智能大廈電能質(zhì)量問(wèn)題及解決方案

陳 茜，劉 森

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.國(guó)能生物發(fā)電集團(tuán)，北京 100083）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，大型寫字樓以及大型民用建筑等智能大廈的數(shù)量快速增長(zhǎng)；同時(shí)，隨著基于計(jì)算機(jī)或微處理器控制的用電設(shè)備所占比例的大幅增加，電能質(zhì)量惡化可能會(huì)給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)有害的影響，智能大廈對(duì)電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。另外，隨著智能大廈建設(shè)的大型化、現(xiàn)代化，大廈內(nèi)的非線性負(fù)荷（如電梯、計(jì)算機(jī)、空調(diào)等）的迅速增大致使電網(wǎng)發(fā)生電壓波形畸變、電壓跌落等諸多電能質(zhì)量問(wèn)題，這不僅降低了用電設(shè)備本身的安全性，還嚴(yán)重削減電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益［1］。

電能質(zhì)量問(wèn)題可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題兩大類。過(guò)去對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題上，并且取得了大量的研究成果，然而對(duì)動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究卻相對(duì)較少。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代化建設(shè)應(yīng)用需求的日益增加，對(duì)動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究也越發(fā)的被電力工作者所關(guān)注［2］。因此，對(duì)動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究以及提高智能大廈的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，已成為電力工作者亟需解決的問(wèn)題［3］。

首先對(duì)智能大廈的負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，然后提出了一套治理電能質(zhì)量問(wèn)題的新型解決方案，最后詳細(xì)介紹了方案的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 智能大廈電能質(zhì)量問(wèn)題

在智能大廈用電負(fù)荷中，非線性負(fù)荷占有很大的比例，如：各種電力電子裝置（計(jì)算機(jī)等）、變壓器、發(fā)電機(jī)、電弧爐和熒光燈等，這些負(fù)荷在工作時(shí)產(chǎn)生大量諧波，從而使電網(wǎng)波形受到嚴(yán)重污染。1992年日本官方曾發(fā)表了一篇關(guān)于電力用戶中諧波源的分布狀況調(diào)查報(bào)告，來(lái)自樓宇的諧波源就高達(dá)40.6%。

由于智能大廈內(nèi)大多數(shù)用電設(shè)備均為單相用電，三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，因此在智能大廈配電系統(tǒng)中不僅存在不平衡電流，而且有時(shí)會(huì)很大，導(dǎo)致負(fù)載端，中性點(diǎn)的電位將發(fā)生偏移，這也就造成了三相負(fù)荷電壓的不平衡。這不僅對(duì)用電設(shè)備的運(yùn)行和安全極為不利，同時(shí)也增加了運(yùn)行成本。

智能大廈中的很多負(fù)荷對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求很高。當(dāng)電壓低于60%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)12個(gè)周期時(shí)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)程序紊亂，數(shù)據(jù)丟失；當(dāng)電壓低于70%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)6個(gè)周期時(shí)，調(diào)速裝置會(huì)被自動(dòng)切除；對(duì)用于精細(xì)加工業(yè)的電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓低于90%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)3個(gè)周期時(shí)，電機(jī)就會(huì)自動(dòng)跳閘從而強(qiáng)行退出運(yùn)行。與此同時(shí)，隨著土地資源的匱乏，智能大廈的建筑高度日益增高，停電事故不僅會(huì)嚴(yán)重影響正常的工作、生活，還會(huì)留下安全隱患。

智能大廈中大量的電力電子設(shè)備不僅對(duì)供電質(zhì)量要求高，同時(shí)也產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化，所以，在治理過(guò)程中，要綜合考慮電網(wǎng)與負(fù)荷的治理需求，根據(jù)其特點(diǎn)制定出相應(yīng)的解決措施。

為了改善智能大廈配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，近年來(lái)國(guó)家已投入大量財(cái)力和物力用于電網(wǎng)改造并提出多種解決方案。其中最直接的方法是改進(jìn)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但由于不可抗拒和偶發(fā)性因素，改進(jìn)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不能完全改善供電質(zhì)量，同時(shí)也存在投資大、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。此外，也可以在供電系統(tǒng)與用電負(fù)荷的接口處加裝電能質(zhì)量治理設(shè)備。如并聯(lián)電容器組、無(wú)源濾波器，以及采用定制電力技術(shù)裝置，這種方法雖能取得了一定治理效果，但由于其治理效果單一、裝置之間存在的相互影響，難以達(dá)到滿意的治理效果。

2 治理電能質(zhì)量問(wèn)題的新型方案

圖1是治理電能質(zhì)量問(wèn)題新型方案的圖例，該方案主要由電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制裝置兩部分組成。方案通過(guò)提供不同電能質(zhì)量水平的電能供應(yīng)，以此滿足不同負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的不同需求。

電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量狀況采取了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和分析的方式，為有關(guān)工作人員或管理部門提供豐富完整的實(shí)測(cè)記錄資料并協(xié)調(diào)各電能質(zhì)量控制裝置的運(yùn)行狀態(tài)。電能質(zhì)量控制裝置通過(guò)對(duì)大功率電力電子器件的開(kāi)關(guān)控制，可以在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改善電能質(zhì)量，滿足敏感用電負(fù)荷和電網(wǎng)的共同要求，其主要包括：固態(tài)切換開(kāi)關(guān)（Solid State Transfer Switch-SSTS）、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply-UPS）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer-DVR）、有源電力濾波器（Active Power Filter-APF）、靜止同步補(bǔ)償器 （Static Synchronous Compensator-STATCOM）等，各自的功能如表1所示。

圖1 治理電能質(zhì)量問(wèn)題的新型方案

表1 電能質(zhì)量控制裝置的功能

2.1 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

單個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)端、服務(wù)端和用戶端，多個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)端互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，完整的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示［4］。監(jiān)測(cè)端采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)狀況，并將處理后的電能質(zhì)量參數(shù)經(jīng)通信通道傳送到服務(wù)端。監(jiān)測(cè)端需放置于變電站、擾動(dòng)負(fù)荷和敏感負(fù)荷附近。服務(wù)端接收監(jiān)測(cè)端上傳的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，由統(tǒng)計(jì)和分析模塊進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)端和用戶端之間數(shù)據(jù)交換的紐帶作用。用戶端具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、瀏覽、查詢、下發(fā)命令等功能，通過(guò)Web服務(wù)器連接到服務(wù)端。監(jiān)測(cè)端、服務(wù)端和用戶端之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電能質(zhì)量控制裝置

在各種供電故障中，最嚴(yán)重、最常見(jiàn)的是電壓暫降和供電中斷。根據(jù)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2005年，全國(guó)城市供電可靠率僅為99.845%。為治理電壓暫降和供電中斷，一系列的治理設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。其中，造價(jià)低、運(yùn)行和控制簡(jiǎn)單等特性使UPS成為計(jì)算機(jī)等設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)解決方案［5］。UPS分為三類：被動(dòng)后備式（Passive standby）、雙變換式（Double conversion）和線路交互式 （Line interactive）。圖3是雙變換式UPS的結(jié)構(gòu)框圖，其主要由整流單元、儲(chǔ)能單元、逆變單元以及旁路開(kāi)關(guān)等組成，雙變換式UPS也稱為 “在線式UPS（on-line UPS）”，其特點(diǎn)是無(wú)論電網(wǎng)電壓是否正常，供給負(fù)荷的電能經(jīng)過(guò)了AC—DC—AC的兩次電能變換，完全由整流單元和逆變單元共同向負(fù)荷持續(xù)供電。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，儲(chǔ)能單元經(jīng)過(guò)逆變單元向負(fù)荷提供電能。因此，無(wú)論電網(wǎng)電壓發(fā)生何種故障負(fù)荷均能正常工作，且在電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)為儲(chǔ)能單元供電過(guò)程中，負(fù)荷始終由逆變單元提供電能，無(wú)開(kāi)關(guān)切換，不存在任何過(guò)渡過(guò)程，是真正意義上的不間斷電源，所以在為重要敏感負(fù)荷提供保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合普遍選用雙變換式UPS。雙變換式UPS的旁路開(kāi)關(guān)供UPS維修/維護(hù)時(shí)使用。它的缺點(diǎn)是整流單元和逆變單元始終處于工作狀態(tài)，溫升導(dǎo)致功率器件壽命降低，此外，經(jīng)過(guò)兩次電能變換后裝置效率大大降低。與被動(dòng)后備式UPS相比，整流單元需采用較大的功率等級(jí)才能在給負(fù)荷供電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元的充電，因此，成本相對(duì)較高。

圖3 雙變換式UPS的結(jié)構(gòu)框圖

智能大廈中很多負(fù)荷在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，諧波注入供電系統(tǒng)后會(huì)造成電網(wǎng)電能質(zhì)量降低等負(fù)面影響。APF是一種新型的諧波抑制裝置，其最大特點(diǎn)是能迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤隨機(jī)的諧波電流，且有效克服了傳統(tǒng)LC無(wú)源濾波器在諧波抑制中存在的問(wèn)題。有源電力濾波器按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩類。并聯(lián)有源電力濾波器是有源電力濾波器中最基本的形式，其應(yīng)用也最為廣泛，工作時(shí)，并聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)于受控電流源，它產(chǎn)生與負(fù)荷諧波大小相等、方向相反的諧波電流注入電網(wǎng)，抵消負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康?。串?lián)有源電力濾波器則是通過(guò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)與非線性負(fù)荷電路的串聯(lián)，串聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)于受控電壓源，產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)荷諧波電壓大小相等、方向相反的諧波電壓，抵消負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電壓，使流入電網(wǎng)的電流接近正弦波，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

智能大廈的配電系統(tǒng)中存在零序電流的補(bǔ)償有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，主要有四相變流器和三相變流器兩種。四相變流器的主電路及驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)比三相變流器復(fù)雜，但對(duì)零序電流直接控制，補(bǔ)償效果好于三相變流器；三相變流器的直流母線電壓控制比四相變流器復(fù)雜。

本方案采用四相變流器的有源電力濾波器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 結(jié)論

在研究智能大廈電能質(zhì)量問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了一套新型的電能質(zhì)量解決方案，該方案既能保證智能大廈用電負(fù)荷的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也可以減少其對(duì)電網(wǎng)的影響。該方案與傳統(tǒng)治理方法比較具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，它能夠在不必提高全電網(wǎng)電能質(zhì)量的情況下，滿足敏感用電負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的高需求，減小用電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響，并減少了在提高全電網(wǎng)電能質(zhì)量過(guò)程中所需要的大規(guī)模資金，增加了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)