用戶側(cè)電能質(zhì)量問題及其治理措施

張濟韜，高志偉

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司響水縣供電分公司，江蘇 響水 224600）

0 引言

在電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量問題存在已久，電力系統(tǒng)發(fā)展起初評價電能質(zhì)量主要通過電壓偏移和頻率偏移這兩個指標(biāo)。隨著用戶對電能質(zhì)量要求提高，動態(tài)電能質(zhì)量已成為專家學(xué)者的重點研究方向，主要包括電壓跌落、電壓波動與閃變、電壓瞬時中斷等。國外學(xué)者在20世紀(jì)90年代初已經(jīng)對電能質(zhì)量展開研究，美國較早的展開了美配電系統(tǒng)電能質(zhì)量普查研究工作，積累了早期電能質(zhì)量研究資料，對于提高美國電能質(zhì)量具有重大意義。國內(nèi)學(xué)者研究電能質(zhì)量起步較晚，但隨著國內(nèi)電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，逐步縮小了與歐美國家的差距。近年來大量分布式能源接入電網(wǎng)，但由于分布式能源發(fā)電的不確定性，給電網(wǎng)電能質(zhì)量造成了影響。因此，電力公司已將確保用戶電能質(zhì)量作為重要管理指標(biāo)之一。

1 電能質(zhì)量

1.1 電能質(zhì)量概念

目前世界各國對電能質(zhì)量的定義還沒有完全統(tǒng)一。IEEE協(xié)調(diào)委員會對電能質(zhì)量的技術(shù)定義為：合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均是適合該設(shè)備正常工作的[1]。電能質(zhì)量的本質(zhì)問題就是電壓質(zhì)量問題，電壓質(zhì)量問題主要有頻率偏差、電壓中斷、電壓跌路、電壓暫升、瞬時脈沖、電壓波動、電壓切痕、諧波、間諧波、過電壓、欠電壓等。

1.2 電能質(zhì)量分類

電能質(zhì)量問題依據(jù)發(fā)生、持續(xù)時間長短分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題的主要特征是：電壓、電流波形會發(fā)生畸變，并且持續(xù)時間大于1分鐘，具體表現(xiàn)為諧波、欠電壓、電壓不平衡等。動態(tài)電能質(zhì)量主要特征為持續(xù)時間短，持續(xù)時間不超過1分鐘，具有暫態(tài)性質(zhì)。具體表現(xiàn)為電壓跌落、電壓驟升、電壓閃變等。

1.3 電能質(zhì)量問題產(chǎn)生原因

電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因有很多種，但是歸納起來主要有兩種[2]：① 沖擊性負荷的用電設(shè)備。這類設(shè)備用電變化幅度大，通常會引起電網(wǎng)三相不平衡、電壓暫降等問題。② 電源部分的非線性和電力負荷的非線性。這可能導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，從而影響電能質(zhì)量。另外，隨著分布式能源大量接入電網(wǎng)，可能引起電壓偏差，導(dǎo)致電壓波動及閃變等問題更加嚴(yán)重[3]。

1.4 電能質(zhì)量問題危害

電能質(zhì)量問題可能對敏感負荷造成傷害，諧波可能引起斷路器誤動，設(shè)備損壞等。動態(tài)電能質(zhì)量問題對計算機，自動化裝置，醫(yī)療設(shè)備和通訊設(shè)備產(chǎn)生重大影響。電能質(zhì)量對用戶影響，如圖1所示。

圖1 電能質(zhì)量對用戶的影響Fig .1 Effect of power quality on users

在所有電能質(zhì)量問題中，80%是電壓跌落引起的，電壓跌落對居民影響較小，對工業(yè)用電影響較大。電壓跌落對工業(yè)的影響程度見表1，電壓跌落造成影響見表2。

表1 電能質(zhì)量與供電可靠性對工業(yè)生產(chǎn)的影響Table 1 Effect of power quality and supply reliability on industrial production

表2 電壓跌落對各行業(yè)的影響Table 2 Effect of voltage dips on distribution system

2 電能質(zhì)量的分析及治理方法

2.1 電能質(zhì)量的分析方法

解決電能質(zhì)量問題的關(guān)鍵是對電能質(zhì)量問題相關(guān)特征進行提取分析，將其特性準(zhǔn)確分析，才能針對電能質(zhì)量問題采取有效治理措施。

目前穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題通常采用時域分析方法，主要包括諧波分析、對稱分量等方法。時域分析方法能夠較好的分析諧波、電壓偏差等特征量，對于解決穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題具有重要作用。同時，在電能質(zhì)量分析中應(yīng)用較多的是傅里葉變換，特別在諧波治理方面，快速傅里葉變換、離散傅里葉變換已經(jīng)成為諧波分析的重要手段[4]。但傅里葉變換對分析變化較快的諧波效果不夠明顯。有專家學(xué)者提出了采用小波分析能夠準(zhǔn)確分析提取變化較快的諧波[5]，此方法實時性更強。

動態(tài)電能質(zhì)量問題具有時間暫態(tài)性、隨機性等特點，時域分析方法已不再適用，因此，對動態(tài)電能質(zhì)量分析要采用新的方法。目前，分析方法有基于快速S變換，小波分析，短時傅里葉變換等方法[6]。在對動態(tài)質(zhì)量問題進行分析時大都采用小波分析方法[7]。小波分析適合應(yīng)用于突變特征量、不平穩(wěn)特征量。與傅里葉變換相比，小波變換分析電壓跌落，電壓閃變、電壓驟升等動態(tài)電能質(zhì)量具有較大優(yōu)勢。因為小波分析具有對函數(shù)或特征量進行多尺度分析的優(yōu)點，彌補了傅里葉變換不足之處。

2.2 電能質(zhì)量控制方法

由于電能質(zhì)量具有暫態(tài)性、快速性。因此，治理電能質(zhì)量設(shè)備要有良好的控制技術(shù)。目前，在實際工程應(yīng)用中大都采用傳統(tǒng)PID控制方法，但是傳統(tǒng)PID控制方法動態(tài)響應(yīng)能力差、抗負載能力不強，因此難以解決動態(tài)電能質(zhì)量問題。朱思國、唐健[8-9]等采用無差拍控制、滯環(huán)比較控制方法，同時結(jié)合自適應(yīng)和模糊邏輯控制，來增強動態(tài)響應(yīng)能力要求。滯環(huán)比較控制采用控制量和標(biāo)準(zhǔn)值在一定范圍內(nèi)作差比較，獲取對應(yīng)信號來控制相應(yīng)開關(guān)通斷，這種控制方法簡單、響應(yīng)動態(tài)能力強，其主要缺點是開關(guān)頻率不固定。無差拍控制根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)方程和當(dāng)前狀態(tài)推出下個周期開關(guān)控制量。這種算法能夠減少穩(wěn)態(tài)誤差，縮短過渡時間，但是存在實時計算能力要求高等缺點。

因上述各種分析和控制方法存在各自的優(yōu)缺點，可將幾種方法相結(jié)合應(yīng)用，發(fā)揮各自長處，以滿足動態(tài)電能質(zhì)量的要求。

3 電能質(zhì)量的治理措施

電能質(zhì)量問題治理方措施可分為兩類：一類是從供電側(cè)解決問題，即傳統(tǒng)的穩(wěn)定電壓，頻率調(diào)整的技術(shù)。另一類是從用戶側(cè)解決電能質(zhì)量問題，是美國Hingorani博士于1988年提出的定制電力技術(shù)。電力公司利用定制電力技術(shù)的新設(shè)備，可以提高配電網(wǎng)的供電可靠性和供電質(zhì)量的兩個方面[9]。

目前，主要從用戶側(cè)治理電能質(zhì)量，現(xiàn)有的治理裝置有靜止無功發(fā)生器、有源濾波器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器和超導(dǎo)磁能系統(tǒng)等。國內(nèi)科研機構(gòu)、院校已對靜止無功發(fā)生器、有源濾波器和動態(tài)電壓恢復(fù)器進行研究，如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國電科院等。其中清華大學(xué)和上海供電公司進行了±50 Mvar靜止無功發(fā)生器工程試驗，試驗表明可有效治理動態(tài)電能質(zhì)量問題。中國電科院分別在北京、上海某企業(yè)投運了10 kV動態(tài)電壓恢復(fù)器。國網(wǎng)電力公司開發(fā)的10 kV高壓并聯(lián)式混合型電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置已進入工業(yè)運行。

諧波治理措施主要采用無源濾波與有源濾波[10-11]。無源濾波器主要由電阻、電抗器和電容器組成。無源濾波系統(tǒng)參數(shù)會影響裝置性能，并且可能放大某些諧波。由于無源濾波器裝置便宜，運輸成本低，故廣泛應(yīng)用在實際工程中。研究機構(gòu)已經(jīng)研發(fā)出通用濾波器UHF，并且成功應(yīng)用在巴西電力工程，取得了良好效果[12]。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，有源濾波器已成為重要的研究方向之一。有源濾波器主要具有高度可控性、快速響應(yīng)等優(yōu)點。此外，還可以提高無功功率，治理三相不平衡[13]。有源濾波器有出色的濾除諧波的效果，濾波率可以做得很高，同時還可以補償無功功率。但是有源濾波器不適合高電壓大功率的場合，并且價格昂貴，限制了在工程中的應(yīng)用。

靜止無功發(fā)生器可治理電網(wǎng)中沖擊負荷引起電網(wǎng)電壓跌落、電壓閃變等電能質(zhì)量問題[14]。靜止無功發(fā)生器的組成部件有逆變器、耦合變壓器等。通過調(diào)節(jié)靜止無功發(fā)生器變壓器的圈數(shù)比，可適用于不同電壓等級補償器。因此，靜止無功發(fā)生器可提供電壓支持和無功潮流。靜止無功發(fā)生器動態(tài)響應(yīng)速度快，抑制電壓閃變效果好。靜止無功發(fā)生器裝置已在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。

不間斷電源作為重要負荷的備用電源，能夠有效的治理系統(tǒng)電壓跌落或瞬時供電中斷。在變電站中被廣泛的應(yīng)用。缺點主要是不間斷電源容量較小，供電時間有限。動態(tài)電壓恢復(fù)器可有效的治理電壓跌落。動態(tài)電壓恢復(fù)器相當(dāng)于一個電壓源串聯(lián)在被保護線路上，線路電壓正常運行時動態(tài)電壓恢復(fù)器不工作，由系統(tǒng)提供電壓；當(dāng)電壓跌落時，動態(tài)電壓恢復(fù)器可以在毫秒級內(nèi),對電壓跌落有效補償，支撐電壓恢復(fù)[15-17]。其良好的速度響應(yīng)能力和較高的性價比使得它成為治理電壓跌落問題最經(jīng)濟，最有效的措施。治理電壓跌落裝置成本及年維護費用見表3，不同裝置治理暫降有效性見表4，各種電能質(zhì)量裝置可解決的問題見表5。

表3 治理電壓跌落裝置成本及年維護費用Table 3 Governance voltage sags and annual maintenance costs

表4 不同裝置治理暫降有效性Table 4 Effectiveness of temporary dips for different devices

表5 各種電能質(zhì)量裝置功能對比分析Table 5 Comparison and analysis of functions of various power quality devices

4 結(jié)論

穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量分析方法較為成熟，對電壓跌落，電壓閃變等動態(tài)電能質(zhì)量分析的方法還略顯不足，對其分析方法還需進一步研究。電能質(zhì)量控制方法在工程中大都采用傳統(tǒng)PID控制，相比無差拍控制、滯環(huán)比較等控制方法魯棒性、響應(yīng)速度較差，但無差拍控制、滯環(huán)比較難以在裝置中應(yīng)用。靜止無功發(fā)生器、有源濾波器等定制電力技術(shù)可以快速、動態(tài)地補償用戶側(cè)電網(wǎng)中各種電能質(zhì)量問題,對電力系統(tǒng)運行的影響小，因此用戶電力技術(shù)是今后的發(fā)展趨勢。

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