基于電力負(fù)荷特性的配電網(wǎng)電能質(zhì)量分析

杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司 郭 強(qiáng) 留 毅 張旭峰

國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司 張 盛 姚海燕

近年來(lái)，由于配電網(wǎng)中有了更大的電力負(fù)荷，而在一些區(qū)域出現(xiàn)了密度較高的供電負(fù)荷群，其典型的特征是數(shù)量比較大的高強(qiáng)度負(fù)荷聚集在一個(gè)相對(duì)較小的供電范圍內(nèi)，且其中非線性負(fù)荷比例較大，包括大量整流設(shè)備、變頻器、電動(dòng)機(jī)等。這些電力負(fù)荷具有周期性，在給配電網(wǎng)帶來(lái)電壓波動(dòng)的同時(shí)向電網(wǎng)注入大量高次諧波，對(duì)配電網(wǎng)有很大沖擊性，造成該區(qū)域電能質(zhì)量不同程度惡化。為改變?cè)搮^(qū)域配電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀況，本文選取了部分具有代表性的電力負(fù)荷，對(duì)其電能質(zhì)量狀況進(jìn)行了檢測(cè)記錄，著重分析了對(duì)該區(qū)域配電網(wǎng)當(dāng)中電能質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響的因素，從而在理論上指導(dǎo)當(dāng)?shù)毓╇娰|(zhì)量的進(jìn)一步改善。

1 典型電力負(fù)荷特性

為分析某地電力元件負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響情況，選擇10kV 側(cè)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)該測(cè)量點(diǎn)的電能質(zhì)量情況進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接線如圖1所示。而后根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析該測(cè)量點(diǎn)的電壓、頻率及諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)是否超出國(guó)標(biāo)規(guī)定的限制值，且深入地分析研究電力負(fù)荷元件的主要特性。

電力負(fù)荷元件指能有效轉(zhuǎn)換電能而得到其它類型能量的設(shè)備，包括照明電器、各類家電、加熱器、電弧爐以及電動(dòng)機(jī)等。而負(fù)荷特性又包含了諧波、沖擊以及功率等多種特性（圖1）。此外，功率特性還可被劃分為動(dòng)態(tài)及靜態(tài)等兩方面的特性，前者所指的是負(fù)荷點(diǎn)的電壓或是在頻率發(fā)生顯著變化時(shí)、頻率或是電壓和負(fù)荷功率之間所存在的內(nèi)在關(guān)系；后者所指的是負(fù)荷點(diǎn)的電壓或是當(dāng)頻率已處于穩(wěn)態(tài)后、頻率或是電壓和負(fù)荷功率間所存在的內(nèi)在關(guān)系，主要包括有功功率及無(wú)功功率兩個(gè)類型的靜態(tài)電壓特性。

沖擊特性主要是指在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了功率的快速改變，同時(shí)還存在著較為明顯的隨機(jī)性與連續(xù)的周期性等基本特征。在電力技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，也在各類用電設(shè)備上大量地使用了新型的半導(dǎo)體器件，如果進(jìn)行非線性負(fù)荷供電，則當(dāng)負(fù)荷進(jìn)行基波能量的吸收、轉(zhuǎn)換或是傳遞時(shí)，也會(huì)轉(zhuǎn)換一部分的基波能量而形成了諧波能量，并再次輸送到電網(wǎng)中，此即所謂的諧波特性。

2 電能質(zhì)量測(cè)試

電能質(zhì)量指標(biāo)主要包含供電電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、電壓暫降、三相不平衡度、諧波與間諧波等，電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)保障為供電電能質(zhì)量提供技術(shù)依據(jù)，使得可對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析和處理。

2.1 電壓不平衡度測(cè)量

為對(duì)電壓相量所存在的不平衡度進(jìn)行測(cè)度，需進(jìn)行三相電壓不平衡度的準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)用對(duì)稱分量法把不對(duì)稱的三相系統(tǒng)分解為三個(gè)獨(dú)立的對(duì)稱系統(tǒng)，即正序系統(tǒng)、負(fù)序系統(tǒng)和零序系統(tǒng)，把每項(xiàng)電壓用三個(gè)分量表示：

其中，a=ej120=e-j240為旋轉(zhuǎn)因子，應(yīng)有a2=ej240=e-j120。上式中的電壓分量的系數(shù)行列式不等于零，亦即：

逆變換式成立，其變換式為：

由此可求得其他兩相電壓的對(duì)稱分量，新舊變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系且是唯一的。對(duì)系統(tǒng)電流及電壓三相不平衡度進(jìn)行如下定義，即負(fù)序分量均方根值相比于正序分量均方根值，得到的比值即為該三相不平衡度指標(biāo)，通常采用ε 來(lái)表示該指標(biāo)，表達(dá)式為：εU=U2/U1×100%、εI=I2/I1×100%，公式中：U1為電壓正序分量所對(duì)應(yīng)的均方根值，U2為電壓負(fù)序分量所對(duì)應(yīng)的均方根值；εU為三相電壓不平衡度，εI為電流不平衡度；I1為電流正序分量所對(duì)應(yīng)的均方根值，I2則為電流負(fù)序分量所對(duì)應(yīng)的均方根值。

2.2 頻率測(cè)量

離散傅里葉變換算法是目前應(yīng)用最為普遍的相量測(cè)量算法，如鍋處于靜態(tài)的條件，則主要特點(diǎn)為較高的精度及很高的運(yùn)算效率，此外濾波效果也較好。可采用傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表征電壓/電流周期信號(hào)，利用三角函數(shù)來(lái)描述信號(hào)：式中變量：a0=1/T∫0Tx(t)dt，an=2/T∫0Tx(t)cos(nω0t)dt，bn=2/T∫0Tx(t)sin(nω0t)dt，T 為信號(hào)x(t)的周期，c 為基波角頻率，n 是諧波次數(shù)。

還可通過(guò)歐拉公式來(lái)表達(dá)傅里葉級(jí)數(shù)，從而得到其相應(yīng)的復(fù)數(shù)形式，它的實(shí)數(shù)部分應(yīng)為：cnejnω0t，在此基礎(chǔ)上引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系表示第r 個(gè)相量：其中的下標(biāo)r+1+n 為電壓采樣序列的第r+1+n 個(gè)采樣點(diǎn)。第r+1個(gè)相量為：

當(dāng)頻率偏移量Δf 較小時(shí)，系統(tǒng)真實(shí)頻率為f=f0+Δf，第r 個(gè)相量為：其中Δt 為采樣間隔，為額定頻率下的初始相量。此時(shí)可以令第r-1相量所對(duì)應(yīng)相角是φr-1，那么其中的第r 相量所對(duì)應(yīng)相角的表達(dá)則為：φr=φr-1+Δf/f02π/N，由于頻率為相角的一階導(dǎo)數(shù)，于是有：dφ/dt=(φr-φr-1)/t ≈(φr-φr-1)/Δt=2πΔf，那么，頻率f 和它的變化率可表達(dá)為：f=f0+1/(2π)dφ/dt；dφ/dt=1/(2π)d2φ/dt2。

由上式可以看出，計(jì)算某時(shí)刻電壓電流相量的相角是頻率測(cè)量的關(guān)鍵，通過(guò)DFT 計(jì)算電壓相量的相角即可獲得電網(wǎng)頻率的測(cè)量值。當(dāng)數(shù)據(jù)窗沿時(shí)間軸移動(dòng)時(shí)，虛部及實(shí)部符合第r+1個(gè)相量的遞歸關(guān)系，利用二者的比值的反正切，則就能夠獲得在這一時(shí)刻之下所對(duì)應(yīng)的相角φ。

3 結(jié)果分析

3.1 諧波與負(fù)載率關(guān)系

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)幾日內(nèi)的實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)，除了某些時(shí)刻，該地區(qū)電壓諧波畸變率基本恒定在1%左右。由GB/T 14549-93可知，如果為10kV 的標(biāo)稱電壓，那么電壓總畸變率的相關(guān)限值則是4.0%，因此可認(rèn)為該地區(qū)的總電壓畸變率基本合格。隨著時(shí)間推移該地區(qū)的電流畸變率在2%～10%之間變化。為能分析電流諧波是不是處于合理的范圍之內(nèi)，則應(yīng)利用國(guó)標(biāo)諧波電流值來(lái)和實(shí)際測(cè)量所得諧波含量進(jìn)行對(duì)比分析，由此得到所允許的諧波電流值，進(jìn)而判斷各次諧波電流是否超標(biāo)。

取該監(jiān)測(cè)點(diǎn)各次諧波電流的幅值、平均值、限值分別如下：I20.907/0.851/26、I30.580/0.544/20、I40/0/13、I54.366/4.096/20、I60.195/0.183/8.5、I71.874/1.758/15、I80.180/0.169/6.4、I90.148/0.139/6.8、I100.056/0.052/5.1、I111.014/0.951/9.3。將其與國(guó)標(biāo)規(guī)定的允許值比較得出，該地區(qū)的電流諧波含量滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定。

負(fù)載率是指變壓器實(shí)際功率與額定功率的比值，根據(jù)所取電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的諧波數(shù)據(jù)，可對(duì)該區(qū)域配電網(wǎng)的諧波特性作進(jìn)一步分析。以A 相電壓和電流為研究對(duì)象，分析不同負(fù)載率下的電壓電流總諧波畸變率變化情況。圖2(a)中該區(qū)域變壓器的負(fù)載率很低，主要分布在8～18%之間，電流總諧波畸變率隨負(fù)載率增加呈減小趨勢(shì)，而其電壓畸變率整體上隨著負(fù)載率的增大而增大。

3.2 電壓和電流諧波波形畸變率與各次諧波的關(guān)系

諧波電流含有率(IHD)指各次諧波分量的均方根值與基波電流均方根值之比，其反映了不同階次諧波分量所占的比重。由前述諧波數(shù)據(jù)分析知，該地區(qū)電流諧波中5、7次諧波含量較大，為此主要分析5次和7次諧波電流含有率與電壓畸變率的關(guān)系。從圖3可看出，該地區(qū)的電壓畸變率主要為2～10%。對(duì)比圖3(a)和(b)，5次諧波電流的含有率相對(duì)較大。當(dāng)5次諧波電流含有低較低時(shí)，電壓畸變率隨之而迅速減?。欢?dāng)5次諧波電流含量大于2%后，電壓畸變率反而會(huì)隨之略微增加。雖然電壓畸變率與7次諧波電流含有率也有類似的關(guān)系，但其曲線關(guān)系不夠明顯。二者的的數(shù)據(jù)分布規(guī)律類似，均與電流畸變率之間沒(méi)有明顯的耦合關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)測(cè)量某配電區(qū)域內(nèi)典型用電負(fù)荷電能質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)測(cè)參數(shù)，分析了該區(qū)域的供電質(zhì)量和用電負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)。并將不同類型的電力負(fù)荷進(jìn)行了整理劃分，分析其對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量狀況的影響，對(duì)改善該地區(qū)供電質(zhì)量具有重要的意義。