220KV地區(qū)變電站電氣一次設(shè)計,kv,地區(qū),變電站,電氣,一次,設(shè)計 電能質(zhì)量分析 案例研究：Kamiensk風(fēng)力發(fā)電廠 Jan Anuszczyk 羅茲理工大學(xué)電力工程學(xué)院 波蘭，羅茲 E-mail: jan.anuszczyk@p.lodz.pl Boguslaw Terlecki Kamiensk風(fēng)力發(fā)電廠 波蘭，羅茲 E-mail: Boguslaw.Terlecki@ewk.pl 摘要：本文涉及由風(fēng)力發(fā)電廠產(chǎn)生的，并在國家電力系統(tǒng)電能傳輸條件下的電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和法定要求。本次電能質(zhì)量評估是在Kamiensk風(fēng)力發(fā)電廠的基礎(chǔ)上，并考慮采取以下指標(biāo)：電源電壓，燈閃爍以及失真和高次諧波的電壓不對稱變化。通過進行以下的測量，已經(jīng)觀察到其電能質(zhì)量參數(shù)符合公共電力系統(tǒng)110kV電網(wǎng)中的電廠電力網(wǎng)絡(luò)的公共連接點的現(xiàn)行規(guī)定。 關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量，風(fēng)力發(fā)電廠 Ⅰ.簡介 風(fēng)力發(fā)電廠是電力系統(tǒng)中新的電力來源。他們都配有控制系統(tǒng)，同時也是造成諧波電流和電壓引入系統(tǒng)的干擾源。此外，他們對來源于電力系統(tǒng)的干擾有著很強的敏感（過電壓，電壓驟降，供應(yīng)電壓的不平衡等[4][6][7]）。為了分析一個選定的風(fēng)電場的電能質(zhì)量，現(xiàn)有30兆瓦的風(fēng)場配有15-2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機組的生產(chǎn)數(shù)據(jù)已被使用。從2007年11月15日，Kamiensk風(fēng)力發(fā)電就開始在波蘭電力系統(tǒng)中運行。一項政府的計劃目標(biāo)包括2007年5月4日財務(wù)部長對電力系統(tǒng)運行的詳細(xì)情況的條例，并且關(guān)心可再生能源的比例要在2014年達到10.4%的標(biāo)準(zhǔn)，在所有的可能性中，這將導(dǎo)致電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變，以確保質(zhì)量參數(shù)的定義，其中，由正弦交替電壓確定的有效值和頻率在其持續(xù)供應(yīng)時是已知的。[7]一個電力系統(tǒng)中各種干擾的發(fā)生將導(dǎo)致連接到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的已運行的設(shè)備出現(xiàn)不必要的寄生現(xiàn)象和進程。[1] [13] Ⅱ.電能質(zhì)量的重要性 Kamiensk電廠的一年半的運行確認(rèn)了所生產(chǎn)的電力的質(zhì)量有了明顯的利益的提高。造成這種利益提高的情況有以下原因：[10] [11] [12] ?電力的商業(yè)方面意味著質(zhì)量決定了所提供的商品的特征精確定義了數(shù)字參數(shù)。（能量銷售的范圍從批發(fā)價格到平常的市場價格，以及它在平衡市場中的份額） ?雖然歐洲議會和歐盟理事會在10年前就開始接受共同的指令來管理國內(nèi)電力市場，并在8年前就開始接受指令來管理國內(nèi)天然氣市場，但是25個歐盟成員國的利益紛爭卻造成了天然氣和電力買家難以進入市場。（雖然這兩種指令的親市場的解決方法在其新版本名為市場指令中得到了加強和擴大） ?不穩(wěn)定單位功率，非線性和對稱接收器數(shù)量的增加。其中有著越來越大技術(shù)潛力的電磁干擾源，例如：可控速度的激勵，靜態(tài)補償器——SVC，直流輸電系統(tǒng)——HVDC等等。一般來說，可以假設(shè)生產(chǎn)量的增加和形式越來越多樣化的發(fā)展不可避免的與電能質(zhì)量重要性的增加連接在一起。 ?電磁干擾接受電阻的降低（尤其是敏感信息技術(shù)設(shè)備的小型化，在很大程度上造成了干擾電阻的降低） ?用電動或混合動力驅(qū)動的汽車數(shù)量的增加，可能迅速（當(dāng)轉(zhuǎn)換器對供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的增加—充電電池系統(tǒng)是“不友好”時）創(chuàng)建一個新的電壓質(zhì)量的轉(zhuǎn)變。 ?失敗成本的上升。 ?盡管擁有無可否認(rèn)的優(yōu)勢，但節(jié)能產(chǎn)品的開展是許多的干擾源。 ?對系統(tǒng)運行有效性越來越嚴(yán)格的要求，并積極糾正引進的干擾技術(shù)的同步增長，例如：無功補償電容電池。 ?電磁環(huán)境保護有關(guān)的劣質(zhì)能量危害性的中和。 Ⅲ.電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn) 一個傳輸系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的操作人員應(yīng)為他們的消費者提供持續(xù)供應(yīng)和產(chǎn)品，即具有特定質(zhì)量參數(shù)的電能（除其他外，定義為正弦交流電的一個指定的有效值電壓和50赫茲的頻率）。在電力系統(tǒng)中發(fā)生的各種現(xiàn)象和過程妨礙實現(xiàn)這些基本要求。電能消耗的連續(xù)變化將導(dǎo)致頻率的變化。消耗量的改變和無功功率發(fā)電機導(dǎo)致不同的電壓值，并且相關(guān)變壓器和電源電壓的下降，這使得接受節(jié)點有可能保持不變的額定電壓值。許多接受由電力系統(tǒng)產(chǎn)生的能源的非線性接收器，例如電機和變壓器，都不能達到理想的電流和電壓正弦曲線。鑒于這一切，當(dāng)系統(tǒng)的運行狀況沒有故障和干擾時為耦合擬不動的。這意味著，圍繞額定50赫茲的頻率在這個層面上的振蕩偏差值等于幾十兆赫。此外，維持電壓在額定值的±10%的可接受范圍內(nèi)會受到阻礙。因此，維持電能質(zhì)量的額定參數(shù)需要系統(tǒng)和電力元件的調(diào)控。在歐盟和波蘭具有法律約束力的關(guān)于電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的文件是PN-EN 50160：“由公共配電系統(tǒng)進行供電的電壓特性”。[6]為了保持供應(yīng)系統(tǒng)和接收機的電磁兼容性，該標(biāo)準(zhǔn)被看作是電能質(zhì)量參數(shù)設(shè)置的方針。大多數(shù)消費者使用低壓網(wǎng)絡(luò)，并參照標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)邊界值。因此，價值在系統(tǒng)電能質(zhì)量問題中的定義已變得更加寬松。包括： ?供應(yīng)電源電壓值——根據(jù)電網(wǎng)的正常運行條件，每周95%的每十分鐘設(shè)置一次的有效值應(yīng)在±10%的額定電壓范圍內(nèi)，并且在PN-EN 500160:2002標(biāo)準(zhǔn)中定義的額定電壓的-15%到+10%范圍內(nèi)，這個標(biāo)準(zhǔn)同時還提到了平均十分鐘一次的有效值。 ?供應(yīng)電源電壓值的快速變化——它不應(yīng)該超過額定電壓的±5%，然而一天中額定電壓的一些變化可達到±10%，并且因為持續(xù)時間短可以接受。 ?光閃爍的嚴(yán)重程度——這是由于電壓波動造成的，并且很標(biāo)準(zhǔn)的根據(jù)每星期95%的2小時長期光閃爍指數(shù)確定的。 ?電壓諧波——在電網(wǎng)的終端，電壓諧波值在25日內(nèi)的兼容性不應(yīng)超過一周每十分鐘一次的95%的測量值的平均值。 ?電源電壓不對稱——95%的每十分鐘一次的平均負(fù)序分量測量值（至少一個星期獲得的）不應(yīng)超過正序分量測量值的2%。 ?電壓的信息傳輸信號施加在電源電壓上——經(jīng)過一整天99%的3秒鐘設(shè)置一次的平均電壓應(yīng)不超過9%的額定電壓頻率達到500赫茲，5%的介于1到10千赫之間，并且在一個下降的趨勢；從9%到5%之間在0.5~1千赫，5%到1%會大于10千赫茲。 ?電源電壓頻率——95%的每十秒鐘設(shè)置一次的平均值不應(yīng)超過頻率范圍49.5~50.5Hz。此外，每十秒鐘設(shè)置一次的平均值應(yīng)該完全不能超過47~52Hz。 ?電壓驟降——時間通常短于1秒，電壓降低很少低于60%額定電壓。電壓驟降發(fā)生在電廠由于其頻繁連接與網(wǎng)絡(luò)斷開時。 ?短時電力中斷——這些每年都會發(fā)生幾十次到幾百次，并且持續(xù)時間短于1s。 ?短時過電壓——它們是由于系統(tǒng)中一些特定的事件造成的。 Ⅳ.研究結(jié)果 A． 該研究范圍 在這份文件涵蓋的研究范圍 ?110kV電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量研究 ?30kV電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量研究 ?使用產(chǎn)生的無功進行分析 測量是在一座將Kamiensk風(fēng)力發(fā)電廠網(wǎng)絡(luò)與公共電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（即公共連接點）連接起來的30/110kV變電站的30和110kV母線上進行的。電能質(zhì)量的參數(shù)描述是按照具有法律約束力的規(guī)章要求進行測量和比較的。[5] [6]測量是通過電能質(zhì)量分析儀進行的，即萊姆生產(chǎn)的Topas 1000（110kV電力系統(tǒng)）和Memobox800（30kV電力系統(tǒng)）。這些器件的設(shè)計是根據(jù)PN-EN 50160的標(biāo)準(zhǔn)要求對電能質(zhì)量進行測量和評價的。 B． 質(zhì)量選擇指數(shù) 按照上述規(guī)定詳細(xì)的要求，能源質(zhì)量取決于供電電壓在公共電力系統(tǒng)中連接點的以下參數(shù)： ?電壓偏差 （1） 在中低壓電力系統(tǒng)中的電源電壓的有效值的變化應(yīng)該在90%至110%額定電壓之間。 ??不對稱因子 （2） ??相對h次諧波 （3） ?失真系數(shù) （4） 在中低壓電力系統(tǒng)中的失真度的可接受值達到了高壓電力系統(tǒng)中的8%和3%。 ?長期光閃爍指數(shù) （5） 長期光閃爍指數(shù)在低壓電力系統(tǒng)中為1，高壓電力系統(tǒng)為0.8。在低中壓電力系統(tǒng)中，較高次諧波的可接受值在[6]中表示。 C． 在110kV和30kV網(wǎng)絡(luò)中的電能質(zhì)量的研究成果 1) 在110kV網(wǎng)絡(luò)公共連接點的電能質(zhì)量的測量結(jié)果 這個測量是羅茲理工大學(xué)電力工程學(xué)院從2007年9月13日到2007年9月20日使用Topas 1000電能質(zhì)量分析儀進行的。測量結(jié)果和詳細(xì)的電壓參數(shù)評定在表一到表三中列出。 表一：電源電壓變化 表二：光閃爍的各項指標(biāo)（電壓波動） 表三：電壓畸變和不對稱的因素 選定的電源電壓質(zhì)量參數(shù)與時間的函數(shù)在圖1到圖2中列出。 圖1：測量時間內(nèi)相電壓UL1中的高次諧波的百分比 圖2：相電壓UL1中選定的高次諧波的相對變化值（率） 圖3介紹了按照要求在一個110kV供應(yīng)電壓公共連接點（在110kV母線的開關(guān)設(shè)備上）進行參數(shù)綜合評價的結(jié)果。[4]棕色的水平線相當(dāng)于每個標(biāo)準(zhǔn)電壓參數(shù)給予的邊界值。藍色條的長度表示給定參數(shù)集合中取得的最大值。紅色條的長度表示在測量時間內(nèi)不超過95%評價度的參數(shù)值。如圖所示，由開關(guān)提供的電壓參數(shù)符合規(guī)定的要求——紅條的長度不超過由橫線確定的邊界值。供電電壓質(zhì)量非常好，并且由藍條確定的參數(shù)的最大值短于相對應(yīng)的邊界值。在測量時間內(nèi)沒有發(fā)生任何由于超過額定電壓±10%組成的事故。 圖3：110kV網(wǎng)絡(luò)中的電能質(zhì)量的評定 圖4顯示由高次諧波攜帶的有功功率。與3,5和7次諧波有聯(lián)系的能量可能也有一定的意義。 圖4：高次諧波的有功功率 其他高次諧波的有功功率是很小的值。通過分析高次諧波的流動方向，可以觀察到5和7次諧波的主要來源位于外部網(wǎng)絡(luò)，而風(fēng)電廠是微不足道的三次諧波有功功率的來源（20W）。 2) 30kV網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量測量結(jié)果 測量是通過使用Memobox 800電能質(zhì)量分析儀的方法從2007年9月13日到2007年9月20日進行的。[2]與特定的電壓參數(shù)評估有關(guān)的全部測量結(jié)果在表四到表六中顯示。 表四：供應(yīng)電壓的改變 表五：光閃爍的各項指標(biāo)（電壓波動） 表六：電壓畸變和不對稱的因素 在30kV網(wǎng)絡(luò)中的供應(yīng)電壓的改變量的可接受范圍是額定電壓的±10%，對應(yīng)的相電壓的變化范圍是15607V到19075V。30/110kV的開關(guān)提供的全部電壓參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)PN-EN 50160的規(guī)定所述的要求。每發(fā)生電壓值低于15607V記錄一次電壓驟降。 在一次測量周期內(nèi)電壓驟降的可接受的次數(shù)為100次。在測量時間內(nèi)，8次電壓驟降被發(fā)現(xiàn)。電壓驟降是由于更高級網(wǎng)絡(luò)（公共電力系統(tǒng)）的干擾造成的。類似于110kV網(wǎng)絡(luò)的電壓參數(shù)評估結(jié)果，30kV電力網(wǎng)絡(luò)的電壓綜合評定結(jié)果在圖5中表示（圖中的描述與圖3的情況一致）。 圖5：30kV網(wǎng)絡(luò)電能質(zhì)量評估 鳴謝 在Kamiensk風(fēng)電廠110kV網(wǎng)絡(luò)和公共電力系統(tǒng)的公共連接點處的電能質(zhì)量的描述的參數(shù)值符合具有法律效果的規(guī)定所定義的要求。在供應(yīng)電壓測量期間，沒有發(fā)生任何由于超過額定電壓±10%組成的事故。然而，一個電廠的運行可能受到其他的來自更高級公共電力系統(tǒng)中的干擾（如短路，連接活動）的影響，并且造成如在30kV網(wǎng)絡(luò)中可以注意到的電壓驟降或網(wǎng)絡(luò)中短期Pst和長期Pit的光閃爍指數(shù)值的增加。綜上所述，Kamiensk風(fēng)電廠對公共電力系統(tǒng)的共同連接點的電能質(zhì)量的影響是微不足道的。Kamiensk風(fēng)電廠具有95%的可能性成為提供可用于當(dāng)?shù)?10kV網(wǎng)絡(luò)電壓調(diào)節(jié)過程中的15MVar無功功率的潛在來源。為此，應(yīng)該在每一個渦輪機中配備適當(dāng)管理系統(tǒng)的直流/交流轉(zhuǎn)換器。