电能质量与控制技术探讨

张 蕾

（西安供电局，陕西 西安 710032）

电能质量与控制技术探讨

张 蕾

（西安供电局，陕西 西安 710032）

电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及到发电、供电、用户各方的权益，优良的电能质量对保证电网和电气设备的安全经济运行，保障国民经济各行各业的正常生产以及提高人民的生活质量具有重要的意义。分析了电能质量的主要影响因素，论述了当前电能质量保证电网安全的控制技术。

电能质量；电网安全；控制技术；补偿

1 概述

随着科学技术的进步和电力工业的发展，用电负荷日趋复杂和多样化，影响电力系统电能质量的因素也越来越多。一些具有非线性、冲击性、大容量特性的负荷设备，会不同程度地对电能产生污染，影响电网的电能质量，乃至冲击电网安全。近年来，每年因电能质量不合格而引起的经济损失极为严重，全球范围内因电能质量不合格引起的电力系统及电力设备事故也屡有发生。我国重要电力用户及其敏感负荷设备的数量逐年增加，这些用户对电网的供电质量也提出了新的要求。因此，探讨电能质量的相关理论及其控制技术，分析我国电能质量控制管理的发展趋势，防止和避免重大电网事故的发生，进而达到提高电能质量、保证电网经济可靠运行是非常重要和必要的。

2 电能质量的定义

广义上来讲，电能质量就是指向用户的优质供电。电能是一种经济、实用、清洁而且容易控制和转换的能源形态，它是电力部门向电力用户提供的， 由发、供、用三方共同来保证质量的一种特殊产品。

近年来，IEC61000系列电磁兼容标准和IEEE std1159就现代电能质量给出了明确的定义。即，电能质量关系到供用电设备正常工作(或运行)的电压、电流的各种指标偏离额定值的程度。它包括频率偏差、电压偏差、波形畸变、电压波动和闪变、三相不平衡、长时间电压中断、电压暂降与短时间中断、暂时和瞬态过电压等。

3 电能质量控制技术

为了保证用户的供电质量，防止和避免可能发生的电网事故，一方面要加强输电系统的输送能力和运行安全性，保证配电系统的供电可靠性；另一方面应抑制或消除各种(包括来自系统侧的和用户侧的)干扰对电能质量的污染。目前，主要的电能质量控制技术有以下几种。

3.1 电压无功综合控制装置（VQC）

VQC是把主变高压侧无功潮流量减去目前补偿量，作为负荷的无功潮流量。将测得的电压值与电压比较器定值进行比较，当超出或低于2个电压比较器定值时，通过运算器进行运算来启动主变分接开关换档及增减补偿电容的投切组数，从而使主变中、低压侧电压控制在标准范围内，并可以使主变高压侧的无功潮流大于0(即无功不反送)。

VQC的主要性能特点如下：

(1) 装置能实时跟踪变电站运行情况的变化，自动识别多台主变及电容器的运行方式，自动确定控制策略；

(2) 采用模块化结构设计， 既能独立使用，又能与变电站监控系统一起配合使用；

(3) 可远方或就地控制装置处于监控状态或监测状态；

(4) 装置的控制方式灵活，既能根据电压、无功功率进行调节控制，又能根据电压、功率因素进行调节控制；

(5) 装置的安全约束可靠， 多种保护措施确保被控设备安全；

(6) 液晶显示，键盘操作，人机界面友好，便于使用。

3.2 无源滤波器(PF)

PF是目前电力系统抑制谐波和补偿无功的主要手段，通常是采用电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求组合而成。

目前，无源滤波补偿是实际应用最多、效果较好、价格较低的解决方案，它包括3种基本形式：串联滤波、并联滤波和低通滤波（串并混合）。其中，串联滤波主要适用于3次谐波的治理；低通滤波主要适用于高次谐波的治理；并联滤波是一种综合装置，它可滤除多次谐波，同时提供系统的无功功率，是应用最广泛的净化滤波装置。

3.3 有源滤波器(APF)

APF作为改善电能质量的一项关键技术，已得到高度重视和日益广泛的应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多、适应性好及响应速度快等优点。

APF是一种用于动态抑制电力系统谐波补偿无功功率的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的电力系统谐波以及变化的无功功率进行动态补偿。实际上它是一种谐波电流补偿器，它能够输出与负载电流的谐波分量相对应的、具有任意大小和频率的电流，这个电流可抵消其他装置在电网侧产生的谐波电流。与PF相比，APF具有滤波特性不受系统阻抗影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可有效抑制闪变、补偿无功功率；性价比较为合理。另外，APF还具有自适应功能，可以自动跟踪补偿变化着的谐波。但是，APF的运行成本较高，运行损耗大，容量受到限制。这一点是限制APF推广的关键。

4 典型实例分析

在电力企业的用电客户群中，医院因其工作的特殊性，对电能质量有着更高的要求。在某医院项目设计时，着重针对谐波源进行了分析，在充分考虑县级医院经济承受能力和电网安全运行的同时，采取了行之有效的谐波治理措施。

4.1 谐波分析

医院配电系统一般采用10/0.4 kV变压器，主要负荷为电子医疗精密设备、照明及变频通风设备、计算机及UPS等，其中大部分为单相非线性负荷。在低压配电网中，谐波较为严重，主要谐波源可分为以下几种。

(1) 通风设备：为了节约能源，医院均采用变频风机及空调。变频器是非常重要的谐波源，其总谐波电流畸变率达33 %以上，会产生大量5，7等次的谐波污染电网。

(2) 照明设备：由于医院内部使用大量的荧光灯具，因此会引起严重的谐波电流，其中3次谐波为最高。当多个荧光灯接成三相四线负荷时，中线上就会流过很大的3次谐波电流。

(3) 电子医疗精密设备：医院内的大型电子医疗设备一般为开关电源供电，开关电源设备会产生3，5，7等次谐波注入电网。

(4) 计算机及UPS：目前医院均为计算机网络管理，计算机数量很大，再加上服务器等数据存储系统必须配有UPS等备用电源，以及个人电脑的开关电源及UPS等，均为谐波源，会产生大量的3，5，7等次谐波。

总之，医院的低压配电系统有大量的谐波源负荷，会产生大量的谐波，严重污染电网，造成三相不平衡、谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题，必须要治理。

4.2 治理方案

目的：通过有针对性的谐波污染治理，减少甚至消除谐波对配电系统的不良影响，保证变压器、电缆、医疗设备的正常运行；其次，体现直接经济效益，即保障低压电容补偿系统的正常运行，发挥其应有的作用，降低低压配电系统中谐波总体含量的水平，提高功率因数，减少无功损耗，延长设备使用寿命。

根据这一目的，同时考虑方案的经济性，最终确定采取以下办法解决。

(1) 在配电设计时，将空调、风机等大型非线性设备单独设变压器，以及照明、办公等谐波产生较严重的用电各自单独组成回路。通过将对电能质量要求较高的医疗设备等单独组成回路，避免了在同一回路上的相互干扰。

(2) 在开闭所采用无源滤波方式进行集中消除谐波。选用电抗系数为14 %、滤除3次谐波为主的滤波补偿组件，将整个配电网络的谐波量抑制在40 %以下。此时虽然电网内仍然有谐波存在，但有效保证了整个电网的安全运行和医疗设备的正常使用。同时，有效滤除谐波后，减少了对电容器的损害，延长了电容器的使用寿命，也间接避免了频繁更换损坏电容器带来的停电损失。

采用无源滤波器方式进行谐波治理后，该医院整个配电系统运行正常，同时降低了生产运营成本。

5 结束语

电能质量问题已日益引起人们的关注，成为电力企业和用户共同关心的课题。电能质量控制技术的研究具有巨大的经济和社会效益，它对于减少用电设备的故障，保证生产和生活的正常进行，提高电能的使用效率等具有重要的意义。随着电力电子与信息技术的发展和应用，运用电力电子技术对电能质量进行系统化综合补偿将是解决电能质量问题的根本途径。

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2012-10-04）