發電廠電能質量控制的問題探討

周敬森，劉 璐

（武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢430072）

1 電能質量綜述

1.1 電能質量問題的提出

電能質量的改善對于電網與電氣設備的安全與經濟運行，保障產品質量與科學實驗以及人民生活和生產的正常進行等都有著極其重要的意義。電能的質量直接關系到國民經濟的總體效益。因此，電能質量問題很早就已提出，但早期對電能質量認識很簡單，局限在保持電網頻率和電壓程度上。近些年來，隨著新型電力負荷快速發展，以及用電戶對電能質量的要求不斷提高，電能質量逐步成為電力企業領域的前沿性課題，已成為電力用戶最關心的問題。

（1）當前用電設備與裝置都帶有基于微處理機的控制器和功率電子器件，電磁干擾對它們的影響比較大，這就要求電廠生產的電能質量更高。

（2）一些高效率電機變速驅動、為降低損耗和校正功率因數而采用的并聯電容補償器、大量的用戶電子設備的使用會導致電網諧波污染，會使供電電壓干擾水平加重，給電力系統安全運行帶來危害，這就要求電力系統運行總效率必須不斷提高。

（3）供電間斷、電壓凹陷、電路通斷引起的暫態現象等實際問題給高效生產流程的用電設備正常運行帶來了嚴重危害，越來越多的用戶對電力部門提出了高質量供電的請求，甚至有一些通過簽訂供電合同和質量協議的方式來加以保障。

（4）電力網的各個組成部分是相互聯系，密不可分的。因此，綜合協調處理至關重要。一個局部的故障或事件都有可能造成大面積的影響或重大損失，這就要求供電部門避免遭受來自用電設備產生的電力干擾。維護電網安全運行已經成為一項系統工程問題。

1.2 改善電能質量的意義

電能質量的好壞直接影響電網的安全經濟運行。電能質量穩定可靠是工業產品質量的保障，對降低能耗及人類生活環境等產生重要影響。在現代工業和科學技術中應用的一些精密儀器設備，復雜的控制系統和工藝流程，都對電能質量有了更高的要求，電能質量關系著國民經濟的總體效益。

電網的主要用電設備之一是電動機，大約占總負荷的60%以上。如果出現電網電壓和頻率的偏差、諧波含量、三相電壓不平衡以及電壓波動和閃變等現象，將直接影響電動機的輸出力矩，給生產工效和產品質量造成影響。譬如電動機機軸端負荷恒定時，電壓減少10%，則滑差約增大0.6%；電網電壓如果降低10%～15%時，很多電動機將失去穩定性。紡織機、造紙機等一些復雜的生產機組對頻率穩定要求較高，如果頻率變化較大，便可能出廢品，或造成設備損害。

電網中的諧波含量增加，會造成電氣設備壽命縮短，網損加大。高次諧波對電容器損害很大，當電容器兩端的電壓含有高次諧波時，電容器會對高次諧波的阻抗隨頻率的增大而減小，造成諧波電流增大。這樣電容器不能正常運行或長期過負荷，甚至有爆炸的危險。諧波還有可能發生諧振，引起繼電保護和自動裝置誤動、或使儀表指示和電能計量不準、干擾通訊等一系列問題。

電網如果三相電壓不平衡，則會引起電機附加振動力矩和發熱。譬如負序電壓含量為4%，由于發熱其絕緣壽命縮短約一半。如果某相電壓高于額定值，則其絕緣壽命縮短更嚴重。一些保護會因負序和諧波的干擾而發生動作。

電網電壓的快速波動能使電動機轉速不均勻，危及電動機的安全運行，影響一些產品的質量，還能引起照明的閃變，使人眼疲勞而降低工效等危害。

2 電能質量控制分析

2.1 衡量電能質量的主要指標

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。由于所處立場不同，關注電能質量的角度也不一樣，人們對電能質量的定義目前還未能形成共識，但是對其主要技術指標都有較為一致的認識。

（1）電壓偏差，又稱電壓偏移，指供配電系統改變運行方式和負荷緩慢地變化使供配電系統各點的電壓也隨之變化，各點的實際電壓與系統的額定電壓之差稱為電壓偏差。一般指電壓跌落和電壓上升的總稱。

（2）頻率偏差。電力系統在正常運行條件下，系統頻率的實際值與標稱值之差稱為系統的頻率偏差，公式為：頻率偏差＝實際頻率－標稱頻率。我國電力系統的正常頻率偏差允許值為±0.2 Hz，當系統容量較小時，頻率偏差值可以放寬到±0.5 Hz；系統有功功率不平衡是產生頻率偏差的根本原因。

（3）電壓三相不平衡，是指在電力系統中三相電流（或電壓）幅值不一致，表現為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過規定的標準。

（4）諧波和間諧波。含有基波整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。含有基波非整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分數次諧波也屬于間諧波。

（5）電壓波動和閃變。電壓波動是指在包絡線內的電壓有規則變動，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機變化。閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。

2.2 影響電能質量的因素

影響電能質量的因素有：

（1）自然現象的因素造成。如雷擊、風暴、雨雪等對電能質量的影響，使電網發生事故，造成供電網絡可靠性降低。

（2）電力負荷構成的變化。在用電大戶中，節能裝置、變頻設備等大規模電力電子應用裝置、大功率的電力拖動設備、直流輸出裝置、化工、冶金企業的整流電化工業設備、電氣化鐵路、交、直流煉鋼電弧爐、軋機、提升機、電石機、感應加熱爐等電氣設備構成電力系統負荷變化，讓電網產生大量的諧波干擾、電壓擾動、電壓波動與閃變等非線性負荷。

（3）大量諧波注入電網。諧波的定義是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅立葉級數分解，其大于基波頻率的電流產生的電量。諧波能降低系統容量如變壓器、斷路器、電纜等，加速設備老化，縮短設備使用壽命，甚至損壞設備等。而含有非線性、沖擊性負荷的新型電力設備在實現功率控制和處理的同時，都不可避免地產生非正弦波形電流，注入電網，使公共連接點（PCC）的電壓波形發生嚴重畸變，造成負荷波動性和沖擊性，從而導致電壓波動，瞬時脈沖等現象。

（4）在企業中，電力設備及裝置的自動保護和正常運行、大型電力設備的啟動和停運、自動開關的跳閘及重合等現象都對電能質量產生影響，使額定電壓暫時降低、產生電壓波動與閃變。

3 提高電能質量的措施

伴隨我國電力工業的快速發展、技術水平的不斷進步，以及節能減排政策的深入推進和智能電網建設速度的逐漸加快，電能質量改善措施及節能控制產品的市場規模將迅速擴大。電能質量控制常用技術措施如下：

（1）中樞調壓

用戶希望用電的電壓偏差符合國家標準，避免給設備帶來危害，但由于電力系統結構復雜、負荷眾多，對每個用電設備的電壓都進行監視和調整，不可能做到也無必要。電力系統可采取一系列調壓手段和方法來減少電壓偏差。一般電力系統電壓的監視和調整可以通過對中樞點電壓的監視和調整來實現。中樞點就是指電力系統可以反映系統電壓水平的主要發電廠和變電站的母線，很多負荷都由這些母線供電。如果控制了這些中樞點的電壓偏差，也就控制了系統中大部分負荷的電壓偏差。此外，除了對中樞點進行調壓，還可以進行發電機調壓、調壓器調壓等。從而實現對電力系統電壓的穩定，從而提高電能質量。

（2）諧波的抑制方法

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波污染對電力系統的危害是嚴重的，采取相應措施加以抑制減少其危害，這就是諧波抑制。解決電能諧波的污染和干擾有很多行之有效的解決方法，但概括起來主要有以下方法：

一是增加換流裝置的相數。換流裝置是供電系統產生的主要諧波源之一，換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為pk±1和pk（p為整流相數或脈動數，k為正整數）。當脈動數由p＝6增加到p＝12時，可以有效地消除幅值較大的低頻項（其特征諧波次數分別為12k±1和12k），從而大大地降低了諧波電流的有效值。

二是在電網系統中增加動態無功補償裝置，使供電系統承受諧波的能力增強。在技術經濟分析允許的情況下，可以在諧波源處裝設動態無功補償裝置：靜止無功補償裝置或更先進的靜止同步補償裝置，這樣可以獲得補償負荷快速變動的無功需求，從而改善功率因數、濾除系統諧波、減少向系統注入諧波電流，穩定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統承受諧波的能力。

三是在電網系統中增加交流濾波裝置。這種交流濾波裝置在諧波源附近能吸收諧波電流，大大降低連結點的諧波電壓，是防止諧波污染的一種有效措施。濾波裝置一般由R、L、C等元件組成串聯諧振電路，利用其串聯諧振時阻抗最小的特性，消除高次諧波。

四是改變電容器的串聯電抗器，防止電容器對諧波的放大。在電網中，一些并聯電容器組雖然能起到改善無功功率因數的作用。但當有諧波存在時，在一定的參數下，這些并聯電容器會對諧波產生放大作用，危及電容器本身與附近電氣設備的安全。如果采取改變電容器的串聯電抗器，就能避免電容器對諧波的放大。

4 電力系統電網傳輸的電能質量提升策略

電力系統電網傳輸的電能質量提升策略如下：

（1）抑制電網電壓的閃變和波動。包括合理地選擇變壓器、在線路出口加裝限流電抗器、配電變壓器并列運行、采用電抗值最小的高低壓配電線路方案等方法。

（2）對電力系統電網的電能質量實施監測控制。電能質量指標檢測可采取連續、不定時和專項監測三種方式。連續檢測適用于供電電壓偏差、非線性負荷接入點和電網中樞變電所電能質量指標的實時檢測。一般采用統計型電壓表。不定時檢測適用于需要掌握供電電能質量指標，而連續檢測不具備條件所采用的檢測方式。專線檢測適用于非線性設備接入電網（或擴建、改建）前后、查找電網電能質量污染源、了解某些特殊負載或用戶對電網電能質量指標影響等檢測方式，用以確定電網電能質量指標的背景狀況、電能質量污染的實際水平、驗證技術措施效果。一般采用電能質量分析儀。

5 結束語

保障電能質量是電力企業義不容辭的責任。發電廠應保證供給用戶的供電質量符合國家標準。用戶在安全用電同時，共同對各種電能質量問題采取有效的措施加以抑制。

［1］ 肖湘寧，編著.電能質量分析與控制［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］ 趙逸眾，肖湘寧，姜 旭.現代電能質量監測技術的發展動態［J］；電氣技術；2006，（1）：11－13.

［3］ 金廣厚，李庚銀，周 明.基于質量保險的多質量等級電能定價方法［J］.中國電機工程學報，2006，（9）：22－24.

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