基于电力电子技术的电能质量控制技术

蒋泽永 陈勇 汪克禄

摘要：电力是国民经济的基础，随着我国科技的发展，电力生产技术也得到了大幅提高。同时，伴随各种先进的电气设备与精密仪器的投入使用，对电网公司的输配电质量要求也越来越高。

关键词：电力电子；电能；质量控制

1电能质量概况

在实际的电能生产和传输过程中，由于实际电力系统设备在设计与制造等过程中，以及在工作过程中需要经受各种变工况运行，所以几乎不可能确保其处于理想的对称状态。在发电端，随着社会经济发展，光伏发电和风力发电迅猛增长，这两种新型电能受环境影响较大，稳定性差。在用户端，电气设备的多样化，经常处于不平衡运行状态，各种运行操作、外来干扰和故障实有发生。这些都是导致电能质量下降的因素，如表现在电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、三相不平衡等问题，严重时造成电网运行中断事故。

2电能质量常见问题分析

（1）电压偏差

供配电系统正常运行时电压与标称电压之差称为电压偏差，主要原因是由于电力系统发电侧与用户侧无功功率的不平衡，也就是说电源输出无功功率和负荷无功功率出现偏差，就表现出实际的电压偏差。除此之外，导致电压偏差的因素还有供配线路输送距离过长、电能输送容量过大、实际输电导线截面过小等。电压偏差超过标准允许的偏差，就会危害各类用电设备的工作性能、使用寿命、健康安全及经济运行。如对于感应电动机来说，由于最大转矩与端电压的平方成正比，当电压降低时，电动机转矩显著减小，定子电流显著增大，功率损耗增大，引起温升增加，绝缘老化加速，时间过长其至烧毁电动机。对电热装置来说，其功率与电压平方成正比，电压过高将损伤设备，电压过低又达不到所需温度。对照明负荷，白炽灯的端电压降低10%时，发光效率下降30%以上，灯光明显变暗；端电压升高10%时，使用寿命将缩减一半。另外，常见的计算机、电视、手机、传真、广播等电子设备中装配有各种电子管、半导体元件、磁芯装置等，对电压质量的要求很高，电压过高过低都严重影响其元件的特性，甚至造成烧毁。

（2）频率偏差

电力系统有功功率的不平衡是导致频率偏差的根本原因。在实际电力系统运行中，当用户侧需求的总有功功率大于发电侧的总输出功率时，系统频率下降，频率偏差为负值；反之，当所有发电机的总输出有功功率大于负荷需求的总有功功率时，系统频率便会上升，频率偏差为正值。其中最严重的是当大功率发电设备非预期解列，或者电网系统大面积甩负荷，这是导致电力系统频率偏差最严重的因素。由于电力系统中设备都是按照额定频率（如我国额定频率为50HZ）设计和制造的，一旦电力系统频率偏差超过运行标准范围时，对运行的电气设备会造成不利影响。如基于频率来实现转速控制的电动机，频率变化意味着转速的变化，导致电动机无法按照特定转速与功率运行。

（3）三相不平衡

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，且幅值差超过标准允许的范围。电压波动、单相负载不平衡、相间短路、接地等都会造成三相电压、电流不平衡。三相不平衡导致电流出现负序和零序的现象，影响电网的电能质量。三相不平衡的会产生零序电流，因而增减线路、变压器的电能损耗，降低输配电变压器的出力，导致变压器的绕组绝緣过热，电动机效率降低，影响用电设备的安全运行。

（4）谐波

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量。其产生的原因主要是由于电力电子器件固有的非线性特性，以及在电力系统运行中需要投入各种功率补偿器，造成电网电压或电流波形的畸变。谐波会增加发电机和用电设备的铜耗、铁耗和介质损耗，进而加剧热应力。谐波还可以使电压峰值增大，导致绝缘应力升高，甚至击穿电缆绝缘。谐波还会缩短设备寿命，引起负载设备损坏。如果谐波引起了谐振，谐振电流会在电力系统中引起更大的破坏。

3电能质量控制方法分析

3.1 电网电压偏差控制方法

改善电网运行过程中的电压偏差问题，首先要求电网中的发电机自身具备输出充足的无功功率，同时也可以借助其他必要的调压手段，如使用无功补偿器等。由于在实际的高压线路输电和变压器的变电过程中，无功损耗通常都比有功损耗大，技术上通常会采用无功功率补偿措施来提高电网的功率因数，实现降低损耗，提高输配电效率的目的。无功功率补偿的原则是按照分区/ 分层/ 分变电所的原则进行就地补偿，以实现无功功率的就地平衡控制。与此同时，电力系统要留有足够的事故无功功率备用容量。长期以来电容器一直是电力系统优先采用的无功功率补偿设备，以并联的方式接入电力系统。

3.2 电网频率偏差控制方法

在电力系统中，由于频率的变化，负荷也将随着频率的变化而变化，负荷的这种随频率变化而变化的特性在电力系统中称为负荷的频率特性。由于电力系统实际运行中，频率一般被控制在额定频率附近，因此，通常又可将负荷的静态频率特性近似为线性关系。系统的频率效应能起到减轻能量不平衡的作用，有功负荷随频率的增加而增加，随频率的减小而减小。当系统频率发生变化时，发电机组的调速系统将自动的改变汽轮机的进汽量或水轮机的进水量以增减发电机组的出力。通常把由于频率变化而引起的发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率- 频率特性或调节特性。直接表现为频率升高，则实际输出功率减小；反之，频率降低，则实际输出功率增加。

3.3 电网电压谐波控制方法

谐波的控制是电力系统运行难点问题，其治理的原则是以预防为主，在设计阶段需要控制好谐波产生的源头。对于已经投入运行的电力系统来说，通过借助各种谐波抑制设备，如电抗器、滤波器和电路解谐等可以在一定程度上抑制谐波。

3.4 电网三相不平衡控制方法

三相不平衡主要从电力系统设计和用户接入两方面考虑。设计方面：应尽量采用三相四线制接线方式，避免线路间的交叉跨越；同时也可以在电力线路中加设不平衡电流无功补偿装置、换相开关、电能质量矫正装置等实现不平衡控制。用户方面：在实际工作中形成常态机制，加大负荷调查分析力度，把单相负荷用户均衡地分配到三相上，要充分考虑用户的用电负荷、漏电情况等，不断完善提高。

结束语：

电力能源作为一种商品，电网公司必须要按照用户需求提供高质量的电能，这也潜在要求电网公司不断提高技术水平，确保满足系统安全稳定运行要求。可见，供电企业在电能质量检测和控制方面仍需要加大技术投入。

参考文献

[1] 林海雪. 现代电能质量的基本问题[J]. 江苏电能质量研讨会，2002：5-12

[2] 肖湘宁，徐永海. 电能质量问题剖析[J]. 电网技术，2001，25（3）：66-69.

（作者单位：杭州中恒电气股份有限公司）