電能質(zhì)量與控制技術(shù)探討

張 蕾

（西安供電局，陜西 西安 710032）

電能質(zhì)量與控制技術(shù)探討

張 蕾

（西安供電局，陜西 西安 710032）

電能質(zhì)量是電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標(biāo)，涉及到發(fā)電、供電、用戶各方的權(quán)益，優(yōu)良的電能質(zhì)量對保證電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)的正常生產(chǎn)以及提高人民的生活質(zhì)量具有重要的意義。分析了電能質(zhì)量的主要影響因素，論述了當(dāng)前電能質(zhì)量保證電網(wǎng)安全的控制技術(shù)。

電能質(zhì)量；電網(wǎng)安全；控制技術(shù)；補(bǔ)償

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電力工業(yè)的發(fā)展，用電負(fù)荷日趨復(fù)雜和多樣化，影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的因素也越來越多。一些具有非線性、沖擊性、大容量特性的負(fù)荷設(shè)備，會不同程度地對電能產(chǎn)生污染，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，乃至沖擊電網(wǎng)安全。近年來，每年因電能質(zhì)量不合格而引起的經(jīng)濟(jì)損失極為嚴(yán)重，全球范圍內(nèi)因電能質(zhì)量不合格引起的電力系統(tǒng)及電力設(shè)備事故也屢有發(fā)生。我國重要電力用戶及其敏感負(fù)荷設(shè)備的數(shù)量逐年增加，這些用戶對電網(wǎng)的供電質(zhì)量也提出了新的要求。因此，探討電能質(zhì)量的相關(guān)理論及其控制技術(shù)，分析我國電能質(zhì)量控制管理的發(fā)展趨勢，防止和避免重大電網(wǎng)事故的發(fā)生，進(jìn)而達(dá)到提高電能質(zhì)量、保證電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行是非常重要和必要的。

2 電能質(zhì)量的定義

廣義上來講，電能質(zhì)量就是指向用戶的優(yōu)質(zhì)供電。電能是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、清潔而且容易控制和轉(zhuǎn)換的能源形態(tài)，它是電力部門向電力用戶提供的， 由發(fā)、供、用三方共同來保證質(zhì)量的一種特殊產(chǎn)品。

近年來，IEC61000系列電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和IEEE std1159就現(xiàn)代電能質(zhì)量給出了明確的定義。即，電能質(zhì)量關(guān)系到供用電設(shè)備正常工作(或運(yùn)行)的電壓、電流的各種指標(biāo)偏離額定值的程度。它包括頻率偏差、電壓偏差、波形畸變、電壓波動和閃變、三相不平衡、長時(shí)間電壓中斷、電壓暫降與短時(shí)間中斷、暫時(shí)和瞬態(tài)過電壓等。

3 電能質(zhì)量控制技術(shù)

為了保證用戶的供電質(zhì)量，防止和避免可能發(fā)生的電網(wǎng)事故，一方面要加強(qiáng)輸電系統(tǒng)的輸送能力和運(yùn)行安全性，保證配電系統(tǒng)的供電可靠性；另一方面應(yīng)抑制或消除各種(包括來自系統(tǒng)側(cè)的和用戶側(cè)的)干擾對電能質(zhì)量的污染。目前，主要的電能質(zhì)量控制技術(shù)有以下幾種。

3.1 電壓無功綜合控制裝置（VQC）

VQC是把主變高壓側(cè)無功潮流量減去目前補(bǔ)償量，作為負(fù)荷的無功潮流量。將測得的電壓值與電壓比較器定值進(jìn)行比較，當(dāng)超出或低于2個(gè)電壓比較器定值時(shí)，通過運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算來啟動主變分接開關(guān)換檔及增減補(bǔ)償電容的投切組數(shù)，從而使主變中、低壓側(cè)電壓控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并可以使主變高壓側(cè)的無功潮流大于0(即無功不反送)。

VQC的主要性能特點(diǎn)如下：

(1) 裝置能實(shí)時(shí)跟蹤變電站運(yùn)行情況的變化，自動識別多臺主變及電容器的運(yùn)行方式，自動確定控制策略；

(2) 采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 既能獨(dú)立使用，又能與變電站監(jiān)控系統(tǒng)一起配合使用；

(3) 可遠(yuǎn)方或就地控制裝置處于監(jiān)控狀態(tài)或監(jiān)測狀態(tài)；

(4) 裝置的控制方式靈活，既能根據(jù)電壓、無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，又能根據(jù)電壓、功率因素進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；

(5) 裝置的安全約束可靠， 多種保護(hù)措施確保被控設(shè)備安全；

(6) 液晶顯示，鍵盤操作，人機(jī)界面友好，便于使用。

3.2 無源濾波器(PF)

PF是目前電力系統(tǒng)抑制諧波和補(bǔ)償無功的主要手段，通常是采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求組合而成。

目前，無源濾波補(bǔ)償是實(shí)際應(yīng)用最多、效果較好、價(jià)格較低的解決方案，它包括3種基本形式：串聯(lián)濾波、并聯(lián)濾波和低通濾波（串并混合）。其中，串聯(lián)濾波主要適用于3次諧波的治理；低通濾波主要適用于高次諧波的治理；并聯(lián)濾波是一種綜合裝置，它可濾除多次諧波，同時(shí)提供系統(tǒng)的無功功率，是應(yīng)用最廣泛的凈化濾波裝置。

3.3 有源濾波器(APF)

APF作為改善電能質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已得到高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。較傳統(tǒng)的無源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)，它具有功能多、適應(yīng)性好及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

APF是一種用于動態(tài)抑制電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償無功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的電力系統(tǒng)諧波以及變化的無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。實(shí)際上它是一種諧波電流補(bǔ)償器，它能夠輸出與負(fù)載電流的諧波分量相對應(yīng)的、具有任意大小和頻率的電流，這個(gè)電流可抵消其他裝置在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的諧波電流。與PF相比，APF具有濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可有效抑制閃變、補(bǔ)償無功功率；性價(jià)比較為合理。另外，APF還具有自適應(yīng)功能，可以自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。但是，APF的運(yùn)行成本較高，運(yùn)行損耗大，容量受到限制。這一點(diǎn)是限制APF推廣的關(guān)鍵。

4 典型實(shí)例分析

在電力企業(yè)的用電客戶群中，醫(yī)院因其工作的特殊性，對電能質(zhì)量有著更高的要求。在某醫(yī)院項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，著重針對諧波源進(jìn)行了分析，在充分考慮縣級醫(yī)院經(jīng)濟(jì)承受能力和電網(wǎng)安全運(yùn)行的同時(shí)，采取了行之有效的諧波治理措施。

4.1 諧波分析

醫(yī)院配電系統(tǒng)一般采用10/0.4 kV變壓器，主要負(fù)荷為電子醫(yī)療精密設(shè)備、照明及變頻通風(fēng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)及UPS等，其中大部分為單相非線性負(fù)荷。在低壓配電網(wǎng)中，諧波較為嚴(yán)重，主要諧波源可分為以下幾種。

(1) 通風(fēng)設(shè)備：為了節(jié)約能源，醫(yī)院均采用變頻風(fēng)機(jī)及空調(diào)。變頻器是非常重要的諧波源，其總諧波電流畸變率達(dá)33 %以上，會產(chǎn)生大量5，7等次的諧波污染電網(wǎng)。

(2) 照明設(shè)備：由于醫(yī)院內(nèi)部使用大量的熒光燈具，因此會引起嚴(yán)重的諧波電流，其中3次諧波為最高。當(dāng)多個(gè)熒光燈接成三相四線負(fù)荷時(shí)，中線上就會流過很大的3次諧波電流。

(3) 電子醫(yī)療精密設(shè)備：醫(yī)院內(nèi)的大型電子醫(yī)療設(shè)備一般為開關(guān)電源供電，開關(guān)電源設(shè)備會產(chǎn)生3，5，7等次諧波注入電網(wǎng)。

(4) 計(jì)算機(jī)及UPS：目前醫(yī)院均為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理，計(jì)算機(jī)數(shù)量很大，再加上服務(wù)器等數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)必須配有UPS等備用電源，以及個(gè)人電腦的開關(guān)電源及UPS等，均為諧波源，會產(chǎn)生大量的3，5，7等次諧波。

總之，醫(yī)院的低壓配電系統(tǒng)有大量的諧波源負(fù)荷，會產(chǎn)生大量的諧波，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，造成三相不平衡、諧波超標(biāo)、中性線諧波過載等電能質(zhì)量問題，必須要治理。

4.2 治理方案

目的：通過有針對性的諧波污染治理，減少甚至消除諧波對配電系統(tǒng)的不良影響，保證變壓器、電纜、醫(yī)療設(shè)備的正常運(yùn)行；其次，體現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益，即保障低壓電容補(bǔ)償系統(tǒng)的正常運(yùn)行，發(fā)揮其應(yīng)有的作用，降低低壓配電系統(tǒng)中諧波總體含量的水平，提高功率因數(shù)，減少無功損耗，延長設(shè)備使用壽命。

根據(jù)這一目的，同時(shí)考慮方案的經(jīng)濟(jì)性，最終確定采取以下辦法解決。

(1) 在配電設(shè)計(jì)時(shí)，將空調(diào)、風(fēng)機(jī)等大型非線性設(shè)備單獨(dú)設(shè)變壓器，以及照明、辦公等諧波產(chǎn)生較嚴(yán)重的用電各自單獨(dú)組成回路。通過將對電能質(zhì)量要求較高的醫(yī)療設(shè)備等單獨(dú)組成回路，避免了在同一回路上的相互干擾。

(2) 在開閉所采用無源濾波方式進(jìn)行集中消除諧波。選用電抗系數(shù)為14 %、濾除3次諧波為主的濾波補(bǔ)償組件，將整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的諧波量抑制在40 %以下。此時(shí)雖然電網(wǎng)內(nèi)仍然有諧波存在，但有效保證了整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和醫(yī)療設(shè)備的正常使用。同時(shí)，有效濾除諧波后，減少了對電容器的損害，延長了電容器的使用壽命，也間接避免了頻繁更換損壞電容器帶來的停電損失。

采用無源濾波器方式進(jìn)行諧波治理后，該醫(yī)院整個(gè)配電系統(tǒng)運(yùn)行正常，同時(shí)降低了生產(chǎn)運(yùn)營成本。

5 結(jié)束語

電能質(zhì)量問題已日益引起人們的關(guān)注，成為電力企業(yè)和用戶共同關(guān)心的課題。電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，它對于減少用電設(shè)備的故障，保證生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行，提高電能的使用效率等具有重要的意義。隨著電力電子與信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，運(yùn)用電力電子技術(shù)對電能質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)化綜合補(bǔ)償將是解決電能質(zhì)量問題的根本途徑。

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2 林海雪．現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(10)．

3 朱桂萍，王樹民．電能質(zhì)量控制技術(shù)綜述[J]．電力系統(tǒng)自動化，2002，26(19)．

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5 陳志業(yè)，尹華麗，李 鵬．電能質(zhì)量及其治理新技術(shù)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(7)．

6 朱鵬程，李 勛，康 勇，等．統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器控制策略研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(8)．

2012-10-04）