關(guān)于輸油管道電力系統(tǒng)電能質(zhì)量影響的探討

王昊

中國石化銷售股份有限公司華北分公司，中國·天津 300384

1 引言

電能質(zhì)量（Power Quality）是指導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、瞬時(shí)或暫態(tài)過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。

2 電能質(zhì)量概念

電能質(zhì)量包括四個(gè)方面的相關(guān)術(shù)語和概念：電壓質(zhì)量（Voltage quality）即用實(shí)際電壓與額定電壓間的偏差（偏差含電壓幅值，波形和相位的偏差），反映供電企業(yè)向用戶供給的電力是否合格；電流質(zhì)量（Current quality）即對(duì)用戶取用電流提出恒定頻率、正弦波形要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運(yùn)行。

3 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分5 大類13 個(gè)指標(biāo)，具體如下：

①頻率偏差：包括在互聯(lián)電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)中的兩種；②電壓幅值：慢速電壓變化（即電壓偏差）、快速電壓變化（電壓波動(dòng)和閃變）、電壓暫降（是由于系統(tǒng)故障或干擾造成用戶電壓短時(shí)間（10ms～lmin）內(nèi)下降到90%的額定值以下，然后又恢復(fù)到正常水平，會(huì)使用戶的次品率增大或生產(chǎn)停頓）、短時(shí)斷電（又稱電壓中斷，是由于系統(tǒng)故障跳閘后造成用戶電壓完全喪失（3min，電壓中斷使用戶生產(chǎn)停頓，甚至混亂）、長時(shí)斷電、暫時(shí)工頻過電壓、瞬態(tài)過電壓；③電壓不平衡；④電壓波形：諧波電壓、間諧波電壓（由較大的波動(dòng)或沖擊性非線性負(fù)荷引起，如大功率的交一交變頻，間諧波的頻率不是工頻的整數(shù)倍，但其危害等同于整數(shù)次諧波）；⑤信號(hào)電壓（在電力傳輸線上的高頻信號(hào)，用于通信和控制）。

《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》中規(guī)定：電力系統(tǒng)頻率偏差允許值為0.2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較大時(shí)，偏差值可放寬到+0.5Hz～-0.5Hz，標(biāo)準(zhǔn)中并沒有說明系統(tǒng)容量大小的界限，而在《全國供用電規(guī)則》中有規(guī)定：“供電局供電頻率的允許偏差：電網(wǎng)容量在3GW 及以下者為0.2Hz；電網(wǎng)容量在3GW 以上者為0.5Hz。”實(shí)際運(yùn)行中，中國務(wù)跨省電力系統(tǒng)頻率都保持在+0.1Hz～-0.1Hz 的范圍內(nèi)，這點(diǎn)在電網(wǎng)質(zhì)量中最有保障[1]。

4 電能質(zhì)量污染的治理

4.1 SVC 裝置

近些年來發(fā)展起來的SVC 裝置是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置，已成功地用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道等沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償，它可使所需無功功率作隨機(jī)調(diào)整，從而保持在非線性、沖擊性負(fù)荷連接點(diǎn)的系統(tǒng)電壓水平的恒定。SVC 由可控支路和固定（或可變）電容器支路并聯(lián)而成，主要有幾種型式：①可控硅閥控制空芯電抗器型（稱TCR 型）SVC，它用可控硅閥控制線性電抗器實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的無功功率調(diào)節(jié)，它具有反應(yīng)時(shí)間快（5～20ms）、運(yùn)行可靠、無級(jí)補(bǔ)償、分相調(diào)節(jié)、能平衡有功、適用范圍廣、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。②可控硅閥控制高阻抗變壓器型（TCT 型），優(yōu)點(diǎn)與TCR 型差不多，但高阻抗變壓器制造復(fù)雜，諧波分量也略大一些[2]。由于有油，要求一級(jí)防火，只宜布置在一層平面或戶外，容量在30Mvar 以上時(shí)價(jià)格較貴，不能得到廣泛采用。③可控硅開關(guān)控制電容器型（TSC）：分相調(diào)節(jié)、直接補(bǔ)償、裝置本身不產(chǎn)生諧波、損耗小，但是它是有級(jí)調(diào)節(jié)，綜合價(jià)格比較高。

4.2 無源濾波裝置

該裝置由電容器、電抗器，有時(shí)還包括電阻器等無源元件組成，以對(duì)某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波的作用；由于SVC 的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴(kuò)大到容性區(qū)，所以濾波器與動(dòng)態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，這樣既滿足無功補(bǔ)償、改善功率因數(shù)，又能消除高次諧波的影響。

①單調(diào)諧濾波器：一階單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)是濾波效果好、結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是電能損耗比較大，但隨著品質(zhì)因數(shù)的提高而減少，同時(shí)又隨諧波次數(shù)的減少而增加，而電爐正好是低次諧波，主要是2～7 次，因此，基波損耗較大。二階單調(diào)諧濾波器當(dāng)品質(zhì)因數(shù)在50 以下時(shí)，基波損耗可減少20%～50%，屬節(jié)能型，濾波效果等效。

②高通（寬頻帶）濾波器，一般用于某次及以上次的諧波抑制。當(dāng)在電弧爐等非線性負(fù)荷系統(tǒng)中采用時(shí)，對(duì)5 次以上起濾波作用時(shí)，通過參數(shù)調(diào)整，可形成該濾波器回路對(duì)5次及以上次諧波的低阻抗通路。

4.3 有源濾波器

雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中，但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器，利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

4.4 系統(tǒng)化綜合補(bǔ)償技術(shù)

系統(tǒng)化綜合補(bǔ)償技術(shù)是解決電能質(zhì)量問題的“治本”途徑。對(duì)于穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓質(zhì)量問題有許多成熟的措施加以解決；但對(duì)于動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題，依靠傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償和常規(guī)的濾波裝置則不能有效地解決，因?yàn)橹T如電壓跌落（sags）、浪涌（surge）、電壓脈沖（impulse）與瞬時(shí)供電中斷（outage）這類電能質(zhì)量問題持續(xù)的時(shí)間很短、變化很快，并且有的電能質(zhì)量問題還伴隨著部分甚至全部的有功損失等情形。作為FACTS（基于電力電子技術(shù)的靈活交流輸電系統(tǒng)）技術(shù)與配電系統(tǒng)應(yīng)用的延伸——DFACTS 技術(shù)已成為改善電能質(zhì)量的有力工具，該技術(shù)的核心器件IGCT，它比GTO 具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達(dá)到一定規(guī)模，因此DFACTS 裝置具有更快的響應(yīng)特性。目前DFACTS 裝置主要有：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）、配電系統(tǒng)用靜止無功補(bǔ)償器（D-STATCOM）、固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）等[3]。STATCOM在SVC 裝置基礎(chǔ)上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時(shí)，無法提供所需的無功支持，應(yīng)付突發(fā)事件的能力較弱；而且占地面積大，過多的SVC 易引發(fā)系統(tǒng)振蕩的弊端，STATCOM 的無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)，使得其無功輸出相當(dāng)于同容量SVC的1.4～2倍；因STATCOM 的靈活調(diào)壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數(shù)，從而減少分接頭故障次數(shù)，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，結(jié)合中國的國情和已有的技術(shù)，發(fā)展STATCOM 應(yīng)是解決中國電壓穩(wěn)定問題的有效手段，并且也是DFACTS 技術(shù)發(fā)展的主要方向。

5 結(jié)語

隨著電力電子與信息技術(shù)在石化各個(gè)領(lǐng)域的滲透應(yīng)用，一些新型電力負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，電能質(zhì)量已成為長輸管道輸油站等用戶關(guān)心的課題。當(dāng)今威脅信息電力質(zhì)量的主要干擾除了諧波、電壓波動(dòng)外，更多為人們所關(guān)注的將是電壓暫降和短時(shí)斷電、電壓閃變等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題；我們應(yīng)因地制宜，對(duì)癥下藥，在深入調(diào)研、現(xiàn)場實(shí)測、試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FACTS 和電力新技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)化地綜合補(bǔ)償，這將是今后解決電能質(zhì)量問題的最根本途徑。