所示,由电流/电压采样模块、AD信号采样及DSP数据处理模块、研华PC104嵌入式模块、电源模块、键盘输入模块、通讯模块等构成。其中,DSP以TI公司生产的32位TMS320F2812pgfa芯片为数据运算处理核心,具有强大的数据处理能力和逻辑控制能力。
图2电能质量监测系统框图
从图2可以看出,三相电压、电流经过精密的电压、电流互感器转换后,经过信号调理电路输出适合AD模块采样的信号。AD模块将采样完成的数字信号送入DSP信号处理模块。然后,DSP信号处理模块采用数字滤波等方法对采样信号进一步处理,可通过快速傅里叶变换FFT等算法进行谐波分析,并将需要的各种电能质量数据送入到PC嵌入式模块进行数据分析并存储。
(二)电能质量控制系统硬件设计
采用有源滤波器APF和静止无功发生器SVG可以很好的解决供电系统电能质量问题。有源滤波器APF主要是解决系统中存在的谐波电流污染的问题,而静止无功发生器SVG主要是解决无功问题。
(1)有源电力滤波器硬件设计
有源电力滤波器APF主要包括三相输入电路、辅助电源电路、控制电路、驱动及变换电路等。如图3所示。其中,三相输入板为三相电压输入端连接RLC电路及主功率电路;辅助电源电路是以UC2844芯片为核心的反激多路输出电源,为整个电路中的继电器、运放等提供稳定可靠的5V、15V、24V工作电压;控制电路是以DSP+CPLD为核心芯片,通过检测到的电压、电流信号,实现对功率IGBT的开关控制以及整个电路的保护等功能,其中选用DSP为32位TMS320F2812pgfa,CPLD为altera系列EPM1270T144C5N,IGBT型号为FF150R12RT4;驱动以及变换电路是根据控制信号得到与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流并注入到配电系统中,实现抑制谐波,动态无功补偿。
图3有源电力滤波器硬件框图
(2)静止无功发生器硬件设计
静止无功发生器SVG系统主要由主电路、控制系统电路、驱动及保护电路组成。如图4所示。其中控制系统电路包括以DSP(TMS320F2812pgfa)为核心芯片的处理电路、电压和电流信号检测和调理电路、脉冲驱动电路等。如图所示,SVG系统通过采集三相电源侧电压和电流信号,逆变侧三相电流信号,直流侧电压信号,并经调理电路后送入DSP的A/D转换模块,DSP对信号进行调理和控制运算,得到输出指令信号,再输出相应的脉冲信号经外部驱动电路将信号放大后,驱动三相桥式变流器,输出可调电压,实现动态无功补偿。
图4静止无功发生器硬件框图
四、电能质量综合管理系统软件设计
图5应用实例为针对M市中烟某厂设计的电能质量综合管理系统,它不仅能实现实时检测稳态以及暂态电能质量指标,具有强大的数据处理能力,还具有远程控制APF设备和SVG设备的启动功能,以提高电能质量。该系统的人机界面采用三维力控组态软件设计完成,主要分为3个模块,分别为APF设备模块、SVG设备模块、监测设备模块。APF设备和SVG设备可对用电设备电能质量进行治理前后的各种指标实时检测以及数据分析,如图6中的(a)和(b)所示;监测设备是对厂区配电房中的变压器电能质量进行监测,如图(c)所示。APF设备、SVG设备和监测设备3个模块都具有以下功能:
(一)监测数据
主要是监测基本数据和谐波数据,包括三相电压(电流)的幅值、电压偏差、有功/无功功率、功率因数、频率、电压波动与闪变等电能质量指标。除此外,系统还检测电能质量指标包括三相基波电压、三相基波电流、三相基波的有功无功功率、暂态电压记录(如电压骤升、电压骤降、过电压、欠电压记录等)、短时闪变、长时闪变等。
(二)数据曲线模块
主要是将电能质量数据监测模块收集的数据进行汇总和分析,并生成综合管理图表。包括总电流变化曲线、无功功率变化曲线、有功功率变化曲线等功能。
(三)报表管理模块
主要是对统计的数据进行汇总形成统计报表并导出。其报表内容包括有功/无功功率、功率因数报表,基波电压电流、频率偏差、不平衡度综合报表等。
五、应用实例
(一)卷烟厂电能质量的分析和治理
卷烟厂的主要生产工艺包括制丝工艺和卷接包工艺。卷烟厂主要设备有制丝设备、卷接包设备、空调机组、空压机、制冷机组、水处理等动力部分的公用设备。这些设备产生的谐波含量较大,使电网环境受到污染。为精确了解M市某厂设备的用电电能质量,对厂区的一些设备进行测试并分析。
从表1中可知,采用有源电力滤波器APF对干冰线循环水泵产生的谐波进行治理,使畸变率从34.5%减小到2.6%,谐波电流抑制效果明显;采用静止无功发生器SVG对空压机进行无功补偿,使功率因数从0.86提高到0.97,无功补偿效果显著。谐波的消除和无功的补偿降低了配电线路和变压器的额外损耗,提高了设备的使用寿命,减少了后期的维护费用,解除了谐波引起的生产安全隐患,达到了安全和节能的目的。
六、系统的扩展方向
随着基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支,华为公司正式发布了端到端NB-IoT解决方案。基于NB-IoT框架,电能质量综合管理系统可以更容易突破物理位置限制和网络的链接限制,成为接入多点监测装置和设备的管理系统,降低终端点的安装要求,扩充系统的使用范围。
七、结论
通过电能综合管理系统在某厂中的应用案例可知,该系统能有效治理厂区配电网中大量谐波和无功缺额问题,降低了配电线路及设备的附加损耗,解决了由谐波和无功引起的电能质量问题,达到了安全和节能的目的,系统有较强的适用性和扩展性,值得广泛推广应用。
参考文献:
[1]王辉华.配电网电能质量提升研究[D].浙江:浙江大学,2012.
[2]姚岳,史新华,周茜.配电网电能质量及改善措施[J].大众用电,2016(4):31-32.
[3]刘书铭,李琼林,陈栋新,等.中高压配电网非线性用户的电能质量特性研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(15):150-155.
[4]彭卉,邹舒,付永生,等.冲击负荷接入电网的电能质量分析与治理方案研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(1):54-62.
论文作者:张捷兴
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/19
标签:电能论文; 质量论文; 谐波论文; 电压论文; 设备论文; 电路论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第8期论文;