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電能質量治理亟待革新 解決低電壓從兩方面入手

時間:2016-01-22 點擊:


        關鍵詞:電能質量  低電壓  電力電子技術  

隨著電力體制改革的有序推進,新能源的接入以及電力電子技術的廣泛應用,使電力系統中的電源類型與特性,電網拓撲結構和負荷構成發生深刻變化,電力領域對電能質量的重視程度與日俱增。企業如何在電能治理市場中游刃有余,實現向整體設備制造和服務提供商的轉變,亟待思考。“第九屆電能質量高峰論壇”近日在北京召開,各路專家學者獻言獻策,提供電能質量的測量、分析、評估技術與方法,為電能質量治理企業指明方向。

電力體制改革催生電能質量治理新機遇

安徽大學教育部電能質量工程中心教授級高工李令冬:新一輪電力體制改革將使電能回歸其商品的屬性,理想商品的基本市場特征是安全、優質和低價,其中電能質量是關鍵。

新一輪電力體制改革的重點是回歸電能的商品屬性、形成市場決定電價的機制、以電價為中心引導資源的有效開發和合理使用。最大亮點是面向社會資本有序放開配售電業務、有序放開發電業務。

事實上,新一輪電力體制改革給電能質量技術與產業帶來了最大機遇。這些機遇表現在平等地參與電力需求側配售電、可再生能源與儲能的發電、負荷控制等業務的競爭。

同時,也迎來了挑戰。電能質量技術與產業面臨的最大挑戰是電力需求側結構變化、節能環保的壓力等對配電技術創新的需求;產業鏈延伸、規模擴大和激烈的市場競爭使企業面臨著新的轉型升級。

此外,可再生能源發電高密度接入電網,帶來對儲能發電與負荷控制的技術和產品的巨大需求,這已經成為當前電能質量技術與產業發展的主要關注點。

據介紹,有功控制技術是電能質量控制的關鍵技術,儲能發電是實現有功控制的主要手段。在分布式電源接入電網和負荷終端對有功控制的需求、儲能技術進步使其成本下降和強大的政策支持三大驅動力下,儲能發電產業已開始呈現爆發式增長趨勢。在未來的幾年內,儲能發電產業價值規模將在600億元/年左右,意味著龐大的市場下,有功控制技術將成為電能質量產業最重要的支撐技術。

濾波與無功補償技術同樣是電能質量控制的關鍵支撐技術。2014年全社會平均用電功率約為6.3051億千瓦,設無源無功補償與濾波裝置安裝容量約為平均用電功率的1.4倍,假設其價格為80 元/千乏,壽命20年,維護費用為2%,同時考慮我國用電量年增長率在4%左右等因素,近幾年無功補償裝置價值規模約為60億元/年左右。

有源動態無功補償裝置SVG的安裝容量約為平均用電功率的20%,假設其價格為160元/千乏,壽命15年,維護費用為2%,同時考慮我國用電量年增長率在4%左右等因素,近幾年SVG產業價值規模約為20億元/年左右。

近年來,市場擴大的同時,電力系統的改變,特別是分布式電源高密度地接入電網,對電能質量技術產生以下新的需求:負荷側同時也是電源側,電網結構復雜性和分布式電源的不確定性,使供配電系統的電能質量問題惡化,其中有功不平衡引起的電壓穩定、低頻振蕩、損耗增大問題尤為嚴重。而解決上述問題關鍵技術是儲能技術和有功補償技術。

目前我國電能質量產業發展整體產業規模大,單個產業規模小(多小于10億元);設備制造能力較強,但系統服務能力較弱;建成工程多,優質運行工程較少;解決局部問題工程多,整體解決方案的大工程少;同質化服務、低價競爭,利潤低下;技術上多局限于無功補償和諧波濾波。而以上六個問題歸結到一個問題就是系統服務能力弱。

那么如何解決這些問題?李令冬表示,電能質量技術與產業發展瓶頸的突破口是推進企業轉型升級。由單一的電能質量治理向電能質量治理、節電控制、提高供電可靠性、電網重構、故障診斷與預測、分布式電源并網控制等綜合控制發展。企業核心技術能力由擁有設備制造技術能力向同時擁有軟件開發能力和系統集成技術能力發展。

此外,企業需提高服務能力。即根據用戶具體個性化需求定制電能質量產品或解決方案,避免同質化大規模制造和服務,以降低用戶設備制造和服務成本并提高服務質量。

主動配電網電能質量產生新問題

國網福建省電力有限公司電力科學研究院電網技術中心系統分析室高工張逸:研究表明,對于目前的電網,當分布式能源(DER)滲透率達到15~20%時,必須增加系統的靈活性,通過對電網的實時管理,才能保證電力平衡和安全穩定性。

近年來,分布式能源推動了配電網的形態轉變。目前,由于分布式電源等接入,被動配電網方面,可再生能源發電功率難以預測,電網無法協調,導致供電質量下降。現有的措施只能靠提升變電容量,限制分布式電源的容量和出力。但是結果仍然是設備利用率低、供電經濟性差、強制棄風棄光等。為電能質量帶來各種隱患。

新能源的發展推動了被動配電網向主動配電網轉變。

區別于被動配電網,主動配電網內部具有分布式或分散式能源,且具有控制和運行能力。小規模分布式能源的接入只會影響配電網的單點或局部的運行,而大規模、高滲透率的分布式能源接入卻會影響電力系統的全局運行,并對配電網的電能質量帶來不容忽視的影響。

因此,主動配電網的轉變會對電能質量帶來新的問題。在電壓波動方面,配電網的電壓質量與無功電壓控制密切相關。

傳統配電網運行時是無源的,無功電壓控制模式相對簡單。當分布式能源接入配電網后,由于分布式能源設備具有間歇性、隨機性、非線性特征,這不但使得配電網 運行時的無功電壓控制模式相對復雜,而且還有可能導致配電網出現有功潮流反向和無功潮流的不確定性,進而影響電壓質量。

在諧波方面,區別于使用旋轉電機的傳統電源,利用電力電子裝置的分布式電源具有很強的非線性特性,其輸出電量波形包含較寬頻譜,若控制方式或出口濾波器設計不當,易造成電網的諧波污染。逆變器所使用的出口濾波電路易與電網參數發生諧振。高滲透率下光伏發電系統所有并聯運行的光伏微源須保持同步,否則各逆變光伏微源之間將存在很大的環流。

此外,在電能質量監測治理方面,多點多類型分布式電源接入的環境中,各分布式電源之間、分布式電源與非線性負荷之間又會相互影響。目前DFACTS設備多基于本地信息量進行控制,而且都是針對不同目標單獨設計和安裝的,設備之間缺乏協調配合各DFACTS設備可能與分布式電源之間相互作用。

為應對主動配電網建設帶來的電能質量問題,迫切需要新的控制手段。

據張逸介紹,主動配網可以通過分布式電源等可控元件,實現更精準的的柔性主動電壓控制、集群需求響應、實現系統級的主動功率控制、干擾源建模、諧波潮流計算、電壓暫降域分析、干擾源定位問題。

電力電子化給電能質量帶來三重挑戰

清華大學教授姜齊榮:FACTS與大功率電力電子技術的應用滿足電網發展,負荷增長以及對電能質量的提出新需求。

近年來,電力系統電力電子化趨勢明顯。先進電力電子技術智能化是建設智能電網的關鍵,也是今后世界各國電力系統電力電子技術發展的方向。從我國電網的基本情況考慮,各種基于電力電子器件的系統控制器將得到更廣泛的應用,柔性直流輸電技術和FACTS技術的日趨成熟,能在不增加輸電走廊的前提下充分利用現有輸電線路,提高傳輸容量和穩定性。

近年來,電力系統中的大功率電力電子技術正在逐步發展。電力電子技術正在上演著各種替代,電力電子器件成為一個常用元件,用電力電子開關代替傳統機械開關。此外,電力電子變流器作為整體工作,電力電子變流器可以通過并聯或串聯接入系統。

事實上,電力電子系統正在日益充斥于電力系統發、輸、配、用各個環節。例如,在發電領域,大量發電設備通過變換器接入分布式發電、使儲能調節特性發生大的變化。輸電方面,柔性交、直流輸電,傳統直流都需要更多的電力電子技術,來進行控制調節。

電力系統日益電力電子化,也為電能質量領域帶來了新的挑戰。首先,傳統電參量時間尺度過大,無法適應電力系 統發展需求。相量、有效值、有功、無功理論面臨挑戰。其次,電磁暫態穩定問題初步顯現,傳統機電暫態穩定發生變化(發電機、負荷等特性發生大變化)、電磁暫態穩定問題顯現,現有通信技術無法滿足電磁暫態穩定控制要求。再次,電力電子設備保護動作速度快于線路保護,短路后模型差別大,分析難且保護選擇性實現難度大。

姜齊榮表示,正是基于以上新的挑戰,電能質量正在引起廣泛關注。歐美電能質量問題每年造成巨大的損失,由于電壓暫降等,導致歐美每年各損失1200億美元以上。我國電能質量問題造成損失也在逐年增大,傳統工業領域電能質量問題仍突出。沖擊性非線性負荷多,電弧爐、變頻器、沖擊負荷等,電力電子設備的大量應用導致電能質量問題嚴重。

新能源、分布式發電惡化電能質量,微電網電能質量問題等。

因此,迫切需要廠家生產出響應速度快,有效抑制電壓波動與閃變,適應能力強-各種場合與負荷配合不發生諧波放大的產品。因為,目前的SVC、STACOM均有弱系統振蕩問題。此外,產品要求占地面積小,因為大部分場地已固定,征地困難;電壓偏低與偏高時均具備強的無功補償能力,運行可靠穩定,在系統沖擊、電壓暫降或升時均能運行;能同時治理諧波與不平衡等多種電能質量問題,運行節能。

解決農村配網低電壓應從兩方面入手

中國電力科學研究院教授級高工侯義明:無功補償可以改善電壓質量,提高功率因數,是電網節能措施。但農村電網處于電力系統的末端,無功電源先天不足,近年來,農村用電負荷迅速增大,農網無功需求及相應的損耗也隨之加大。

隨著農村經濟發展,造成部分農村電網低電壓。在農村電網造成低電壓的原因比較多,有時是單一原因作用,有時是多種原因組合作用形成。通過調查發現,造成農村低電壓的原因主要來自兩個方面:一是屬于硬件設施方面,即線路設備等原因產生的;二是屬于軟件方面,即運行管理方面不到位產生的。

據侯義明深入介紹,線路設備原因主要表現在,目前農村電網的現狀不能滿足農村發展的需要,設備狀況差、導線截面小、供電半徑大、無功補償不足。現在運行的線路建設時間較早,當時的技術要求和建設標準不能滿足現在農村的用電需求。雖然經過幾次農網改造,但相當一部分的線路還是比較陳舊、標準較低,亟須進行規劃建設。

變壓器布點不合理造成低電壓的問題不容忽視,主要是方案制定合理性影響或由于改造資金等原因而造成的。形成高壓不能深入負荷中心,低壓供電線路呈單方向放射狀,從而造成末端電壓偏低。

此外,調查發現,農村低電壓問題嚴 重的配電臺區內均存在無功補償不到位的現象,線路內就地分散隨器補償基本沒有,臺區集中補償裝置形同虛設,要么電容器已經損壞,要么就是沒有投運。

事實上,造成電壓低的原因除了設備的原因外,運行管理不到位也讓低電壓問題存在而得不到解決。主要表現為:三相負荷不平衡、高壓線路電壓偏低、需求側管理不到位。

以變壓器在三相負荷不平衡運行為例,由于變壓器繞組壓降不同,出口電壓不均衡,用戶端電壓更是三相偏差較大,電壓質量得不到保障。

侯義明認為,解決因負荷不平衡而造成電壓低的問題,首先是加強管理。在高峰負荷期間或負荷變化較大時對線路進行實際測量,取得了現場資料后進行合理調整。其次是改造電網,增加低壓四線覆蓋密度,掌握三相負荷分布的動態,合理設計電網改造方案。

不難看出,配網低電壓問題是綜合性的。侯義明表示,應從硬件和軟件兩方面入手。“低電壓”治理應根據變電站母線電壓、中低壓線路供電半徑及負載水平、配變臺區出口電壓、配變容量及負載水平、配變低壓三相負荷不平衡度、“低電壓”用戶數、低壓用戶最低電壓值、電壓越下限累計小時數等綜合分析問題產生原因,按照變電站、線路、配變臺區逐一制定整改措施。

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