電能質量與控制技術探討

張 蕾

（西安供電局，陜西 西安 710032）

電能質量與控制技術探討

張 蕾

（西安供電局，陜西 西安 710032）

電能質量是電力工業產品的重要指標，涉及到發電、供電、用戶各方的權益，優良的電能質量對保證電網和電氣設備的安全經濟運行，保障國民經濟各行各業的正常生產以及提高人民的生活質量具有重要的意義。分析了電能質量的主要影響因素，論述了當前電能質量保證電網安全的控制技術。

電能質量；電網安全；控制技術；補償

1 概述

隨著科學技術的進步和電力工業的發展，用電負荷日趨復雜和多樣化，影響電力系統電能質量的因素也越來越多。一些具有非線性、沖擊性、大容量特性的負荷設備，會不同程度地對電能產生污染，影響電網的電能質量，乃至沖擊電網安全。近年來，每年因電能質量不合格而引起的經濟損失極為嚴重，全球范圍內因電能質量不合格引起的電力系統及電力設備事故也屢有發生。我國重要電力用戶及其敏感負荷設備的數量逐年增加，這些用戶對電網的供電質量也提出了新的要求。因此，探討電能質量的相關理論及其控制技術，分析我國電能質量控制管理的發展趨勢，防止和避免重大電網事故的發生，進而達到提高電能質量、保證電網經濟可靠運行是非常重要和必要的。

2 電能質量的定義

廣義上來講，電能質量就是指向用戶的優質供電。電能是一種經濟、實用、清潔而且容易控制和轉換的能源形態，它是電力部門向電力用戶提供的， 由發、供、用三方共同來保證質量的一種特殊產品。

近年來，IEC61000系列電磁兼容標準和IEEE std1159就現代電能質量給出了明確的定義。即，電能質量關系到供用電設備正常工作(或運行)的電壓、電流的各種指標偏離額定值的程度。它包括頻率偏差、電壓偏差、波形畸變、電壓波動和閃變、三相不平衡、長時間電壓中斷、電壓暫降與短時間中斷、暫時和瞬態過電壓等。

3 電能質量控制技術

為了保證用戶的供電質量，防止和避免可能發生的電網事故，一方面要加強輸電系統的輸送能力和運行安全性，保證配電系統的供電可靠性；另一方面應抑制或消除各種(包括來自系統側的和用戶側的)干擾對電能質量的污染。目前，主要的電能質量控制技術有以下幾種。

3.1 電壓無功綜合控制裝置（VQC）

VQC是把主變高壓側無功潮流量減去目前補償量，作為負荷的無功潮流量。將測得的電壓值與電壓比較器定值進行比較，當超出或低于2個電壓比較器定值時，通過運算器進行運算來啟動主變分接開關換檔及增減補償電容的投切組數，從而使主變中、低壓側電壓控制在標準范圍內，并可以使主變高壓側的無功潮流大于0(即無功不反送)。

VQC的主要性能特點如下：

(1) 裝置能實時跟蹤變電站運行情況的變化，自動識別多臺主變及電容器的運行方式，自動確定控制策略；

(2) 采用模塊化結構設計， 既能獨立使用，又能與變電站監控系統一起配合使用；

(3) 可遠方或就地控制裝置處于監控狀態或監測狀態；

(4) 裝置的控制方式靈活，既能根據電壓、無功功率進行調節控制，又能根據電壓、功率因素進行調節控制；

(5) 裝置的安全約束可靠， 多種保護措施確保被控設備安全；

(6) 液晶顯示，鍵盤操作，人機界面友好，便于使用。

3.2 無源濾波器(PF)

PF是目前電力系統抑制諧波和補償無功的主要手段，通常是采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求組合而成。

目前，無源濾波補償是實際應用最多、效果較好、價格較低的解決方案，它包括3種基本形式：串聯濾波、并聯濾波和低通濾波（串并混合）。其中，串聯濾波主要適用于3次諧波的治理；低通濾波主要適用于高次諧波的治理；并聯濾波是一種綜合裝置，它可濾除多次諧波，同時提供系統的無功功率，是應用最廣泛的凈化濾波裝置。

3.3 有源濾波器(APF)

APF作為改善電能質量的一項關鍵技術，已得到高度重視和日益廣泛的應用。較傳統的無源濾波補償系統，它具有功能多、適應性好及響應速度快等優點。

APF是一種用于動態抑制電力系統諧波補償無功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的電力系統諧波以及變化的無功功率進行動態補償。實際上它是一種諧波電流補償器，它能夠輸出與負載電流的諧波分量相對應的、具有任意大小和頻率的電流，這個電流可抵消其他裝置在電網側產生的諧波電流。與PF相比，APF具有濾波特性不受系統阻抗影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可有效抑制閃變、補償無功功率；性價比較為合理。另外，APF還具有自適應功能，可以自動跟蹤補償變化著的諧波。但是，APF的運行成本較高，運行損耗大，容量受到限制。這一點是限制APF推廣的關鍵。

4 典型實例分析

在電力企業的用電客戶群中，醫院因其工作的特殊性，對電能質量有著更高的要求。在某醫院項目設計時，著重針對諧波源進行了分析，在充分考慮縣級醫院經濟承受能力和電網安全運行的同時，采取了行之有效的諧波治理措施。

4.1 諧波分析

醫院配電系統一般采用10/0.4 kV變壓器，主要負荷為電子醫療精密設備、照明及變頻通風設備、計算機及UPS等，其中大部分為單相非線性負荷。在低壓配電網中，諧波較為嚴重，主要諧波源可分為以下幾種。

(1) 通風設備：為了節約能源，醫院均采用變頻風機及空調。變頻器是非常重要的諧波源，其總諧波電流畸變率達33 %以上，會產生大量5，7等次的諧波污染電網。

(2) 照明設備：由于醫院內部使用大量的熒光燈具，因此會引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波為最高。當多個熒光燈接成三相四線負荷時，中線上就會流過很大的3次諧波電流。

(3) 電子醫療精密設備：醫院內的大型電子醫療設備一般為開關電源供電，開關電源設備會產生3，5，7等次諧波注入電網。

(4) 計算機及UPS：目前醫院均為計算機網絡管理，計算機數量很大，再加上服務器等數據存儲系統必須配有UPS等備用電源，以及個人電腦的開關電源及UPS等，均為諧波源，會產生大量的3，5，7等次諧波。

總之，醫院的低壓配電系統有大量的諧波源負荷，會產生大量的諧波，嚴重污染電網，造成三相不平衡、諧波超標、中性線諧波過載等電能質量問題，必須要治理。

4.2 治理方案

目的：通過有針對性的諧波污染治理，減少甚至消除諧波對配電系統的不良影響，保證變壓器、電纜、醫療設備的正常運行；其次，體現直接經濟效益，即保障低壓電容補償系統的正常運行，發揮其應有的作用，降低低壓配電系統中諧波總體含量的水平，提高功率因數，減少無功損耗，延長設備使用壽命。

根據這一目的，同時考慮方案的經濟性，最終確定采取以下辦法解決。

(1) 在配電設計時，將空調、風機等大型非線性設備單獨設變壓器，以及照明、辦公等諧波產生較嚴重的用電各自單獨組成回路。通過將對電能質量要求較高的醫療設備等單獨組成回路，避免了在同一回路上的相互干擾。

(2) 在開閉所采用無源濾波方式進行集中消除諧波。選用電抗系數為14 %、濾除3次諧波為主的濾波補償組件，將整個配電網絡的諧波量抑制在40 %以下。此時雖然電網內仍然有諧波存在，但有效保證了整個電網的安全運行和醫療設備的正常使用。同時，有效濾除諧波后，減少了對電容器的損害，延長了電容器的使用壽命，也間接避免了頻繁更換損壞電容器帶來的停電損失。

采用無源濾波器方式進行諧波治理后，該醫院整個配電系統運行正常，同時降低了生產運營成本。

5 結束語

電能質量問題已日益引起人們的關注，成為電力企業和用戶共同關心的課題。電能質量控制技術的研究具有巨大的經濟和社會效益，它對于減少用電設備的故障，保證生產和生活的正常進行，提高電能的使用效率等具有重要的意義。隨著電力電子與信息技術的發展和應用，運用電力電子技術對電能質量進行系統化綜合補償將是解決電能質量問題的根本途徑。

1 肖湘寧，韓民曉，徐永海，等．電能質量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2006．

2 林海雪．現代電能質量的基本問題[J]．電網技術，2001，25(10)．

3 朱桂萍，王樹民．電能質量控制技術綜述[J]．電力系統自動化，2002，26(19)．

4 肖國春，劉進軍，王兆安．電能質量及其控制技術的研究進展[J]．電力電子技術，2000(6)．

5 陳志業，尹華麗，李 鵬．電能質量及其治理新技術[J]．電網技術，2002，26(7)．

6 朱鵬程，李 勛，康 勇，等．統一電能質量控制器控制策略研究[J]．中國電機工程學報，2004，24(8)．

2012-10-04）