淺談非線性負荷對電網電能質量影響

袁學偉

【摘 要】電力系統是人們從事生產和生活的主要動力供應，隨著經濟和技術的發展電力電子設備向著微型和巨型兩個方向發展，其中巨型電力設備大多為非線性負荷，這種負荷對電網電能質量產生了小至電能計量出現錯誤大至降低設備運行壽命的影響，減小非線性負荷對電網電能質量的影響是眾學者關注的對象。本文從電網電能質量評價指標和非線性負荷畸變信號精確提取的方向入手，以期為我國的電網電能質量優化探索合理性方案。本文首先針電網電能質量的標準進行概述，得出了評價電網電能質量的重要指標，為電能優化的目標確定提供了基礎，然后針對非線性負荷對電網電能質量影響的原理進行分析，并且給出影響因素畸變功率的計算方法和基于自適應陷波器的畸變信號提取算法，最后運用補償器的措施對非線性負荷的畸變信號進行補償控制的方法，對電網電能質量優化提供了方案，并且對優化效果進行了仿真，通過數據分析得出了預期的電網電能優化效果，在最終的討論中提出了文中優化方案的缺點，并且為今后的電網電能優化探索提供了方向。

【關鍵詞】電網電能質量;非線性負荷;畸變功率;自適應陷波器;補償器控制

1.引言

國民經濟在當前環境下得到了飛速的發展，經濟與技術是難以分割的兩個環節，而在技術的具體表現中電力電子及自動化設備的發展占著很大的比重，設備的精密化和復雜化對動力的要求逐漸增加，而優質電網電能質量的提供是必要條件，但是設備作為負荷的非線性特征影響著電能質量，怎樣從優質電能供應和非線性負荷大量使用的矛盾中尋求合理化方案，成為了人們關注的內容。本文從電能質量評價指標和非線性負荷的畸變特性出發，探索了負荷畸變信號的采集算法和非線性負荷對電能質量影響減小的優化方案，以期為我國電能質量優化提供理論基礎和努力方向。

針對電網電能質量及優化的研究許多學者做出了努力，正是這些學者的努力為我國的優質電能供應發展提供了科學依據，其中：張源淵（2013）對電網中多種典型干擾源進行分析，給出了適合于進行評估分析的諧波電流含有律值的計算方法;劉書銘等（2012）對中高壓配電網中的十余種典型的電能質量干擾源的用電特性進行了分析，為電力部門電能管理和電力用戶的電能質量治理提供了有效措施;陳金玲等（2011）根據非線性負荷的功率特性提出了一種全新的電能計算實現方案，為非線性負荷的計量做出了貢獻。

本文在前人研究的基礎上對非線性負荷的畸變特性及畸變信號提取進行分析，為電網電能質量的優化提供基礎，設計了補償器控制的電網電能優化方案，為優質電能供應的治理提供了理論依據和研究方向。

2.電網電能質量標準概述及非線性負荷電能計算原理

隨著電力系統中電力電子設備的廣泛使用，使的當前電能質量出現了一系列的問題，影響電能質量的表現類別基本分為七類：1）電壓暫斷;2）電壓暫升;3）電壓暫降;4）電壓恒斷;5）波形畸變;6）電壓波動;7）頻率變化。上述七類電能質量問題的引起源頭在于電力電子設備負荷的非線性特征，為了更加精準的找出影響電能質量的原因，針對電力電子設備負荷的非線性特征研究是必須的，也就說要有精確的非線性負荷電能計量算法才能有針對性的提出優化電能質量的科學方法，本章首先針對電能質量的標準進行概述，以期為電能質量優化提供目標，然后針對傳統的非線性負荷電能計量和自適應陷波器電能計量原理進行分析，以期為電能計量的精準化提供理論依據。

電能質量指的是優質供電，為了對電能質量進行更加準確的分析，本節從供電質量、用電質量、電壓質量和電流質量四個方面進行闡述，以期為電能計量和質量優化提供改進方向。

1）供電質量：供電質量可以從技術含義與非技術含義兩個方面進行評述，其中技術含義主要指的是電壓質量與供電的可靠性，而非技術含義指的是供電部門與用電個體之間的和諧程度。

2）用電質量：對于用電質量的評述也可以從技術含義方面的電流質量和非技術含義方面的繳費信譽兩個方面進行。

3）電壓質量：一般用給定電壓與理想電壓之間的偏差情況反映電壓的質量，出現的偏差大則電壓質量差，出現的偏差小則電壓質量好。

4）電流質量：對于電流質量質量的評述，一般從電流諧波、間諧波、次諧波和噪聲等方面進行，反映的是電流與理想正弦波形之間的偏差情況，同理給定電流與理想的正弦波形電流之間的偏差程度可以衡量電流質量的優劣。

因此，電能質量的定義可以總結為“導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差”，定義中的偏差除了包含供電系統的穩態性能外，還包括暫態性能。對于電能質量標準指定的任務，主要從當前的技術水平出發，以一定的電能質量指標偏差的允許值進行衡量，這樣就引出了電能質量標準的合理性評判，如下所示了電能質量標準的根本準則：

1）能夠保證電力系統的安全和連續供電以及經濟運行。

2）能夠保證用電個體的電氣設備正常用電。

3）在當前的技術水平下，電能質量指標偏差值達標。

3.基于補償器的電網電能質量優化方案

3.1 補償器控制原理分析

補償器是用來消除電網局部非線性負荷諧波和不平衡的影響，并且在此基礎上向非線性負荷提供預先指定量的有功功率，為電流和電壓的平穩化過程提供補償，因此從補償的期望效果分析可知，經過補償器后的電網電流和電壓會出現平衡的現象，若家用的三相交流電電流在平衡的狀態下節點處的電流加和應該為0，同時電壓的平均值會出現恒定的狀態。

3.2 補償器電網電能優化效果分析

補償器電能質量優化算法的仿真環境為PSCAD/EMTCD，與唐山市曹妃甸區唐海鎮的電網共同分擔負荷時公共連接點PCC1和PCC2處的系統仿真數據進行詳細的分析，根據仿真數據可知，運用補償器對公共負荷變化下PCC1和PCC2兩個公共連結點處的電網電能質量指標參數進行控制，可以在局部范圍內達到電能質量優化的效果。

4.討論

非線性負荷對電網電能質量的影響的根本原因為其用電過程中造成的電壓或電流畸變特性，預想對電網電能質量優化就要從消除畸變特性和維持供電有功功率穩定的角度出發，本文中給出了畸變信號的提取算法和補償器控制的方案，算法和方案對電能優化有著顯著的效果，但在具體實現上較為復雜，而文中提供的補償器優化方案可以作為一種思想指導，為了能夠真正大規模的實現電網電能優化還需要對設備和方案做進一步的研究。

參考文獻：

[1]張源淵.典型干擾源電能質量特性分析與治理措施研究[J].電力電氣.2013.

[2]劉書銘等.中高壓配電網非線性用戶的電能質量特性研究[J].電力系統保護與控制.2012.40（15）：150-155.

[3]陳金玲等.自適應陷波器在非線性負荷電能計量中的應用[J].電測與儀表.2011.48（541）：10-12.

[4]張曉冰.畸變信號條件下電網功率潮流分析與電能計量新方法研究[D].哈爾濱.2007.

[5]劉歡等.改進型自適應陷波器電力系統頻率估計方法[J].上海海事大學學報.2007（9）：24-27.

（作者單位：國網河南省電力公司淅川縣供電公司）