1、輸變電過程中電能質量的影響因素與控制方法 摘要 電能質量包括四個方面的相關術語和概念。文 章探討輸變電過程中電能質量問題的產生及影響因素，進而 闡述電能質量問題的控制策略與技術。 關鍵詞 電能質量；質量標準； SVC 裝置；無源濾波裝 置；有源濾波器；系統化綜合補償 作者簡介 梁萌，新余市贛西供電公司，研究方向：變 電運行，江西新余， 338025中圖分類號 TM714.3 文獻標識碼 A 文章編 號10077723(2021)1101320003電能質量包括電壓質量 (Voltagequality) 、電流質量、供 電質量 (qualityofsupply) 等相關術語和概念，包含技術含義和

2、 非技術含義兩個方面：技術含義有電壓質量和供電可靠性。 非技術含義是指效勞質量 (qualityofservice) ，包括供電企業對 用戶投訴的反響速度和電力價格等；用電質量 (qualityofconsumptionI) 包括電流質量和非技術含義，如用戶 是否按時、如數繳納電費等。一般地說，電能質量的定義是：導致用戶設備故障或不 能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。隨著基于計算機系統 的控制設備與電子裝置的廣泛應用，電力系統中用電負荷結 構發生改變，尤其是變配電過程中對電能也會造成沖擊和破 壞；另外，筆者所在的江西新余是江西省的重要鋼鐵基地， 變頻裝置、電弧爐煉鋼、電氣化鐵道等非線性、沖擊性

3、負荷 對電能質量也會造成很大破壞；而電能作為商品，人們會對 電能質量提出更高的要求，電能質量已逐漸成為全社會共同 關注的問題。所以有必要對其相關指標與改善措施作討論和 分析。一、輸變電過程中可能出現的電能質量問題隨著電力系統規模的不斷擴大，輸變電過程中電能質量 問題的產生主要有以下幾個原因。一電力系統元件存在的非線性問題 電力系統元件的非線性問題主要包括：發電機產生的諧 波；變壓器產生的諧波； 直流輸電產生的諧波； 輸電線路 特 別是超高壓輸電線路 對諧波的放大作用。 此外， 還有變電站 并聯電容器補償裝置等因素對諧波的影響。其中，直流輸電 是目前電力系統最大的諧波源。二非線性負荷 大功率整流

4、或變頻裝置也會產生嚴重的諧波電流，對電能質量造成嚴重影響，同時也使功率因數降低。在工業和生 活用電負載中，非線性負載占很大比例，這是電力系統諧波 問題的主要來源。電弧爐 包括交流電弧爐和直流電弧爐是主要的非線性負載，它的諧波主要是由起弧的時延和電弧的 嚴重非線性引起的。居民生活用電負荷中，熒光燈的伏安特 性是嚴重非線性的，也會引起嚴重的諧波電流，其中 3 次諧 波的含量最高。三電力系統故障 電力系統運行的內外故障也會造成電能質量問題，如各 種短路故障、自然現象災害、人為誤操作、電網故障時發電 機及勵磁系統的工作狀態的改變、故障保護裝置中的電力電 子設備的啟動等，都會造成各種電能質量問題。二、電

5、能質量標準綜合新公布的電磁兼容國家標準和興旺國家的相關標 準，中低壓電能質量標準分 5大類 13 個指標。1頻率偏差：包括在互聯電網和孤立電網中的兩種。2電壓幅值：慢速電壓變化 即電壓偏差 ；快速電壓變 化電壓波動和閃變 ；電壓暫降 是由于系統故障或干擾造成 用戶電壓短時間10ms1min內下降到90%的額定值以下，然后又恢復到正常水平，會使用戶的次品率增大或生產停頓；短時斷電 又稱電壓中斷 ，是由于系統故障跳閘后造成 用戶電壓完全喪失 3min ，電壓中斷使用戶生產停頓， 甚至混 亂；長時斷電；暫時工頻過電壓；瞬態過電壓。3電壓不平衡。4電壓波形：諧波電壓；間諧波電壓 由較大的波動或 沖擊性

6、非線性負荷引起，如大功率的交一交變頻，間諧波的 頻率不是工頻的整數倍，但其危害等同于整數次諧波。5信號電壓 在電力傳輸線上的高頻信號，用于通信和 控制。三、輸變電過程中電能質量問題的控制策略與技術一做好電能質量問題的控制的根底性工作可以大大降 低電能質量的問題首先要掌握供電網絡運行狀態，對電能質量開展實時監 測，以掌握其動態；其次是分析診斷其變化，即在詳細分析 電能質量數據的根底上，利用仿真軟件對電網結構的固有諧 振特性進行計算與分析，排除虛假的諧波干擾；再次是開展 系統的合理設計和改造。變電站的設計和投運以及新的電力 用戶投運之前都要進行諧波源負荷及電能質量要求等方面 的技術咨詢，線路網絡改

7、造和建設也要結合運行負荷的特點 和措施，以降低線損，降低設備損失事故。最后是開展濾波 裝置或無功補償裝置的研制、調試和現場測試，以了解治理 后的效果，并總結經驗。二 可以用 SVC 裝置保持系統電壓的恒定 近些年來開展起來的 SVC 裝置是一種快速調節無功功 率的裝置，已成功地運用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道 等沖擊性負荷的補償，它可使所需無功功率作隨機調整，從 而保持在非線性、沖擊性負荷連接點的系統電壓水平的恒 定。Qi=QD+QL-Qc 1式1中 Qi、QD、QL、Qc 分別為：系統公共連接點的 無功功率、負荷所需的無功功率、可調可控 電抗器吸收的無功功率、 電容器補償裝置發出的無功功率

8、， 單位均為 kvar。當負荷產生沖擊無功 QD時，將引起 Qi= QD+ QL+ Qc 2其中 Qc=0，欲保持厶QC不變，即 Qi=0，那么厶QD=- QL，即SVC裝置中感性無功功率隨沖擊負荷無功功率作 隨機調整，此時電壓水平能保持恒定不變。SVC 由可控支路和固定 或可變 電容器支路并聯而成， 主要有四種型式：1、可控硅閥控制空芯電抗器型 稱TCR型SVC :它用 可控硅閥控制線性電抗器實珊陜速連續的無功功率調節，具 有反響時間快520ms、運行可靠、無級補償、分相調節、 能平衡有功、適用范圍廣、價格廉價等優點。 TCR 裝置還能 實現分相控制，有較好的抑制不對稱負荷的能力，因而在電

9、弧爐系統中采用最廣泛。這種裝置采用了先進的電子和光導 纖維技術，對維護人員要專門培訓提高維護水平。2、 可控硅閥控制高阻抗變壓器型TCT 型 ：其優點與 TCR 型差不多，但高阻抗變壓器制造復雜， 諧波分量也略大 一些。由于有油，要求一級防火，只宜布置在一層平面或戶 外，容量在 30Mvar 以上時價格較貴，不能得到廣泛采用。3、可控硅開關控制電容器型 TSC:分相調節、直接補 償、裝置本身不產生諧波、損耗小，但是它是有級調節，綜 合價格比擬高。4、自飽和電抗器型 SSR 型:維護較簡單、運行可靠、 過載能力強、響應速度快、降低閃變效果好，但其噪音大、 原材料消耗大，補償不對稱電爐 負荷自身產

10、生較大諧波 電流，無平衡有功負荷的能力。三可以用無源濾波裝置來抑制高次諧波 該裝置由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元 件組成，以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以 到達抑制高次諧波的作用； 由于 SVC 的調節范圍要由感性區 擴大到容性區，所以濾波器與動態控制的電抗器一起并聯。 這樣既滿足無功補償、改善功率因數，又能消除高次諧波的 影響。國際上廣泛使用的濾波器種類有：各階次單調諧濾波 器、雙調諧濾波器、 二階寬頗帶與三階寬頻帶高通濾波器等。1、單調諧濾波器：一階單調諧濾波器的優點是濾波效 果好，結構簡單；缺點是電能損耗比擬大。且隨著品質因數 的提高而減少，同時又隨諧波次數的減少

11、而增加，而電爐正 好是低次諧波，主要是 27次，因此，基波損耗較大。二 階單調諧濾波器當品質因數在 50 以下時，基波損耗可減少 20 50，屬節能型，濾波效果等效。三階單調諧濾波器 是損耗最小的濾波器，但組成復雜些，投資也高些。用于電 弧爐系統中， 2 次濾波器選用三階濾波器為好，其他次選用 二階單調諧濾波器。2、高通寬頻帶 濾波器，一般用于某次及以上次的諧波 抑制。當在電弧爐等非線性負荷系統中采用時，對 5 次以上 起濾波作用時，通過參數調整，可形成該濾波器回路對 5 次 及以上次諧波的低阻抗通路。四 可以用有源濾波器抑制閃變，補償無功功率 雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護

12、 方便等優點，在現階段廣泛用于配電網中。但由于濾波器特 性受系統參數影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些 次諧波會產生放大作用，甚至諧振現象等因素。隨著電力電 子技術的開展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器 Active Power Fliter ，縮寫為 APF 。APF 即利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波 源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為 零，到達實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比， 有以下特點：1、不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功功 率，有一機多能的特點，在性價比上較為合理。2、濾波特性不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻 抗發生諧振

13、的危險。3、具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波， 即具有高度可控性和快速響應性等特點。目前主要配置晶閘 管控制電抗器和晶閘管投切電容器等靜止無功補償設備，其 調節速度可到達 100ms 以下。通過測試可看到：五系統化綜合補償技術可以解決電能質量問題的“治 本途徑近段時間提出的系統化綜合補償技術是解決電能質量 問題的“治本途徑。對于穩態時的電壓質量問題有許多成熟的措施加以解決；但對于動態電能質量問題，依靠傳統的 無功補償和常規的濾波裝置那么不能有效地解決。因為諸如電 壓跌落(sags)、浪涌(surge)、電壓脈沖(impulse)與瞬時供電中 斷(outage)這類電能質量問題持續的時

14、間很短、變化很快，并且有的電能質量問題還伴隨著局部甚至全部的有功損失等 情形。作為FACTS(基于電力電子技術的靈活交流輸電系統)技術與配電系統應用的延伸一一 DFACTS技術(Y-稱 Custompower 技術 )已成為改善電能質量的有力工具。 該技術 的核心器件IGCT，它比GTO具有更快的開關頻率，并且關 斷容量已到達一定規模， 因此 DFACTS 裝置具有更快的響應 特性。目前 DFACTS 裝置主要有：動態電壓恢復器 (DVR) 、 配電系統用靜止無功補償器 (D-STATCOM) 、固態切換開關 (SSTS)等。STATCOM 在 SVC 裝置根底上， 克服了由于呈恒阻抗特 性，

15、使得在電壓低時無法提供所需的無功支持，應付突發事 件的能力較弱， 而且占地面積大， 過多的 SVC 易引發系統振 蕩的弊端。 STAT-COM 的無功電流輸出可在很大電壓變化范 圍內恒定，在電壓低時仍能提供較強的無功支撐，并且可從 感性到容性全范圍內連續調節，使得其無功輸出相當于同容 量SVC的2倍；因STATCOM的靈活調壓，還可以大 大減少變壓器分接頭的切換次數，從而減少分接頭故障次數。另外， STAT-COM 還可以抑制電壓閃變，提高系統暫態 穩定水平。結合我國的國情和已有的技術，開展 STAT-COM 應是解決我國電壓穩定問題的有效手段，并且也是 DFACTS 技術開展的主要方向。DVR 那么是目前保證對敏感負荷供電質量非常有效的串 聯補償裝置，因為它通過自身的儲能單元，能在 ms 級內將 電壓跌落補償至正常值，因此是抑制動態電壓干擾的有效補 償裝置。它主要由儲能單元、 DC AC 逆變器模塊、連接變 壓器等局部組成。儲能容量可根據用戶電壓跌落統計數據確 定，逆變器的模塊一般采用由 IGBT 構成三相全橋結構，采 用 PWM 調制方式，這種結構控制靈活，便于分相補償。因 而 DVR 與消除電壓跌落，提高大型綜合性敏感工業負荷的 供電質量方面有顯著的效果。SSTS 一般與 D-STATCOM 配合使用，用于保障由多回 獨立饋線對重要負荷的供電質量。當饋線發生故障或電壓