电能质量有功功率治理装置开发与应用

黄练栋，周文昌

（广东电网有限责任公司江门台山供电局，广东 台山 529200）

2020 年12 月，习近平总书记提出了“碳达峰、碳中和”的目标[1]。保证优良的电能质量，降低因低电压造成的电能损耗是实现“双碳”目标的有效手段之一。近年来，随着工业及民用建设项目越来越多，用电负载也越来越复杂，因此电能及技术要求越来越高。面对随之而来的电网及用户端的各种电能质量问题，对电能产品质量的要求也越来越高[2]。

经过多年的电网改造建设，现在各地区基本实现了让每个用户“用上电，用好电”，这是中国南方电网有限责任公司落实总书记指示的具体体现之一。但由于经济的快速发展，人民的生活水平的提高，工农业的迅速发展，用电量也在快速增加，加上部分供电半径过长、三相不平衡等各种因素，导致线路末端的压降明显，无法正常用电。

1 电能质量问题的影响及危害

电能质量通俗来说有4 个性质，以交流电力系统为主，即交流电力系统的正弦性、对称性、同步性和平衡性，理解了这4 个性质，也就理解了交流电力系统的电能质量问题。现代的用电设备的显著特征有电力电子化和大功率冲击性，而现代配电网的显著特征是电力电缆化，基于此电力系统电能质量问题变得愈发突出，因而给电力系统的安全运行带来威胁。常见的电能质量问题的影响及危害具体如下。

1.1 电压偏差的影响及危害

（1）由于输电线路输送功率的静态稳定功率极限（PM=EU/X）与发电机电动势E 和系统电压U 成正比，与组合电抗X 成反比。系统电压越低，稳定功率极限越低，容易发生不稳定现象，严重时会造成系统瓦解的重大事故[3]。

（2）当电网缺乏无功功率、电压偏低时，系统发出的无功功率小于负荷正常吸收的功率，迫使电流增大而电压下降，电流进一步增大使无功缺额更大，这种恶性循环会导致电压崩溃。

（3）电网低电压运行，会使线路和变压器电流增大。线路和变压器绕组的有功损耗与电流二次方成正比。低电压运行会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，从而提高了线损率，增加了供电成本。

1.2 电压波动和闪变的危害

（1）对电弧炉的影响。电压波动会影响金属冶炼时间，增加电能的损耗。电压波动造成炉钢水波动，影响炼钢品质。

（2）切削金属工件时，电压波动会影响工件产品的质量和数量。

（3）当电压波动幅值过大时，数控装置出现动作紊乱的现象，影响设备正常运行。电压波动与闪变对电力电子变流器稳定运行产生影响。

1.3 电压暂降和短时中断的影响及危害

（1）对计算机的影响。当电压低于60%且持续时间超过240ms时，计算工作将会受到影响，如数据丢失。

（2）对交流接触器的影响。当电压低于50%且持续时间超过20ms 时接触器就会脱扣。

（3）对变频调速器的影响。当电压低于70%且持续时间超过120ms 时，变频调速器会被切除。

2 传统电能质量控制方法弊端

我国农村地区配电网（以下简称“农网”）具有用电负荷容量小、分布广、供电半径大、电缆线径小等特点，造成远距离供电线路功率损耗较大，引发线路末端出现低电压的问题；另一方面，配电网的三相不平衡、无功负荷的增长，以及其他电能质量问题日益凸显，也会导致线路末端低电压的产生。根据电网相关标准，单相电压低于198V 时即为不合格电压，可能会导致某些用电设备不能启动或者无法正常工作，这将影响线路末端用户的用电质量和用电体验。

经过持续开展的配网低电压专项治理工作，配网结构、装备水平及配网综合管理水平得到显著提升，用户端供电质量得到明显改善，但仍然存在一些问题。目前对于线路末端用户提出因低电压影响用电体验的问题，供电部门大多是采取工程施工的解决方案，例如通过新增变压器电源点的方式以减小供电半径、通过更换线径大的导线以减少线路功率损耗、通过调整负荷接入点以解决三相负荷不平衡问题等，但这些解决方案施工的准备、组织、实施以及验收都需要较长周期，而用户的用电问题无法得到快速解决，将会对农村加工行业和养殖行业等造成一定的经济损失。

为此，部分用户在线路末端加装电压调节装置进行升压，但由于这些装置响应速度慢，只能实现分档调压，无法应对快速波动的负荷，更无法根据用户需求进行实时精确的调压。其次，这些调压装置多采用变压器加投切机构，装置体积大、重量重，安装和维护不便。综上所述，配电网迫切需要一种体积小、重量轻，安装维护方便，投资成本低，可应对线路中波动较大的负荷进行实时精确调压的模块化便携式电能质量有功功率治理装置[3]。

3 电能质量有功功率治理装置设计思路

本文研究设计的电能质量有功功率治理装置，采用模块化设计、积木式插拔应用，可根据现场情况进行自由配置，安装、维护方便，使用灵活，且调压模块采用新型电力电子无级调压方式，可根据负荷的实时波动进行电压跟踪和调节，电压调节精度高，响应速度快。

该电能质量有功功率治理装置是一款针对影响低压电源有功参数，能快速智能动态补偿、免维护、自适应独立运行的智能低压电气设备。主要由特制电流和电压互感器、CPU、SCR 模块、智能采样模块、智能动态追踪影响有功参数的多变量组合集成控制模块和安全保护模块组成。

通过分析影响电能质量有功功率的多变量（电压、电流、谐波、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、电压暂降等）参数之间的物理关系，通过优选各采样参数和各执行元件间的自学习协调控制配合，编辑合适的算法软件，研制组合式集成控制模块，实现无触点逻辑补偿和控制，使用户端的电能质量始终处于优良状态，保证用户电器设备使用安全，增强用户体验，节省线路损耗。电能质量有功功率治理装置设计原理图如图1 所示。

图1 电能质量有功功率治理装置设计原理

4 电能质量有功功率治理装置的基本功能

治理装置是一种方便携带的，用于末端用户低电压治理的应急电能质量治理装置，全绝缘、可触摸、重量轻，采用模块化设计、积木式拔插应用，可据用户负荷情况灵活配置，提高经济性。其中，调压模块采用新型电力电子无级调压方式，可根据负荷的实时波动进行电压跟踪和调节，电压调节精度高、响应速度快，全程无噪声，模块拆装方便，运行过程免维护，外形设计适应壁挂、抱杆、落地等多种安装方式。该产品采用新型高速开关材料，配合动态优化控制算法，使控制过程更高效、设备对环境的适应性更强，用户操作简单，使用便捷。可实现的基本功能如下。

4.1 升压远输

电能质量有功功率治理装置通过检测安装点位置线路电压和线路末端电压，通过闭环控制的方式自动补偿和提升末端电压，使末端电压基本保持在设定电压值水平。

4.2 多重保护

当治理装置内部升压系统发生故障而末端电压正常，则该装置会自动旁路，保持主供电线路通畅，并且内设过载、过压、欠压、短路、缺相、相序、过温保护，实现多重保护。

4.3 节能降耗

低压电的特点之一是在远距离输送过程中电压下降迅速，而随着末端电压下降，回路电流会相应升高。输电线的损耗与电流的平方成正比，因此，保持末端电压在额定电压值水平，不仅能保证供电质量，还能有效减少输电线路上的电能损耗。

5 结语

该电能质量有功功率治理装置以新技术、新工艺开发与运用研究为方向，能够完全满足相关行业全面安全技术标准要求，以人为本达到相当的适用性，在普及性和推广性方面，技术上可以大范围适用、成本上可以大范围推广；在安装的简易和方便性方面，具有结构合理、体积小、重量轻，操作灵活、搬运方便等优点。对解决群众的用电“痛点”能做到及时解决。并且可通过无线数据传输，在后台分析掌握电能质量有功功率治理装置的工作状态，如若出现故障可及时发现并处理。

我国的配网建设现在处于高速发展的时期，在这个时期我国将会遇到许多复杂的问题，所以我国在工作时要善于发现问题，保持一颗好奇心，并且要有敢于打破常规的新思维、新思考，这样才能使我国配网的工作方式变得更省时、省力，这样也才能更有利于我国配网建设的发展。所以我国只要保持这种敢于质疑的心，相信在不久的将来会有更多的创新成果在我国配网这方面产生。