基于電力電子技術(shù)的電能質(zhì)量控制技術(shù)

蔣澤永 陳勇 汪克祿

摘要：電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，隨著我國(guó)科技的發(fā)展，電力生產(chǎn)技術(shù)也得到了大幅提高。同時(shí)，伴隨各種先進(jìn)的電氣設(shè)備與精密儀器的投入使用，對(duì)電網(wǎng)公司的輸配電質(zhì)量要求也越來(lái)越高。

關(guān)鍵詞：電力電子；電能；質(zhì)量控制

1電能質(zhì)量概況

在實(shí)際的電能生產(chǎn)和傳輸過(guò)程中，由于實(shí)際電力系統(tǒng)設(shè)備在設(shè)計(jì)與制造等過(guò)程中，以及在工作過(guò)程中需要經(jīng)受各種變工況運(yùn)行，所以幾乎不可能確保其處于理想的對(duì)稱狀態(tài)。在發(fā)電端，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電迅猛增長(zhǎng)，這兩種新型電能受環(huán)境影響較大，穩(wěn)定性差。在用戶端，電氣設(shè)備的多樣化，經(jīng)常處于不平衡運(yùn)行狀態(tài)，各種運(yùn)行操作、外來(lái)干擾和故障實(shí)有發(fā)生。這些都是導(dǎo)致電能質(zhì)量下降的因素，如表現(xiàn)在電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)造成電網(wǎng)運(yùn)行中斷事故。

2電能質(zhì)量常見(jiàn)問(wèn)題分析

（1）電壓偏差

供配電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電壓與標(biāo)稱電壓之差稱為電壓偏差，主要原因是由于電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)無(wú)功功率的不平衡，也就是說(shuō)電源輸出無(wú)功功率和負(fù)荷無(wú)功功率出現(xiàn)偏差，就表現(xiàn)出實(shí)際的電壓偏差。除此之外，導(dǎo)致電壓偏差的因素還有供配線路輸送距離過(guò)長(zhǎng)、電能輸送容量過(guò)大、實(shí)際輸電導(dǎo)線截面過(guò)小等。電壓偏差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許的偏差，就會(huì)危害各類用電設(shè)備的工作性能、使用壽命、健康安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于最大轉(zhuǎn)矩與端電壓的平方成正比，當(dāng)電壓降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩顯著減小，定子電流顯著增大，功率損耗增大，引起溫升增加，絕緣老化加速，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)其至燒毀電動(dòng)機(jī)。對(duì)電熱裝置來(lái)說(shuō)，其功率與電壓平方成正比，電壓過(guò)高將損傷設(shè)備，電壓過(guò)低又達(dá)不到所需溫度。對(duì)照明負(fù)荷，白熾燈的端電壓降低10%時(shí)，發(fā)光效率下降30%以上，燈光明顯變暗；端電壓升高10%時(shí)，使用壽命將縮減一半。另外，常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)、電視、手機(jī)、傳真、廣播等電子設(shè)備中裝配有各種電子管、半導(dǎo)體元件、磁芯裝置等，對(duì)電壓質(zhì)量的要求很高，電壓過(guò)高過(guò)低都嚴(yán)重影響其元件的特性，甚至造成燒毀。

（2）頻率偏差

電力系統(tǒng)有功功率的不平衡是導(dǎo)致頻率偏差的根本原因。在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)用戶側(cè)需求的總有功功率大于發(fā)電側(cè)的總輸出功率時(shí)，系統(tǒng)頻率下降，頻率偏差為負(fù)值；反之，當(dāng)所有發(fā)電機(jī)的總輸出有功功率大于負(fù)荷需求的總有功功率時(shí)，系統(tǒng)頻率便會(huì)上升，頻率偏差為正值。其中最嚴(yán)重的是當(dāng)大功率發(fā)電設(shè)備非預(yù)期解列，或者電網(wǎng)系統(tǒng)大面積甩負(fù)荷，這是導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率偏差最嚴(yán)重的因素。由于電力系統(tǒng)中設(shè)備都是按照額定頻率（如我國(guó)額定頻率為50HZ）設(shè)計(jì)和制造的，一旦電力系統(tǒng)頻率偏差超過(guò)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，對(duì)運(yùn)行的電氣設(shè)備會(huì)造成不利影響。如基于頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的電動(dòng)機(jī)，頻率變化意味著轉(zhuǎn)速的變化，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無(wú)法按照特定轉(zhuǎn)速與功率運(yùn)行。

（3）三相不平衡

三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍。電壓波動(dòng)、單相負(fù)載不平衡、相間短路、接地等都會(huì)造成三相電壓、電流不平衡。三相不平衡導(dǎo)致電流出現(xiàn)負(fù)序和零序的現(xiàn)象，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。三相不平衡的會(huì)產(chǎn)生零序電流，因而增減線路、變壓器的電能損耗，降低輸配電變壓器的出力，導(dǎo)致變壓器的繞組絕緣過(guò)熱，電動(dòng)機(jī)效率降低，影響用電設(shè)備的安全運(yùn)行。

（4）諧波

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量。其產(chǎn)生的原因主要是由于電力電子器件固有的非線性特性，以及在電力系統(tǒng)運(yùn)行中需要投入各種功率補(bǔ)償器，造成電網(wǎng)電壓或電流波形的畸變。諧波會(huì)增加發(fā)電機(jī)和用電設(shè)備的銅耗、鐵耗和介質(zhì)損耗，進(jìn)而加劇熱應(yīng)力。諧波還可以使電壓峰值增大，導(dǎo)致絕緣應(yīng)力升高，甚至擊穿電纜絕緣。諧波還會(huì)縮短設(shè)備壽命，引起負(fù)載設(shè)備損壞。如果諧波引起了諧振，諧振電流會(huì)在電力系統(tǒng)中引起更大的破壞。

3電能質(zhì)量控制方法分析

3.1 電網(wǎng)電壓偏差控制方法

改善電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的電壓偏差問(wèn)題，首先要求電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)自身具備輸出充足的無(wú)功功率，同時(shí)也可以借助其他必要的調(diào)壓手段，如使用無(wú)功補(bǔ)償器等。由于在實(shí)際的高壓線路輸電和變壓器的變電過(guò)程中，無(wú)功損耗通常都比有功損耗大，技術(shù)上通常會(huì)采用無(wú)功功率補(bǔ)償措施來(lái)提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)降低損耗，提高輸配電效率的目的。無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)脑瓌t是按照分區(qū)/ 分層/ 分變電所的原則進(jìn)行就地補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的就地平衡控制。與此同時(shí)，電力系統(tǒng)要留有足夠的事故無(wú)功功率備用容量。長(zhǎng)期以來(lái)電容器一直是電力系統(tǒng)優(yōu)先采用的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，以并聯(lián)的方式接入電力系統(tǒng)。

3.2 電網(wǎng)頻率偏差控制方法

在電力系統(tǒng)中，由于頻率的變化，負(fù)荷也將隨著頻率的變化而變化，負(fù)荷的這種隨頻率變化而變化的特性在電力系統(tǒng)中稱為負(fù)荷的頻率特性。由于電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，頻率一般被控制在額定頻率附近，因此，通常又可將負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性近似為線性關(guān)系。系統(tǒng)的頻率效應(yīng)能起到減輕能量不平衡的作用，有功負(fù)荷隨頻率的增加而增加，隨頻率的減小而減小。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)將自動(dòng)的改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量或水輪機(jī)的進(jìn)水量以增減發(fā)電機(jī)組的出力。通常把由于頻率變化而引起的發(fā)電機(jī)組輸出功率變化的關(guān)系稱為發(fā)電機(jī)組的功率- 頻率特性或調(diào)節(jié)特性。直接表現(xiàn)為頻率升高，則實(shí)際輸出功率減??；反之，頻率降低，則實(shí)際輸出功率增加。

3.3 電網(wǎng)電壓諧波控制方法

諧波的控制是電力系統(tǒng)運(yùn)行難點(diǎn)問(wèn)題，其治理的原則是以預(yù)防為主，在設(shè)計(jì)階段需要控制好諧波產(chǎn)生的源頭。對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)借助各種諧波抑制設(shè)備，如電抗器、濾波器和電路解諧等可以在一定程度上抑制諧波。

3.4 電網(wǎng)三相不平衡控制方法

三相不平衡主要從電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和用戶接入兩方面考慮。設(shè)計(jì)方面：應(yīng)盡量采用三相四線制接線方式，避免線路間的交叉跨越；同時(shí)也可以在電力線路中加設(shè)不平衡電流無(wú)功補(bǔ)償裝置、換相開(kāi)關(guān)、電能質(zhì)量矯正裝置等實(shí)現(xiàn)不平衡控制。用戶方面：在實(shí)際工作中形成常態(tài)機(jī)制，加大負(fù)荷調(diào)查分析力度，把單相負(fù)荷用戶均衡地分配到三相上，要充分考慮用戶的用電負(fù)荷、漏電情況等，不斷完善提高。

結(jié)束語(yǔ)：

電力能源作為一種商品，電網(wǎng)公司必須要按照用戶需求提供高質(zhì)量的電能，這也潛在要求電網(wǎng)公司不斷提高技術(shù)水平，確保滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求?？梢?jiàn)，供電企業(yè)在電能質(zhì)量檢測(cè)和控制方面仍需要加大技術(shù)投入。

參考文獻(xiàn)

[1] 林海雪. 現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問(wèn)題[J]. 江蘇電能質(zhì)量研討會(huì)，2002：5-12

[2] 肖湘寧，徐永海. 電能質(zhì)量問(wèn)題剖析[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（3）：66-69.

（作者單位：杭州中恒電氣股份有限公司）