電能質(zhì)量對(duì)英國(guó)電網(wǎng)的影響

盧凌霄　英國(guó)卡迪夫大學(xué)Cardiff University　英國(guó)卡迪夫

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電能質(zhì)量對(duì)英國(guó)電網(wǎng)的影響

盧凌霄英國(guó)卡迪夫大學(xué)Cardiff University英國(guó)卡迪夫

【文章摘要】

電能質(zhì)量是衡量用戶(hù)側(cè)電力設(shè)備電能好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。電力系統(tǒng)中過(guò)低的電能質(zhì)量往往會(huì)造成諸多經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。本文主要圍繞英國(guó)的電能質(zhì)量展開(kāi)，包括電壓驟降，諧波，以及電能質(zhì)量的重要性。同時(shí)，還將引入低電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)分析以及改善智能電網(wǎng)中的電能質(zhì)量可行的措施。

【關(guān)鍵詞】

電能質(zhì)量;智能電網(wǎng);諧波;電壓驟降

0　引言

近些年，電能質(zhì)量這一參考因素受到了越來(lái)越多諸如公共設(shè)施，終端用戶(hù)，廠商以及其他使用者的重視。這一術(shù)語(yǔ)是用來(lái)衡量驅(qū)動(dòng)電力負(fù)載的電能是否具有合適的功能性。如果沒(méi)有合適的電能在做驅(qū)動(dòng)，電力設(shè)備（或負(fù)載）就很有可能出現(xiàn)故障、永久性的失靈或者根本運(yùn)行不起來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，有很多種方式都可能導(dǎo)致電能出現(xiàn)很低的電能質(zhì)量，因此出現(xiàn)這種狀況的原因也是多種多樣。這對(duì)于電力供應(yīng)者以及電力用戶(hù)都是一個(gè)很重要的考量因素。

目前英國(guó)電網(wǎng)的電能頻率和我國(guó)類(lèi)似，都是維持在50赫茲上下（圖1）。任何的頻率擾動(dòng)都會(huì)影響到電能質(zhì)量，從而導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定，甚至可能引發(fā)大規(guī)模的停電。由于目前英國(guó)電力供應(yīng)普遍采用一些傳統(tǒng)的發(fā)電站，比如天然氣，核能以及煤炭，因此，已經(jīng)很久沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)殡娏︻l率沒(méi)有保持在一定的幅值范圍內(nèi)而發(fā)生電力故障的事件了。

然而，由于大量的不穩(wěn)定的可持續(xù)能源并網(wǎng)，并且呈現(xiàn)了越來(lái)越高的比重，英國(guó)的電能質(zhì)量出現(xiàn)了逐步下滑。這將很有可能在未來(lái)導(dǎo)致一個(gè)不良的趨勢(shì)：越來(lái)越多的英國(guó)家庭會(huì)遭受到諸如電壓不穩(wěn)，燈光閃爍以及驟然停電等糟糕情況。與此同時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)以及可持續(xù)能源穩(wěn)定技術(shù)尚在初步階段。為了更好的提供穩(wěn)定的電能，英國(guó)毫無(wú)疑問(wèn)應(yīng)該在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)改善電能質(zhì)量。

圖1. 英國(guó)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性

1　電能質(zhì)量的影響因素

1. 1電壓驟降

根據(jù)國(guó)際上普遍采用的定義（歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50160），當(dāng)電能電壓在一分鐘內(nèi)下降到90%的標(biāo)準(zhǔn)電壓，稱(chēng)之為電壓驟降。然而，多數(shù)情況下，電壓驟降只會(huì)持續(xù)短暫的不到十分之一秒，在這之后，電能供應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓就會(huì)恢復(fù)。電壓驟降并不是電能中斷，因?yàn)樵陔妷后E降出現(xiàn)的期間，電能供應(yīng)并沒(méi)有因此而中斷。

1.1.1電壓驟降的成因

切換操作和任何類(lèi)型的電路故障都可能會(huì)引起電壓驟降。典型的切換操作包括大型電機(jī)負(fù)載的啟動(dòng)引起的大電流負(fù)荷。其他的可能的原因包括閃電、植被、第三方干擾、動(dòng)物以及挖掘帶來(lái)的干擾。可以想象的是，當(dāng)閃電擊中或者擊中電纜線附近時(shí)，亦或者植物莖稈壓倒在電纜上時(shí)，都會(huì)在很大程度上影響電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量。

1.1.2電壓驟降的解決方案

目前，有多種可以采用的方式來(lái)解決電壓驟降問(wèn)題。工業(yè)上，由于短路電流通常很大，可以用串聯(lián)反應(yīng)器來(lái)降低由此引起的大電流。快速耦合晶閘管反應(yīng)器可以應(yīng)用于一些中壓饋線。為了防止出現(xiàn)可能的電路故障，以上這些措施對(duì)于限制電流大小以及減少驟降深度都提供了實(shí)質(zhì)性的解決方案。

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)設(shè)備可以提供電壓注入，對(duì)于保護(hù)敏感負(fù)載引起的電壓驟降以及供應(yīng)電壓時(shí)的短暫中斷有著很好的效果。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償提供了電流注入，適用于保護(hù)配電網(wǎng)中的分布載荷。

1.2諧波

圖2. 電壓驟降RMS波形圖

圖3. 諧波效果圖

由于基波電流產(chǎn)生畸變從而形成了諧波(圖 3)。換句話說(shuō)，諧波就是目標(biāo)信號(hào)或者波形的頻率對(duì)于參考信號(hào)或者波形的頻率的比例。

電力系統(tǒng)中諧波的一個(gè)主要危害就是增大系統(tǒng)電流。尤其對(duì)于三次諧波而言，會(huì)造成零序電流的激增從而導(dǎo)致中性線電流的增加。這都應(yīng)該在設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)非線性負(fù)載時(shí)作為特別情況而考慮進(jìn)去。除此之外，電力設(shè)備也會(huì)或多或少的受到諧波的影響從而影響其穩(wěn)定性和使用壽命。

由于傳統(tǒng)的諧波解決方案顯得較為昂貴，目前，最普遍的用來(lái)減緩諧波影響的措施包括采用無(wú)源濾波器和有源濾波器。

1.2.1無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器是串聯(lián)電容和諧振電抗組成的設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，經(jīng)調(diào)諧之后將高電抗回路降低為基波頻率而把低電抗回路升高為特定的頻率（例如5th - 250Hz, 7th - 350Hz）。由于此類(lèi)應(yīng)用需要持續(xù)工作以提供有效的諧波抑制，通常他們連接于發(fā)電站的獨(dú)立負(fù)載。

1.2.2有源濾波器

有源濾波器描述了一個(gè)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流持續(xù)的被監(jiān)測(cè)從而產(chǎn)生了一個(gè)相同波形的非線性比例負(fù)載電流的自適應(yīng)波形。和無(wú)源濾波器不同的是，有源濾波器可以在額定功率下的任何負(fù)載情況提供諧波抑制。

2　智能電網(wǎng)與電能質(zhì)量

2.1電能質(zhì)量的重要性

由于敏感數(shù)字電子設(shè)備在19世紀(jì)60年代初期的引入，電能質(zhì)量問(wèn)題開(kāi)始逐漸受到了人們的重視。但最初發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題是在人們開(kāi)始使用電能時(shí)。然而，由于技術(shù)限制，相比現(xiàn)在，那時(shí)候的電能擾動(dòng)顯得更加可以被理解。如今，當(dāng)越來(lái)越多的制造商開(kāi)始持續(xù)的減小設(shè)備中電路和電子元件體積的時(shí)候，他們同樣也在減小這些設(shè)備的需求電壓。結(jié)果是，設(shè)備運(yùn)行能力更強(qiáng)大，速度更快，但也更加易受電能擾動(dòng)的影響。

因此，電能質(zhì)量對(duì)于任何依賴(lài)于敏感電力擾動(dòng)的設(shè)備和系統(tǒng)都是至關(guān)重要且具有實(shí)質(zhì)性的影響。僅僅是非常小的變化就會(huì)對(duì)于商業(yè)上造成時(shí)間損失，產(chǎn)量亦或是收益損失的慘痛代價(jià)。

2.2英國(guó)智能電網(wǎng)和電能質(zhì)量

智能電網(wǎng)是一種新型的電網(wǎng)形式，它使用信息和通信技術(shù)收集電網(wǎng)瞬時(shí)信息，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以達(dá)到供應(yīng)和消耗的平衡。和其他經(jīng)歷過(guò)工業(yè)革命的國(guó)家一樣，二戰(zhàn)之后英國(guó)的電網(wǎng)大規(guī)模的擴(kuò)大以支撐整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。智能電網(wǎng)并沒(méi)有減少對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)的加固，相反，更加有效地使用基礎(chǔ)設(shè)施可以最小化甚至退后對(duì)于投資此類(lèi)設(shè)施的需求，以此快速減少投資并且加速低碳技術(shù)的進(jìn)程。根據(jù)政府可持續(xù)能源戰(zhàn)略的報(bào)告，到2020年，英國(guó)的電力需求中有35%將由可持續(xù)能源作為發(fā)電。

未來(lái)的智能電網(wǎng)應(yīng)該包括能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)改善電能質(zhì)量。通過(guò)合適的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和與此對(duì)應(yīng)的自動(dòng)平抑機(jī)制，以及其他一系列的措施，會(huì)使得智能電網(wǎng)運(yùn)行更加有效、可靠。

3　電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)分析

從上述分析可知，電能質(zhì)量會(huì)很大程度上影響機(jī)構(gòu)運(yùn)行的效率，因而，隨之而引發(fā)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題也比以前變得更加受到重視。

3.1電壓驟降

對(duì)于單一的電壓驟降而言，其深度和時(shí)間長(zhǎng)度幾乎等同于一個(gè)小的或者長(zhǎng)的電能中斷。根據(jù)供電來(lái)源的不同，電壓驟降造成的影響會(huì)是造成中斷的50%-100%。對(duì)公司甚至是工廠而言，電壓驟降與電能中斷的經(jīng)濟(jì)影響比很有可能大于1。

3.2諧波

相比于其他已經(jīng)提及的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失，諧波所造成的經(jīng)濟(jì)損失可能更難以定量。諧波可能會(huì)造成電氣設(shè)備更短的使用壽命，更少的能源使用率以及更加易于受到跳閘的影響。當(dāng)然，設(shè)備更短的使用壽命意味著更加昂貴的成本支出。諸如變壓器等，正常使用壽命是30到40年，一旦長(zhǎng)期受到諧波影響，可能就會(huì)銳減到只有7到10年，這無(wú)疑會(huì)造成非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。而避免這些情況發(fā)生的成本花費(fèi)就相對(duì)要小很多，只要設(shè)備選型和安裝適當(dāng)即可。其實(shí)，安裝比計(jì)算得到的最小花費(fèi)的電纜多出一倍到兩倍的大小只會(huì)對(duì)增加很小的初期投資。

4　結(jié)論

本文主要圍繞英國(guó)電能質(zhì)量問(wèn)題展開(kāi)，介紹了電壓驟降，諧波以及電能質(zhì)量對(duì)于經(jīng)濟(jì)成本的重要性。因此，在電網(wǎng)以及配電網(wǎng)中，持續(xù)的電能質(zhì)量檢測(cè)顯得日益重要。盡管低電能質(zhì)量的花費(fèi)越來(lái)越高，減少諧波造成的影響不僅節(jié)能，且會(huì)增加供應(yīng)其他負(fù)載的能力。

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