關于輸油管道電力系統電能質量影響的探討

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

電能質量（Power Quality）是指導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續性等。衡量電能質量的主要指標有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優質供電，包括電壓質量、電流質量、供電質量和用電質量。

2 電能質量概念

電能質量包括四個方面的相關術語和概念：電壓質量（Voltage quality）即用實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），反映供電企業向用戶供給的電力是否合格；電流質量（Current quality）即對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，以保證系統以高功率因數運行。

3 電能質量標準

電能質量標準分5 大類13 個指標，具體如下：

①頻率偏差：包括在互聯電網和孤立電網中的兩種；②電壓幅值：慢速電壓變化（即電壓偏差）、快速電壓變化（電壓波動和閃變）、電壓暫降（是由于系統故障或干擾造成用戶電壓短時間（10ms～lmin）內下降到90%的額定值以下，然后又恢復到正常水平，會使用戶的次品率增大或生產停頓）、短時斷電（又稱電壓中斷，是由于系統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停頓，甚至混亂）、長時斷電、暫時工頻過電壓、瞬態過電壓；③電壓不平衡；④電壓波形：諧波電壓、間諧波電壓（由較大的波動或沖擊性非線性負荷引起，如大功率的交一交變頻，間諧波的頻率不是工頻的整數倍，但其危害等同于整數次諧波）；⑤信號電壓（在電力傳輸線上的高頻信號，用于通信和控制）。

《電能質量電力系統頻率允許偏差》中規定：電力系統頻率偏差允許值為0.2Hz。當系統容量較大時，偏差值可放寬到+0.5Hz～-0.5Hz，標準中并沒有說明系統容量大小的界限，而在《全國供用電規則》中有規定：“供電局供電頻率的允許偏差：電網容量在3GW 及以下者為0.2Hz；電網容量在3GW 以上者為0.5Hz。”實際運行中，中國務跨省電力系統頻率都保持在+0.1Hz～-0.1Hz 的范圍內，這點在電網質量中最有保障[1]。

4 電能質量污染的治理

4.1 SVC 裝置

近些年來發展起來的SVC 裝置是一種快速調節無功功率的裝置，已成功地用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道等沖擊性負荷的補償，它可使所需無功功率作隨機調整，從而保持在非線性、沖擊性負荷連接點的系統電壓水平的恒定。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現快速連續的無功功率調節，它具有反應時間快（5～20ms）、運行可靠、無級補償、分相調節、能平衡有功、適用范圍廣、價格便宜等優點。②可控硅閥控制高阻抗變壓器型（TCT 型），優點與TCR 型差不多，但高阻抗變壓器制造復雜，諧波分量也略大一些[2]。由于有油，要求一級防火，只宜布置在一層平面或戶外，容量在30Mvar 以上時價格較貴，不能得到廣泛采用。③可控硅開關控制電容器型（TSC）：分相調節、直接補償、裝置本身不產生諧波、損耗小，但是它是有級調節，綜合價格比較高。

4.2 無源濾波裝置

該裝置由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用；由于SVC 的調節范圍要由感性區擴大到容性區，所以濾波器與動態控制的電抗器一起并聯，這樣既滿足無功補償、改善功率因數，又能消除高次諧波的影響。

①單調諧濾波器：一階單調諧濾波器的優點是濾波效果好、結構簡單；缺點是電能損耗比較大，但隨著品質因數的提高而減少，同時又隨諧波次數的減少而增加，而電爐正好是低次諧波，主要是2～7 次，因此，基波損耗較大。二階單調諧濾波器當品質因數在50 以下時，基波損耗可減少20%～50%，屬節能型，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。當在電弧爐等非線性負荷系統中采用時，對5 次以上起濾波作用時，通過參數調整，可形成該濾波器回路對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、結構簡單及維護方便等優點，在現階段廣泛用于配電網中，但由于濾波器特性受系統參數影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用，甚至諧振現象等因素，隨著電力電子技術的發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器，利用可控的功率半導體器件向電網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，達到實時補償諧波電流的目的。

4.4 系統化綜合補償技術

系統化綜合補償技術是解決電能質量問題的“治本”途徑。對于穩態時的電壓質量問題有許多成熟的措施加以解決；但對于動態電能質量問題，依靠傳統的無功補償和常規的濾波裝置則不能有效地解決，因為諸如電壓跌落（sags）、浪涌（surge）、電壓脈沖（impulse）與瞬時供電中斷（outage）這類電能質量問題持續的時間很短、變化很快，并且有的電能質量問題還伴隨著部分甚至全部的有功損失等情形。作為FACTS（基于電力電子技術的靈活交流輸電系統）技術與配電系統應用的延伸——DFACTS 技術已成為改善電能質量的有力工具，該技術的核心器件IGCT，它比GTO 具有更快的開關頻率，并且關斷容量已達到一定規模，因此DFACTS 裝置具有更快的響應特性。目前DFACTS 裝置主要有：動態電壓恢復器（DVR）、配電系統用靜止無功補償器（D-STATCOM）、固態切換開關（SSTS）等[3]。STATCOM在SVC 裝置基礎上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時，無法提供所需的無功支持，應付突發事件的能力較弱；而且占地面積大，過多的SVC 易引發系統振蕩的弊端，STATCOM 的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內恒定，在電壓低時仍能提供較強的無功支撐，并且可從感性到容性全范圍內連續調節，使得其無功輸出相當于同容量SVC的1.4～2倍；因STATCOM 的靈活調壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數，從而減少分接頭故障次數，另外，STATCOM 還可以抑制電壓閃變，提高系統暫態穩定水平，結合中國的國情和已有的技術，發展STATCOM 應是解決中國電壓穩定問題的有效手段，并且也是DFACTS 技術發展的主要方向。

5 結語

隨著電力電子與信息技術在石化各個領域的滲透應用，一些新型電力負荷對電能質量的要求不斷提高，電能質量已成為長輸管道輸油站等用戶關心的課題。當今威脅信息電力質量的主要干擾除了諧波、電壓波動外，更多為人們所關注的將是電壓暫降和短時斷電、電壓閃變等動態電能質量問題；我們應因地制宜，對癥下藥，在深入調研、現場實測、試驗研究的基礎上，運用FACTS 和電力新技術對電能質量進行系統化地綜合補償，這將是今后解決電能質量問題的最根本途徑。