220KV地區(qū)變電站電氣一次設(shè)計(jì)

220KV地區(qū)變電站電氣一次設(shè)計(jì),kv,地區(qū),變電站,電氣,一次,設(shè)計(jì) 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(guó)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(píng)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(duì)稱變化。通過(guò)進(jìn)行以下的測(cè)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(diǎn)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(jiǎn)介 風(fēng)力發(fā)電廠是電力系統(tǒng)中新的電力來(lái)源。他們都配有控制系統(tǒng)，同時(shí)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(duì)來(lái)源于電力系統(tǒng)的干擾有著很強(qiáng)的敏感（過(guò)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(gè)選定的風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量，現(xiàn)有30兆瓦的風(fēng)場(chǎng)配有15-2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(kāi)始在波蘭電力系統(tǒng)中運(yùn)行。一項(xiàng)政府的計(jì)劃目標(biāo)包括2007年5月4日財(cái)務(wù)部長(zhǎng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)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(dá)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(shí)是已知的。[7]一個(gè)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(yùn)行的設(shè)備出現(xiàn)不必要的寄生現(xiàn)象和進(jìn)程。[1] [13] Ⅱ.電能質(zhì)量的重要性 Kamiensk電廠的一年半的運(yùn)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(jià)格到平常的市場(chǎng)價(jià)格，以及它在平衡市場(chǎng)中的份額） ?雖然歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)在10年前就開(kāi)始接受共同的指令來(lái)管理國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)，并在8年前就開(kāi)始接受指令來(lái)管理國(guó)內(nèi)天然氣市場(chǎng)，但是25個(gè)歐盟成員國(guó)的利益紛爭(zhēng)卻造成了天然氣和電力買家難以進(jìn)入市場(chǎng)。（雖然這兩種指令的親市場(chǎng)的解決方法在其新版本名為市場(chǎng)指令中得到了加強(qiáng)和擴(kuò)大） ?不穩(wěn)定單位功率，非線性和對(duì)稱接收器數(shù)量的增加。其中有著越來(lái)越大技術(shù)潛力的電磁干擾源，例如：可控速度的激勵(lì)，靜態(tài)補(bǔ)償器——SVC，直流輸電系統(tǒng)——HVDC等等。一般來(lái)說(shuō)，可以假設(shè)生產(chǎn)量的增加和形式越來(lái)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(dòng)或混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的汽車數(shù)量的增加，可能迅速（當(dāng)轉(zhuǎn)換器對(duì)供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的增加—充電電池系統(tǒng)是“不友好”時(shí)）創(chuàng)建一個(gè)新的電壓質(zhì)量的轉(zhuǎn)變。 ?失敗成本的上升。 ?盡管擁有無(wú)可否認(rèn)的優(yōu)勢(shì)，但節(jié)能產(chǎn)品的開(kāi)展是許多的干擾源。 ?對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有效性越來(lái)越嚴(yán)格的要求，并積極糾正引進(jìn)的干擾技術(shù)的同步增長(zhǎng)，例如：無(wú)功補(bǔ)償電容電池。 ?電磁環(huán)境保護(hù)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(gè)傳輸系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的操作人員應(yīng)為他們的消費(fèi)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(gè)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(guò)程妨礙實(shí)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(wú)功功率發(fā)電機(jī)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(diǎn)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(jī)和變壓器，都不能達(dá)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(yùn)行狀況沒(méi)有故障和干擾時(shí)為耦合擬不動(dòng)的。這意味著，圍繞額定50赫茲的頻率在這個(gè)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(huì)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(jìn)行供電的電壓特性”。[6]為了保持供應(yīng)系統(tǒng)和接收機(jī)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(fèi)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(jià)值在系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)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(yùn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)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(guò)額定電壓的±5%，然而一天中額定電壓的一些變化可達(dá)到±10%，并且因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間短可以接受。 ?光閃爍的嚴(yán)重程度——這是由于電壓波動(dòng)造成的，并且很標(biāo)準(zhǔn)的根據(jù)每星期95%的2小時(shí)長(zhǎng)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(guò)一周每十分鐘一次的95%的測(cè)量值的平均值。 ?電源電壓不對(duì)稱——95%的每十分鐘一次的平均負(fù)序分量測(cè)量值（至少一個(gè)星期獲得的）不應(yīng)超過(guò)正序分量測(cè)量值的2%。 ?電壓的信息傳輸信號(hào)施加在電源電壓上——經(jīng)過(guò)一整天99%的3秒鐘設(shè)置一次的平均電壓應(yīng)不超過(guò)9%的額定電壓頻率達(dá)到500赫茲，5%的介于1到10千赫之間，并且在一個(gè)下降的趨勢(shì)；從9%到5%之間在0.5~1千赫，5%到1%會(huì)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(guò)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(guò)47~52Hz。 ?電壓驟降——時(shí)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(kāi)時(shí)。 ?短時(shí)電力中斷——這些每年都會(huì)發(fā)生幾十次到幾百次，并且持續(xù)時(shí)間短于1s。 ?短時(shí)過(guò)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(wú)功進(jìn)行分析 測(cè)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(diǎn)）連接起來(lái)的30/110kV變電站的30和110kV母線上進(jìn)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(jìn)行測(cè)量和比較的。[5] [6]測(cè)量是通過(guò)電能質(zhì)量分析儀進(jìn)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(jì)是根據(jù)PN-EN 50160的標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)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(diǎn)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(duì)稱因子 （2） ??相對(duì)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(dá)到了高壓電力系統(tǒng)中的8%和3%。 ?長(zhǎng)期光閃爍指數(shù) （5） 長(zhǎng)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(diǎn)的電能質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果 這個(gè)測(cè)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(jìn)行的。測(cè)量結(jié)果和詳細(xì)的電壓參數(shù)評(píng)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(xiàng)指標(biāo)（電壓波動(dòng)） 表三：電壓畸變和不對(duì)稱的因素 選定的電源電壓質(zhì)量參數(shù)與時(shí)間的函數(shù)在圖1到圖2中列出。 圖1：測(cè)量時(shí)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(duì)變化值（率） 圖3介紹了按照要求在一個(gè)110kV供應(yīng)電壓公共連接點(diǎn)（在110kV母線的開(kāi)關(guān)設(shè)備上）進(jìn)行參數(shù)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果。[4]棕色的水平線相當(dāng)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓參數(shù)給予的邊界值。藍(lán)色條的長(zhǎng)度表示給定參數(shù)集合中取得的最大值。紅色條的長(zhǎng)度表示在測(cè)量時(shí)間內(nèi)不超過(guò)95%評(píng)價(jià)度的參數(shù)值。如圖所示，由開(kāi)關(guān)提供的電壓參數(shù)符合規(guī)定的要求——紅條的長(zhǎng)度不超過(guò)由橫線確定的邊界值。供電電壓質(zhì)量非常好，并且由藍(lán)條確定的參數(shù)的最大值短于相對(duì)應(yīng)的邊界值。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生任何由于超過(guò)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(píng)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(guò)分析高次諧波的流動(dòng)方向，可以觀察到5和7次諧波的主要來(lái)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(lái)源（20W）。 2) 30kV網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量測(cè)量結(jié)果 測(cè)量是通過(guò)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(jìn)行的。[2]與特定的電壓參數(shù)評(píng)估有關(guān)的全部測(cè)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(xiàng)指標(biāo)（電壓波動(dòng)） 表六：電壓畸變和不對(duì)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(duì)應(yīng)的相電壓的變化范圍是15607V到19075V。30/110kV的開(kāi)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(cè)量周期內(nèi)電壓驟降的可接受的次數(shù)為100次。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，8次電壓驟降被發(fā)現(xiàn)。電壓驟降是由于更高級(jí)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(píng)估結(jié)果，30kV電力網(wǎng)絡(luò)的電壓綜合評(píng)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(píng)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(diǎn)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(cè)量期間，沒(méi)有發(fā)生任何由于超過(guò)額定電壓±10%組成的事故。然而，一個(gè)電廠的運(yùn)行可能受到其他的來(lái)自更高級(jí)公共電力系統(tǒng)中的干擾（如短路，連接活動(dòng)）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(zhǎng)期Pit的光閃爍指數(shù)值的增加。綜上所述，Kamiensk風(fēng)電廠對(duì)公共電力系統(tǒng)的共同連接點(diǎn)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(guò)程中的15MVar無(wú)功功率的潛在來(lái)源。為此，應(yīng)該在每一個(gè)渦輪機(jī)中配備適當(dāng)管理系統(tǒng)的直流/交流轉(zhuǎn)換器。