電能質(zhì)量問(wèn)題及其治理方法

李 中 俊(中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司, 上海 200031)

電能質(zhì)量問(wèn)題及其治理方法

李 中 俊
(中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司, 上海 200031)

隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電能需求量極速增長(zhǎng)的同時(shí),對(duì)于電能質(zhì)量要求越來(lái)越高。概述了電能質(zhì)量的基本問(wèn)題,包括電能質(zhì)量的內(nèi)涵、等級(jí)劃分以及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo),闡述了電能質(zhì)量的分類及其重要影響,介紹了電能質(zhì)量的相關(guān)分析方法及其使用條件和利弊,并給出電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)措施和改善方法。

電能質(zhì)量; 理論研究; 分析方法; 改善措施

0 引 言

隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展,社會(huì)對(duì)電能數(shù)量的要求已經(jīng)逐步得到滿足,但是信息技術(shù)的飛速發(fā)展在用電方面也隨之產(chǎn)生了以下三方面的問(wèn)題：① 日趨復(fù)雜化和多樣化的用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用,這些負(fù)荷因其沖擊性、非線性、諧波豐富和不對(duì)稱性會(huì)嚴(yán)重影響到供電電網(wǎng),不僅會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波,而且使得電壓波動(dòng)、閃變?nèi)遮厙?yán)重,給電能質(zhì)量帶來(lái)了新的問(wèn)題[1];② 大型電力設(shè)備的運(yùn)行和保護(hù)裝置的起停等,使得額定電壓短暫降低,產(chǎn)生電壓波動(dòng),影響到電能質(zhì)量;③ 各種復(fù)雜精密對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備越來(lái)越多,許多新的電器和裝置都帶有基于微處理機(jī)的控制器和電力電子裝置,對(duì)各種電磁干擾都極為敏感,對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高[2]。電能質(zhì)量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性[1],其優(yōu)劣不僅取決于電力生產(chǎn)部門,電力用戶的影響也甚為關(guān)鍵。因而,深入分析和研究電能質(zhì)量問(wèn)題,探尋因果關(guān)系,明確責(zé)任和義務(wù),是電力工業(yè)提高電能質(zhì)量、適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)所必須的[3]。

1 電能質(zhì)量問(wèn)題

1.1 電能質(zhì)量?jī)?nèi)涵

雖然電能質(zhì)量這個(gè)術(shù)語(yǔ)不斷被提及,但是其具體定義卻仍未統(tǒng)一。根據(jù)立場(chǎng)出發(fā)點(diǎn)不同,還有許多關(guān)于電能質(zhì)量的定義。IEEE技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(huì)采用“Power quality”為電能質(zhì)量的術(shù)語(yǔ),并且給出了相應(yīng)的定義,電能質(zhì)量的概念是指給敏感設(shè)備提供電力和設(shè)置的接地系統(tǒng),是均適合于設(shè)備正常工作的。IEC 1000-2-2/4標(biāo)準(zhǔn)將電能質(zhì)量定義為供電裝置正常工作情況下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性。文獻(xiàn)[3]則簡(jiǎn)明地表示為“電能質(zhì)量一般是指電壓或電流的幅值、頻率、波形等參量距規(guī)定值的偏差”。

電能質(zhì)量概念應(yīng)包含電力供應(yīng)中需要考慮的幾個(gè)主要方面:電壓和頻率的偏差(過(guò)電壓、欠電壓、頻率偏差),電壓和電流的波形(電壓跌落、電壓突升、電壓波動(dòng)和閃變、諧波、三相不對(duì)稱)以及供電連續(xù)性(瞬時(shí)斷電、暫時(shí)斷電、持續(xù)斷電)。

1.2 電能質(zhì)量等級(jí)劃分

電能質(zhì)量等級(jí)的劃分是以電能質(zhì)量的定義為基礎(chǔ),以用戶的要求為根據(jù),以變電站的承受能力為條件所制訂的。每個(gè)變電站所連接的負(fù)荷類型各不相同,當(dāng)負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量要求高于電站所能達(dá)到的水平時(shí),電站就要進(jìn)行代價(jià)利益分析,或者低于用戶提出的標(biāo)準(zhǔn),或者采取措施,提高本身的供電質(zhì)量,滿足用戶的要求。權(quán)衡折衷之后,對(duì)上面提到的各個(gè)方面規(guī)定出不同的補(bǔ)償目標(biāo),制定出合適的電能質(zhì)量等級(jí)。一般而言,常將電能質(zhì)量分為常質(zhì)(Normal Quality)、優(yōu)質(zhì)(Premium Quality)、高質(zhì)(High Quality)電力三個(gè)級(jí)別[4]。

1.3 電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的判斷,要有一定的技術(shù)指標(biāo)作為依據(jù),將技術(shù)指標(biāo)量化為電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 電壓偏差指電網(wǎng)電壓相對(duì)于額定電壓的偏離程度。35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)標(biāo)稱電壓的10%;20 kV及以下供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。一般,造成電網(wǎng)電壓偏差的最主要原因是無(wú)功功率的傳輸。另外,電力電容器的投切對(duì)母線電壓偏差的影響。

(2) 頻率偏差指電網(wǎng)頻率對(duì)于額定頻率的偏離程度,產(chǎn)生頻率偏差的原因主要是發(fā)電機(jī)有功出力和有功負(fù)荷的不平衡。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下,頻率偏差限值為±0.2 Hz,當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí),偏差限值可放寬到±0.5 Hz。

(3) 電壓波動(dòng)和閃變指電網(wǎng)電壓的變動(dòng)程度和因此引起的燈光對(duì)人眼的視覺(jué)影響。閃變與電壓波動(dòng)的大小、波動(dòng)的頻率及人的視感等因素有關(guān)。電壓幅值的變化通常為90%～110%。這種電壓波動(dòng)通常稱為電壓閃變,主要是波動(dòng)性負(fù)載產(chǎn)生的。最常見(jiàn)的波動(dòng)性負(fù)載是電弧爐。

(4) 三相電壓不平衡指三相電壓不平衡度的度量。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)2%,短時(shí)不超過(guò)4%。

(5) 諧波含量指電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變程度。由于畸變波形可分解成基波和諧波,因此可用諧波含量大小來(lái)表征波形的畸變程度。諧波含量包括各次諧波的含量和總畸變量。

2 電能質(zhì)量問(wèn)題分類及影響

通常情況下,按產(chǎn)生和持續(xù)時(shí)間將電能質(zhì)量問(wèn)題分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。

穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),包括因系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡而引起的長(zhǎng)期低電壓或高電壓,通常是1 min以上出現(xiàn)的電能質(zhì)量不正常的情況,以波形畸變?yōu)橹饕卣?。?dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題通常是以暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征,分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類,包括由于配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設(shè)備等非線性、不對(duì)稱和沖擊性負(fù)荷而引起的電壓不對(duì)稱、脈動(dòng)、電壓跌落以及瞬時(shí)中斷等[6]。

電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)、供電部門和電力用戶帶來(lái)嚴(yán)重的危害,主要表現(xiàn)在以下方面[8]:

(1) 諧波產(chǎn)生的影響:使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗,降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率,大量3次諧波流過(guò)中性線會(huì)使線路過(guò)熱,甚至引起火災(zāi);影響電氣設(shè)備的正常工作,使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱,電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短,使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確,引起誤差;對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

(2) 引起電網(wǎng)諧振,可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍,會(huì)對(duì)電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅,經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。

(3) 導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作,造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。

(4) 短時(shí)停電、電壓驟升或驟降會(huì)影響許多特殊行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程,降低生產(chǎn)工效和產(chǎn)品質(zhì)量,直接造成經(jīng)濟(jì)損失[10]。

3 電能質(zhì)量分析方法

通過(guò)一定的方法對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行分析,是保障電能質(zhì)量以及提升電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、控制以及管理水平的前提。電能質(zhì)量的分析計(jì)算涉及對(duì)各種干擾源和電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述,需要相應(yīng)的分析軟件和工程方法來(lái)對(duì)各種電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的分析,為改善電能質(zhì)量提供指導(dǎo)。

目前所采用的方法有三種[11]:

(1) 時(shí)域仿真方法。該方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛,主要是利用各種時(shí)域仿真程序例如EMTP、EMTDC以及NETOMAC等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER 等電力電子仿真程序兩大類,對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題中的暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行分析。這些仿真程序在不斷發(fā)展中,還可利用它們進(jìn)行電力設(shè)備、元件的建模和電力系統(tǒng)的諧波分析。該分析方法的缺點(diǎn)是在進(jìn)行仿真計(jì)算之前要預(yù)先知道暫態(tài)過(guò)程的頻率覆蓋范圍,同時(shí)在模仿開關(guān)的過(guò)程中存在數(shù)值失真的現(xiàn)象。

(2) 頻域分析方法。這是電能質(zhì)量中諧波問(wèn)題分析的常用方法,主要用于諧波問(wèn)題的分析計(jì)算,包括頻率掃描、諧波潮流計(jì)算等?？紤]到一些非線性負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性,近年來(lái)又提出一種棍合諧波潮流的計(jì)算方法,即在常規(guī)的諧波潮流計(jì)算法基礎(chǔ)上,利用EMTP等時(shí)域仿真程序?qū)Ψ蔷€性負(fù)載進(jìn)行精細(xì)的動(dòng)態(tài)特性描述,可求出各次諧波動(dòng)態(tài)電流矢量,從而得到動(dòng)態(tài)諧波潮流解。該方法在近些年運(yùn)用較多，其缺點(diǎn)是計(jì)算量大,耗時(shí)較長(zhǎng)。

(3) 基于變換的方法,主要包括Fourier變換法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、二次變換法、小波變換法以及Prony分析法等。

① FFT作為經(jīng)典的信號(hào)分析方法,在運(yùn)用時(shí)必須滿足以下條件:采樣頻率必須是最高信號(hào)頻率的2倍以上;被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時(shí)間周期變化的。因此,當(dāng)條件無(wú)法滿足時(shí),會(huì)給分析帶來(lái)誤差。此外,由于FFT變換是對(duì)整個(gè)時(shí)間段的積分,時(shí)間信息得不到充分利用,信號(hào)的任何突變,其頻譜將散布于整個(gè)頻帶。

② 短時(shí)Fourier變換方法具有正交、完備、計(jì)算快速等許多優(yōu)點(diǎn),將不平穩(wěn)過(guò)程看成是一系列短時(shí)平穩(wěn)過(guò)程的集合。它只適合于分析特征尺度大致相同的過(guò)程,不適合分析多尺度過(guò)程和突變過(guò)程。而且該方法的離散形式?jīng)]有正交展開,難以實(shí)現(xiàn)高效算法。

③ 小波變換由于具有時(shí)-頻局部化的特點(diǎn),特別適合于突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào)的分析。小波變換作為一種新的數(shù)字技術(shù)被引入工程界后,已在圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮和信號(hào)分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于小波函數(shù)本身衰減很快,也屬一種暫態(tài)波形,將其用于電能質(zhì)量分析領(lǐng)域,尤其是暫態(tài)過(guò)程分析領(lǐng)域?qū)⒕哂衅渌治龇椒o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

4 電能質(zhì)量的改善方法

4.1 傳統(tǒng)方法

(1) 調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭,可保持電壓穩(wěn)定,保證電壓質(zhì)量,但不能改變系統(tǒng)無(wú)功需求平衡狀態(tài),同時(shí)對(duì)于變壓器運(yùn)行的可靠性有一定影響。

(2) 無(wú)源濾波器作為傳統(tǒng)抑制諧波電流的主要手段,通過(guò)LC諧振來(lái)吸收電網(wǎng)中的諧波電流,但其缺點(diǎn)是只能抑制固定頻率的諧波,同時(shí)也可能造成系統(tǒng)諧振。

(3) 通過(guò)備用發(fā)電機(jī)組和機(jī)械式雙電源切換裝置(>2 s)等方法對(duì)重要用戶連續(xù)供電。

(4) 局部并聯(lián)電容器組,可補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率,解決電壓偏低的情況,但對(duì)輕載電壓偏高的電能質(zhì)量問(wèn)題卻無(wú)能為力。

以上傳統(tǒng)方法盡管能在一定程度上解決電能質(zhì)量問(wèn)題,但都存在著本身無(wú)法克服的缺陷,因此必須提出新的解決電能質(zhì)量問(wèn)題的方法。

4.2 基于用戶電力技術(shù)的改善方法

電力電子技術(shù)的應(yīng)用給解決電能質(zhì)量問(wèn)題開拓了廣闊的前景,利用高性能的電力電子裝置來(lái)改善電能質(zhì)量成為可能。用戶電力技術(shù)將電力電子、計(jì)算機(jī)和控制等高新技術(shù)運(yùn)用于中低壓配用電系統(tǒng),形成了一系列的電能質(zhì)量補(bǔ)償控制設(shè)備,可更好地解決諧波畸變、電壓波動(dòng)和閃變、電壓不對(duì)稱等用于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的用戶電力技術(shù)。其中,最常用的一種電路結(jié)構(gòu)是PWM功率變換器(包括電壓型和電流型)。利用不同的控制方法對(duì)PWM功率變換器進(jìn)行控制,可以用來(lái)補(bǔ)償電能質(zhì)量問(wèn)題。

下面介紹幾個(gè)具有代表性的產(chǎn)品，主要用到以下裝置:

(1) 有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)是一種用于動(dòng)態(tài)抑制非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流和無(wú)功電流的新型電力電子裝置,通過(guò)向電網(wǎng)注入與原有諧波和無(wú)功電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流,使得電網(wǎng)總諧波和無(wú)功電流為0,因此減少或者消除非線性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的污染,使電網(wǎng)流過(guò)低諧波含量的正弦電流[1]，克服了LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法僅能對(duì)確定頻率進(jìn)行濾波和補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。它對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)快,受電源阻抗影響不大,不易與電源阻抗發(fā)生諧振。另外,APF補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件,補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大。

(2) 靜止無(wú)功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)指利用PWM功率變換器通過(guò)一定的控制策略來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置,可以分為電壓源型和電流源型。鑒于運(yùn)行效率和控制難易程度考慮,目前投入實(shí)用的SVG大都是電壓源型的。SVG的控制方法可以分為兩類,第一類是直接控制,即根據(jù)需要從電網(wǎng)吸收的無(wú)功電流,直接通過(guò)一定的電流控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn);第二類是間接控制,即根據(jù)需要從電網(wǎng)吸收的無(wú)功電流計(jì)算穩(wěn)態(tài)情況下橋式電路應(yīng)輸出的電壓,然后通過(guò) PWM 技術(shù)將其實(shí)現(xiàn),從而通過(guò)控制電壓起到控制電流的目的[1]。

(3) 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)通過(guò)核心器件PWM 逆變器對(duì)直流電壓的逆變產(chǎn)生交流補(bǔ)償電壓，用于電壓波動(dòng)和跌落等,維持敏感性負(fù)荷端電壓水平。DVR須具有快速響應(yīng)能力及具備足夠的能量,以提供電壓跌落時(shí)負(fù)載所需的能量支持。

(4) 靜態(tài)同步補(bǔ)償器(SSC)是通過(guò)變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)的PWM電壓源型逆變器,可以改善電壓質(zhì)量,減少損耗。

(5) 晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC),能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和電壓控制,還能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、阻尼功率波動(dòng)以及限制過(guò)電壓等。缺點(diǎn)是由于呈恒阻抗特性,使得在電壓低時(shí),無(wú)法提供所需的無(wú)功支持,應(yīng)付突發(fā)事件的能力較弱[8]。

(6) 同步并聯(lián)補(bǔ)償器(STATCoM)的無(wú)功電流輸出可在很大電壓變化范圍內(nèi)恒定,在電壓低時(shí)仍能提供較強(qiáng)的無(wú)功支撐,并且可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),使得其無(wú)功輸出相當(dāng)于同容量SVC 的1.4～2倍;另外,STATCoM還可以抑制電壓閃變,提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平[8]。

上述各種現(xiàn)代電能質(zhì)量補(bǔ)償控制設(shè)備的特點(diǎn)是可以快速、動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償配電網(wǎng)中各種電能質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響極小。因此,協(xié)調(diào)配置補(bǔ)償控制設(shè)備,可將配電系統(tǒng)改造成無(wú)電壓波動(dòng)、無(wú)不對(duì)稱以及無(wú)諧波的柔性化網(wǎng)絡(luò),滿足電力負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量日益提高的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

在規(guī)范化制度管理和先進(jìn)技術(shù)的支撐下,電能質(zhì)量問(wèn)題正在逐步得到全面有效的改善。電能質(zhì)量的好壞關(guān)乎社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面,直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。提供和維護(hù)高品質(zhì)的電力能源,不僅是電力部門的責(zé)任,也是全社會(huì)共同追求的目標(biāo)。

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Power Quality Problem and Methods of Treatment

LI Zhongjun

(China Haisum Engineering Co., Ltd., Shanghai 200031, China)

With the rapid development of science and technology and the national economy,the energy demand grows fast,and the demand growth of power quality is higher and higher at the same time.The paper outlined the basic issues of power quality,including content,grading and evaluation index of power quality.The classification and significant influence of power quality were elaborated.The correlation analysis methods of power quality were summarized,from the using conditions,pros and cons.Finally,the mitigation measures and ameliorative ways of power quality were given.

power quality; theoretical research; analysis method; improvement measures

李中俊(1988—),男,從事電氣供配電設(shè)計(jì)工作。

TM 933

B

1674-8417(2015)10-0039-05

2015-09-23