電能質量對英國電網的影響

盧凌霄　英國卡迪夫大學Cardiff University　英國卡迪夫

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電能質量對英國電網的影響

盧凌霄英國卡迪夫大學Cardiff University英國卡迪夫

【文章摘要】

電能質量是衡量用戶側電力設備電能好壞的一個重要標準。電力系統中過低的電能質量往往會造成諸多經濟負擔。本文主要圍繞英國的電能質量展開，包括電壓驟降，諧波，以及電能質量的重要性。同時，還將引入低電能質量的經濟分析以及改善智能電網中的電能質量可行的措施。

【關鍵詞】

電能質量;智能電網;諧波;電壓驟降

0　引言

近些年，電能質量這一參考因素受到了越來越多諸如公共設施，終端用戶，廠商以及其他使用者的重視。這一術語是用來衡量驅動電力負載的電能是否具有合適的功能性。如果沒有合適的電能在做驅動，電力設備（或負載）就很有可能出現故障、永久性的失靈或者根本運行不起來。一般來說，有很多種方式都可能導致電能出現很低的電能質量，因此出現這種狀況的原因也是多種多樣。這對于電力供應者以及電力用戶都是一個很重要的考量因素。

目前英國電網的電能頻率和我國類似，都是維持在50赫茲上下（圖1）。任何的頻率擾動都會影響到電能質量，從而導致電壓的不穩定，甚至可能引發大規模的停電。由于目前英國電力供應普遍采用一些傳統的發電站，比如天然氣，核能以及煤炭，因此，已經很久沒有出現因為電力頻率沒有保持在一定的幅值范圍內而發生電力故障的事件了。

然而，由于大量的不穩定的可持續能源并網，并且呈現了越來越高的比重，英國的電能質量出現了逐步下滑。這將很有可能在未來導致一個不良的趨勢：越來越多的英國家庭會遭受到諸如電壓不穩，燈光閃爍以及驟然停電等糟糕情況。與此同時，儲能技術以及可持續能源穩定技術尚在初步階段。為了更好的提供穩定的電能，英國毫無疑問應該在現有電網的基礎上繼續改善電能質量。

圖1. 英國電網的頻率穩定性

1　電能質量的影響因素

1. 1電壓驟降

根據國際上普遍采用的定義（歐洲標準EN50160），當電能電壓在一分鐘內下降到90%的標準電壓，稱之為電壓驟降。然而，多數情況下，電壓驟降只會持續短暫的不到十分之一秒，在這之后，電能供應的標準電壓就會恢復。電壓驟降并不是電能中斷，因為在電壓驟降出現的期間，電能供應并沒有因此而中斷。

1.1.1電壓驟降的成因

切換操作和任何類型的電路故障都可能會引起電壓驟降。典型的切換操作包括大型電機負載的啟動引起的大電流負荷。其他的可能的原因包括閃電、植被、第三方干擾、動物以及挖掘帶來的干擾。可以想象的是，當閃電擊中或者擊中電纜線附近時，亦或者植物莖稈壓倒在電纜上時，都會在很大程度上影響電網供電的電能質量。

1.1.2電壓驟降的解決方案

目前，有多種可以采用的方式來解決電壓驟降問題。工業上，由于短路電流通常很大，可以用串聯反應器來降低由此引起的大電流。快速耦合晶閘管反應器可以應用于一些中壓饋線。為了防止出現可能的電路故障，以上這些措施對于限制電流大小以及減少驟降深度都提供了實質性的解決方案。

動態電壓恢復設備可以提供電壓注入，對于保護敏感負載引起的電壓驟降以及供應電壓時的短暫中斷有著很好的效果。動態無功補償提供了電流注入，適用于保護配電網中的分布載荷。

1.2諧波

圖2. 電壓驟降RMS波形圖

圖3. 諧波效果圖

由于基波電流產生畸變從而形成了諧波(圖 3)。換句話說，諧波就是目標信號或者波形的頻率對于參考信號或者波形的頻率的比例。

電力系統中諧波的一個主要危害就是增大系統電流。尤其對于三次諧波而言，會造成零序電流的激增從而導致中性線電流的增加。這都應該在設計電力系統非線性負載時作為特別情況而考慮進去。除此之外，電力設備也會或多或少的受到諧波的影響從而影響其穩定性和使用壽命。

由于傳統的諧波解決方案顯得較為昂貴，目前，最普遍的用來減緩諧波影響的措施包括采用無源濾波器和有源濾波器。

1.2.1無源濾波器

無源濾波器是串聯電容和諧振電抗組成的設計構成的濾波電路，經調諧之后將高電抗回路降低為基波頻率而把低電抗回路升高為特定的頻率（例如5th - 250Hz, 7th - 350Hz）。由于此類應用需要持續工作以提供有效的諧波抑制，通常他們連接于發電站的獨立負載。

1.2.2有源濾波器

有源濾波器描述了一個過程，在這個過程中，由負載產生的諧波電流持續的被監測從而產生了一個相同波形的非線性比例負載電流的自適應波形。和無源濾波器不同的是，有源濾波器可以在額定功率下的任何負載情況提供諧波抑制。

2　智能電網與電能質量

2.1電能質量的重要性

由于敏感數字電子設備在19世紀60年代初期的引入，電能質量問題開始逐漸受到了人們的重視。但最初發現電能質量擾動問題是在人們開始使用電能時。然而，由于技術限制，相比現在，那時候的電能擾動顯得更加可以被理解。如今，當越來越多的制造商開始持續的減小設備中電路和電子元件體積的時候，他們同樣也在減小這些設備的需求電壓。結果是，設備運行能力更強大，速度更快，但也更加易受電能擾動的影響。

因此，電能質量對于任何依賴于敏感電力擾動的設備和系統都是至關重要且具有實質性的影響。僅僅是非常小的變化就會對于商業上造成時間損失，產量亦或是收益損失的慘痛代價。

2.2英國智能電網和電能質量

智能電網是一種新型的電網形式，它使用信息和通信技術收集電網瞬時信息，并且實時監測以達到供應和消耗的平衡。和其他經歷過工業革命的國家一樣，二戰之后英國的電網大規模的擴大以支撐整個國家的經濟發展。智能電網并沒有減少對于傳統電網的加固，相反，更加有效地使用基礎設施可以最小化甚至退后對于投資此類設施的需求，以此快速減少投資并且加速低碳技術的進程。根據政府可持續能源戰略的報告，到2020年，英國的電力需求中有35%將由可持續能源作為發電。

未來的智能電網應該包括能源監測系統來改善電能質量。通過合適的實時監測和與此對應的自動平抑機制，以及其他一系列的措施，會使得智能電網運行更加有效、可靠。

3　電能質量的經濟分析

從上述分析可知，電能質量會很大程度上影響機構運行的效率，因而，隨之而引發的經濟問題也比以前變得更加受到重視。

3.1電壓驟降

對于單一的電壓驟降而言，其深度和時間長度幾乎等同于一個小的或者長的電能中斷。根據供電來源的不同，電壓驟降造成的影響會是造成中斷的50%-100%。對公司甚至是工廠而言，電壓驟降與電能中斷的經濟影響比很有可能大于1。

3.2諧波

相比于其他已經提及的電能質量經濟損失，諧波所造成的經濟損失可能更難以定量。諧波可能會造成電氣設備更短的使用壽命，更少的能源使用率以及更加易于受到跳閘的影響。當然，設備更短的使用壽命意味著更加昂貴的成本支出。諸如變壓器等，正常使用壽命是30到40年，一旦長期受到諧波影響，可能就會銳減到只有7到10年，這無疑會造成非常嚴重的經濟損失。而避免這些情況發生的成本花費就相對要小很多，只要設備選型和安裝適當即可。其實，安裝比計算得到的最小花費的電纜多出一倍到兩倍的大小只會對增加很小的初期投資。

4　結論

本文主要圍繞英國電能質量問題展開，介紹了電壓驟降，諧波以及電能質量對于經濟成本的重要性。因此，在電網以及配電網中，持續的電能質量檢測顯得日益重要。盡管低電能質量的花費越來越高，減少諧波造成的影響不僅節能，且會增加供應其他負載的能力。

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