電能質量的性能指標與改善方法

1 電能質量概念

電能質量包括四個方面的相關術語和概念：電壓質量(Voltagequality)即用實際電壓與額定電壓間的偏差(偏差含電壓幅值，波形和相位的偏差)，反映供電企業(yè)向用戶供給的電力是否合格;電流質量(Current quality)即對用戶取用電流提出恒定頻率、正弦波形要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運行，這個定義有助于電網(wǎng)電能質量的改善，并降低網(wǎng)損;供電質量 (qualityofsupply)包含技術含義和非技術含義兩個方面：技術含義有電壓質量和供電可靠性;非技術含義是指服務質量(qualityofservice)包括供電企 業(yè)對用戶投訴的反應速度和電力價格等;用電質量(qualityofconsumption)包括電流質量和非技術含義，如用戶是否按時、如數(shù)繳納電費等，它反映供用雙方相互作用與影響用電方的責任和義務。

一般地，電能質量的定義：導致用戶設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。這個定義簡單明晰，概括了電能質量問題的成因和后果。隨著基于計算機系統(tǒng)的控制設備與電子裝置的廣泛應用，電力系統(tǒng)中用電負荷結構發(fā)生改變，即變頻裝置、電弧爐煉鋼、電氣化鐵道等非線性、沖擊性負荷造成對電能質量的污染與破壞，而電能作為商品，人們會對電能質量提出更高的要求，電能質量已逐漸成為全社會共同關注的問題，有關電能質量的問題已經(jīng)成為電工領域的前沿性課題，有必要對其相關指標與改善措施作討論和分析。

2 電能質量指標

電能質量指標是電能質量各個方面的具體描述，不同的指標有不同的定義，參考IEC標準、從電磁現(xiàn)象及相互作用和影響角度考慮給出的引起干擾的基本現(xiàn)象分類如下：

(1)低頻傳導現(xiàn)象：諧波、間諧波、電壓波動、電壓與電流不平衡，電壓暫降與短時斷電，電網(wǎng)頻率變化，低頻感應電壓，交流網(wǎng)絡中的直流;

(2)低頻輻射現(xiàn)象：磁場、電場;

(3)高頻傳導現(xiàn)象：感應連續(xù)波電壓與電流，單向瞬態(tài)、振蕩瞬態(tài);

(4)高頻輻射現(xiàn)象：磁場、電場、電磁場(連續(xù)波、瞬態(tài));

(5)靜電放電現(xiàn)象。

對于以上電力系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可以利用幅值、頻率、頻譜、調(diào)制、缺口深度和面積來描述，非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可利用上升率、幅值、相位移、持續(xù)時間、頻譜、頻率、發(fā)生率、能量強度等描述。

保障電能質量既是電力企業(yè)的責任，供電企業(yè)應保證供給用戶的供電質量符合國家標準;同時也是用戶(擁有干擾性負荷)應盡的義務，即用戶用電不得危害供電;安全用電;對各種電能質量問題應采取有效的措施加以抑制。

電能質量指標國內(nèi)外大多取95%概率值作為衡量依據(jù)，并需指明監(jiān)測點，這些指標特點也對用電設備性能提出了相應的要求。即電氣設備不僅應能在規(guī)定的標準值之內(nèi)正常運行，而且應具備承受短時超標運行的能力。

3 電能質量標準

綜合新頒布的電磁兼容國家標準和發(fā)達國家的相關標準，中低壓電能質量標準分5大類13個指標。

(1)頻率偏差：包括在互聯(lián)電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)中的兩種;

(2)電壓幅值：慢速電壓變化(即電壓偏差);快速電壓變化(電壓波動和閃變);電壓暫降(是由于系統(tǒng)故障或干擾造成用戶電壓短時間(10ms～lmin)內(nèi)下降到90%的額定值以下，然后又恢復到正常水平，會使用戶的次品率增大或生產(chǎn)停頓);短時斷電(又稱電壓中斷，是由于系統(tǒng)故障跳閘后造成用戶電壓完全喪失(3min，電壓中斷使用戶生產(chǎn)停頓，甚至混亂);長時斷電;暫時工頻過電壓;瞬態(tài)過電壓;

(3)電壓不平衡;

(4)電壓波形：諧波電壓;間諧波電壓;(由較大的波動或沖擊性非線性負荷引起，如大功率的交一交變頻，間諧波的頻率不是工頻的整數(shù)倍，但其危害等同于整數(shù)次諧波)。

(5)信號電壓(在電力傳輸線上的高頻信號，用于通信和控制)

我國迄今為止已頒布了6項電能質量指標的國標，概述如下：

3.1 電壓允許偏差

用電設備的運行指標和額定壽命是對其額定電壓而言的。當其端子上出現(xiàn)電壓偏差時，其運行參數(shù)和壽命將受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時間和設備狀況而異，電壓偏差計算式如下：

電壓偏差(%)=(實際電壓一額定電壓)/額定電壓X100% (1)

《電能質量供電電壓允許偏差》(GBl2325-1990)規(guī)定電力系統(tǒng)在正常運行條件下，用戶受電端供電電壓的允許偏差為：

(1)35kY及以上供電和對電壓質量有特殊要求的用戶為額定電壓的正負偏差絕對值之和不超過10%;

(2)10kV及以下高壓供電和低壓三相用戶為額定電壓的 7%～-7%;

(3)220V低壓單相用戶為額定電壓的 7%～-10%。

衡量點為供用電產(chǎn)權分界處或電能計量點。

為了保證用電設備的正常運行，在綜合考慮了設備制造和電網(wǎng)建設的經(jīng)濟合理性后，對各類用戶設備規(guī)定了如上的允許偏差值，此值為工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)設計提供了依據(jù)。

在工業(yè)企業(yè)中，改善電壓偏差的主要措施有三：

(1)就地進行無功功率補償，及時調(diào)整補償量，無功負荷的變化在電網(wǎng)各級系統(tǒng)中均產(chǎn)生電壓偏差，它是產(chǎn)生電壓偏差的源，因此，就地進行無功功率補償，及時調(diào)整補償量，從源上解決問題，是最有效的措施。

(2)調(diào)整同步電動機的勵磁電流。在銘牌規(guī)定值的范圍內(nèi)適當調(diào)整同步電動機的勵磁電流，使其超前或滯后運行，就能產(chǎn)生超前或滯后的無功功率，從而達到改善網(wǎng)絡負荷的功率因數(shù)和調(diào)整電壓偏差的目的。

(3)采用有載調(diào)壓變壓器。從總體上考慮無功負荷只宜補償?shù)焦β室驍?shù)為0.90～0.95，仍然有一部分變化無功負荷要電網(wǎng)供給而產(chǎn)生電壓偏差，這就需要分區(qū)采用一些有效的辦法來解決，采用有載調(diào)壓變壓器就是有效而經(jīng)濟的辦法之一。

3.2 公用電網(wǎng)諧波

諧波(Harmonic)即對周期性的變流量進行傅里葉級數(shù)分解，得到頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量，它是由電網(wǎng)中非線性負荷而產(chǎn)生的。《電能質量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14529-1993)中規(guī)定了各電壓等級的總諧波畸變率，各單次奇次電壓含有率和各單次偶次電壓含有率的限制值。

該標準還規(guī)定了電網(wǎng)公共連接點的諧波電流(2～25次)注入的允許值;而且同一公共連接點的每個用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協(xié)議容量與其公共連接點的供電設備容量之比進行分配，以體現(xiàn)供配電的公正性。

3.3 電壓波動和閃變

電壓波動(Fluctuation)即電壓方均根值一系列的變動或連續(xù)的改變;閃變(Flick)即燈光照度不穩(wěn)定造成的視感，是由波動負荷，如電弧爐、軋機、電弧焊機等引起的。

《電能質量電壓波動和閃變))(GBl2326-2000)是在原來標準GBl2326-1990的基礎上，參考了IEC電磁兼容(EMC)標準IECTl00-3-7等修訂而成的，適用于由波動負荷引起的公共連接點電壓的快速變動及由此可能人對燈閃明顯感覺的場合，該標準規(guī)定了各級電壓下的閃變限制值。

3.4 三相電壓不平衡

《電能質量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-1995)適用于交流額定頻率為50Hz電力系統(tǒng)正常運行方式下由于負序分量而引起的PCC連接點的電壓不平衡，該標準規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%，每個用戶不得超過1.3%。而且該標準還解釋：不平衡度允許值指的是在電力系統(tǒng)正常運行的最小方式下負荷所引起的電壓不平衡度為最大的生產(chǎn)(運行)周期中的實測值，例如煉鋼電弧爐應在熔化期測量等。在確定三相電壓允許不平衡指標時，該標準規(guī)定用95%概率值作為衡量值。即正常運行方式下不平衡度允許值，對于波動性較小的場合，應和實際測量的五次接近數(shù)值的算術平均值對比;對于波動性較大的場合，應和實際測量的95%的概率值對比;以判斷是否合格。其短時允許值是指任何時刻均不能超過的限制值，以保證保護和自動裝置的正確動作。

3.5 電網(wǎng)頻率

《電能質量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T15945-1995)中規(guī)定：電力系統(tǒng)頻率偏差允許值為o.2Hz，當系統(tǒng)容量較大時，偏差值可放寬到 0.5Hz～-0.5Hz，標準中并沒有說明系統(tǒng)容量大小的界限，而在《全國供用電規(guī)則》中有規(guī)定：供電局供電頻率的允許偏差：電網(wǎng)容量在3GW及以下者為0.2Hz;電網(wǎng)容量在3GW以上者為0.5Hz。實際運行中，我國務跨省電力系統(tǒng)頻率都保持在 0.1Hz～-0.1Hz的范圍內(nèi)，這點在電網(wǎng)質量中最有保障。

3.6 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓

由于開關操作或雷擊等原因引起，暫時過電壓與瞬態(tài)過電壓是直接危及電力設備安全運行的重要原因之一，以往只是對電器設備的耐壓水平進行考核，而對電網(wǎng)中實際產(chǎn)生的過電壓水平則無限制。電網(wǎng)的過電壓水平也是電能質量的一個重要指標。

《電能質量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》GB/T18481-2001標準主要根據(jù)GB311.1，按過電壓的波形特點分為兩大類，因為是過電壓波形，幅值和持續(xù)時間決定了對設備絕緣和保護裝置的影響。暫時過電壓是指其頻率為工頻或某諧波頻率，且在其持續(xù)時間范圍內(nèi)無衰減或衰減慢的過電壓;瞬態(tài)過電壓為振蕩的或非振蕩的，通常衰減很快，持續(xù)時間只有幾毫秒且為緩波前的(例如一些操作過電壓)或幾十個微秒且為快波前的(如雷電過電壓)的過電壓。雖然操作過電壓，雷電過電壓通常分別由操作(或故障)及雷電放電所引起，但其波形特征未必總是如此。例如：當變壓器一側有雷電波作用時，經(jīng)繞組間耦合的電感性傳遞過電壓，會有接近于操作過電壓的緩波前;而當單相接地時，依照相間的電磁耦合，可在正常相上產(chǎn)生接近于雷電過電壓的的快波前。因此，本標準中所謂的操作、雷電過電壓是指可分別用緩波前的操作沖擊和快波前的雷電沖擊來代表的過電壓。

4 電能質量污染的治理

4.1 治理的基礎性工作

首先要掌握供電網(wǎng)絡運行狀態(tài)，對電能質量開展實時監(jiān)測，以掌握其動態(tài);第二是分析診斷其變化，即在詳細分析電能質量數(shù)據(jù)的基礎上，利用仿真軟件對電網(wǎng)結構的固有諧振特性進行計算與分析，排除虛假的諧波干擾;第三是開展系統(tǒng)的合理設計和改造，變電站的設計和投運以及新的電力用戶投運之前都要進行諧波源負荷及電能質量要求等方面的技術咨詢，線路網(wǎng)絡改造和建設也要結合運行負荷的特點和措施，以降低線損，降低設備損失事故，最后才是開展濾波裝置或無功補償裝置的研制、調(diào)試和現(xiàn)場測試，以了解治理后的效果，并總結經(jīng)驗。

4.2 SVC裝置

近些年來發(fā)展起來的SVC裝置是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置，已成功地用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道等沖擊性負荷的補償，它可使所需無功功率作隨機調(diào)整，從而保持在非線性、沖擊性負荷連接點的系統(tǒng)電壓水平的恒定。

Qi=QD QL-Qc (2)

式(2)中Qi、QD、QL、Qc分別為：系統(tǒng)公共連接點的無功功率、負荷所需的無功功率、可調(diào)(可控)電抗器吸收的無功功率、電容器補償裝置發(fā)出的無功功率，單位均為kvar。

當負荷產(chǎn)生沖擊無功△QD時，將引起

△Qi=△QD △QL △Qc (3)

其中△Qc=0，欲保持△QC不變，即△Qi=0，則△QD=-△QL，即SVC裝置中感性無功功率隨沖擊負荷無功功率作隨機調(diào)整，此時電壓水平能保持恒定不變。

SVC由可控支路和固定(或可變)電容器支路并聯(lián)而成，主要有四種型式：

(1)可控硅閥控制空芯電抗器型(稱TCR型)SVC，它用可控硅閥控制線性電抗器實現(xiàn)快速連續(xù)的無功功率調(diào)節(jié)，它具有反應時間快(5～20ms)、運行可靠、無級補償、分相調(diào)節(jié)，能平衡有功，適用范圍廣，價格便宜等優(yōu)點。TCR裝置還能實現(xiàn)分相控制，有較好的抑制不對稱負荷的能力，因而在電弧爐系統(tǒng)中采用最廣泛，但這種裝置采用了先進的電子和光導纖維技術，對維護人員要專門培訓提高維護水平。

(2)可控硅閥控制高阻抗變壓器型(TCT型)，優(yōu)點與TCR型差不多，但高阻抗變壓器制造復雜，諧波分量也略大一些。由于有油，要求一級防火，只宜布置在一層平面或戶外，容量在30Mvar以上時價格較貴，不能得到廣泛采用。

(3)可控硅開關控制電容器型(TSC)：分相調(diào)節(jié)、直接補償、裝置本身不產(chǎn)生諧波，損耗小，但是它是有級調(diào)節(jié)，綜合價格比較高。

(4)自飽和電抗器型(SSR型)：維護較簡單，運行可靠，過載能力強，響應速度快，降低閃變效果好，但其噪音大，原材料消耗大，補償不對稱電爐負荷自身產(chǎn)生較大諧波電流，無平衡有功負荷的能力。

4.3 無源濾波裝置

該裝置由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用;由于SVC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴大到容性區(qū)，所以濾波器與動態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，這樣既滿足無功補償、改善功率因數(shù)，又能消除高次諧波的影響。

國際上廣泛使用的濾波器種類有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頗帶與三階寬頻帶高通濾波器等。

1)單調(diào)諧濾波器：一階單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點是濾波效果好，結構簡單;缺點是電能損耗比較大，但隨著品質因數(shù)的提高而減少，同時又隨諧波次數(shù)的減少而增加，而電爐正好是低次諧波，主要是2～7次，因此，基波損耗較大。二階單調(diào)諧濾波器當品質因數(shù)在50以下時，基波損耗可減少20～50%，屬節(jié)能型，濾波效果等效。三階單調(diào)諧濾波器是損耗最小的濾波器，但組成復雜些，投資也高些，用于電弧爐系統(tǒng)中，2次濾波器選用三階濾波器為好，其它次選用二階單調(diào)諧濾波器。

2)高通(寬頻帶)濾波器，一般用于某次及以上次的諧波抑制。當在電弧爐等非線性負荷系統(tǒng)中采用時，對5次以上起濾波作用時，通過參數(shù)調(diào)整，可形成該濾波器回路對5次及以上次諧波的低阻抗通路。

4.4 有源濾波器

雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優(yōu)點，在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中，但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素，隨著電力電子技術的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器(Active PowerFliter，縮寫為APF)。

APF即利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點：

a.不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理;

b.濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險;

c.具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。

4.5 系統(tǒng)化綜合補償技術

近段時間提出的系統(tǒng)化綜合補償技術是解決電能質量問題的治本途徑。對于穩(wěn)態(tài)時的電壓質量問題有許多成熟的措施加以解決;但對于動態(tài)電能質量問題，依靠傳統(tǒng)的無功補償和常規(guī)的濾波裝置則不能有效地解決，因為諸如電壓跌落(sags)、浪涌(surge)、電壓脈沖(impulse)與瞬時供電中斷(outage)這類電能質量問題持續(xù)的時間很短、變化很快，并且有的電能質量問題還伴隨著部分甚至全部的有功損失等情形。

作為FACTS(基于電力電子技術的靈活交流輸電系統(tǒng))技術與配電系統(tǒng)應用的延伸一DFACTS技術(又稱Custompower技術)已成為改善電能質量的有力工具，該技術的核心器件IGCT，它比GTO具有更快的開關頻率，并且關斷容量已達到一定規(guī)模，因此DFACTS裝置具有更快的響應特性。目前DFACTS裝置主要有：動態(tài)電壓恢復器(DVR)、配電系統(tǒng)用靜止無功補償器(D-STATCOM)、固態(tài)切換開關(SSTS)等。

STATCOM在SVC裝置基礎上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時，無法提供所需的無 功支持，應付突發(fā)事件的能力較弱;而且占地面積大，過多的SVC易引發(fā)系統(tǒng)振蕩的弊端，STATCOM的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內(nèi)恒定，在電壓低時仍能提供較強的無功支撐，并且可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，使得其無功輸出相當于同容量SVC的1.4～2倍;因STATCOM的靈活調(diào)壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數(shù)，從而減少分接頭故障次數(shù)，另外，STATCOM還可以抑制電壓閃變，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，結合我國的國情和已有的技術，發(fā)展STATCOM應是解決我國電壓穩(wěn)定問題的有效手段，并且也是DFACTS技術發(fā)展的主要方向。

DVR則是目前保證對敏感負荷供電質量非常有效的串聯(lián)補償裝置，因為它通過自身的儲能單元，能在ms級內(nèi)將電壓跌落補償至正常值，因此是抑制動態(tài)電壓干擾的有效補償裝置，它主要由儲能單元、DC/AC逆變器模塊、連接變壓器等部分組成，儲能容量可根據(jù)用戶電壓跌落統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定，逆變器的模塊一般采用由IGBT構成三相全橋結構，采用PWM調(diào)制方式，這種結構控制靈活，便于分相補償。因而DVR與消除電壓跌落，提高大型綜合性敏感工業(yè)負荷的供電質量方面有顯著的效果。

SSTS一般與D-STATCOM配合使用，用于保障由多回獨立饋線對重要負荷的供電質量，當饋線發(fā)生故障或電壓跌落時，利用SSTS的快速切換特性(切換速度不到半個周期)將重要負荷切換到由另一條饋線供電，切換期間D-STATCOM可向重要負荷提供1～2個周期的電能支撐。

5 結語

隨著電力電子與信息技術在社會各個領域的滲透應用，一些新型電力負荷對電能質量的要求不斷提高，電能質量已成為電力企業(yè)和用戶共同關心的課題。當今威脅信息電力質量的主要干擾除了諧波、電壓波動外，更多為人們所關注的將是電壓暫降和短時斷電、電壓閃變等動態(tài)電能質量問題;我們應因地制宜，對癥下藥，在深入調(diào)研、現(xiàn)場實測、試驗研究的基礎上，運用FACTS和電力新技術對電能質量進行系統(tǒng)化地綜合補償，這將是今后解決電能質量問題的最根本途徑。