電能質(zhì)量有功功率治理裝置開發(fā)與應(yīng)用

黃練棟，周文昌

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門臺山供電局，廣東 臺山 529200）

2020 年12 月，習(xí)近平總書記提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)[1]。保證優(yōu)良的電能質(zhì)量，降低因低電壓造成的電能損耗是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效手段之一。近年來，隨著工業(yè)及民用建設(shè)項目越來越多，用電負(fù)載也越來越復(fù)雜，因此電能及技術(shù)要求越來越高。面對隨之而來的電網(wǎng)及用戶端的各種電能質(zhì)量問題，對電能產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高[2]。

經(jīng)過多年的電網(wǎng)改造建設(shè)，現(xiàn)在各地區(qū)基本實現(xiàn)了讓每個用戶“用上電，用好電”，這是中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司落實總書記指示的具體體現(xiàn)之一。但由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民的生活水平的提高，工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，用電量也在快速增加，加上部分供電半徑過長、三相不平衡等各種因素，導(dǎo)致線路末端的壓降明顯，無法正常用電。

1 電能質(zhì)量問題的影響及危害

電能質(zhì)量通俗來說有4 個性質(zhì)，以交流電力系統(tǒng)為主，即交流電力系統(tǒng)的正弦性、對稱性、同步性和平衡性，理解了這4 個性質(zhì)，也就理解了交流電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題。現(xiàn)代的用電設(shè)備的顯著特征有電力電子化和大功率沖擊性，而現(xiàn)代配電網(wǎng)的顯著特征是電力電纜化，基于此電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題變得愈發(fā)突出，因而給電力系統(tǒng)的安全運行帶來威脅。常見的電能質(zhì)量問題的影響及危害具體如下。

1.1 電壓偏差的影響及危害

（1）由于輸電線路輸送功率的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限（PM=EU/X）與發(fā)電機(jī)電動勢E 和系統(tǒng)電壓U 成正比，與組合電抗X 成反比。系統(tǒng)電壓越低，穩(wěn)定功率極限越低，容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)瓦解的重大事故[3]。

（2）當(dāng)電網(wǎng)缺乏無功功率、電壓偏低時，系統(tǒng)發(fā)出的無功功率小于負(fù)荷正常吸收的功率，迫使電流增大而電壓下降，電流進(jìn)一步增大使無功缺額更大，這種惡性循環(huán)會導(dǎo)致電壓崩潰。

（3）電網(wǎng)低電壓運行，會使線路和變壓器電流增大。線路和變壓器繞組的有功損耗與電流二次方成正比。低電壓運行會使電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗大大增加，從而提高了線損率，增加了供電成本。

1.2 電壓波動和閃變的危害

（1）對電弧爐的影響。電壓波動會影響金屬冶煉時間，增加電能的損耗。電壓波動造成爐鋼水波動，影響煉鋼品質(zhì)。

（2）切削金屬工件時，電壓波動會影響工件產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。

（3）當(dāng)電壓波動幅值過大時，數(shù)控裝置出現(xiàn)動作紊亂的現(xiàn)象，影響設(shè)備正常運行。電壓波動與閃變對電力電子變流器穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。

1.3 電壓暫降和短時中斷的影響及危害

（1）對計算機(jī)的影響。當(dāng)電壓低于60%且持續(xù)時間超過240ms時，計算工作將會受到影響，如數(shù)據(jù)丟失。

（2）對交流接觸器的影響。當(dāng)電壓低于50%且持續(xù)時間超過20ms 時接觸器就會脫扣。

（3）對變頻調(diào)速器的影響。當(dāng)電壓低于70%且持續(xù)時間超過120ms 時，變頻調(diào)速器會被切除。

2 傳統(tǒng)電能質(zhì)量控制方法弊端

我國農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)（以下簡稱“農(nóng)網(wǎng)”）具有用電負(fù)荷容量小、分布廣、供電半徑大、電纜線徑小等特點，造成遠(yuǎn)距離供電線路功率損耗較大，引發(fā)線路末端出現(xiàn)低電壓的問題；另一方面，配電網(wǎng)的三相不平衡、無功負(fù)荷的增長，以及其他電能質(zhì)量問題日益凸顯，也會導(dǎo)致線路末端低電壓的產(chǎn)生。根據(jù)電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，單相電壓低于198V 時即為不合格電壓，可能會導(dǎo)致某些用電設(shè)備不能啟動或者無法正常工作，這將影響線路末端用戶的用電質(zhì)量和用電體驗。

經(jīng)過持續(xù)開展的配網(wǎng)低電壓專項治理工作，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)、裝備水平及配網(wǎng)綜合管理水平得到顯著提升，用戶端供電質(zhì)量得到明顯改善，但仍然存在一些問題。目前對于線路末端用戶提出因低電壓影響用電體驗的問題，供電部門大多是采取工程施工的解決方案，例如通過新增變壓器電源點的方式以減小供電半徑、通過更換線徑大的導(dǎo)線以減少線路功率損耗、通過調(diào)整負(fù)荷接入點以解決三相負(fù)荷不平衡問題等，但這些解決方案施工的準(zhǔn)備、組織、實施以及驗收都需要較長周期，而用戶的用電問題無法得到快速解決，將會對農(nóng)村加工行業(yè)和養(yǎng)殖行業(yè)等造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

為此，部分用戶在線路末端加裝電壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行升壓，但由于這些裝置響應(yīng)速度慢，只能實現(xiàn)分檔調(diào)壓，無法應(yīng)對快速波動的負(fù)荷，更無法根據(jù)用戶需求進(jìn)行實時精確的調(diào)壓。其次，這些調(diào)壓裝置多采用變壓器加投切機(jī)構(gòu)，裝置體積大、重量重，安裝和維護(hù)不便。綜上所述，配電網(wǎng)迫切需要一種體積小、重量輕，安裝維護(hù)方便，投資成本低，可應(yīng)對線路中波動較大的負(fù)荷進(jìn)行實時精確調(diào)壓的模塊化便攜式電能質(zhì)量有功功率治理裝置[3]。

3 電能質(zhì)量有功功率治理裝置設(shè)計思路

本文研究設(shè)計的電能質(zhì)量有功功率治理裝置，采用模塊化設(shè)計、積木式插拔應(yīng)用，可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行自由配置，安裝、維護(hù)方便，使用靈活，且調(diào)壓模塊采用新型電力電子無級調(diào)壓方式，可根據(jù)負(fù)荷的實時波動進(jìn)行電壓跟蹤和調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)精度高，響應(yīng)速度快。

該電能質(zhì)量有功功率治理裝置是一款針對影響低壓電源有功參數(shù)，能快速智能動態(tài)補償、免維護(hù)、自適應(yīng)獨立運行的智能低壓電氣設(shè)備。主要由特制電流和電壓互感器、CPU、SCR 模塊、智能采樣模塊、智能動態(tài)追蹤影響有功參數(shù)的多變量組合集成控制模塊和安全保護(hù)模塊組成。

通過分析影響電能質(zhì)量有功功率的多變量（電壓、電流、諧波、三相不平衡、瞬時或暫態(tài)過電壓、電壓暫降等）參數(shù)之間的物理關(guān)系，通過優(yōu)選各采樣參數(shù)和各執(zhí)行元件間的自學(xué)習(xí)協(xié)調(diào)控制配合，編輯合適的算法軟件，研制組合式集成控制模塊，實現(xiàn)無觸點邏輯補償和控制，使用戶端的電能質(zhì)量始終處于優(yōu)良狀態(tài)，保證用戶電器設(shè)備使用安全，增強用戶體驗，節(jié)省線路損耗。電能質(zhì)量有功功率治理裝置設(shè)計原理圖如圖1 所示。

圖1 電能質(zhì)量有功功率治理裝置設(shè)計原理

4 電能質(zhì)量有功功率治理裝置的基本功能

治理裝置是一種方便攜帶的，用于末端用戶低電壓治理的應(yīng)急電能質(zhì)量治理裝置，全絕緣、可觸摸、重量輕，采用模塊化設(shè)計、積木式拔插應(yīng)用，可據(jù)用戶負(fù)荷情況靈活配置，提高經(jīng)濟(jì)性。其中，調(diào)壓模塊采用新型電力電子無級調(diào)壓方式，可根據(jù)負(fù)荷的實時波動進(jìn)行電壓跟蹤和調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快，全程無噪聲，模塊拆裝方便，運行過程免維護(hù)，外形設(shè)計適應(yīng)壁掛、抱桿、落地等多種安裝方式。該產(chǎn)品采用新型高速開關(guān)材料，配合動態(tài)優(yōu)化控制算法，使控制過程更高效、設(shè)備對環(huán)境的適應(yīng)性更強，用戶操作簡單，使用便捷。可實現(xiàn)的基本功能如下。

4.1 升壓遠(yuǎn)輸

電能質(zhì)量有功功率治理裝置通過檢測安裝點位置線路電壓和線路末端電壓，通過閉環(huán)控制的方式自動補償和提升末端電壓，使末端電壓基本保持在設(shè)定電壓值水平。

4.2 多重保護(hù)

當(dāng)治理裝置內(nèi)部升壓系統(tǒng)發(fā)生故障而末端電壓正常，則該裝置會自動旁路，保持主供電線路通暢，并且內(nèi)設(shè)過載、過壓、欠壓、短路、缺相、相序、過溫保護(hù)，實現(xiàn)多重保護(hù)。

4.3 節(jié)能降耗

低壓電的特點之一是在遠(yuǎn)距離輸送過程中電壓下降迅速，而隨著末端電壓下降，回路電流會相應(yīng)升高。輸電線的損耗與電流的平方成正比，因此，保持末端電壓在額定電壓值水平，不僅能保證供電質(zhì)量，還能有效減少輸電線路上的電能損耗。

5 結(jié)語

該電能質(zhì)量有功功率治理裝置以新技術(shù)、新工藝開發(fā)與運用研究為方向，能夠完全滿足相關(guān)行業(yè)全面安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，以人為本達(dá)到相當(dāng)?shù)倪m用性，在普及性和推廣性方面，技術(shù)上可以大范圍適用、成本上可以大范圍推廣；在安裝的簡易和方便性方面，具有結(jié)構(gòu)合理、體積小、重量輕，操作靈活、搬運方便等優(yōu)點。對解決群眾的用電“痛點”能做到及時解決。并且可通過無線數(shù)據(jù)傳輸，在后臺分析掌握電能質(zhì)量有功功率治理裝置的工作狀態(tài)，如若出現(xiàn)故障可及時發(fā)現(xiàn)并處理。

我國的配網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)在處于高速發(fā)展的時期，在這個時期我國將會遇到許多復(fù)雜的問題，所以我國在工作時要善于發(fā)現(xiàn)問題，保持一顆好奇心，并且要有敢于打破常規(guī)的新思維、新思考，這樣才能使我國配網(wǎng)的工作方式變得更省時、省力，這樣也才能更有利于我國配網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展。所以我國只要保持這種敢于質(zhì)疑的心，相信在不久的將來會有更多的創(chuàng)新成果在我國配網(wǎng)這方面產(chǎn)生。