(一)行业概述
1、电能质量治理设备制造业概述
电能是迄今为止人类应用的最优质的能源。近年来,随着计算机控制技术及半导体技术的广泛应用,各类制造业及民用负荷用电特性发生了深刻变化。除传统的钢铁、煤炭、化工等工业冲击性负荷外,大量计算机、空调、电视等消费电子及节能照明电器等家用及办公负荷比例大幅提高,电气化铁路、地铁等现代化交通工具的使用迅猛发展,使得负荷用电特性日趋复杂,供电和用电环境日益恶化。另一方面,数控机床、自动化生产线、数据中心等大量基于计算机系统的控制设备和电子装置广泛应用,这些设备对电能质量较为敏感,对电能质量的要求不断提高。电能质量治理,即利用电力电子技术等对电力系统在电能的传输、控制、转换和使用过程中导致设备故障或不能正常工作的电能电压、电流、频率偏差问题予以改善,近年来电能质量治理在输配电控制领域的重要性日益提升。
(1)电能质量的概念
电能是现代社会应用最为广泛的能源,电能在传输、使用过程中能否避免电压或频率偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)等电能质量问题,对工业生产效率、产品质量、电力系统安全运行、能源使用效率乃至国民经济总体效益产生影响。电能质量指电力系统中供电、用电过程中交流电能的品质。
衡量电能质量的主要指标包括电压、频率和波形。电能质量具体体现在电压质量、电流质量、供电质量和用电质量四个方面:
①电压质量:指实际电压与理想电压之间的偏差,以反映供电企业向用户供应的电能是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降(暂升)与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。
②电流质量:理想的正弦电流波形应具有幅值不变、与电压频率相同的恒定频率,且与电压同相位。电流质量概念的提出是为了描述和研究负载电流偏离理想正弦波形。
③供电质量:指用电方与供电方之间相互作用和影响中供电方的责任,其技术含义是指电压质量和供电可靠性。
④用电质量:指用电方与供电方之间相互作用和影响中用电方的责任。
(2)电能质量普遍存在的问题
电能质量问题,指由发电、输配电和用电环节组成的电力系统在电能的传输、控制、转换和使用过程中导致设备故障或不能正常工作的电能电压、电流、频率偏差。
电网系统中用户众多、分散、结构复杂,且个性化用电特征明显。电网中的用电设备既有线性又有非线性,目前电力系统中存在大量非线性负荷,包括大规模电力电子应用装置(节能装置、变频设备等)、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、电化工业设备(化工、冶金企业的整流)、电气化轨道、炼钢电弧炉(交、直流)、轧机、提升机、电石炉、感应加热炉及其他非线性负荷。同时,还存在很多快速变化的冲击性负荷:如大型马达和马达群组、高层大楼的高速电梯、大型娱乐场所的电飞车、汽车制造厂的电焊机、高速铁路、高速磁悬浮列车和地铁、港口的起重机等。含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现功率控制和处理的同时,都不可避免地产生非正弦波形电流,向电网注入谐波电流,使公共连接点的电压波形严重畸变,负荷波动性和冲击性导致电压波动、瞬时脉冲等各种电能质量干扰。
用电设备的复杂性及多种非线性、冲击性负荷设备的使用,易对电网造成干扰并进而影响其他用电设备的正常使用。目前电网系统,特别是公用电网系统的电能质量问题主要表现为无功和谐波。
①无功的概念
电网输出的功率包括两部分:一部分功率直接做功消耗电能,将电能转变为机械能、热能、化学能或声能,称为有功功率;另一部分称为无功功率,主要作用是建立磁场,不消耗电能。
配电变压器、电动机等众多用电设备根据电磁感应原理工作,需要依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递,为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率即为无功功率。因此,所谓的“无功”并非“无用”的电功率,只不过它的功率并不转化为机械能、热能,在供用电系统中除了需要有功电源外,还需要无功电源,两者缺一不可。如果无功功率不能就地提供,则需上级电源网络供给,因而设计电力系统的传输能力需综合考虑有功功率和无功功率。此外无功功率的传输会造成线路及变压器损耗增加,如不采取无功补偿措施将导致较高的无功损耗,降低能源的使用效率和企业的经济效益。
②谐波的概念
理论上任何一个复杂的电力周期性振荡均可分解为含基波分量和各次谐波分量,和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波,相应于这个周期的频率称为基本频率。频率等于基本频率的整倍数的正弦波分量称为谐波,一般由设备的非线性特征引起,使流过非线性设备的电流与所加的电压不呈线性比例关系。谐波不仅威胁电力系统的安全经济运行,同时也对电力用户产生危害。我国的电力基波频率为50 赫兹,电网中的常见谐波为3 次、5 次、7 次、11 次和13 次,以25 次以下为主,随着用电设备的特性不同而有所区别。
(3)电能质量问题造成的危害
上述电能质量问题造成的危害,主要表现为无功污染和谐波污染。无功污染导致用电设备功率因数低下,降低能源使用效率和企业经济效益;谐波污染可能造成用电设备无法正常工作并影响电力正常输送。
①无功污染
电力电网中大多数负荷属于感性负荷,如电动机、变压器等,运行时电网需要向这些设备输送相应的无功功率。无功功率不能得到充分快速的补偿将产生以下危害:无功电流在线路中反复流动,造成电压降低和线路温升,导致电气设备及线路电能损耗增加,设备能力空置,降低电能使用效率;系统电压下降,在冲击性负荷运行时引起闪变、电压波动问题。
②谐波污染
谐波污染对电网系统和用电设备产生的危害则更为严重,主要表现在以下几个方面:
影响供电系统的稳定性:供配系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁继电器、感应式继电器或微机进行检测保护,在系统中这些都属于敏感元件,当受到高次谐波的影响时易产生误动作。微机保护由于采用了整流采样电路,也极易导致误动或拒动,严重威胁供配电系统的稳定性与安全性。
对输电线路的影响:谐波使网损加大,在发生系统谐振和谐波放大的情况下,谐波网损可达到相当大的程度,谐波电流在电网中的流动性将在线路上产生有功损耗,它是线路损耗的一部分。一般情况下,谐波电流占的比重越大,导线集肤效应会使谐波电阻增加较多,因此由谐波产生的附加损耗也越大,从而加速电缆绝缘的老化及线路温升的增高,缩短电缆的使用寿命,增大火灾发生的可能性。
对电机的影响:谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和动机负序基波电流一起使设备产生附加热损耗,并且在电动机启动时产生干扰力矩,造成电机启动困难、运行效率降低、异常振动和噪音,严重时会引起电动机定子绕组过热烧毁。
对电力测量仪表的影响:目前采用的电力测量仪表有磁电型和感应型,它们受谐波的影响较大,特别是电能表在谐波较大时将产生计量混乱,导致计量不准确或过度计量。
对通讯系统工作产生干扰:电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时,会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统的工作,影响通信线路通话的清晰度,甚至在极端的情况下,威胁通讯设备和人员的安全。
对电力系统无功补偿设备的影响:供电系统变电站均有无功补偿设备,当谐波电流注入电网时,容易造成电容过电流和过负荷,使电容发热,从而加快电容的绝缘介质的老化,缩短电容器使用寿命;同时电容不可避免地会对部分谐波有放大的作用,导致电网质量的恶化。
(4)电能质量治理的主要方式
针对电能质量问题,目前主要采用在电网系统中加装无功补偿设备和谐波抑制设备的方式,对电能质量进行改善。
①无功补偿
无功补偿装置可供给感性负荷所消耗的部分无功功率,减少无功功率在电网中的流动。目前国际上采用用户侧分散就地补偿和供电系统(变电站)集中补偿相结合的方式来降低线路的电能损耗并提高系统的功率因数,提高电网运行效率。
②谐波抑制
电力系统的谐波大部分分布于用户侧。目前电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行:一是从产生谐波的谐波源本身入手,在谐波源装置或设备设计生产时就考虑较小谐波的方法,增加谐波抑制环节,从而减少对电网的谐波注入量。二是在谐波源附近或公用电网节点装设滤波设备。由于现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工作方式,不可能完全消除电网谐波,因此解决电力电子设备和其他谐波源的谐波污染问题,最直接有效的办法就是采用第二种方式,即装设各类滤波装置以实现谐波抑制。
(5)电力电子技术在电能质量治理领域的应用
电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,即应用于电力领域的电子技术,是一门融合了电力技术、电子技术和控制技术的交叉学科。
电力电子技术包括电力电子器件、电力电子电路和控制技术三个主要组成部分。
其中,电力电子器件是电力电子技术的基础,电力电子电路是电力电子技术的核心,而控制技术是电力电子技术发展的纽带。
电力电子技术的基本功能包括整流(交流变成直流)、逆变(直流变成交流)、斩波(直流变成直流)、变频(改变供电频率)、开关和智能控制等。它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能,以适应种类繁多、千变万化的用电装置的不同需要。
电力电子技术具有良好的节能特点:①利用电力电子器件进行电能控制和变换,导电损耗小,关断时几乎不消耗能量;②应用电力电子装置进行供电,响应速度快、调节精细,设备效率显著提高,节省能量和物料;③电力电子设备和传统机电设备相比,制造、运输、安装和维护等所消耗的能量明显降低。据粗略统计,采用电力电子技术对设备进行改造,平均可节电20%左右。
由于电力电子技术在节约能源、提升效率等方面出色的应用效果,自20 世纪50 年代正式问世以来,电力电子产业快速发展。不论是传统工业(电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等),还是高新技术产业(航天、激光、通信、机器人等),电力电子技术均得到广泛、深入的应用。
在无功补偿领域,电力电子技术首先应用于静止型动态无功补偿装置(SVC),SVC 以晶闸管为基本元件的固态开关替代电气开关快速频繁地控制电抗器和电容器来改变输电系统导纳。不同回路结构的SVC 可按控制的对象及方式不同分为晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)和晶闸管控制电抗器(TCR)。目前SVC 已经相当成熟并取得广泛的工程应用。静止无功发生器(SVG)作为一种比SVC 在动态补偿上表现更好的先进补偿装置已实现产业化并应用于工程领域。其基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,或直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。国内SVG 产业化从中高压领域开始,受近年来电力、新能源等领域发展的拉动和自身性能上的优越性推动,发展非常迅猛。
在谐波治理领域,电力电子技术主要应用于有源电力滤波器(APF)。APF是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。APF 可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离,控制并主动输出电流的大小、频率和相位,并且快速响应,抵销负载中相应电流,实现了动态跟踪补偿,而且可以既补谐波又补无功和不平衡。
2、工业节能行业概述
全球工业的快速发展对能源消耗需求迅速增加,至上世纪 70 年代,造成能源大量消耗、能源价格快速上涨,以致能源危机发生。与此同时,矿物能源的使用对自然环境产生破坏,出现全球气候异常。在此背景下,各国政府出台能源节约政策,鼓励节能产品应用和技术推广。20 世纪90 年代,为企业、项目提供降低能耗、提高能效、减少排放等方面技术、装备、运营支持与服务的节能服务行业逐渐在我国兴起,目前已成为国家重点鼓励发展的科技服务业,是现代服务业的重要组成部分。
近年来,我国节能服务业总产值持续快速增长,成为以市场机制推动节能减排的重要力量。根据中国节能协会节能服务产业委员会《“十二五”节能服务产业发展报告》,2015 年我国节能服务产业总产值达3,127 亿元,自2005 年以来年复合增长率达52%。
(二)行业监管情况
1、行业主管部门与监管体制
输配电及控制设备制造业、工业节能技术服务业属于竞争性行业,行业主管部门为国家发展和改革委员会。国家发改委具体负责产业政策的制订,提出产业发展战略和规划,指导行业技术法规和行业标准的拟订,推动高技术发展,实施技术进步和产业现代化的宏观指导等。
输配电及控制设备制造业、工业节能行业的自律管理机构主要包括电力行业电能质量及柔性输电标准化技术委员会、中国电器工业协会电力电子分会、中国电源学会电能质量专业委员会、中国节能协会等。自律管理机构主要负责促进产业、市场和先进技术的研究,向国家有关部门提供产业发展战略、政策、技术等方面的建议,开展学术交流,参与制定有关产品质量技术标准。
2、行业法规政策
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