發(fā)電廠電能質(zhì)量控制的問(wèn)題探討

周敬森，劉 璐

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072）

1 電能質(zhì)量綜述

1.1 電能質(zhì)量問(wèn)題的提出

電能質(zhì)量的改善對(duì)于電網(wǎng)與電氣設(shè)備的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量與科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及人民生活和生產(chǎn)的正常進(jìn)行等都有著極其重要的意義。電能的質(zhì)量直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。因此，電能質(zhì)量問(wèn)題很早就已提出，但早期對(duì)電能質(zhì)量認(rèn)識(shí)很簡(jiǎn)單，局限在保持電網(wǎng)頻率和電壓程度上。近些年來(lái)，隨著新型電力負(fù)荷快速發(fā)展，以及用電戶對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，電能質(zhì)量逐步成為電力企業(yè)領(lǐng)域的前沿性課題，已成為電力用戶最關(guān)心的問(wèn)題。

（1）當(dāng)前用電設(shè)備與裝置都帶有基于微處理機(jī)的控制器和功率電子器件，電磁干擾對(duì)它們的影響比較大，這就要求電廠生產(chǎn)的電能質(zhì)量更高。

（2）一些高效率電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)、為降低損耗和校正功率因數(shù)而采用的并聯(lián)電容補(bǔ)償器、大量的用戶電子設(shè)備的使用會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)諧波污染，會(huì)使供電電壓干擾水平加重，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)危害，這就要求電力系統(tǒng)運(yùn)行總效率必須不斷提高。

（3）供電間斷、電壓凹陷、電路通斷引起的暫態(tài)現(xiàn)象等實(shí)際問(wèn)題給高效生產(chǎn)流程的用電設(shè)備正常運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重危害，越來(lái)越多的用戶對(duì)電力部門(mén)提出了高質(zhì)量供電的請(qǐng)求，甚至有一些通過(guò)簽訂供電合同和質(zhì)量協(xié)議的方式來(lái)加以保障。

（4）電力網(wǎng)的各個(gè)組成部分是相互聯(lián)系，密不可分的。因此，綜合協(xié)調(diào)處理至關(guān)重要。一個(gè)局部的故障或事件都有可能造成大面積的影響或重大損失，這就要求供電部門(mén)避免遭受來(lái)自用電設(shè)備產(chǎn)生的電力干擾。維護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行已經(jīng)成為一項(xiàng)系統(tǒng)工程問(wèn)題。

1.2 改善電能質(zhì)量的意義

電能質(zhì)量的好壞直接影響電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電能質(zhì)量穩(wěn)定可靠是工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的保障，對(duì)降低能耗及人類生活環(huán)境等產(chǎn)生重要影響。在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的一些精密儀器設(shè)備，復(fù)雜的控制系統(tǒng)和工藝流程，都對(duì)電能質(zhì)量有了更高的要求，電能質(zhì)量關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。

電網(wǎng)的主要用電設(shè)備之一是電動(dòng)機(jī)，大約占總負(fù)荷的60%以上。如果出現(xiàn)電網(wǎng)電壓和頻率的偏差、諧波含量、三相電壓不平衡以及電壓波動(dòng)和閃變等現(xiàn)象，將直接影響電動(dòng)機(jī)的輸出力矩，給生產(chǎn)工效和產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。譬如電動(dòng)機(jī)機(jī)軸端負(fù)荷恒定時(shí)，電壓減少10%，則滑差約增大0.6%；電網(wǎng)電壓如果降低10%～15%時(shí)，很多電動(dòng)機(jī)將失去穩(wěn)定性。紡織機(jī)、造紙機(jī)等一些復(fù)雜的生產(chǎn)機(jī)組對(duì)頻率穩(wěn)定要求較高，如果頻率變化較大，便可能出廢品，或造成設(shè)備損害。

電網(wǎng)中的諧波含量增加，會(huì)造成電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大。高次諧波對(duì)電容器損害很大，當(dāng)電容器兩端的電壓含有高次諧波時(shí)，電容器會(huì)對(duì)高次諧波的阻抗隨頻率的增大而減小，造成諧波電流增大。這樣電容器不能正常運(yùn)行或長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷，甚至有爆炸的危險(xiǎn)。諧波還有可能發(fā)生諧振，引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)、或使儀表指示和電能計(jì)量不準(zhǔn)、干擾通訊等一系列問(wèn)題。

電網(wǎng)如果三相電壓不平衡，則會(huì)引起電機(jī)附加振動(dòng)力矩和發(fā)熱。譬如負(fù)序電壓含量為4%，由于發(fā)熱其絕緣壽命縮短約一半。如果某相電壓高于額定值，則其絕緣壽命縮短更嚴(yán)重。一些保護(hù)會(huì)因負(fù)序和諧波的干擾而發(fā)生動(dòng)作。

電網(wǎng)電壓的快速波動(dòng)能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，危及電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，影響一些產(chǎn)品的質(zhì)量，還能引起照明的閃變，使人眼疲勞而降低工效等危害。

2 電能質(zhì)量控制分析

2.1 衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)

電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個(gè)方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義。由于所處立場(chǎng)不同，關(guān)注電能質(zhì)量的角度也不一樣，人們對(duì)電能質(zhì)量的定義目前還未能形成共識(shí)，但是對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)都有較為一致的認(rèn)識(shí)。

（1）電壓偏差，又稱電壓偏移，指供配電系統(tǒng)改變運(yùn)行方式和負(fù)荷緩慢地變化使供配電系統(tǒng)各點(diǎn)的電壓也隨之變化，各點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)的額定電壓之差稱為電壓偏差。一般指電壓跌落和電壓上升的總稱。

（2）頻率偏差。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差，公式為：頻率偏差＝實(shí)際頻率－標(biāo)稱頻率。我國(guó)電力系統(tǒng)的正常頻率偏差允許值為±0.2 Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，頻率偏差值可以放寬到±0.5 Hz；系統(tǒng)有功功率不平衡是產(chǎn)生頻率偏差的根本原因。

（3）電壓三相不平衡，是指在電力系統(tǒng)中三相電流（或電壓）幅值不一致，表現(xiàn)為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）諧波和間諧波。含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。含有基波非整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分?jǐn)?shù)次諧波也屬于間諧波。

（5）電壓波動(dòng)和閃變。電壓波動(dòng)是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓有規(guī)則變動(dòng)，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機(jī)變化。閃變則是指電壓波動(dòng)對(duì)照明燈的視覺(jué)影響。

2.2 影響電能質(zhì)量的因素

影響電能質(zhì)量的因素有：

（1）自然現(xiàn)象的因素造成。如雷擊、風(fēng)暴、雨雪等對(duì)電能質(zhì)量的影響，使電網(wǎng)發(fā)生事故，造成供電網(wǎng)絡(luò)可靠性降低。

（2）電力負(fù)荷構(gòu)成的變化。在用電大戶中，節(jié)能裝置、變頻設(shè)備等大規(guī)模電力電子應(yīng)用裝置、大功率的電力拖動(dòng)設(shè)備、直流輸出裝置、化工、冶金企業(yè)的整流電化工業(yè)設(shè)備、電氣化鐵路、交、直流煉鋼電弧爐、軋機(jī)、提升機(jī)、電石機(jī)、感應(yīng)加熱爐等電氣設(shè)備構(gòu)成電力系統(tǒng)負(fù)荷變化，讓電網(wǎng)產(chǎn)生大量的諧波干擾、電壓擾動(dòng)、電壓波動(dòng)與閃變等非線性負(fù)荷。

（3）大量諧波注入電網(wǎng)。諧波的定義是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，其大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。諧波能降低系統(tǒng)容量如變壓器、斷路器、電纜等，加速設(shè)備老化，縮短設(shè)備使用壽命，甚至損壞設(shè)備等。而含有非線性、沖擊性負(fù)荷的新型電力設(shè)備在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)，都不可避免地產(chǎn)生非正弦波形電流，注入電網(wǎng)，使公共連接點(diǎn)（PCC）的電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，造成負(fù)荷波動(dòng)性和沖擊性，從而導(dǎo)致電壓波動(dòng)，瞬時(shí)脈沖等現(xiàn)象。

（4）在企業(yè)中，電力設(shè)備及裝置的自動(dòng)保護(hù)和正常運(yùn)行、大型電力設(shè)備的啟動(dòng)和停運(yùn)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)的跳閘及重合等現(xiàn)象都對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，使額定電壓暫時(shí)降低、產(chǎn)生電壓波動(dòng)與閃變。

3 提高電能質(zhì)量的措施

伴隨我國(guó)電力工業(yè)的快速發(fā)展、技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，以及節(jié)能減排政策的深入推進(jìn)和智能電網(wǎng)建設(shè)速度的逐漸加快，電能質(zhì)量改善措施及節(jié)能控制產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模將迅速擴(kuò)大。電能質(zhì)量控制常用技術(shù)措施如下：

（1）中樞調(diào)壓

用戶希望用電的電壓偏差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，避免給設(shè)備帶來(lái)危害，但由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷眾多，對(duì)每個(gè)用電設(shè)備的電壓都進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整，不可能做到也無(wú)必要。電力系統(tǒng)可采取一系列調(diào)壓手段和方法來(lái)減少電壓偏差。一般電力系統(tǒng)電壓的監(jiān)視和調(diào)整可以通過(guò)對(duì)中樞點(diǎn)電壓的監(jiān)視和調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。中樞點(diǎn)就是指電力系統(tǒng)可以反映系統(tǒng)電壓水平的主要發(fā)電廠和變電站的母線，很多負(fù)荷都由這些母線供電。如果控制了這些中樞點(diǎn)的電壓偏差，也就控制了系統(tǒng)中大部分負(fù)荷的電壓偏差。此外，除了對(duì)中樞點(diǎn)進(jìn)行調(diào)壓，還可以進(jìn)行發(fā)電機(jī)調(diào)壓、調(diào)壓器調(diào)壓等。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，從而提高電能質(zhì)量。

（2）諧波的抑制方法

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，采取相應(yīng)措施加以抑制減少其危害，這就是諧波抑制。解決電能諧波的污染和干擾有很多行之有效的解決方法，但概括起來(lái)主要有以下方法：

一是增加換流裝置的相數(shù)。換流裝置是供電系統(tǒng)產(chǎn)生的主要諧波源之一，換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk（p為整流相數(shù)或脈動(dòng)數(shù)，k為正整數(shù)）。當(dāng)脈動(dòng)數(shù)由p＝6增加到p＝12時(shí)，可以有效地消除幅值較大的低頻項(xiàng)（其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k），從而大大地降低了諧波電流的有效值。

二是在電網(wǎng)系統(tǒng)中增加動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，使供電系統(tǒng)承受諧波的能力增強(qiáng)。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析允許的情況下，可以在諧波源處裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置：靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置或更先進(jìn)的靜止同步補(bǔ)償裝置，這樣可以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無(wú)功需求，從而改善功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波、減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中增加交流濾波裝置。這種交流濾波裝置在諧波源附近能吸收諧波電流，大大降低連結(jié)點(diǎn)的諧波電壓，是防止諧波污染的一種有效措施。濾波裝置一般由R、L、C等元件組成串聯(lián)諧振電路，利用其串聯(lián)諧振時(shí)阻抗最小的特性，消除高次諧波。

四是改變電容器的串聯(lián)電抗器，防止電容器對(duì)諧波的放大。在電網(wǎng)中，一些并聯(lián)電容器組雖然能起到改善無(wú)功功率因數(shù)的作用。但當(dāng)有諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下，這些并聯(lián)電容器會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生放大作用，危及電容器本身與附近電氣設(shè)備的安全。如果采取改變電容器的串聯(lián)電抗器，就能避免電容器對(duì)諧波的放大。

4 電力系統(tǒng)電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量提升策略

電力系統(tǒng)電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量提升策略如下：

（1）抑制電網(wǎng)電壓的閃變和波動(dòng)。包括合理地選擇變壓器、在線路出口加裝限流電抗器、配電變壓器并列運(yùn)行、采用電抗值最小的高低壓配電線路方案等方法。

（2）對(duì)電力系統(tǒng)電網(wǎng)的電能質(zhì)量實(shí)施監(jiān)測(cè)控制。電能質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)可采取連續(xù)、不定時(shí)和專項(xiàng)監(jiān)測(cè)三種方式。連續(xù)檢測(cè)適用于供電電壓偏差、非線性負(fù)荷接入點(diǎn)和電網(wǎng)中樞變電所電能質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。一般采用統(tǒng)計(jì)型電壓表。不定時(shí)檢測(cè)適用于需要掌握供電電能質(zhì)量指標(biāo)，而連續(xù)檢測(cè)不具備條件所采用的檢測(cè)方式。專線檢測(cè)適用于非線性設(shè)備接入電網(wǎng)（或擴(kuò)建、改建）前后、查找電網(wǎng)電能質(zhì)量污染源、了解某些特殊負(fù)載或用戶對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)影響等檢測(cè)方式，用以確定電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的背景狀況、電能質(zhì)量污染的實(shí)際水平、驗(yàn)證技術(shù)措施效果。一般采用電能質(zhì)量分析儀。

5 結(jié)束語(yǔ)

保障電能質(zhì)量是電力企業(yè)義不容辭的責(zé)任。發(fā)電廠應(yīng)保證供給用戶的供電質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。用戶在安全用電同時(shí)，共同對(duì)各種電能質(zhì)量問(wèn)題采取有效的措施加以抑制。

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