電能質量控制技術的研究與工程應用

孟維全

摘 要：隨著社會和經濟的發展，人們對電的需求越來越大，這使得電力系統所承擔的符合也逐漸增強，從而很容易產生電壓波動、跌落等嚴重威脅到電能質量使用電網無法穩定正常運行的現象。如果無法對電能質量進行保障就可能導致發生大面積停電事故，甚至對用戶的用電器造成損壞，從而產生嚴重的經濟損失。因此當前如何對電能質量進行控制，是滿足人們正常用電和社會發展必須要解決地重要問題。本文探討了影響電能質量的因素，分析了電能質量控制技術，研究了電能質量控制技術在工程中的應用。

關鍵詞：電能質量;質量控制;技術研究;工程應用

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0162-02

1影響電能質量的因素

電能質量又被叫做電源質量和電力質量，現在一般大多認為電能質量指的就是輸送給用戶的電壓的質量。恒定的頻率和恒定幅值的正弦波形電壓就是一個合格的供電電壓的標準[1]。

1.1用戶影響因素

在當前電能質量常常出現的問題有：頻率偏移、長期和短期電壓偏移、電磁暫態、三相不平衡、波形失真、電壓波動和閃變等。由用戶導致的電能質量問題是電壓偏移、三相電壓不平衡以及電壓波動和閃變和電壓波形畸變。電壓偏移是因為用戶使用的設備功率因數較低所可能產生的現象;三相電壓不平衡是因為用戶用電導致三相負荷不平衡導致的;電壓波動和閃變往往是因為用戶用電的負荷發生突然變化導致的;電壓波形畸變則是因為用戶使用了可以產生電力諧波的設備導致的。在當前最為常見且影響較大的因素就是電力諧波和低功率因數設備。

1.2企業自身技術原因

當前隨著改革的不斷深入，電力市場的競爭也在逐漸加劇，一些電力企業往往為了短時間的利益爭奪更大的市場，常常只重視電力成本的降低而忽視了對電能質量的把控。同時為了滿足一些企業的需求采取了開放式的電力管理方式，導致電力系統更加復雜混亂，嚴重影響了對電能質量進行控制工作的順利進行。同時一些企業對先進技術的引進只重視過程不重視應用，導致在引進較為先進的技術以后表面供電的自動化水平、穩定性提高了，但在實際運行時缺乏相應的調試和技術人員，很容易出現電能質量下降的問題，且在面對問題時無法有效快速地解決。

2電能質量控制技術

2.1電網電壓偏移控制方法

電網電壓偏移常常是發電機自身輸出無功功率的能力不夠引起的，在對電網運行過程中的電壓偏移問題進行解決時應該首先對發電機自身的無功功率進行提升，從而滿足相應的使用需求。同時在電網實際運行的過程中，高壓線路輸電到變壓器的過程大多面臨著功耗損失較大的難題。為了改善因為損耗導致的功率不足問題還通常會使用其他調壓手段，如使用無功功率補償器等。無功功率補償器采取的補償措施可以有效地將電網的功率因數進行提升，從而對轉化過程中造成的損耗進行彌補，將輸電和配電的效率進行提高。分區、分層、分變電所是無功功率補償器在進行補償時的運行原則，從而對無功功率的平衡性進行保障。除了要滿足正常使用期間的無功功率使用以外，還需要設置相應的無功備用功率，滿足突發事件的需要，這部分備用功率通常以并聯的形式和電力系統相接，進而在發生突發事件時，及時的投入使用，為無功設備的正常運轉提供條件[2]。

2.2電網頻率偏移控制方法

電力系統中，頻率的偏移往往會導致負荷發生變化，從而對電力系統的穩定運轉造成威脅。這種現象一般被稱為負荷的頻率特性。所以在電網運行的過程中通常要保持頻率的穩定，將頻率控制在要求的頻率范圍內，在這樣的正常穩定情況下，負荷和頻率的關系與線性關系類似。可一旦頻率發生變化的話這樣的線性關系就會受到影響無法保持，原本依靠系統頻率效應所產生的減輕能量不平衡效果就會被破壞，從而導致有功負荷開始波動，這時往往頻率和有功負荷的關系往往成正相關，有功負荷隨著頻率的增大而增大，隨著有功頻率的減小而減小。通常面對電網頻率偏移的控制方法是：對電網頻率進行實時的監控，一旦頻率發生變化，由發電機組控制系統自動發出根據情況而定的相應的指令并傳達到發電機組，對發電機的汽輪機或水輪機的進氣水平進行自動調節，進而改變發電機組的出力。整個過程就是發電機組根據電壓頻率的變化頻率來調整自身的輸出功率從而保證電網的正常運轉。頻率越大發電機組的實際輸出功率越低，頻率越小，發電機組的實際輸出功率就越低。同時根據負荷變動情況的不同，其被分為三種分別是隨機分量、脈動分量、持續分量。而對不同種類的負荷變動情況采取的調整方式往往也存在一定的不同，隨機分量大多使用的是一次調頻;而脈動分量使用的是二次調頻;持續分量則是三次調頻，從而最終達到新的平衡。調頻系統本質上是對電力系統進行調整使各個發電機組都可以平穩的運行，保證電壓的穩定。通常為了保證可以滿足用戶的需求發電機組大多會預留一定的輸出功率，來滿足實際運行過程中的需要[3]。

2.3電力諧波問題的解決方法

電力諧波問題在近年來也較為常見，通過這些年不斷地研究，已經出現了很多針對電力諧波問題的設備，這使得電力諧波問題其已經變得較容易監控和解決。隨著社會技術的不斷發展越來越多的會產生電力諧波的設備被使用，如電弧爐、電焊機、變頻器、不間斷電源等。解決諧波問題最完美的解決方法是對相關設備進行不斷地研究改進，從而減少諧波的產生，但從廠商的角度看這并不劃算，且受限于相關的結構，不僅其成本可能升高，還有可能導致產品的穩定性下降。當前最為常見的針對電力諧波問題的治理方法是使用LC無源電力濾波器來進行治理，但治理的效果較為一般可能會產生系統震蕩和諧波放大等問題;而近年來隨著有源電力濾波器的發明和使用，電力諧波問題已經可以較為輕松地被解決，且用有源電力濾波器進行諧波處理，不僅僅效果更好還更加節能。

2.4三相電力不平衡問題的解決措施

為了從根本上解決三相電力不平衡，只對電力系統設計進行改善是不夠的，還需要對用戶接入情況和方案進行分析和改建。在對電力系統的設計進行改善時要避免線路之間產生交叉跨越的情況，且盡可能地使用三相四線的制接線方式，除此以外為了改善電流無功不平衡的現象好需要加設不平衡電流無功補償裝置、電能質量矯正裝置等來滿足對不平衡現象的控制。而對用戶接入情況和方式的改善，則是對用戶的使用情況進行調查，從而根據其使用情況進行調整，從而將單相負荷用戶平均分配到三相上，從而進一步對不平衡的情況進行改善。

3電能質量控制技術在工程中的應用

3.1在橡膠行業相關工程中的應用

橡膠產業中負載較大的設備有密煉機、擠出機、復合機等設備。在這些設備中密煉機的用電量占到所有設備整體的30%，且密煉機具備功率因數較低、諧波含量高的、負荷電流會發生周期性快速變化的特點，這很容易導致電能質量的不穩定，想要確保橡膠行業工程中的電能質量的合格與穩定，主要地就是對密煉機造成的不良影響進行解決。當前對該問題最常用的方法是無功和諧波綜合治理方案，在這個治理方案中主要目的是對無功問題進行治理的同時削弱諧波問題的影響，使用的裝置一般為動態消諧無功補償裝置。在對相關動態無功補償裝置進行選擇時，要遵循是三個原則：（1）實時性原則，對應的動態消諧無功補償裝置應該可以對密煉機自身的負荷和無功功率的變化實時的追蹤，進而進行實時的補償，保障電能質量;（2）抑制性達標原則，選擇的設備應該可以有效地對負荷諧波電流等不良因素對設備的影響進行較強的抑制，進而在減小影響的同時防止共振和諧波放大等其他不良現象的產生;（3）削減性原則，設備除了要對諧波造成影響進行抑制和彌補以外，最根本是對系統中的諧波電流進行濾除，進而直接降低諧波和諧波無功功率的危害性。

3.2在化工行業相關工程中的應用

化工行業中生產的產品種類繁雜，且大多數對電能的質量要求都有較高的要求。而在化工行業的生產中，有些產品的生產需要使用充放電機進行高低壓配電工作，而充放電機自身在運行時會產生大量的諧波導致電能的質量無法得到穩定，進而嚴重影響到生產的效率和質量。當前針對這樣的問題通常采取相關設備進行集中補償的措施，該方式相對就地補償雖然效果降低了，但是維護的方便性大大提升，成本也較為低廉，更加合適。在進行集中補償時要根據抑制共振后諧波的電流總量進行設備的選取，一般選擇用有源濾波器對諧波進行補償的同時使用無功補償電容器對無功功率部分進行補償。電能質量改善后，不僅可以使設備的穩定性得到提高，還可以提升電力設備的利用率，降低電力損耗[4]。

3.3在半導體封裝工程中的應用

半導體封裝行業在我國的起步較晚，但近幾年逐漸成為了一個新興的熱門行業。半導體封裝行業使用的加工設備大多十分精密，這使得其對電能質量的要求也十分的高。當前由于半導體封裝行業生產的過程中需要使用會大量產生諧波的變頻調速器等非線性設備，電網的電能質量往往會受到其污染，進而發生波動，最終使得電網中的電能質量不僅僅無法為半導體封裝工作的順利進行提供保障，甚至無法滿足其他電網用戶的使用需求。半導體封裝行業作為新興產業，在對其的電能質量問題進行改善時，應該首先對其配電系統進行檢測和分析，根據不同的變壓器設置不同諧波治理方案進行推測，最終得到最為合適的解決方案。不同的變壓器承擔的責任往往不同所需要的治理設備自然也不同，如承擔大功率變頻設備的變壓器電流諧波的含量往往可以高于30%，功率因數可以達到98%，所以通常選擇有源電力濾波器進行治理。一般在變壓器配電系統中，若系統的系統功率因數高、剩余的無功補償量小，且存在一定的諧波則大多都采用有源電力濾波器進行治理;而系統功率因數在90%左右的通常使用無源電力濾波器進行治理。除此之外在采取相應的措施后，還要及時的對實際的運行情況進行檢測，進而保證相關設備可以切實的發揮作用。

4 結語

綜上所述，隨著社會的發展和進步，電氣設備的安裝和使用范圍一定會進一步擴大，從而給電能質量的控制帶來更大的挑戰。同時為了滿足未來對電能質量控制的需求，電能質量控制技術也一定會通過如今快速發展的大數據和人工智能技術變得更加智能化，從而實現較大程度上的自動化管理，在未來相關從業者應更加注重這方面的研究，進而提升電能質量控制的穩定和高效。

參考文獻

[1] 張逸，林焱，吳丹岳.電能質量監測系統研究現狀及發展趨勢[J].電力系統保護與控制，2015（2）：138-147.

[2] 彭卉，鄒舒，付永生，等.沖擊負荷接入電網的電能質量分析與治理方案研究[J].電力系統保護與控制，2014（1）：54-61.

[3] 曾正，邵偉華，趙偉芳，等.多功能并網逆變器與并網微電網電能質量的分攤控制[J].中國電機工程學報，2015（19）：4947-4955.

[4] 宋平崗，林家通，李云豐，等.采用MMC-RPC治理牽引供電系統負序和諧波的PIR控制策略[J].電工技術學報，2017（12）：108-116.