電能質(zhì)量擾動(dòng)產(chǎn)生的低電壓?jiǎn)栴}及相關(guān)治理措施

郜 陽(yáng) 韓劍鵬 劉林曼

1 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司（河南 鄭州 450000）

2 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司（河南 平頂山 467000）

0 引言

社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)展離不開電能資源的支持，因此保障電能的正常供應(yīng)是確保人們工作和生活的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，人們?cè)诠ぷ骱蜕钪械挠秒娏匡@著增加，這就需要針對(duì)配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}制定好解決策略，采用電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略重點(diǎn)解決配電網(wǎng)中無(wú)功、諧波、三相不平衡等異常問題，提升配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

1 配電網(wǎng)低電壓故障問題中的電能質(zhì)量擾動(dòng)因子

通常情況下，配電網(wǎng)中的用電負(fù)荷主要是單向負(fù)載，這種現(xiàn)象對(duì)三相間的功率平衡性在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有太大的影響，但是卻會(huì)在一定程度上對(duì)三相內(nèi)部的無(wú)序性和隨機(jī)性造成影響。同時(shí)，非線性負(fù)載的增加使得諧波逐步成為電能質(zhì)量擾動(dòng)中的重要因素。無(wú)功在電能質(zhì)量擾動(dòng)中也占據(jù)著一定的比例，但是一般可以通過無(wú)功補(bǔ)償來(lái)降低無(wú)功因素所引起的不良影響[1]。因此，針對(duì)造成配電網(wǎng)低電壓的多種影響因素，可以采用電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制方案來(lái)加以解決，以滿足配電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

1.1 三相負(fù)載不均衡因子

在三相模型中，最理想的工作狀態(tài)是三相的電壓幅值和頻率均保持在相同的節(jié)奏，而三相之間的相位差維持在120°，并保持不變。但是在實(shí)際的工作狀態(tài)中，三相之間的電壓、電流幅值、相角受各種內(nèi)部和外部因素的影響存在一定的偏差，即存在三相負(fù)載不平衡的問題。這種不平衡程度主要是采用三相不平衡度進(jìn)行評(píng)估的，需要相關(guān)人員根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際情況構(gòu)建相應(yīng)的分析模型，并根據(jù)三相不平衡度這一參數(shù)來(lái)分析出三相負(fù)載不均衡對(duì)配電網(wǎng)低電壓所造成的影響。對(duì)于三相不平衡度，主要的影響因素是功率，兩者之間呈正比例關(guān)系，在配電網(wǎng)功率因素較高的情況下，整個(gè)供電網(wǎng)的三相不平衡問題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，這種不平衡性歸根結(jié)底在于有功不平衡。在無(wú)功方面，雖然能夠通過無(wú)功補(bǔ)償消除部分無(wú)功所造成的影響，但是在一定程度上進(jìn)一步加劇了配電網(wǎng)低電壓的問題。

1.2 諧波因子

配電網(wǎng)在正常工作狀態(tài)下不應(yīng)該存在諧波，諧波是對(duì)配電網(wǎng)而言是一種異常干擾，這種雜波在擾動(dòng)配電網(wǎng)的同時(shí)還會(huì)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)中的用電設(shè)備造成不同程度上的損傷。同時(shí)，當(dāng)配電網(wǎng)中非線性負(fù)載量逐步增加時(shí)，諧波所產(chǎn)生的負(fù)面影響會(huì)加重。諧波電流在配電網(wǎng)中的存在會(huì)產(chǎn)生一定程度的集膚效應(yīng)或鄰近效應(yīng)，進(jìn)而增大線路中的電阻值。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況可知，諧波所產(chǎn)生的諧波電阻基本上是電壓電流所產(chǎn)生的基波電阻的數(shù)倍，相對(duì)更加嚴(yán)重。

1.3 無(wú)功因子

無(wú)功在配電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生無(wú)功電流，并在配電線路上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓降，造成配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}。針對(duì)此種情況，可以通過無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞较蚪档团潆娋W(wǎng)系統(tǒng)中的無(wú)功電流，減少對(duì)電壓的影響。

2 采用電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制技術(shù)解決配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}

2.1 電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制技術(shù)原理

電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制技術(shù)的應(yīng)用核心是電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置。該裝置的主體結(jié)構(gòu)是二極管鉗位型三電平電路拓?fù)洌渲黧w為IGBT[2]。通過LCL型濾波網(wǎng)絡(luò)將電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置與配電網(wǎng)的交流并網(wǎng)側(cè)相連接。這是因?yàn)長(zhǎng)CL型濾波網(wǎng)絡(luò)能夠顯著消除配電中存在的高頻開關(guān)電流，在一定程度上避免了電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置與配電網(wǎng)發(fā)生諧振的問題，進(jìn)而將電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的作用最大限度地發(fā)揮出來(lái)。DSP+CPLD是電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置中的核心部位，主要用于接收配電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)電流互感器所傳遞過來(lái)的電流信號(hào)，并從這些信號(hào)中將配電網(wǎng)的零序、負(fù)序、諧波信號(hào)、無(wú)功等電能質(zhì)量特征信息提取出來(lái)。基于這些信號(hào)值，可以分析計(jì)算出PWM驅(qū)動(dòng)變量，并在PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下使電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置中的IGBT將抑制補(bǔ)償電流進(jìn)行合理的輸出，消除或抑制配電網(wǎng)中所存在的雜波信號(hào)，進(jìn)一步降低配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}的發(fā)生概率。

2.2 電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的分布布點(diǎn)

在采用電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置控制配電網(wǎng)低電壓的問題時(shí)，需要重點(diǎn)注意的是，要采用分布式的治理模式，而不宜采用集中式的治理方式。這是因?yàn)榉植际降闹卫砟Ｊ剿〉玫闹卫硇Ч@著。分布式的治理模式需要對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的布點(diǎn)位置進(jìn)行全面綜合性的分析與考慮，以確保治理效果的最優(yōu)化。對(duì)于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于用電用戶分布相對(duì)廣泛，因此配電網(wǎng)自身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜，電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的布點(diǎn)位置也需要結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際分布情況加以優(yōu)化[3]。

對(duì)于電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的分布布點(diǎn)，一般需要遵循以下原則：（1）電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置分布點(diǎn)的確定依據(jù)主要是容量數(shù)據(jù)和負(fù)載數(shù)據(jù)，一般需要根據(jù)配電網(wǎng)低壓網(wǎng)絡(luò)中每條線路上的負(fù)載量核算出整個(gè)低壓網(wǎng)絡(luò)中所需要的容量。（2）電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置分布點(diǎn)的確定，還需要從配電網(wǎng)首端數(shù)據(jù)著手進(jìn)一步核算出配電網(wǎng)低壓臺(tái)區(qū)的安裝數(shù)量；然后根據(jù)低壓臺(tái)區(qū)的低壓用戶數(shù)量和安裝設(shè)備數(shù)量值，分別計(jì)算出臺(tái)區(qū)中每臺(tái)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的覆蓋用戶數(shù)，并對(duì)線路做好標(biāo)注；隨后根據(jù)線路號(hào)的標(biāo)記順序和用戶數(shù)量值，依次確定安裝線路位置，并逐一確定各個(gè)設(shè)備的安裝位置。

3 電能質(zhì)量擾動(dòng)造成低電壓治理的實(shí)際案例

某供電公司一些低電壓臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量擾動(dòng)問題比較嚴(yán)重，且接到用戶投訴較多，針對(duì)該區(qū)應(yīng)用電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制方案。這些臺(tái)區(qū)比較典型的電能質(zhì)量擾動(dòng)表征現(xiàn)象是三相不平衡、無(wú)功和諧波，進(jìn)而導(dǎo)致了低電壓?jiǎn)栴}。經(jīng)過對(duì)該區(qū)域的實(shí)際調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，該配電網(wǎng)線路架構(gòu)的中后段是主要的負(fù)載承受位置，其負(fù)載量甚至達(dá)到85%左右，屬于高用電負(fù)載段。該區(qū)域的用電對(duì)象主要是居民，其用電高峰期基本在白天，此時(shí)的配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}也最為嚴(yán)重，其電壓值最低的情況下可以達(dá)到110 V左右。針對(duì)該現(xiàn)象，相關(guān)人員對(duì)配電網(wǎng)的相關(guān)線路進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在配電房開關(guān)室出線端與各支路之間所使用的是銅芯導(dǎo)線，長(zhǎng)度大概為600 m，導(dǎo)線截面積為185 mm2。這段線路主要包含三條支路，其中分支線路1為主要線路，分支線路2和3為備用線路，尚未投入使用，因此不存在相應(yīng)的負(fù)荷。對(duì)于分支線路1，其長(zhǎng)達(dá)約為100 m，銅芯導(dǎo)線規(guī)格為70 mm2，在該線路上低電壓現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。根據(jù)該線路上的負(fù)載和容量情況，在支路的中后段設(shè)置有2臺(tái)電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置，支路前端設(shè)置了1臺(tái)，以減緩相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的電能質(zhì)量擾動(dòng)問題。在安裝電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置后，對(duì)該線路的支路電壓進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其電壓值提升了30 V左右，明顯改善了配電網(wǎng)低電壓的問題。通過對(duì)該支路進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，整體電壓值基本維持在電力系統(tǒng)規(guī)定的范圍內(nèi)，即使在用電高峰時(shí)段也不再出現(xiàn)低電壓的情況。同時(shí)，該分支線路上的三相不平衡度相較之前下降了大約7%，由于中線電流控制在5 A以下，其線路中的諧波電阻也大大降低。由此可以看出，電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的配置顯著改善了該線路上的低電壓故障問題，不僅提高了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，而且保障了配電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。

4 電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的應(yīng)用前景

綜上所述，電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置在配電網(wǎng)中的應(yīng)用能夠有效改善配電網(wǎng)低電壓的故障問題，并顯著提升了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。但是，電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略在改善配電網(wǎng)低電壓方面仍然需要不斷優(yōu)化改善，以將電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的功能優(yōu)勢(shì)最大限度地發(fā)揮出來(lái)。

（1）電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的規(guī)格和布點(diǎn)的設(shè)置都與配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況和配電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)有直接關(guān)系，因此，在采用電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略時(shí)需要根據(jù)配電網(wǎng)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全面細(xì)致的分析與計(jì)算，以確定最符合并能夠解決配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}的解決方案。

（2）電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略的最佳實(shí)施方案是采用分布式的布設(shè)，這是因?yàn)榉植际降膶?shí)施方案所呈現(xiàn)出來(lái)的線路三相不平衡性等能夠得到有效的降幅。但是，由于配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)比較龐大、復(fù)雜，因此分布式的布設(shè)方案具有一定的布設(shè)難度，需要重點(diǎn)考慮分布式布設(shè)的可行性和科學(xué)性。同時(shí)，分布式布設(shè)方式也存在一定的不確定性，這就進(jìn)一步增加了配電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略的難度，需要在掌握配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用全面細(xì)致的計(jì)算方法精確計(jì)算，最大限度地發(fā)揮分布式布設(shè)的性能優(yōu)勢(shì)。另外，在實(shí)際操作中，對(duì)于配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的全面掌握也存在一定的難度，如某些區(qū)段由于工程前期或后期管理不當(dāng)?shù)仍蚴沟镁€路接入的詳細(xì)信息缺失或不完整。

（3）電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略在實(shí)際應(yīng)用過程中，其應(yīng)用成本相對(duì)較高。此外，由于電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略是一種新型的配電網(wǎng)低電壓解決策略，需要對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的應(yīng)用效果、成本和可操作性等方面，不斷積累驗(yàn)證，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化完善，進(jìn)而提升電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略的通用性和可靠性。這樣，才能夠進(jìn)一步拓展電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略的應(yīng)用范圍。同時(shí)，電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置在后續(xù)的維護(hù)治理方面也需要較大的資金投入，需要通過不斷調(diào)整以降低應(yīng)用成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

配電網(wǎng)低電壓產(chǎn)生的主要原因是電能質(zhì)量干擾，其中比較典型的影響因素就是三相不平衡、無(wú)功和諧波，因此對(duì)于配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}需要重點(diǎn)從這三方面著手加以解決。相關(guān)部門需要充分掌握配電網(wǎng)低電壓的產(chǎn)生原因，并科學(xué)合理運(yùn)用電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略以降低電能質(zhì)量擾動(dòng)在線路上所產(chǎn)生的電壓降，進(jìn)而提升電壓質(zhì)量，解決配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}。同時(shí)，結(jié)合電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制裝置的實(shí)際應(yīng)用情況，明確該裝置在未來(lái)應(yīng)用過程中的優(yōu)勢(shì)與不足，以針對(duì)性地優(yōu)化完善電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制策略，推動(dòng)其在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，優(yōu)化配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}的解決策略。