发电厂电能质量控制的问题探讨

周敬森，刘 璐

（武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072）

1 电能质量综述

1.1 电能质量问题的提出

电能质量的改善对于电网与电气设备的安全与经济运行，保障产品质量与科学实验以及人民生活和生产的正常进行等都有着极其重要的意义。电能的质量直接关系到国民经济的总体效益。因此，电能质量问题很早就已提出，但早期对电能质量认识很简单，局限在保持电网频率和电压程度上。近些年来，随着新型电力负荷快速发展，以及用电户对电能质量的要求不断提高，电能质量逐步成为电力企业领域的前沿性课题，已成为电力用户最关心的问题。

（1）当前用电设备与装置都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件，电磁干扰对它们的影响比较大，这就要求电厂生产的电能质量更高。

（2）一些高效率电机变速驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器、大量的用户电子设备的使用会导致电网谐波污染，会使供电电压干扰水平加重，给电力系统安全运行带来危害，这就要求电力系统运行总效率必须不断提高。

（3）供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题给高效生产流程的用电设备正常运行带来了严重危害，越来越多的用户对电力部门提出了高质量供电的请求，甚至有一些通过签订供电合同和质量协议的方式来加以保障。

（4）电力网的各个组成部分是相互联系，密不可分的。因此，综合协调处理至关重要。一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响或重大损失，这就要求供电部门避免遭受来自用电设备产生的电力干扰。维护电网安全运行已经成为一项系统工程问题。

1.2 改善电能质量的意义

电能质量的好坏直接影响电网的安全经济运行。电能质量稳定可靠是工业产品质量的保障，对降低能耗及人类生活环境等产生重要影响。在现代工业和科学技术中应用的一些精密仪器设备，复杂的控制系统和工艺流程，都对电能质量有了更高的要求，电能质量关系着国民经济的总体效益。

电网的主要用电设备之一是电动机，大约占总负荷的60%以上。如果出现电网电压和频率的偏差、谐波含量、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等现象，将直接影响电动机的输出力矩，给生产工效和产品质量造成影响。譬如电动机机轴端负荷恒定时，电压减少10%，则滑差约增大0.6%；电网电压如果降低10%～15%时，很多电动机将失去稳定性。纺织机、造纸机等一些复杂的生产机组对频率稳定要求较高，如果频率变化较大，便可能出废品，或造成设备损害。

电网中的谐波含量增加，会造成电气设备寿命缩短，网损加大。高次谐波对电容器损害很大，当电容器两端的电压含有高次谐波时，电容器会对高次谐波的阻抗随频率的增大而减小，造成谐波电流增大。这样电容器不能正常运行或长期过负荷，甚至有爆炸的危险。谐波还有可能发生谐振，引起继电保护和自动装置误动、或使仪表指示和电能计量不准、干扰通讯等一系列问题。

电网如果三相电压不平衡，则会引起电机附加振动力矩和发热。譬如负序电压含量为4%，由于发热其绝缘寿命缩短约一半。如果某相电压高于额定值，则其绝缘寿命缩短更严重。一些保护会因负序和谐波的干扰而发生动作。

电网电压的快速波动能使电动机转速不均匀，危及电动机的安全运行，影响一些产品的质量，还能引起照明的闪变，使人眼疲劳而降低工效等危害。

2 电能质量控制分析

2.1 衡量电能质量的主要指标

电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义。由于所处立场不同，关注电能质量的角度也不一样，人们对电能质量的定义目前还未能形成共识，但是对其主要技术指标都有较为一致的认识。

（1）电压偏差，又称电压偏移，指供配电系统改变运行方式和负荷缓慢地变化使供配电系统各点的电压也随之变化，各点的实际电压与系统的额定电压之差称为电压偏差。一般指电压跌落和电压上升的总称。

（2）频率偏差。电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差，公式为：频率偏差＝实际频率－标称频率。我国电力系统的正常频率偏差允许值为±0.2 Hz，当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到±0.5 Hz；系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。

（3）电压三相不平衡，是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。

（4）谐波和间谐波。含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。

（5）电压波动和闪变。电压波动是指在包络线内的电压有规则变动，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

2.2 影响电能质量的因素

影响电能质量的因素有：

（1）自然现象的因素造成。如雷击、风暴、雨雪等对电能质量的影响，使电网发生事故，造成供电网络可靠性降低。

（2）电力负荷构成的变化。在用电大户中，节能装置、变频设备等大规模电力电子应用装置、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、化工、冶金企业的整流电化工业设备、电气化铁路、交、直流炼钢电弧炉、轧机、提升机、电石机、感应加热炉等电气设备构成电力系统负荷变化，让电网产生大量的谐波干扰、电压扰动、电压波动与闪变等非线性负荷。

（3）大量谐波注入电网。谐波的定义是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数分解，其大于基波频率的电流产生的电量。谐波能降低系统容量如变压器、断路器、电缆等，加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备等。而含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现功率控制和处理的同时，都不可避免地产生非正弦波形电流，注入电网，使公共连接点（PCC）的电压波形发生严重畸变，造成负荷波动性和冲击性，从而导致电压波动，瞬时脉冲等现象。

（4）在企业中，电力设备及装置的自动保护和正常运行、大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等现象都对电能质量产生影响，使额定电压暂时降低、产生电压波动与闪变。

3 提高电能质量的措施

伴随我国电力工业的快速发展、技术水平的不断进步，以及节能减排政策的深入推进和智能电网建设速度的逐渐加快，电能质量改善措施及节能控制产品的市场规模将迅速扩大。电能质量控制常用技术措施如下：

（1）中枢调压

用户希望用电的电压偏差符合国家标准，避免给设备带来危害，但由于电力系统结构复杂、负荷众多，对每个用电设备的电压都进行监视和调整，不可能做到也无必要。电力系统可采取一系列调压手段和方法来减少电压偏差。一般电力系统电压的监视和调整可以通过对中枢点电压的监视和调整来实现。中枢点就是指电力系统可以反映系统电压水平的主要发电厂和变电站的母线，很多负荷都由这些母线供电。如果控制了这些中枢点的电压偏差，也就控制了系统中大部分负荷的电压偏差。此外，除了对中枢点进行调压，还可以进行发电机调压、调压器调压等。从而实现对电力系统电压的稳定，从而提高电能质量。

（2）谐波的抑制方法

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波污染对电力系统的危害是严重的，采取相应措施加以抑制减少其危害，这就是谐波抑制。解决电能谐波的污染和干扰有很多行之有效的解决方法，但概括起来主要有以下方法：

一是增加换流装置的相数。换流装置是供电系统产生的主要谐波源之一，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk（p为整流相数或脉动数，k为正整数）。当脉动数由p＝6增加到p＝12时，可以有效地消除幅值较大的低频项（其特征谐波次数分别为12k±1和12k），从而大大地降低了谐波电流的有效值。

二是在电网系统中增加动态无功补偿装置，使供电系统承受谐波的能力增强。在技术经济分析允许的情况下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置或更先进的静止同步补偿装置，这样可以获得补偿负荷快速变动的无功需求，从而改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流，稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。

三是在电网系统中增加交流滤波装置。这种交流滤波装置在谐波源附近能吸收谐波电流，大大降低连结点的谐波电压，是防止谐波污染的一种有效措施。滤波装置一般由R、L、C等元件组成串联谐振电路，利用其串联谐振时阻抗最小的特性，消除高次谐波。

四是改变电容器的串联电抗器，防止电容器对谐波的放大。在电网中，一些并联电容器组虽然能起到改善无功功率因数的作用。但当有谐波存在时，在一定的参数下，这些并联电容器会对谐波产生放大作用，危及电容器本身与附近电气设备的安全。如果采取改变电容器的串联电抗器，就能避免电容器对谐波的放大。

4 电力系统电网传输的电能质量提升策略

电力系统电网传输的电能质量提升策略如下：

（1）抑制电网电压的闪变和波动。包括合理地选择变压器、在线路出口加装限流电抗器、配电变压器并列运行、采用电抗值最小的高低压配电线路方案等方法。

（2）对电力系统电网的电能质量实施监测控制。电能质量指标检测可采取连续、不定时和专项监测三种方式。连续检测适用于供电电压偏差、非线性负荷接入点和电网中枢变电所电能质量指标的实时检测。一般采用统计型电压表。不定时检测适用于需要掌握供电电能质量指标，而连续检测不具备条件所采用的检测方式。专线检测适用于非线性设备接入电网（或扩建、改建）前后、查找电网电能质量污染源、了解某些特殊负载或用户对电网电能质量指标影响等检测方式，用以确定电网电能质量指标的背景状况、电能质量污染的实际水平、验证技术措施效果。一般采用电能质量分析仪。

5 结束语

保障电能质量是电力企业义不容辞的责任。发电厂应保证供给用户的供电质量符合国家标准。用户在安全用电同时，共同对各种电能质量问题采取有效的措施加以抑制。

［1］ 肖湘宁，编著.电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］ 赵逸众，肖湘宁，姜 旭.现代电能质量监测技术的发展动态［J］；电气技术；2006，（1）：11－13.

［3］ 金广厚，李庚银，周 明.基于质量保险的多质量等级电能定价方法［J］.中国电机工程学报，2006，（9）：22－24.

［4］ 辛安国，刘 成.无功补偿技术对低压电网功率因素的影响［J］.内蒙古石油化工，2010，（1）：23－24.

［5］ 王勤湧.电能质量检测分析系统的研究与设计［D］.上海：东华大学，2010.