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电能质量治理亟待革新 解决低电压从两方面入手

时间:2016-01-22 点击:


        关键词:电能质量  低电压  电力电子技术  

随着电力体制改革的有序推进,新能源的接入以及电力电子技术的广泛应用,使电力系统中的电源类型与特性,电网拓扑结构和负荷构成发生深刻变化,电力领域对电能质量的重视程度与日俱增。企业如何在电能治理市场中游刃有余,实现向整体设备制造和服务提供商的转变,亟待思考。“第九届电能质量高峰论坛”近日在北京召开,各路专家学者献言献策,提供电能质量的测量、分析、评估技术与方法,为电能质量治理企业指明方向。

电力体制改革催生电能质量治理新机遇

安徽大学教育部电能质量工程中心教授级高工李令冬:新一轮电力体制改革将使电能回归其商品的属性,理想商品的基本市场特征是安全、优质和低价,其中电能质量是关键。

新一轮电力体制改革的重点是回归电能的商品属性、形成市场决定电价的机制、以电价为中心引导资源的有效开发和合理使用。最大亮点是面向社会资本有序放开配售电业务、有序放开发电业务。

事实上,新一轮电力体制改革给电能质量技术与产业带来了最大机遇。这些机遇表现在平等地参与电力需求侧配售电、可再生能源与储能的发电、负荷控制等业务的竞争。

同时,也迎来了挑战。电能质量技术与产业面临的最大挑战是电力需求侧结构变化、节能环保的压力等对配电技术创新的需求;产业链延伸、规模扩大和激烈的市场竞争使企业面临着新的转型升级。

此外,可再生能源发电高密度接入电网,带来对储能发电与负荷控制的技术和产品的巨大需求,这已经成为当前电能质量技术与产业发展的主要关注点。

据介绍,有功控制技术是电能质量控制的关键技术,储能发电是实现有功控制的主要手段。在分布式电源接入电网和负荷终端对有功控制的需求、储能技术进步使其成本下降和强大的政策支持三大驱动力下,储能发电产业已开始呈现爆发式增长趋势。在未来的几年内,储能发电产业价值规模将在600亿元/年左右,意味着庞大的市场下,有功控制技术将成为电能质量产业最重要的支撑技术。

滤波与无功补偿技术同样是电能质量控制的关键支撑技术。2014年全社会平均用电功率约为6.3051亿千瓦,设无源无功补偿与滤波装置安装容量约为平均用电功率的1.4倍,假设其价格为80 元/千乏,寿命20年,维护费用为2%,同时考虑我国用电量年增长率在4%左右等因素,近几年无功补偿装置价值规模约为60亿元/年左右。

有源动态无功补偿装置SVG的安装容量约为平均用电功率的20%,假设其价格为160元/千乏,寿命15年,维护费用为2%,同时考虑我国用电量年增长率在4%左右等因素,近几年SVG产业价值规模约为20亿元/年左右。

近年来,市场扩大的同时,电力系统的改变,特别是分布式电源高密度地接入电网,对电能质量技术产生以下新的需求:负荷侧同时也是电源侧,电网结构复杂性和分布式电源的不确定性,使供配电系统的电能质量问题恶化,其中有功不平衡引起的电压稳定、低频振荡、损耗增大问题尤为严重。而解决上述问题关键技术是储能技术和有功补偿技术。

目前我国电能质量产业发展整体产业规模大,单个产业规模小(多小于10亿元);设备制造能力较强,但系统服务能力较弱;建成工程多,优质运行工程较少;解决局部问题工程多,整体解决方案的大工程少;同质化服务、低价竞争,利润低下;技术上多局限于无功补偿和谐波滤波。而以上六个问题归结到一个问题就是系统服务能力弱。

那么如何解决这些问题?李令冬表示,电能质量技术与产业发展瓶颈的突破口是推进企业转型升级。由单一的电能质量治理向电能质量治理、节电控制、提高供电可靠性、电网重构、故障诊断与预测、分布式电源并网控制等综合控制发展。企业核心技术能力由拥有设备制造技术能力向同时拥有软件开发能力和系统集成技术能力发展。

此外,企业需提高服务能力。即根据用户具体个性化需求定制电能质量产品或解决方案,避免同质化大规模制造和服务,以降低用户设备制造和服务成本并提高服务质量。

主动配电网电能质量产生新问题

国网福建省电力有限公司电力科学研究院电网技术中心系统分析室高工张逸:研究表明,对于目前的电网,当分布式能源(DER)渗透率达到15~20%时,必须增加系统的灵活性,通过对电网的实时管理,才能保证电力平衡和安全稳定性。

近年来,分布式能源推动了配电网的形态转变。目前,由于分布式电源等接入,被动配电网方面,可再生能源发电功率难以预测,电网无法协调,导致供电质量下降。现有的措施只能靠提升变电容量,限制分布式电源的容量和出力。但是结果仍然是设备利用率低、供电经济性差、强制弃风弃光等。为电能质量带来各种隐患。

新能源的发展推动了被动配电网向主动配电网转变。

区别于被动配电网,主动配电网内部具有分布式或分散式能源,且具有控制和运行能力。小规模分布式能源的接入只会影响配电网的单点或局部的运行,而大规模、高渗透率的分布式能源接入却会影响电力系统的全局运行,并对配电网的电能质量带来不容忽视的影响。

因此,主动配电网的转变会对电能质量带来新的问题。在电压波动方面,配电网的电压质量与无功电压控制密切相关。

传统配电网运行时是无源的,无功电压控制模式相对简单。当分布式能源接入配电网后,由于分布式能源设备具有间歇性、随机性、非线性特征,这不但使得配电网 运行时的无功电压控制模式相对复杂,而且还有可能导致配电网出现有功潮流反向和无功潮流的不确定性,进而影响电压质量。

在谐波方面,区别于使用旋转电机的传统电源,利用电力电子装置的分布式电源具有很强的非线性特性,其输出电量波形包含较宽频谱,若控制方式或出口滤波器设计不当,易造成电网的谐波污染。逆变器所使用的出口滤波电路易与电网参数发生谐振。高渗透率下光伏发电系统所有并联运行的光伏微源须保持同步,否则各逆变光伏微源之间将存在很大的环流。

此外,在电能质量监测治理方面,多点多类型分布式电源接入的环境中,各分布式电源之间、分布式电源与非线性负荷之间又会相互影响。目前DFACTS设备多基于本地信息量进行控制,而且都是针对不同目标单独设计和安装的,设备之间缺乏协调配合各DFACTS设备可能与分布式电源之间相互作用。

为应对主动配电网建设带来的电能质量问题,迫切需要新的控制手段。

据张逸介绍,主动配网可以通过分布式电源等可控元件,实现更精准的的柔性主动电压控制、集群需求响应、实现系统级的主动功率控制、干扰源建模、谐波潮流计算、电压暂降域分析、干扰源定位问题。

电力电子化给电能质量带来三重挑战

清华大学教授姜齐荣:FACTS与大功率电力电子技术的应用满足电网发展,负荷增长以及对电能质量的提出新需求。

近年来,电力系统电力电子化趋势明显。先进电力电子技术智能化是建设智能电网的关键,也是今后世界各国电力系统电力电子技术发展的方向。从我国电网的基本情况考虑,各种基于电力电子器件的系统控制器将得到更广泛的应用,柔性直流输电技术和FACTS技术的日趋成熟,能在不增加输电走廊的前提下充分利用现有输电线路,提高传输容量和稳定性。

近年来,电力系统中的大功率电力电子技术正在逐步发展。电力电子技术正在上演着各种替代,电力电子器件成为一个常用元件,用电力电子开关代替传统机械开关。此外,电力电子变流器作为整体工作,电力电子变流器可以通过并联或串联接入系统。

事实上,电力电子系统正在日益充斥于电力系统发、输、配、用各个环节。例如,在发电领域,大量发电设备通过变换器接入分布式发电、使储能调节特性发生大的变化。输电方面,柔性交、直流输电,传统直流都需要更多的电力电子技术,来进行控制调节。

电力系统日益电力电子化,也为电能质量领域带来了新的挑战。首先,传统电参量时间尺度过大,无法适应电力系 统发展需求。相量、有效值、有功、无功理论面临挑战。其次,电磁暂态稳定问题初步显现,传统机电暂态稳定发生变化(发电机、负荷等特性发生大变化)、电磁暂态稳定问题显现,现有通信技术无法满足电磁暂态稳定控制要求。再次,电力电子设备保护动作速度快于线路保护,短路后模型差别大,分析难且保护选择性实现难度大。

姜齐荣表示,正是基于以上新的挑战,电能质量正在引起广泛关注。欧美电能质量问题每年造成巨大的损失,由于电压暂降等,导致欧美每年各损失1200亿美元以上。我国电能质量问题造成损失也在逐年增大,传统工业领域电能质量问题仍突出。冲击性非线性负荷多,电弧炉、变频器、冲击负荷等,电力电子设备的大量应用导致电能质量问题严重。

新能源、分布式发电恶化电能质量,微电网电能质量问题等。

因此,迫切需要厂家生产出响应速度快,有效抑制电压波动与闪变,适应能力强-各种场合与负荷配合不发生谐波放大的产品。因为,目前的SVC、STACOM均有弱系统振荡问题。此外,产品要求占地面积小,因为大部分场地已固定,征地困难;电压偏低与偏高时均具备强的无功补偿能力,运行可靠稳定,在系统冲击、电压暂降或升时均能运行;能同时治理谐波与不平衡等多种电能质量问题,运行节能。

解决农村配网低电压应从两方面入手

中国电力科学研究院教授级高工侯义明:无功补偿可以改善电压质量,提高功率因数,是电网节能措施。但农村电网处于电力系统的末端,无功电源先天不足,近年来,农村用电负荷迅速增大,农网无功需求及相应的损耗也随之加大。

随着农村经济发展,造成部分农村电网低电压。在农村电网造成低电压的原因比较多,有时是单一原因作用,有时是多种原因组合作用形成。通过调查发现,造成农村低电压的原因主要来自两个方面:一是属于硬件设施方面,即线路设备等原因产生的;二是属于软件方面,即运行管理方面不到位产生的。

据侯义明深入介绍,线路设备原因主要表现在,目前农村电网的现状不能满足农村发展的需要,设备状况差、导线截面小、供电半径大、无功补偿不足。现在运行的线路建设时间较早,当时的技术要求和建设标准不能满足现在农村的用电需求。虽然经过几次农网改造,但相当一部分的线路还是比较陈旧、标准较低,亟须进行规划建设。

变压器布点不合理造成低电压的问题不容忽视,主要是方案制定合理性影响或由于改造资金等原因而造成的。形成高压不能深入负荷中心,低压供电线路呈单方向放射状,从而造成末端电压偏低。

此外,调查发现,农村低电压问题严 重的配电台区内均存在无功补偿不到位的现象,线路内就地分散随器补偿基本没有,台区集中补偿装置形同虚设,要么电容器已经损坏,要么就是没有投运。

事实上,造成电压低的原因除了设备的原因外,运行管理不到位也让低电压问题存在而得不到解决。主要表现为:三相负荷不平衡、高压线路电压偏低、需求侧管理不到位。

以变压器在三相负荷不平衡运行为例,由于变压器绕组压降不同,出口电压不均衡,用户端电压更是三相偏差较大,电压质量得不到保障。

侯义明认为,解决因负荷不平衡而造成电压低的问题,首先是加强管理。在高峰负荷期间或负荷变化较大时对线路进行实际测量,取得了现场资料后进行合理调整。其次是改造电网,增加低压四线覆盖密度,掌握三相负荷分布的动态,合理设计电网改造方案。

不难看出,配网低电压问题是综合性的。侯义明表示,应从硬件和软件两方面入手。“低电压”治理应根据变电站母线电压、中低压线路供电半径及负载水平、配变台区出口电压、配变容量及负载水平、配变低压三相负荷不平衡度、“低电压”用户数、低压用户最低电压值、电压越下限累计小时数等综合分析问题产生原因,按照变电站、线路、配变台区逐一制定整改措施。