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摘要: 随着电网的快速发展，电网负荷急剧增加，其中冲击性、非线性负荷容量和数量不断增加，造成了系统电能质量不稳定，电压、电流波形畸变及电压质量下降，给用户的安全、经济运行带来了危害和影响。本文阐明了电能质量的内涵和指标,分析了电能质量的检测内容与方法,提出了改善电能质量的方法和措施。
关键词:电能质量;指标;检测;改善措施
0前言
电能是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。随着时代的进步与科技的飞速发展,现代电网与负荷构成出现新的变化趋势,由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视，如何更好的控制电能质量，具有很强的现实意义。
1 电能质量的内涵
电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。根据这一定义,现代电能质量除了保证额定电压和额定功率下的正弦波形外,还包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相比平衡、波形畸变、所有电压瞬变现象,如冲击脉冲、電压下跌、瞬间中断及供电连续性等。电能质量的内涵包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量四个方面的内容。电压质量是以实际电压与理想电压的偏差,反映供电部门向用户供应的电能是否合格;电流质量是反映与电压质量有紧密关系的电流的变化,是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外,还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因数
运行;供电质量包括技术含义(有电压质量和供电可靠性)和非技术含义(是服务质量,它包括供
电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的透明度等);用电质量包括电流质量和非技术含义,它反映公用双方相互作用与影响中用电方的责任和义务。
2电能质量的指标
电能质量指标的确定是质量、安全、经济三方面综合优化的结果,根据实际的运行经验和相关标准的规定,供配电系统中影响电能质量的重要因素主要包括电压偏差、电压波动和闪变、频率偏差、三相电压不平衡及暂时过电压和瞬态过电压。
2.1电压偏差
电压偏差的定义为实际电压偏离额定电压的百分比。造成电网电压偏差的最主要原因是无功
功率的传输,它是由于电网中的用户负荷变化或电力系统运行方式的改变,使加到用电设备的电压偏离其额定电压。电压偏差是指电力系统在正常运行条件下,供电电压对额定电压的偏离程度:
《电能质量供电电压允许偏差》(GB12325—2003)对电压偏差的限值规定为35 kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过10%; 10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%;单相供电电压允许偏差为+7% ~-10%。
2.2电压波动和闪变
电压波动即电压方均根植(有效值)一系列的变动或连续的改变;闪变即灯光照度不稳定造成的视感。电压波动与闪变主要是由冲击性功率负荷(如电力牵引机、炼钢电弧炉、电弧焊机和轧钢机等)引起的。这些非线性、不平衡冲击性负荷产生的有功和无功功率会随机或者周期性的变动,有功和无功的剧烈变化将会使电压产生周期性或随机的变化,从而使同一电网上其他用户电压以相同的方式波动。电压波动对诸如调速电机、计算机、PLC、芯片制造生产流程线这些对电压质量要求很高的敏感性负荷影响巨大,造成的经济损失也不容忽视。电压闪变超过限度值使照明负荷无法正常工作,损害工作人员身体健康。
2.3频率偏差
频率偏差的定义为系统频率的实际值与标称值之差。产生频率偏差的主要原因是发电机的有
功输出和有功负荷不平衡。频率的变化对电力系统中的汽轮机、电动机、电气设备正常运行影响很大,严重时会引起灾难性事故发生。
2.4谐波
谐波即对周期性变流量进行傅里叶级数分解,得到频率大于1的整数倍极薄频率的分量。它是由电网中非线性负荷产生,例如可硅控整流装置,电弧设备、电气化机车、变压器等都是高次谐波的电流源,它们接入电网后将使系统母线电压畸变。高次谐波会使发电机端电压波形产生畸变,从而影响供电电压质量;谐波会引起供电线路损耗增加,损坏电气设备、降低供电可靠性,还会干扰和破坏控制、测量、保护、通讯和家用电器的正常工作,谐波还加快旋转电机、变压器、电容器、电缆等电器元件中绝缘介质的电离过程,使其发热绝缘老化寿命降低。间谐波是指非整数倍基波频率的谐波,这类谐波可以是离散频谱的或连续频谱的,但其危害等同于整数次谐波电压,其抑制与消除却比整数次谐波困难得多,间谐波电压是由较大的波动或冲击性非线性负荷引起的。
2.5三相电压不平衡
电压不平衡的定义是三相电压在幅值上不同或相位差不是120°或兼而有之,不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡的程度,用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根植百分比表示。造成三相不平衡的主要原因有2类:一类是大容量非对称负荷的接入,如电力机车、炼钢电弧炉等;另一类是电网的谐波造成的三相不平衡。除此之外,系统故障,例如,短路故障也会造成三相不平衡。三相不平衡问题对整个电网的安全运行都会产生不良影响。
2.6暂时过电压和瞬态过电压
按过电压的波形特点分为暂时过电压和瞬态过电压两大类,因为过电压的波形、幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响。暂时过电压的定义是在给定安装点上持续时间较长的不衰减或弱衰减的(以工频或其一定的倍数、分数)振荡的过电压。瞬态过电压的定义是持续时间数毫秒或更短,通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电压,它可以叠加于暂时过电压上，造成暂时过电压和瞬态过电压的重要原因是由于开关操作或雷击等引起的。
3电能质量问题产生主要原因
随着系统中非线性负荷的不断增加,电力系统受到的谐波污染也越来越严重,加上电力系统可能出现的各种故障,均会影响系统的电能质量。
3·1非线性负载
在工业和生活用电负载中非线性负载占很大比例,也是电力系统谐波的主要来源。荧光灯和电弧炉是主要的非线性负载。电弧炉的谐波主要由起弧的延时和电弧的严重非线性引起。电弧长度的不稳定性和随机性,使电流谐波频谱复杂,而且随时间会有明显的变化。大功率整流或变频装置等也属非线性负载,会产生严重的谐波电流,对电网造成严重污染,使功率因数降低。
3·2电力系统的非线性
在电力电子装置大量使用前,电力系统中主要谐波源是发电机和电力变压器。发电机是公用电网的电源,在实际运行中,由于多种原因使发电机的感应电动势不是理想的正弦波(其输出电压中含有一定的谐波)。变压器谐波电流是由励磁回路的非线性引起。产生谐波电流的大小与变压器的铁心结构、铁心饱和程度及变压器的连接方式有关。
3·3电力系统故障
电力系统运行的各种故障也会造成电能质量问题。雷击、误操作、电网故障、短路故障时发电机及励磁系统工作状态的改变、保护装置中电力电子设备的启动等均会造成各种电能质量问题
4电能质量的检测
电能质量检测是解决电能质量问题的重要环节节,电能质量检测技术是实现系统事件和事故的在线分析与电能质量控制的基本条件,是保证电力系统安全、可靠、经济和优质运行的技术支撑。电能质量的检测内容与方式：检测内容(对于大型的电能质量而言)主要包括以下5个方面: (1)公用电网公共供电点的电能质量监测; (2)干扰负荷测试与评估; (3)电能质量纠纷测试; (4)电力设备电磁兼容测试;(5)电能质量控制装置对电能质量改善效果的测试和评估。对于常规的电能质量测试主要是前两方面,主要测试项目包括:频率偏差,谐波电压,谐波电流,电压偏差,三相不平衡度,电压波动与闪变等电能质量参数。检测的方式可以分为连续监测、定期或不定期监测和专门测量。
5电能质量的改善
如何改善电能质量一直是各国专家和学者关注的一个热点问题。传统的方法主要有加装并联电容器、有载调压变压器、静止补偿器、同步调相机等,但不能完全解决电能质量问题。近年来,随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展,利用高性能的电力电子装置改善电能质量成为可能。最常用的是PWM功率变换器(包括电压型和电流型),利用不同的控制方法对PWM功率变换器进行控制,可以改善电能质量。
5·1有源电力滤波器
虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点(广泛用于配电网中),但由于滤波器特性受系统参数影响大,只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用,甚至发生谐振。随着电力电子技术的发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(APF)。APF利用功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为0,达到实时补偿谐波电流的目的。APF不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,在性价比上较为合理。滤波特性不受系统阻抗等影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。APF具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化的谐波,具有高度可控和快速响应等特点。5·2静止无功发生器
静止无功发生器SVG是利用PWM功率变换器通过一定的控制策略来进行无功补偿(分为电压源型和电流源型)。由于运行效率和控制难易程度的原因,目前投入使用的SVG大都是电压源型。SVG的控制方法分为间接控制和直接控制。间接控制是根据电网吸收的无功电流计算稳态情况下桥式电路应输出的电压,通过PWM技术实现(通过控制电压起到控制电流的目的)。直接控制是根据电网吸收的无功电流直接通过一定的电流控制技术来实现。
5·3统一电能质量补偿器
統一电能质量补偿器UPQC包含2个有源电力滤波器(APF)。APF1将电源和负载隔离,阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网,对基波表现为零阻抗,对谐波表现为高阻抗;APF2提供一个零阻抗的谐波支路,对基波表现为很大的阻抗,对谐波表现为低阻抗,把负载中的谐波电流吸收掉,使负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压。
5·4PWM整流器
以上方法是从补偿的角度来改善电能质量。还有一种方法是改进电网中的污染源,使其不对电网产生污染。要对污染源进行改进,首先应考虑对整流器的改进,即所谓的功率因数矫正技术PFC。PFC技术利用一定的控制策略,控制整流器交流侧的电流和电压同相,从而消除整流器对电网的谐波和无功污染。目前,单相PFC技术比较成熟,而三相PFC技术仍处于研究阶段。越来越多的应用场合要求能量双向流动,及时将能量返回电网以节约能源。在各种PFC电路结构中, PWM整流器因其能实现双向流动而备受关注。
6 结语
在国家电力公司内进行电能质量控制技术的研究开发是非常必要的。提高供电网的电能质量已经成为我国电力系统优质、高效发展必不可少的组成部分。如何不断的完善电能质量控制技术，使电网能够更好的服务用户，提供更加坚实的基础，将是我们不断研究和努力探索的方向。
参考文献
[1]李国强.如何改善电能质量[M]中国电力网, 2008.
[2]白晓民,周孝信.电力系统节能与电能质量[J]节电技术与绿色能源, 2007,
[3]郭育生.影响电能质量的因素及改善方法[J]江西电力职业技术学院学报, 2007
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:电能质量;指标;检测;改善措施
0前言
电能是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。随着时代的进步与科技的飞速发展,现代电网与负荷构成出现新的变化趋势,由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视，如何更好的控制电能质量，具有很强的现实意义。
1 电能质量的内涵
电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。根据这一定义,现代电能质量除了保证额定电压和额定功率下的正弦波形外,还包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相比平衡、波形畸变、所有电压瞬变现象,如冲击脉冲、電压下跌、瞬间中断及供电连续性等。电能质量的内涵包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量四个方面的内容。电压质量是以实际电压与理想电压的偏差,反映供电部门向用户供应的电能是否合格;电流质量是反映与电压质量有紧密关系的电流的变化,是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外,还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因数
运行;供电质量包括技术含义(有电压质量和供电可靠性)和非技术含义(是服务质量,它包括供
电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的透明度等);用电质量包括电流质量和非技术含义,它反映公用双方相互作用与影响中用电方的责任和义务。
2电能质量的指标
电能质量指标的确定是质量、安全、经济三方面综合优化的结果,根据实际的运行经验和相关标准的规定,供配电系统中影响电能质量的重要因素主要包括电压偏差、电压波动和闪变、频率偏差、三相电压不平衡及暂时过电压和瞬态过电压。
2.1电压偏差
电压偏差的定义为实际电压偏离额定电压的百分比。造成电网电压偏差的最主要原因是无功
功率的传输,它是由于电网中的用户负荷变化或电力系统运行方式的改变,使加到用电设备的电压偏离其额定电压。电压偏差是指电力系统在正常运行条件下,供电电压对额定电压的偏离程度:
《电能质量供电电压允许偏差》(GB12325—2003)对电压偏差的限值规定为35 kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过10%; 10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%;单相供电电压允许偏差为+7% ~-10%。
2.2电压波动和闪变
电压波动即电压方均根植(有效值)一系列的变动或连续的改变;闪变即灯光照度不稳定造成的视感。电压波动与闪变主要是由冲击性功率负荷(如电力牵引机、炼钢电弧炉、电弧焊机和轧钢机等)引起的。这些非线性、不平衡冲击性负荷产生的有功和无功功率会随机或者周期性的变动,有功和无功的剧烈变化将会使电压产生周期性或随机的变化,从而使同一电网上其他用户电压以相同的方式波动。电压波动对诸如调速电机、计算机、PLC、芯片制造生产流程线这些对电压质量要求很高的敏感性负荷影响巨大,造成的经济损失也不容忽视。电压闪变超过限度值使照明负荷无法正常工作,损害工作人员身体健康。
2.3频率偏差
频率偏差的定义为系统频率的实际值与标称值之差。产生频率偏差的主要原因是发电机的有
功输出和有功负荷不平衡。频率的变化对电力系统中的汽轮机、电动机、电气设备正常运行影响很大,严重时会引起灾难性事故发生。
2.4谐波
谐波即对周期性变流量进行傅里叶级数分解,得到频率大于1的整数倍极薄频率的分量。它是由电网中非线性负荷产生,例如可硅控整流装置,电弧设备、电气化机车、变压器等都是高次谐波的电流源,它们接入电网后将使系统母线电压畸变。高次谐波会使发电机端电压波形产生畸变,从而影响供电电压质量;谐波会引起供电线路损耗增加,损坏电气设备、降低供电可靠性,还会干扰和破坏控制、测量、保护、通讯和家用电器的正常工作,谐波还加快旋转电机、变压器、电容器、电缆等电器元件中绝缘介质的电离过程,使其发热绝缘老化寿命降低。间谐波是指非整数倍基波频率的谐波,这类谐波可以是离散频谱的或连续频谱的,但其危害等同于整数次谐波电压,其抑制与消除却比整数次谐波困难得多,间谐波电压是由较大的波动或冲击性非线性负荷引起的。
2.5三相电压不平衡
电压不平衡的定义是三相电压在幅值上不同或相位差不是120°或兼而有之,不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡的程度,用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根植百分比表示。造成三相不平衡的主要原因有2类:一类是大容量非对称负荷的接入,如电力机车、炼钢电弧炉等;另一类是电网的谐波造成的三相不平衡。除此之外,系统故障,例如,短路故障也会造成三相不平衡。三相不平衡问题对整个电网的安全运行都会产生不良影响。
2.6暂时过电压和瞬态过电压
按过电压的波形特点分为暂时过电压和瞬态过电压两大类,因为过电压的波形、幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响。暂时过电压的定义是在给定安装点上持续时间较长的不衰减或弱衰减的(以工频或其一定的倍数、分数)振荡的过电压。瞬态过电压的定义是持续时间数毫秒或更短,通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电压,它可以叠加于暂时过电压上，造成暂时过电压和瞬态过电压的重要原因是由于开关操作或雷击等引起的。
3电能质量问题产生主要原因
随着系统中非线性负荷的不断增加,电力系统受到的谐波污染也越来越严重,加上电力系统可能出现的各种故障,均会影响系统的电能质量。
3·1非线性负载
在工业和生活用电负载中非线性负载占很大比例,也是电力系统谐波的主要来源。荧光灯和电弧炉是主要的非线性负载。电弧炉的谐波主要由起弧的延时和电弧的严重非线性引起。电弧长度的不稳定性和随机性,使电流谐波频谱复杂,而且随时间会有明显的变化。大功率整流或变频装置等也属非线性负载,会产生严重的谐波电流,对电网造成严重污染,使功率因数降低。
3·2电力系统的非线性
在电力电子装置大量使用前,电力系统中主要谐波源是发电机和电力变压器。发电机是公用电网的电源,在实际运行中,由于多种原因使发电机的感应电动势不是理想的正弦波(其输出电压中含有一定的谐波)。变压器谐波电流是由励磁回路的非线性引起。产生谐波电流的大小与变压器的铁心结构、铁心饱和程度及变压器的连接方式有关。
3·3电力系统故障
电力系统运行的各种故障也会造成电能质量问题。雷击、误操作、电网故障、短路故障时发电机及励磁系统工作状态的改变、保护装置中电力电子设备的启动等均会造成各种电能质量问题
4电能质量的检测
电能质量检测是解决电能质量问题的重要环节节,电能质量检测技术是实现系统事件和事故的在线分析与电能质量控制的基本条件,是保证电力系统安全、可靠、经济和优质运行的技术支撑。电能质量的检测内容与方式：检测内容(对于大型的电能质量而言)主要包括以下5个方面: (1)公用电网公共供电点的电能质量监测; (2)干扰负荷测试与评估; (3)电能质量纠纷测试; (4)电力设备电磁兼容测试;(5)电能质量控制装置对电能质量改善效果的测试和评估。对于常规的电能质量测试主要是前两方面,主要测试项目包括:频率偏差,谐波电压,谐波电流,电压偏差,三相不平衡度,电压波动与闪变等电能质量参数。检测的方式可以分为连续监测、定期或不定期监测和专门测量。
5电能质量的改善
如何改善电能质量一直是各国专家和学者关注的一个热点问题。传统的方法主要有加装并联电容器、有载调压变压器、静止补偿器、同步调相机等,但不能完全解决电能质量问题。近年来,随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展,利用高性能的电力电子装置改善电能质量成为可能。最常用的是PWM功率变换器(包括电压型和电流型),利用不同的控制方法对PWM功率变换器进行控制,可以改善电能质量。
5·1有源电力滤波器
虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点(广泛用于配电网中),但由于滤波器特性受系统参数影响大,只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用,甚至发生谐振。随着电力电子技术的发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(APF)。APF利用功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为0,达到实时补偿谐波电流的目的。APF不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,在性价比上较为合理。滤波特性不受系统阻抗等影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。APF具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化的谐波,具有高度可控和快速响应等特点。5·2静止无功发生器
静止无功发生器SVG是利用PWM功率变换器通过一定的控制策略来进行无功补偿(分为电压源型和电流源型)。由于运行效率和控制难易程度的原因,目前投入使用的SVG大都是电压源型。SVG的控制方法分为间接控制和直接控制。间接控制是根据电网吸收的无功电流计算稳态情况下桥式电路应输出的电压,通过PWM技术实现(通过控制电压起到控制电流的目的)。直接控制是根据电网吸收的无功电流直接通过一定的电流控制技术来实现。
5·3统一电能质量补偿器
統一电能质量补偿器UPQC包含2个有源电力滤波器(APF)。APF1将电源和负载隔离,阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网,对基波表现为零阻抗,对谐波表现为高阻抗;APF2提供一个零阻抗的谐波支路,对基波表现为很大的阻抗,对谐波表现为低阻抗,把负载中的谐波电流吸收掉,使负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压。
5·4PWM整流器
以上方法是从补偿的角度来改善电能质量。还有一种方法是改进电网中的污染源,使其不对电网产生污染。要对污染源进行改进,首先应考虑对整流器的改进,即所谓的功率因数矫正技术PFC。PFC技术利用一定的控制策略,控制整流器交流侧的电流和电压同相,从而消除整流器对电网的谐波和无功污染。目前,单相PFC技术比较成熟,而三相PFC技术仍处于研究阶段。越来越多的应用场合要求能量双向流动,及时将能量返回电网以节约能源。在各种PFC电路结构中, PWM整流器因其能实现双向流动而备受关注。
6 结语
在国家电力公司内进行电能质量控制技术的研究开发是非常必要的。提高供电网的电能质量已经成为我国电力系统优质、高效发展必不可少的组成部分。如何不断的完善电能质量控制技术，使电网能够更好的服务用户，提供更加坚实的基础，将是我们不断研究和努力探索的方向。
参考文献
[1]李国强.如何改善电能质量[M]中国电力网, 2008.
[2]白晓民,周孝信.电力系统节能与电能质量[J]节电技术与绿色能源, 2007,
[3]郭育生.影响电能质量的因素及改善方法[J]江西电力职业技术学院学报, 2007
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。