城市用戶電能質量的監(jiān)測與治理

胡正 王茂盛 陳濤 劉長樹

1，四川省電力公司西昌電業(yè)局,四川 西昌 615000

2，河南弘正電氣科技有限公司,河南 鄭州 450000

城市用戶電能質量的監(jiān)測與治理

胡正1王茂盛1陳濤1劉長樹2

1，四川省電力公司西昌電業(yè)局,四川 西昌 615000

2，河南弘正電氣科技有限公司,河南 鄭州 450000

由于電網(wǎng)中日趨嚴重的非線性、非對稱性和波動性問題，導致電能質量的嚴重下降，容易對電網(wǎng)和用戶的電氣設備造成嚴重危害。本文正是基于這一問題，對城市用戶的電能質量進行了簡單的分析，介紹了其主要存在的諧波和無功功率補償問題，并且分析了其可能造成的影響，給出了對其進行監(jiān)測和治理的措施。

電能質量；諧波電流；諧波抑制；無功補償

power quality; harmoncic urrent; harmoncic ontrol; reactive power compensation

引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展與科學技術的進步，特別是冶金，化學等現(xiàn)代化大工業(yè)和電氣化鐵路的發(fā)展，造成電網(wǎng)負荷加大，電網(wǎng)系統(tǒng)中的非線性負荷（主要是各種硅整流設備、電解設備和電力機車等）及波動性負荷（如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵路等）使得電網(wǎng)發(fā)生嚴重的電壓波動，產(chǎn)生各次諧波，閃變，三相不平衡等各種問題，從而造成電能質量的嚴重問題。而電能質量的下降又嚴重的影響了各種供用電設備的運行安全，增加了用電的經(jīng)濟成本，降低了人民的生活質量。

由此，提高電能質量就成為一個避免不了的問題。電能質量指的是在電網(wǎng)公共連接點處對用戶的供電電壓質量和電力用戶在電網(wǎng)公共連接點處對電網(wǎng)的干擾水平[1]。通過電能質量的定義，可以看出，要提高電能質量，可以從兩個方面進行努力：一是提高公用連接點處的供電電壓質量；二是降低電力用戶在公用連接點處對電網(wǎng)的干擾水平。而要解決這兩個方面的問題，都要對其進行檢測和治理。本文主要從降低用戶對電網(wǎng)的干擾水平著手，先分析城市用戶用電中存在的問題，再從這些問題著手，對其進行監(jiān)測，并給出治理措施。

1 城市用戶用電存在的電能質量問題及其可能造成的影響

通過對城市用戶開展調查，發(fā)現(xiàn)城市用戶的用電負荷類型一般為各種類型的非線性用電設備，如各種視頻顯示設備，節(jié)能照明設備（熒光燈、調光燈和各種高壓氣體放電燈等），家用電器（洗衣機、空調、微波爐、電冰箱等），各種辦公設備（投影儀、掃描儀、打印機、復印機等）以及軌道交通的各種整流和調速驅動裝置等。而隨著高速鐵路和客運專線的快速發(fā)展，電氣化鐵路也成為影響城市用戶電能質量的一個重要負荷。

通過分析這些設備的電能質量特性，可以發(fā)現(xiàn)接入電網(wǎng)后會對電網(wǎng)產(chǎn)生以下電能質量問題：

（1）產(chǎn)生大量的零序三次諧波電流，使低壓供電母線三次諧波電壓嚴重超過國標允許范圍，影響低壓設備的安全正常運行；

（2）中性線上的三次諧波電流過高，使中性線發(fā)熱，增大線損；

（3）各種低壓用電設備的三次諧波電流含有率往往高達50%以上，致使電流有效值遠遠大于基波電流有效值，其視在功率遠大于基波視在功率，功率因數(shù)也遠遠小于基波功率因數(shù)，導致低壓電網(wǎng)諧波電壓超標和線損增加。

圖1就是基波與三次諧波的示意圖，從圖中可以看到諧波電壓與基波電壓的疊加所得到的合成波，已經(jīng)造成嚴重的電壓畸變。

圖1 諧波示意圖

（4）電氣化鐵路機車負荷具有單相性、非線性、隨機波動性以及再生制動的特點，會引起三相電壓不平衡、諧波和電壓波動等電能質量問題[2]。

由于電氣化鐵路用電電壓、接線方式、電氣特性等的特殊性，需要專門進行監(jiān)測和治理之后才能注入低壓供電系統(tǒng)，所以本文不予過多考慮。

根據(jù)城市用戶存在的電能質量問題，主要就是三次諧波和無功功率問題。

諧波會對電網(wǎng)、變壓器和旋轉電機、繼電保護和電力測量、通信系統(tǒng)等造成一系列的影響，主要表現(xiàn)在：

（1）對電網(wǎng)的影響。諧波電流會產(chǎn)生有功功率損耗，在采用電纜的輸電系統(tǒng)中除了引起附加損耗外，還會加速電纜絕緣的老化，造成絕緣損壞，進而發(fā)生短路，引起火災；

（2）對旋轉電機和變壓器的影響。諧波主要引起附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓，嚴重時甚至會損毀電機；

（3）對繼電保護和電力測量的影響。對部分晶體管型繼電保護器來說，諧波會改變其性能，引起誤操作或者拒絕操作。而對于電力測量來說，如果負載不是諧波源，則會在負載上產(chǎn)生有害的諧波損耗，若用戶是諧波源，向電網(wǎng)輸出的有害的諧波有功功率比他所消耗的基波有功功率要少，這同樣都會造成電力測量的誤差；

（4）對通信系統(tǒng)的影響。諧波干擾會引起通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話的清晰度，嚴重時更會引起信號的丟失，在諧波與基波的共同作用下還引起電話鈴響，嚴重時甚至會危及設備和人身安全。

同時，基波無功功率對公用電網(wǎng)也會產(chǎn)生如下影響：

（1）增加設備容量。無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的啟動及控制設備、測量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大；

（2）設備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路損耗增加；

（3）是線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。例如電動機在啟動期間功率因數(shù)很低，這種沖擊性無功功率會使電網(wǎng)電壓劇烈波動，甚至使接在同一電網(wǎng)上的用戶無法正常工作。電弧爐、軋鋼機等大型設備會產(chǎn)生頻繁的無功功率沖擊，亞種影響電網(wǎng)的供電質量。

2 城市用戶電能質量的監(jiān)測

用于電能質量監(jiān)測的儀器有很多種，可以根據(jù)不同的測試內容和測試目的，選用不同類型的測試儀器，一般情況下，在線監(jiān)測應該選用電能質量遠程監(jiān)測儀，而專項監(jiān)測應選用便攜式多通道電能質量分析儀，簡單的諧波監(jiān)測一般用手持式諧波分析儀，而城市用戶電能質量的問題一般就是諧波和無功功率補償問題，特別是三次諧波和無功功率補償問題，因此，對于各個小區(qū)用戶一般可以采用簡單，實用的手持式諧波分析儀。而對于一個大規(guī)模的城市來說，不可能一個個小區(qū)的進行監(jiān)測，這就需要采用在線監(jiān)測各個小區(qū)的電能質量，因此，在線電能質量遠程監(jiān)測儀的使用就成為必然。

在實際使用中，不管采用哪種裝置或儀器，都要對其所采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，分析和處理。再根據(jù)處理結果，對電網(wǎng)電能質量問題做出合適的應對措施，達到改善電網(wǎng)電能質量的效果。圖2就是一種在線電能質量遠程監(jiān)測裝置，具有對數(shù)據(jù)進行采集和存儲的功能，并能對數(shù)據(jù)進行一些簡單處理。

圖2 電能質量監(jiān)測裝置

3 城市用戶電能質量的治理

由于城市用戶電能質量主要存在的是諧波和無功功率問題，而要對其治理就是要對其進行諧波抑制和無功功率補償。而要進行諧波抑制和無功功率補償主要有兩條思路可以進行考慮：一是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且把其功率因數(shù)控制為1。這一種在本文所提供的模型中顯然不適合，故，可以不予考慮。二是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這顯然對于各種諧波源都是實用的。所以，這是本文所要考慮的主要思路。

傳統(tǒng)的諧波補償裝置一般采用LC調諧濾波器。這種裝置雖然結構簡單，且在補償諧波的同時還可以補償無功功率，但是，其補償特性易受電網(wǎng)阻抗與運行狀態(tài)的影響，易與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀[3]。因此除了部分小區(qū)可以采用外，在整個城市中一般要慎重使用。而隨著技術的發(fā)展，目前，采用有源電力濾波器(APF)已經(jīng)成為諧波抑制的一個重要趨勢。

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制濾波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。它的基本工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。因此應用特別廣泛。

目前實際應用的有源電力濾波器根據(jù)其與補償對象的連接方式來劃分，可以分為并聯(lián)型與串聯(lián)型，現(xiàn)在所用的裝置幾乎全是并聯(lián)型的。這些裝置可以單獨使用，也可以根據(jù)實際情況，與LC濾波器混合使用。圖3就是有源電力濾波器的系統(tǒng)構成。

圖3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構成分類

4 結語

現(xiàn)在我國對于諧波抑制和無功功率補償?shù)难芯恳呀?jīng)進入一個非?；钴S的階段，社會對這一技術的需求的呼聲也越來越響亮。雖然現(xiàn)在已經(jīng)取得一定的成果，但是像靜止無功發(fā)生器（SVG）等技術的研究并不是特別成熟，還有待于研究人員繼續(xù)努力。

[1] 歐盟—亞洲電能質量項目合作組. 用戶電能質量測試評估與解決方案案例集[M]. 中國電力出版社,2009

[2] 于坤山，周勝軍，王同勛等.電氣化鐵路供電與電能質量[M].中國電力出版社,2010.12

[3] 王兆安，楊君，劉進軍等. 諧波抑制和無功功率補償[M]. 機械工業(yè)出版社, 2005.10

Power quality monitoring and management of urban users

Liu yue-feng
Zhuhai Titan technology Co. Ltd Henan branch , ZhengzhHoeun 4a5n0000

because of the trouble of growing nonline ar, asymmetray nd volatility, which has resultedi n serious declinoe f power quality, harm the electric equipmeonft the power and users easily. based on this problemt, he paper analysets he power quality of city users, introducets he problemo f the harmonaic nd reactive power compensatwiohn ichi t exists, analysets he possiblee ffect, and gives the monitoring and treatment measures.

TM761

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.120

胡正（1975-），男，四川西昌人，碩士，工程師，研究方向：通信及自動化技術；

汪茂盛（1982-），男，重慶梁平人，工程師，研究方向：電能質量、無功管理 ；

陳濤（1980-），男，四川德昌人，工程師，研究方向：電力工程；

劉長樹(1973-)，男，廣東省珠海市人，碩士，高級工程師，研究方向：電能質量監(jiān)測。