區域型電力綠色質量治理方案與應用配置研究

國網上海市電力公司市區供電公司 沈主浮 琚潔華 胡海敏 上海服澤能源科技有限公司 周 琪

電力能源是現代科技發展中必不可少的重要能源，在科技發展過程中，所有的電子產品、科技產品等設備或技術都離不開電力能源的支持。高新科技產業園在城市規劃與建設中是重要的一環，上海市內特色產業園區多達40個。在產業園區內相同類型的企業高度集中，其企業使用的特種用電設備也會相應集中，在園區內的特種設備使用比例遠超其它不同區域。

特種設備的使用可能產生無功、諧波等電能質量問題，該設備會將有電能質量問題的電能反向傳導至電網，影響區域內供電側的電能質量，有電能質量問題的電能同樣會影響用電設備的使用效率和功能。在企業類型相似、用電類型也相似的企業集中產業園區，用電設備與電網之間的相互影響將會進一步加大。有研究表明，電能質量的降低將會直接導致醫療設備的故障率高，影響醫療設備使用安全；區域內的三相不平衡、諧波、低壓等問題會影響區域內的生產機理，同時諧波還能主動或被動的影響電網；規模化的設備在運行時會向電網中注入諧波電流，且在啟動過程中會引起電壓暫降，直接影響配電網的電能質量。

1 典型地區用戶電能質量情況分析

虹橋臨空經濟園區是一塊商業集中辦公區域，區域內包含有多家高新技術企業、國家規劃布局內重點軟件企業、小巨人企業、創新型企業等，該區域主要分為25個地塊，商業樓宇約100幢左右。虹橋臨空經濟園區內相同類型的企業高度集中，有利于高新技術、創新型技術等的高速發展，而與此同時對區域內供電的電能質量也具有較高的要求。在區域內相同企業類型高度集中時，其對應使用的特殊設備也會高度集中，有概率導致小范圍內的電能質量不達標，并且反饋至電網影響整個園區，因此對臺區內用戶的電能質量監測與治理是非常必要的環節。

1.1 區域內用戶電能質量情況測量

本次研究的對象為虹橋臨空經濟園區，使用Fluke設備對區域內用戶的電能質量情況進行測量，主要的測量內容為電網系統電壓、系統電流、有功功率、無功功率、諧波電流、功率因素等。通過對虹橋臨空經濟園區的電網及用戶側調研，園區內共有用戶站用變共82個，結合園區內地塊及企業的特殊性和相關政企部門意見，抽取其中部分并且具有代表性的用戶進行電能質量情況測量，所涉及到的低壓變壓器或低壓進線共45個。

圖1為用戶側配電系統一次示意圖及測試點位置圖，使用FLUK435II設備在測試點位置進行測量。電能質量測量數據錄制時間為5min；采樣間隔為1s；電流采樣比例為1：1；采樣精度為x1。園區內的用戶低壓進線側多為三相四線，在測量時需要對應好A、B、C、N線序，框線方向或方式需統一，將測量線鉗安裝在母線上；若用戶側為三相三線則只需對應好A、B、C線序即可。

圖1 配電系統一次示意圖及測試點位置圖

如表1所示，通過對用戶電能質量進行5min的數據采樣，數據比對后得到用戶電能質量測量結果。容量指用戶的裝機容量；系統電壓和系統電流數據是用戶在測量時間內的實際運行情況，可反應出用戶的電能消耗情況；功率因素和無功功率反應了用戶電氣設備的運行效率；諧波電流反應了不同于電網基波電流的大小；電流畸變率反應了諧波電路與正常電流的比率；不平衡電流反應了負載分配的不均衡[1]。

表1 用戶電能質量測量結果示例

1.2 用戶電能質量情況分析

通過在虹橋臨空經濟園區實地測量，獲取用戶側45組低壓變壓器或進線數據，分別從無功、三相不平衡、諧波情況對數據進行統計分析。在45組數據中，功率因素最小為0.92，未出現低于最低標準的案例。

虹橋臨空經濟園區中45組低壓變壓器或進線的三相不平衡情況統計如下：三相不平衡率小于1%的有2組，占比5%，該部分用戶負荷分配合理，設備與線路損耗均在可控范圍內；三相不平衡率在大于等于1%小于5%之間的有20組，占比44%，該部分用戶負荷分配合理，設備與線路損耗均在可控范圍內；三相不平衡率在大于等于5%小于10%之間的有15組，占比33%，該部分用可對負荷分配進行優化，減小或預防三相不平衡率增加；三相不平衡率在大于等于10%小于20%之間的有7組，占比16%，該部分用戶內設備或線路的損耗會有明顯增加，需要及時治理與調整；三相不平衡率大于等于20%的有1組，占比2%，該部分用戶的三相不平衡問題已經影響電氣設備的運行效率和安全性，需要及時排查問題做出優化調整。

虹橋臨空經濟園區中45組低壓變壓器或進線的電流諧波總畸變率統計如下：電流總畸變率小于10%的有9組，占比20%；電流總畸變率大于等于10%小于20%之間的有18組，占比40%；電流總畸變率大于等于20%小于30%之間的有13組，占比29%；電流總畸變率大于等于30%的有5組，占比11%。用戶的諧波電流不僅會影響用戶內的設備運行，還會將諧波反向傳輸至電網，一般建議諧波電流總畸變率超過10%的用戶治理諧波，避免諧波影響范圍擴大。

1.3 小結

本章主要對抽樣用戶中的功率因素、三相不平衡、諧波進行分析，其中功率因素表現良好，樣本中未發現不符合電力標準的案例；三相不平衡率表現相對較好，區域內樓宇的入住率會對三相不平衡率有影響，一般情況下會從設計層面下考慮到三相負載均衡的問題，但區該域內存在部分樓宇入住率較低，會導致三相不平衡率偏高，提高入住率后三相不平衡率會相應優化；諧波為該區域內導致電能質量問題的主要因素，諧波電流總畸變率超過10%的用戶占比80%，待該區域內的入住率提高后，諧波電流總畸變率將進一步增大。

2 區域型電力綠色質量綜合方案

2.1 區域型電能質量治理情況需求分析

電能質量異常主要包含無功功率、三相不平衡、諧波三種類型的問題。結合前文對用戶電能質量數據分析情況可知，該區域內的主要電能質量問題表現為諧波電流畸變率較高。由于經濟園區為工業或商業辦公集中區，因特種設備或原因所產生的電能質量問題將會集中放大，為達到區域型電力綠色質量的要求，無功功率、三相不平衡等因素也需要電能質量問題治理的考慮范圍內。在區域型的電能質量治理過程中，需要滿足無功補償、調節三相負載、諧波治理。

經濟園區內的電能質量問題會隨著季節、氣候、生產計劃等多方面因素的變化而變化。如：冬季、夏季的空調使用高峰期區域內的電網負載比平時高，在負載高峰期使三相負載均衡將會提高區域內的負載能力，滿足更多的用電需求；功率因素在電力系統中對用戶有硬性指標要求，用戶在建設內部電網時一般有無功補償設備，滿足基本需求，但在特殊時期存仍會發生不滿足功率因素標準的情況，該情況發生概率較小。

綜上，在虹橋臨空經濟園區電能質量治理過程中，以治理諧波為主，在特殊時期需補償無功功率和調節三相負載不平衡。從經濟性角度分析，區域型的電能質量治理需在用戶從按容量安裝電能質量綜合治理裝置，該裝置能同時治理無功、三相不平衡、諧波等問題，并能在容量范圍內自由調節，以應對不同時期的電能質量治理需求。

2.2 區域型電能質量治理總體設計方案

如圖2，通過在用戶電網處安裝電流互感器可以獲取用戶電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波電流等電能數據；電能質量綜合治理裝置在獲取用戶電能后可以在容量范圍內對用戶進行無功補償、調節負載、濾波等作用；用戶的電能數據可以通過有線或無線等方式上傳至采集控制集中器，采集控制集中器可同時采集多個電能質量綜合治理裝置的數據，并可對指定設備發送命令，控制調節電能質量綜合治理裝的運行策略；采集控制集中器通過物聯網通信模塊將實施數據傳輸至遠程；遠程數據接入后經過業務邏輯處理、服務器，將數據在前端顯示；工作人員可遠程查看用戶電網、電能質量綜合治理裝置的運行狀態，并可根據數據情況做運行策略的調整[2]。

圖2 區域型電能質量治理總體設計方案圖

2.3 電能質量綜合治理裝置硬件結構設計

如圖3，三電平結構具有容量大、輸出電壓高、電流諧波小等特點。在電能質量綜合治理裝置中，采用三電平拓撲結構設計，通過主控板控制器實現對電路中的高性能IGBT進行制動，控制電路中的電流通量；結合靜止無功發生器模塊、有源濾波模塊、三相不平衡調節模塊，可實現動態補償無功、諧波治理、三相負載均衡調節等功能。

圖3 電能質量綜合治理裝置三電平拓撲結構設計圖

2.4 小結

本章主要對虹橋臨空經濟園區內的電能質量現狀情況進行了分析，隨著氣候、季節、生產計劃的改變，影響電能質量的主要問題的比重也會有所變化，因此需要在不同時期采取不同的應對措施，采用更合理的電能質量治理方案。本章提出了一種基于物聯網的區域型電能質量治理方案，該方案需要在用戶處安裝電能綜合質量治理裝置，通過采集控制集中器，將所有用戶數據匯總在遠程顯示，工作人員可遠程監測區域內的電能質量數據，及時調整運行策略。

3 結語

本文以虹橋臨空經濟園區為研究對象，研究區域型的電能綠色質量治理方案。利用FLUK 435 II設備在虹橋臨空經濟園區內實地采集電能質量數據，并對數據進行統計分析，得出區域內的電能質量現狀存在的主要問題。結合園區的特性，對區域型的電能質量治理需求進行了分析，并給出區域型的電力綠色質量治理方案。該方案可對區域內的用戶電能質量問題進行集中監控與治理，以達到區域內電力綠色質量的目的，保障區域內用戶的電力設備始終處于高效運行的狀態，減少線路及設備的電能損耗，提高能源利用效率。