基于某低壓工業(yè)用戶的電能質(zhì)量分析

楊彩東 胡凡君 李自文

摘要：隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，加之電力設(shè)備和用電設(shè)備的敏感性不斷增加，越來越多的低壓用戶開始關(guān)注電能質(zhì)量問題。在實際應(yīng)用中，電能質(zhì)量檢測主要是基于系統(tǒng)側(cè)來考慮的。本文以廣州市某低壓工業(yè)用戶的監(jiān)測數(shù)據(jù)為核心，分析該用戶的電壓質(zhì)量，包括電壓偏移、電壓諧波畸變率和三相電壓不平衡度。然后將這些指標與國家標準對比，評價用電質(zhì)量并對超標項提出整治措施。

Abstract： With the development of modern society and the increasing sensitivity of power equipment and electrical equipment， more and more low-voltage users have begun to pay attention to power quality problems. In practical applications， power quality inspection is mainly based on the system side. This paper takes the monitoring data of a low-voltage industrial user in Guangzhou as the core， and analyzes the user's voltage quality， including voltage offset， voltage harmonic distortion rate and three-phase voltage unbalance degree. Then compare these indicators with national standards， evaluate the quality of electricity and put forward remediation measures for exceeding the standard.

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；電壓偏移；諧波；不平衡度；低壓用

Key words： power quality；voltage offset；harmonics；unbalance；low voltage users

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）26-0155-03

0 引言

電能質(zhì)量不僅關(guān)系到電網(wǎng)企業(yè)的安全經(jīng)濟運行，也影響到用戶的安全運行和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。幾年前，電能質(zhì)量這一概念還只是變電站和電弧爐工程師們所關(guān)心的問題。而近年來，由于大量電力電子設(shè)備的使用以及高精密儀器的廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起了人們的普遍關(guān)注。IEEE技術(shù)協(xié)調(diào)委員會給出的“power quality”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)適合該設(shè)備正常工作” [2]。電能質(zhì)量問題主要包括：電網(wǎng)頻率、電壓偏差、三相電壓不平衡、公網(wǎng)諧波、公網(wǎng)間諧波、電壓波動和閃變、電壓暫降與短時中斷等。

1 電壓質(zhì)量對低壓配電網(wǎng)用戶的影響

電能質(zhì)量的主要指標是電壓、頻率和波形。在這三種指標中，用戶關(guān)注最多的是電壓指標。本文基于廣州某大型工業(yè)用戶一天內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)評價該用戶所用電能的電壓質(zhì)量，并著重分析電壓諧波與電壓不平衡度的影響。

1.1 電壓諧波

諧波被定義為與系統(tǒng)頻率相關(guān)的量，其頻率為季波頻率的整數(shù)倍，該倍數(shù)稱為諧波次數(shù)n[3]。

電力系統(tǒng)中總是有諧波存在的。尤其是近幾年大量電力電子設(shè)備的投入運行，導致電力系統(tǒng)中諧波的含量不斷增加，諧波已經(jīng)成為威脅電能質(zhì)量的一個重要隱患。

電力系統(tǒng)中，諧波源主要有三大類[3]：磁芯設(shè)備；電弧爐、弧焊機、高壓放電管等；電子設(shè)備和電力電子設(shè)備。

1.2電壓不平衡

三相系統(tǒng)中電壓不平衡定義為：三相電壓幅值大小不相等并且/或者相互間位移夾角不為120°[3]。

電力系統(tǒng)中不平衡運行狀態(tài)主要是由負荷的不平衡運行造成的。不同的單相設(shè)備接到不同相配電線上，由于三相負載不對稱，會導致系統(tǒng)不平衡運行。三相電弧爐由于弧阻抗的變動也會造成不平衡運行。而且，由于電弧爐屬于大功率用電設(shè)備，其不對稱運行會引起供電系統(tǒng)中明顯的電壓不平衡。另外，架空輸電線由于各相導線之間和對地之間位置并不是一成不變的。因此導線參數(shù)不同，每一相的電壓降落也不同。

2 基于低壓用戶側(cè)的電壓質(zhì)量技術(shù)分析

以廣州某大型工業(yè)用戶為例，其相關(guān)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過電能質(zhì)量終端設(shè)備采集，整理并上傳至服務(wù)器。從服務(wù)器中截取2017年3月20日（星期一）一整天的A相電壓有效值并繪制成圖1。

一般來說，負荷的增加會使無功需求增加，電壓降低。整體上看，上午8時到下午17時，A相電壓有效值低于220V，而其余時間，電壓有效值高于220V。電壓較低的時段正好是工作時段。這說明，采集的數(shù)據(jù)能夠較好的反應(yīng)該用戶實際用電情況，具有一定真實性和代表性。

2.1電壓偏移

各種用電設(shè)備都有其額定電壓。在額定電壓下運行往往能取得最佳效果。若某節(jié)點實際電壓為U，額定電壓為UN，則電壓偏移表示為：

從所得數(shù)據(jù)中篩選出最惡劣的兩個點，即最大正偏移電壓為231.162V，最大負偏移電壓為210.645V。通過計算得出二者的偏差分別為5.07%和-4.25%，均在規(guī)定的允許電壓偏移內(nèi)。

同理，B相的最大正、負偏移分別為：7%和-2.58%。C相最大正、負偏移分別為：8.93%和-0.71%。B相達到了臨界最大正偏移，C相最大正偏移超過了允許值，雖然電壓超過允許偏移的時間不長，但是仍然會影響設(shè)備的正常工作，還可能會對設(shè)備的絕緣和壽命帶來挑戰(zhàn)?？傮w來說，B相和C相的電壓偏移都不理想，為了保證電能質(zhì)量，應(yīng)該考慮采取一定措施減小電壓偏移。

2.2 電壓諧波分析

電能質(zhì)量采集終端使用的主要分析工具是快速傅里葉變換（FFT）。FFT是建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)之上，能過夠使計算時間縮短的特殊算法。電壓諧波水平直接影響著電壓波形是否為標準正弦?；ǚ至吭酱?，越接近標準正弦。因此，電壓畸變率也是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標。

所有諧波分量之和（直到特定的次數(shù)）的均方根值與基波分量均方根值的比值稱為總諧波畸變率[3]。計算公式為：（2）

其中Un表示n次諧波均方根值，U1表示基波均方根值。一般而言，諧波次數(shù)的上限是50次。如果高次諧波諧振的危害較小，則上限可以相應(yīng)降低到25次[3]。

考慮到電壓有效值U為：

采用（5）式計算電壓畸變率不僅要比直接用（3）式快得多，理論上還要比（3）式更精確。

終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)并進行FFT，提取出A相基頻分量有效值和A相電壓畸變率分別如圖2和圖3所示。

在國家技術(shù)標準《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993）中，規(guī)定低壓電網(wǎng)的電壓總諧波的畸變率為5%。從圖3中數(shù)據(jù)可以得到電壓總諧波畸變率已經(jīng)超過了14.52%，B相和C相電壓畸變率也分別高達14.12%和14.11，這說明該用戶的電壓諧波的質(zhì)量比較惡劣，需要進行整改。

2.3電壓不平衡度分析

理論上，同步電機發(fā)出的電是三相對稱的。但是實際上電力系統(tǒng)中的節(jié)點大多是不對稱的。造成這種不對稱的原因只要是不平衡的負荷，尤其是中低壓電網(wǎng)中的單相負荷。三相不平衡的分析方法一般采用對稱分量法。即

其中U1 （1）分別是正序基波電壓、負序基波電壓和零序基波電壓。

圖4是終端測量并計算出來的該工業(yè)用戶低壓側(cè)負序電壓不平衡度。國家標準規(guī)定電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值2%短時不得超過4%。接于公共接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。因此，該用戶三相不平衡度是滿足國家標準的。

3 解決措施

通過上文的分析，可以看到該用戶三相不平衡度很低，基本上可以認為三相是對稱的。但是電壓偏移和電壓畸變率均達不到電能質(zhì)量的國家標準。這兩個方面應(yīng)該引起足夠的重視，采取措施將其控制在合理的范圍內(nèi)。

對于電壓偏移來說，主要應(yīng)該考慮能否從工廠內(nèi)部出發(fā)，制定調(diào)壓措施，重點是在輕載階段，適度調(diào)壓，將電壓水平降至國家標準之內(nèi)，重載時段，電壓偏移在能夠接受的范圍內(nèi)，可以維持當前的調(diào)壓策略。

改善電壓諧波畸變率的措施主要是濾波器的選擇。有源濾波器隨著濾波要求的升高，成本方面沒有什么明顯變化，因此可以考慮用有源濾波器進行濾波。有源濾波器的容量選擇依據(jù)電能質(zhì)量采集終端的諧波數(shù)據(jù)來確定，同時要求濾波器能很好的濾掉幅值較高的諧波。

4 結(jié)語

本文介紹了電能質(zhì)量采集終端一些數(shù)據(jù)的快速算法，并基于廣州某大型工業(yè)用戶一天內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)評價該用戶所用電能的電壓質(zhì)量。分析表明該用戶的電壓正偏移越過國家標準上限，負偏差滿足國家要求；電壓畸變率嚴重超標；三相電壓不平衡度滿足要求。而后根據(jù)超標項給出了相關(guān)改善措施。

參考文獻：

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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）：5-12.

[3]Angelo Baggini.電能質(zhì)量手冊[M].北京： 中國電力出版社， 2010.