电能质量问题及其治理方法

李 中 俊(中国海诚工程科技股份有限公司, 上海 200031)

电能质量问题及其治理方法

李 中 俊
(中国海诚工程科技股份有限公司, 上海 200031)

随着科学技术和国民经济的快速发展,电能需求量极速增长的同时,对于电能质量要求越来越高。概述了电能质量的基本问题,包括电能质量的内涵、等级划分以及相关评价指标,阐述了电能质量的分类及其重要影响,介绍了电能质量的相关分析方法及其使用条件和利弊,并给出电能质量的调节措施和改善方法。

电能质量; 理论研究; 分析方法; 改善措施

0 引 言

随着我国电力事业的发展,社会对电能数量的要求已经逐步得到满足,但是信息技术的飞速发展在用电方面也随之产生了以下三方面的问题：① 日趋复杂化和多样化的用电设备的广泛应用,这些负荷因其冲击性、非线性、谐波丰富和不对称性会严重影响到供电电网,不仅会产生大量的高次谐波,而且使得电压波动、闪变日趋严重,给电能质量带来了新的问题[1];② 大型电力设备的运行和保护装置的起停等,使得额定电压短暂降低,产生电压波动,影响到电能质量;③ 各种复杂精密对电能质量敏感的用电设备越来越多,许多新的电器和装置都带有基于微处理机的控制器和电力电子装置,对各种电磁干扰都极为敏感,对供电可靠性和电能质量的要求越来越高[2]。电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性[1],其优劣不仅取决于电力生产部门,电力用户的影响也甚为关键。因而,深入分析和研究电能质量问题,探寻因果关系,明确责任和义务,是电力工业提高电能质量、适应市场竞争所必须的[3]。

1 电能质量问题

1.1 电能质量内涵

虽然电能质量这个术语不断被提及,但是其具体定义却仍未统一。根据立场出发点不同,还有许多关于电能质量的定义。IEEE技术协调委员会采用“Power quality”为电能质量的术语,并且给出了相应的定义,电能质量的概念是指给敏感设备提供电力和设置的接地系统,是均适合于设备正常工作的。IEC 1000-2-2/4标准将电能质量定义为供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。文献[3]则简明地表示为“电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差”。

电能质量概念应包含电力供应中需要考虑的几个主要方面:电压和频率的偏差(过电压、欠电压、频率偏差),电压和电流的波形(电压跌落、电压突升、电压波动和闪变、谐波、三相不对称)以及供电连续性(瞬时断电、暂时断电、持续断电)。

1.2 电能质量等级划分

电能质量等级的划分是以电能质量的定义为基础,以用户的要求为根据,以变电站的承受能力为条件所制订的。每个变电站所连接的负荷类型各不相同,当负荷对电能质量要求高于电站所能达到的水平时,电站就要进行代价利益分析,或者低于用户提出的标准,或者采取措施,提高本身的供电质量,满足用户的要求。权衡折衷之后,对上面提到的各个方面规定出不同的补偿目标,制定出合适的电能质量等级。一般而言,常将电能质量分为常质(Normal Quality)、优质(Premium Quality)、高质(High Quality)电力三个级别[4]。

1.3 电能质量评价指标

对于电能质量优劣的判断,要有一定的技术指标作为依据,将技术指标量化为电能质量的标准。

(1) 电压偏差指电网电压相对于额定电压的偏离程度。35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%;20 kV及以下供电电压偏差为标称电压的±7%。一般,造成电网电压偏差的最主要原因是无功功率的传输。另外,电力电容器的投切对母线电压偏差的影响。

(2) 频率偏差指电网频率对于额定频率的偏离程度,产生频率偏差的原因主要是发电机有功出力和有功负荷的不平衡。电力系统正常运行条件下,频率偏差限值为±0.2 Hz,当系统容量较小时,偏差限值可放宽到±0.5 Hz。

(3) 电压波动和闪变指电网电压的变动程度和因此引起的灯光对人眼的视觉影响。闪变与电压波动的大小、波动的频率及人的视感等因素有关。电压幅值的变化通常为90%～110%。这种电压波动通常称为电压闪变,主要是波动性负载产生的。最常见的波动性负载是电弧炉。

(4) 三相电压不平衡指三相电压不平衡度的度量。电网正常运行时,负序电压不平衡度不超过2%,短时不超过4%。

(5) 谐波含量指电网电压、电流波形的畸变程度。由于畸变波形可分解成基波和谐波,因此可用谐波含量大小来表征波形的畸变程度。谐波含量包括各次谐波的含量和总畸变量。

2 电能质量问题分类及影响

通常情况下,按产生和持续时间将电能质量问题分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题。

稳态电能质量问题一般持续时间较长,包括因系统无功功率不平衡而引起的长期低电压或高电压,通常是1 min以上出现的电能质量不正常的情况,以波形畸变为主要特征。动态电压质量问题通常是以暂态持续时间为特征,分为脉冲暂态和振荡暂态两大类,包括由于配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备等非线性、不对称和冲击性负荷而引起的电压不对称、脉动、电压跌落以及瞬时中断等[6]。

电能质量问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害,主要表现在以下方面[8]:

(1) 谐波产生的影响:使公用电网中的元件产生附加的损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量3次谐波流过中性线会使线路过热,甚至引起火灾;影响电气设备的正常工作,使变压器局部严重过热,电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,使电气测量仪表计量不准确,引起误差;对邻近的通信系统产生干扰。

(2) 引起电网谐振,可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍,会对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁,经常使电容器和电抗器烧毁。

(3) 导致继电保护和自动装置误动作,造成不必要的供电中断和生产损失。

(4) 短时停电、电压骤升或骤降会影响许多特殊行业的生产过程,降低生产工效和产品质量,直接造成经济损失[10]。

3 电能质量分析方法

通过一定的方法对电能质量进行分析,是保障电能质量以及提升电能质量监测、控制以及管理水平的前提。电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述,需要相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析,为改善电能质量提供指导。

目前所采用的方法有三种[11]:

(1) 时域仿真方法。该方法在电能质量分析中的应用最为广泛,主要是利用各种时域仿真程序例如EMTP、EMTDC以及NETOMAC等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER 等电力电子仿真程序两大类,对电能质量问题中的暂态现象进行分析。这些仿真程序在不断发展中,还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。该分析方法的缺点是在进行仿真计算之前要预先知道暂态过程的频率覆盖范围,同时在模仿开关的过程中存在数值失真的现象。

(2) 频域分析方法。这是电能质量中谐波问题分析的常用方法,主要用于谐波问题的分析计算,包括频率扫描、谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性,近年来又提出一种棍合谐波潮流的计算方法,即在常规的谐波潮流计算法基础上,利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行精细的动态特性描述,可求出各次谐波动态电流矢量,从而得到动态谐波潮流解。该方法在近些年运用较多，其缺点是计算量大,耗时较长。

(3) 基于变换的方法,主要包括Fourier变换法、神经网络法、二次变换法、小波变换法以及Prony分析法等。

① FFT作为经典的信号分析方法,在运用时必须满足以下条件:采样频率必须是最高信号频率的2倍以上;被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。因此,当条件无法满足时,会给分析带来误差。此外,由于FFT变换是对整个时间段的积分,时间信息得不到充分利用,信号的任何突变,其频谱将散布于整个频带。

② 短时Fourier变换方法具有正交、完备、计算快速等许多优点,将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合。它只适合于分析特征尺度大致相同的过程,不适合分析多尺度过程和突变过程。而且该方法的离散形式没有正交展开,难以实现高效算法。

③ 小波变换由于具有时-频局部化的特点,特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后,已在图像处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由于小波函数本身衰减很快,也属一种暂态波形,将其用于电能质量分析领域,尤其是暂态过程分析领域将具有其他分析方法无法比拟的优点。

4 电能质量的改善方法

4.1 传统方法

(1) 调节有载调压变压器的分接头,可保持电压稳定,保证电压质量,但不能改变系统无功需求平衡状态,同时对于变压器运行的可靠性有一定影响。

(2) 无源滤波器作为传统抑制谐波电流的主要手段,通过LC谐振来吸收电网中的谐波电流,但其缺点是只能抑制固定频率的谐波,同时也可能造成系统谐振。

(3) 通过备用发电机组和机械式双电源切换装置(>2 s)等方法对重要用户连续供电。

(4) 局部并联电容器组,可补偿系统无功功率,解决电压偏低的情况,但对轻载电压偏高的电能质量问题却无能为力。

以上传统方法尽管能在一定程度上解决电能质量问题,但都存在着本身无法克服的缺陷,因此必须提出新的解决电能质量问题的方法。

4.2 基于用户电力技术的改善方法

电力电子技术的应用给解决电能质量问题开拓了广阔的前景,利用高性能的电力电子装置来改善电能质量成为可能。用户电力技术将电力电子、计算机和控制等高新技术运用于中低压配用电系统,形成了一系列的电能质量补偿控制设备,可更好地解决谐波畸变、电压波动和闪变、电压不对称等用于改善电网电能质量的用户电力技术。其中,最常用的一种电路结构是PWM功率变换器(包括电压型和电流型)。利用不同的控制方法对PWM功率变换器进行控制,可以用来补偿电能质量问题。

下面介绍几个具有代表性的产品，主要用到以下装置:

(1) 有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)是一种用于动态抑制非线性负载产生的谐波电流和无功电流的新型电力电子装置,通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流,使得电网总谐波和无功电流为0,因此减少或者消除非线性负载对电网的污染,使电网流过低谐波含量的正弦电流[1]，克服了LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法仅能对确定频率进行滤波和补偿的缺点。它对补偿对象的瞬态响应快,受电源阻抗影响不大,不易与电源阻抗发生谐振。另外,APF补偿无功功率时不需储能元件,补偿谐波时所需储能元件容量也不大。

(2) 静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)指利用PWM功率变换器通过一定的控制策略来进行无功补偿的装置,可以分为电压源型和电流源型。鉴于运行效率和控制难易程度考虑,目前投入实用的SVG大都是电压源型的。SVG的控制方法可以分为两类,第一类是直接控制,即根据需要从电网吸收的无功电流,直接通过一定的电流控制技术来实现;第二类是间接控制,即根据需要从电网吸收的无功电流计算稳态情况下桥式电路应输出的电压,然后通过 PWM 技术将其实现,从而通过控制电压起到控制电流的目的[1]。

(3) 动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)通过核心器件PWM 逆变器对直流电压的逆变产生交流补偿电压，用于电压波动和跌落等,维持敏感性负荷端电压水平。DVR须具有快速响应能力及具备足够的能量,以提供电压跌落时负载所需的能量支持。

(4) 静态同步补偿器(SSC)是通过变压器并联接入系统的PWM电压源型逆变器,可以改善电压质量,减少损耗。

(5) 晶闸管的静止无功补偿装置(SVC),能进行无功补偿和电压控制,还能增加系统的稳定性、阻尼功率波动以及限制过电压等。缺点是由于呈恒阻抗特性,使得在电压低时,无法提供所需的无功支持,应付突发事件的能力较弱[8]。

(6) 同步并联补偿器(STATCoM)的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定,在电压低时仍能提供较强的无功支撑,并且可从感性到容性全范围内连续调节,使得其无功输出相当于同容量SVC 的1.4～2倍;另外,STATCoM还可以抑制电压闪变,提高系统暂态稳定水平[8]。

上述各种现代电能质量补偿控制设备的特点是可以快速、动态地补偿配电网中各种电能质量问题,对电力系统运行的影响极小。因此,协调配置补偿控制设备,可将配电系统改造成无电压波动、无不对称以及无谐波的柔性化网络,满足电力负荷对电能质量日益提高的需求。

5 结 语

在规范化制度管理和先进技术的支撑下,电能质量问题正在逐步得到全面有效的改善。电能质量的好坏关乎社会生产、生活的各个方面,直接关系到国民经济的总体效益。提供和维护高品质的电力能源,不仅是电力部门的责任,也是全社会共同追求的目标。

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Power Quality Problem and Methods of Treatment

LI Zhongjun

(China Haisum Engineering Co., Ltd., Shanghai 200031, China)

With the rapid development of science and technology and the national economy,the energy demand grows fast,and the demand growth of power quality is higher and higher at the same time.The paper outlined the basic issues of power quality,including content,grading and evaluation index of power quality.The classification and significant influence of power quality were elaborated.The correlation analysis methods of power quality were summarized,from the using conditions,pros and cons.Finally,the mitigation measures and ameliorative ways of power quality were given.

power quality; theoretical research; analysis method; improvement measures

李中俊(1988—),男,从事电气供配电设计工作。

TM 933

B

1674-8417(2015)10-0039-05

2015-09-23