智能大廈電能質量問題及解決方案

陳 茜，劉 森

（1.華北電力大學，北京 102206；2.國能生物發電集團，北京 100083）

0 引言

近年來，隨著城市現代化建設的飛速發展，大型寫字樓以及大型民用建筑等智能大廈的數量快速增長；同時，隨著基于計算機或微處理器控制的用電設備所占比例的大幅增加，電能質量惡化可能會給生產過程帶來有害的影響，智能大廈對電能質量的要求也在不斷提高。另外，隨著智能大廈建設的大型化、現代化，大廈內的非線性負荷（如電梯、計算機、空調等）的迅速增大致使電網發生電壓波形畸變、電壓跌落等諸多電能質量問題，這不僅降低了用電設備本身的安全性，還嚴重削減電網的經濟效益［1］。

電能質量問題可分為穩態電能質量問題和動態電能質量問題兩大類。過去對電能質量問題的研究主要集中在穩態電能質量問題上，并且取得了大量的研究成果，然而對動態電能質量問題的研究卻相對較少。隨著科學技術的發展與現代化建設應用需求的日益增加，對動態電能質量問題的研究也越發的被電力工作者所關注［2］。因此，對動態電能質量問題的研究以及提高智能大廈的動態電能質量，保證電網和用電設備的安全與穩定運行，已成為電力工作者亟需解決的問題［3］。

首先對智能大廈的負荷特點進行了系統性的分析，然后提出了一套治理電能質量問題的新型解決方案，最后詳細介紹了方案的總體設計與實現方法。

1 智能大廈電能質量問題

在智能大廈用電負荷中，非線性負荷占有很大的比例，如：各種電力電子裝置（計算機等）、變壓器、發電機、電弧爐和熒光燈等，這些負荷在工作時產生大量諧波，從而使電網波形受到嚴重污染。1992年日本官方曾發表了一篇關于電力用戶中諧波源的分布狀況調查報告，來自樓宇的諧波源就高達40.6%。

由于智能大廈內大多數用電設備均為單相用電，三相負荷嚴重不平衡，因此在智能大廈配電系統中不僅存在不平衡電流，而且有時會很大，導致負載端，中性點的電位將發生偏移，這也就造成了三相負荷電壓的不平衡。這不僅對用電設備的運行和安全極為不利，同時也增加了運行成本。

智能大廈中的很多負荷對電壓穩定性的要求很高。當電壓低于60%，持續時間超過12個周期時，會導致計算機程序紊亂，數據丟失；當電壓低于70%，持續時間超過6個周期時，調速裝置會被自動切除；對用于精細加工業的電機來說，當電壓低于90%，持續時間超過3個周期時，電機就會自動跳閘從而強行退出運行。與此同時，隨著土地資源的匱乏，智能大廈的建筑高度日益增高，停電事故不僅會嚴重影響正常的工作、生活，還會留下安全隱患。

智能大廈中大量的電力電子設備不僅對供電質量要求高，同時也產生大量的諧波電流注入電網，使電網電能質量惡化，所以，在治理過程中，要綜合考慮電網與負荷的治理需求，根據其特點制定出相應的解決措施。

為了改善智能大廈配電系統的電能質量和供電可靠性，近年來國家已投入大量財力和物力用于電網改造并提出多種解決方案。其中最直接的方法是改進供電系統結構，但由于不可抗拒和偶發性因素，改進供電系統結構并不能完全改善供電質量，同時也存在投資大、周期長等缺點。此外，也可以在供電系統與用電負荷的接口處加裝電能質量治理設備。如并聯電容器組、無源濾波器，以及采用定制電力技術裝置，這種方法雖能取得了一定治理效果，但由于其治理效果單一、裝置之間存在的相互影響，難以達到滿意的治理效果。

2 治理電能質量問題的新型方案

圖1是治理電能質量問題新型方案的圖例，該方案主要由電能質量監控系統和電能質量控制裝置兩部分組成。方案通過提供不同電能質量水平的電能供應，以此滿足不同負荷對電能質量的不同需求。

電能質量監控系統對電能質量狀況采取了在線實時監測、記錄和分析的方式，為有關工作人員或管理部門提供豐富完整的實測記錄資料并協調各電能質量控制裝置的運行狀態。電能質量控制裝置通過對大功率電力電子器件的開關控制，可以在毫秒級時間內調節輸出電壓，從而改善電能質量，滿足敏感用電負荷和電網的共同要求，其主要包括：固態切換開關（Solid State Transfer Switch-SSTS）、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply-UPS）、動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer-DVR）、有源電力濾波器（Active Power Filter-APF）、靜止同步補償器 （Static Synchronous Compensator-STATCOM）等，各自的功能如表1所示。

圖1 治理電能質量問題的新型方案

表1 電能質量控制裝置的功能

2.1 電能質量監控系統

單個電能質量監控系統包括監測端、服務端和用戶端，多個監控系統通過服務端互聯實現數據交換，完整的電能質量監控系統結構框圖如圖2所示［4］。監測端采集監測點電能質量的實時狀況，并將處理后的電能質量參數經通信通道傳送到服務端。監測端需放置于變電站、擾動負荷和敏感負荷附近。服務端接收監測端上傳的數據并存儲，由統計和分析模塊進行處理，實現其監測端和用戶端之間數據交換的紐帶作用。用戶端具有監測數據訪問、瀏覽、查詢、下發命令等功能，通過Web服務器連接到服務端。監測端、服務端和用戶端之間通過網絡連接。

圖2 電能質量監控系統結構框圖

2.2 電能質量控制裝置

在各種供電故障中，最嚴重、最常見的是電壓暫降和供電中斷。根據國家電力監管委員會發布的數據顯示，2005年，全國城市供電可靠率僅為99.845%。為治理電壓暫降和供電中斷，一系列的治理設備應運而生。其中，造價低、運行和控制簡單等特性使UPS成為計算機等設備的標準解決方案［5］。UPS分為三類：被動后備式（Passive standby）、雙變換式（Double conversion）和線路交互式 （Line interactive）。圖3是雙變換式UPS的結構框圖，其主要由整流單元、儲能單元、逆變單元以及旁路開關等組成，雙變換式UPS也稱為 “在線式UPS（on-line UPS）”，其特點是無論電網電壓是否正常，供給負荷的電能經過了AC—DC—AC的兩次電能變換，完全由整流單元和逆變單元共同向負荷持續供電。當電網發生故障時，儲能單元經過逆變單元向負荷提供電能。因此，無論電網電壓發生何種故障負荷均能正常工作，且在電網供電轉為儲能單元供電過程中，負荷始終由逆變單元提供電能，無開關切換，不存在任何過渡過程，是真正意義上的不間斷電源，所以在為重要敏感負荷提供保護的應用場合普遍選用雙變換式UPS。雙變換式UPS的旁路開關供UPS維修/維護時使用。它的缺點是整流單元和逆變單元始終處于工作狀態，溫升導致功率器件壽命降低，此外，經過兩次電能變換后裝置效率大大降低。與被動后備式UPS相比，整流單元需采用較大的功率等級才能在給負荷供電的同時實現儲能單元的充電，因此，成本相對較高。

圖3 雙變換式UPS的結構框圖

智能大廈中很多負荷在工作時會產生大量的諧波，諧波注入供電系統后會造成電網電能質量降低等負面影響。APF是一種新型的諧波抑制裝置，其最大特點是能迅速的動態跟蹤隨機的諧波電流，且有效克服了傳統LC無源濾波器在諧波抑制中存在的問題。有源電力濾波器按照系統結構可以分為并聯型和串聯型兩類。并聯有源電力濾波器是有源電力濾波器中最基本的形式，其應用也最為廣泛，工作時，并聯有源電力濾波器相當于受控電流源，它產生與負荷諧波大小相等、方向相反的諧波電流注入電網，抵消負荷產生的諧波電流，從而達到諧波補償的目的。串聯有源電力濾波器則是通過隔離變壓器實現與非線性負荷電路的串聯，串聯有源電力濾波器相當于受控電壓源，產生一個與負荷諧波電壓大小相等、方向相反的諧波電壓，抵消負荷產生的諧波電壓，使流入電網的電流接近正弦波，從而達到諧波補償的目的。

智能大廈的配電系統中存在零序電流的補償有多種不同的拓撲結構。其中，主要有四相變流器和三相變流器兩種。四相變流器的主電路及驅動電路結構比三相變流器復雜，但對零序電流直接控制，補償效果好于三相變流器；三相變流器的直流母線電壓控制比四相變流器復雜。

本方案采用四相變流器的有源電力濾波器，其拓撲結構如圖4所示。

3 結論

在研究智能大廈電能質量問題的基礎上，提出了一套新型的電能質量解決方案，該方案既能保證智能大廈用電負荷的安全、穩定運行，同時也可以減少其對電網的影響。該方案與傳統治理方法比較具有不可比擬的優勢，它能夠在不必提高全電網電能質量的情況下，滿足敏感用電負荷對電能質量的高需求，減小用電負荷對電網的負面影響，并減少了在提高全電網電能質量過程中所需要的大規模資金，增加了電網的經濟效益。

圖4 有源電力濾波器的拓撲結構