基于電力電子技術的電能質量控制技術

蔣澤永 陳勇 汪克祿

摘要：電力是國民經濟的基礎，隨著我國科技的發展，電力生產技術也得到了大幅提高。同時，伴隨各種先進的電氣設備與精密儀器的投入使用，對電網公司的輸配電質量要求也越來越高。

關鍵詞：電力電子；電能；質量控制

1電能質量概況

在實際的電能生產和傳輸過程中，由于實際電力系統設備在設計與制造等過程中，以及在工作過程中需要經受各種變工況運行，所以幾乎不可能確保其處于理想的對稱狀態。在發電端，隨著社會經濟發展，光伏發電和風力發電迅猛增長，這兩種新型電能受環境影響較大，穩定性差。在用戶端，電氣設備的多樣化，經常處于不平衡運行狀態，各種運行操作、外來干擾和故障實有發生。這些都是導致電能質量下降的因素，如表現在電壓偏差、頻率偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡等問題，嚴重時造成電網運行中斷事故。

2電能質量常見問題分析

（1）電壓偏差

供配電系統正常運行時電壓與標稱電壓之差稱為電壓偏差，主要原因是由于電力系統發電側與用戶側無功功率的不平衡，也就是說電源輸出無功功率和負荷無功功率出現偏差，就表現出實際的電壓偏差。除此之外，導致電壓偏差的因素還有供配線路輸送距離過長、電能輸送容量過大、實際輸電導線截面過小等。電壓偏差超過標準允許的偏差，就會危害各類用電設備的工作性能、使用壽命、健康安全及經濟運行。如對于感應電動機來說，由于最大轉矩與端電壓的平方成正比，當電壓降低時，電動機轉矩顯著減小，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，時間過長其至燒毀電動機。對電熱裝置來說，其功率與電壓平方成正比，電壓過高將損傷設備，電壓過低又達不到所需溫度。對照明負荷，白熾燈的端電壓降低10%時，發光效率下降30%以上，燈光明顯變暗；端電壓升高10%時，使用壽命將縮減一半。另外，常見的計算機、電視、手機、傳真、廣播等電子設備中裝配有各種電子管、半導體元件、磁芯裝置等，對電壓質量的要求很高，電壓過高過低都嚴重影響其元件的特性，甚至造成燒毀。

（2）頻率偏差

電力系統有功功率的不平衡是導致頻率偏差的根本原因。在實際電力系統運行中，當用戶側需求的總有功功率大于發電側的總輸出功率時，系統頻率下降，頻率偏差為負值；反之，當所有發電機的總輸出有功功率大于負荷需求的總有功功率時，系統頻率便會上升，頻率偏差為正值。其中最嚴重的是當大功率發電設備非預期解列，或者電網系統大面積甩負荷，這是導致電力系統頻率偏差最嚴重的因素。由于電力系統中設備都是按照額定頻率（如我國額定頻率為50HZ）設計和制造的，一旦電力系統頻率偏差超過運行標準范圍時，對運行的電氣設備會造成不利影響。如基于頻率來實現轉速控制的電動機，頻率變化意味著轉速的變化，導致電動機無法按照特定轉速與功率運行。

（3）三相不平衡

三相不平衡是指在電力系統中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過標準允許的范圍。電壓波動、單相負載不平衡、相間短路、接地等都會造成三相電壓、電流不平衡。三相不平衡導致電流出現負序和零序的現象，影響電網的電能質量。三相不平衡的會產生零序電流，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，導致變壓器的繞組絕緣過熱，電動機效率降低，影響用電設備的安全運行。

（4）諧波

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量。其產生的原因主要是由于電力電子器件固有的非線性特性，以及在電力系統運行中需要投入各種功率補償器，造成電網電壓或電流波形的畸變。諧波會增加發電機和用電設備的銅耗、鐵耗和介質損耗，進而加劇熱應力。諧波還可以使電壓峰值增大，導致絕緣應力升高，甚至擊穿電纜絕緣。諧波還會縮短設備壽命，引起負載設備損壞。如果諧波引起了諧振，諧振電流會在電力系統中引起更大的破壞。

3電能質量控制方法分析

3.1 電網電壓偏差控制方法

改善電網運行過程中的電壓偏差問題，首先要求電網中的發電機自身具備輸出充足的無功功率，同時也可以借助其他必要的調壓手段，如使用無功補償器等。由于在實際的高壓線路輸電和變壓器的變電過程中，無功損耗通常都比有功損耗大，技術上通常會采用無功功率補償措施來提高電網的功率因數，實現降低損耗，提高輸配電效率的目的。無功功率補償的原則是按照分區/ 分層/ 分變電所的原則進行就地補償，以實現無功功率的就地平衡控制。與此同時，電力系統要留有足夠的事故無功功率備用容量。長期以來電容器一直是電力系統優先采用的無功功率補償設備，以并聯的方式接入電力系統。

3.2 電網頻率偏差控制方法

在電力系統中，由于頻率的變化，負荷也將隨著頻率的變化而變化，負荷的這種隨頻率變化而變化的特性在電力系統中稱為負荷的頻率特性。由于電力系統實際運行中，頻率一般被控制在額定頻率附近，因此，通常又可將負荷的靜態頻率特性近似為線性關系。系統的頻率效應能起到減輕能量不平衡的作用，有功負荷隨頻率的增加而增加，隨頻率的減小而減小。當系統頻率發生變化時，發電機組的調速系統將自動的改變汽輪機的進汽量或水輪機的進水量以增減發電機組的出力。通常把由于頻率變化而引起的發電機組輸出功率變化的關系稱為發電機組的功率- 頻率特性或調節特性。直接表現為頻率升高，則實際輸出功率減小；反之，頻率降低，則實際輸出功率增加。

3.3 電網電壓諧波控制方法

諧波的控制是電力系統運行難點問題，其治理的原則是以預防為主，在設計階段需要控制好諧波產生的源頭。對于已經投入運行的電力系統來說，通過借助各種諧波抑制設備，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 電網三相不平衡控制方法

三相不平衡主要從電力系統設計和用戶接入兩方面考慮。設計方面：應盡量采用三相四線制接線方式，避免線路間的交叉跨越；同時也可以在電力線路中加設不平衡電流無功補償裝置、換相開關、電能質量矯正裝置等實現不平衡控制。用戶方面：在實際工作中形成常態機制，加大負荷調查分析力度，把單相負荷用戶均衡地分配到三相上，要充分考慮用戶的用電負荷、漏電情況等，不斷完善提高。

結束語：

電力能源作為一種商品，電網公司必須要按照用戶需求提供高質量的電能，這也潛在要求電網公司不斷提高技術水平，確保滿足系統安全穩定運行要求。可見，供電企業在電能質量檢測和控制方面仍需要加大技術投入。

參考文獻

[1] 林海雪. 現代電能質量的基本問題[J]. 江蘇電能質量研討會，2002：5-12

[2] 肖湘寧，徐永海. 電能質量問題剖析[J]. 電網技術，2001，25（3）：66-69.

（作者單位：杭州中恒電氣股份有限公司）