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)量問題的提出

電能質(zhì)量的改善對于電網(wǎng)與電氣設(shè)備的安全與經(jīng)濟運行，保障產(chǎn)品質(zhì)量與科學(xué)實驗以及人民生活和生產(chǎn)的正常進行等都有著極其重要的意義。電能的質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益。因此，電能質(zhì)量問題很早就已提出，但早期對電能質(zhì)量認識很簡單，局限在保持電網(wǎng)頻率和電壓程度上。近些年來，隨著新型電力負荷快速發(fā)展，以及用電戶對電能質(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)心的問題。

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

（2）一些高效率電機變速驅(qū)動、為降低損耗和校正功率因數(shù)而采用的并聯(lián)電容補償器、大量的用戶電子設(shè)備的使用會導(dǎo)致電網(wǎng)諧波污染，會使供電電壓干擾水平加重，給電力系統(tǒng)安全運行帶來危害，這就要求電力系統(tǒng)運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)象等實際問題給高效生產(chǎn)流程的用電設(shè)備正常運行帶來了嚴重危害，越來越多的用戶對電力部門提出了高質(zhì)量供電的請求，甚至有一些通過簽訂供電合同和質(zhì)量協(xié)議的方式來加以保障。

（4）電力網(wǎng)的各個組成部分是相互聯(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，這就要求供電部門避免遭受來自用電設(shè)備產(chǎn)生的電力干擾。維護電網(wǎng)安全運行已經(jīng)成為一項系統(tǒng)工程問題。

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)濟運行。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，都對電能質(zhì)量有了更高的要求，電能質(zhì)量關(guān)系著國民經(jīng)濟的總體效益。

電網(wǎng)的主要用電設(shè)備之一是電動機，大約占總負荷的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和閃變等現(xiàn)象，將直接影響電動機的輸出力矩，給生產(chǎn)工效和產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。譬如電動機機軸端負荷恒定時，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，很多電動機將失去穩(wěn)定性。紡織機、造紙機等一些復(fù)雜的生產(chǎn)機組對頻率穩(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，會造成電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大。高次諧波對電容器損害很大，當電容器兩端的電壓含有高次諧波時，電容器會對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行或長期過負荷，甚至有爆炸的危險。諧波還有可能發(fā)生諧振，引起繼電保護和自動裝置誤動、或使儀表指示和電能計量不準、干擾通訊等一系列問題。

電網(wǎng)如果三相電壓不平衡，則會引起電機附加振動力矩和發(fā)熱。譬如負序電壓含量為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重。一些保護會因負序和諧波的干擾而發(fā)生動作。

電網(wǎng)電壓的快速波動能使電動機轉(zhuǎn)速不均勻，危及電動機的安全運行，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

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

（1）電壓偏差，又稱電壓偏移，指供配電系統(tǒng)改變運行方式和負荷緩慢地變化使供配電系統(tǒng)各點的電壓也隨之變化，各點的實際電壓與系統(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)在正常運行條件下，系統(tǒng)頻率的實際值與標稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差，公式為：頻率偏差＝實際頻率－標稱頻率。我國電力系統(tǒng)的正常頻率偏差允許值為±0.2 Hz，當系統(tǒng)容量較小時，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規(guī)定的標準。

（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，小于基波頻率的分數(shù)次諧波也屬于間諧波。

（5）電壓波動和閃變。電壓波動是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓有規(guī)則變動，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變化。閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。

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、提升機、電石機、感應(yīng)加熱爐等電氣設(shè)備構(gòu)成電力系統(tǒng)負荷變化，讓電網(wǎng)產(chǎn)生大量的諧波干擾、電壓擾動、電壓波動與閃變等非線性負荷。

（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，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅立葉級數(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、沖擊性負荷的新型電力設(shè)備在實現(xiàn)功率控制和處理的同時，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（PCC）的電壓波形發(fā)生嚴重畸變，造成負荷波動性和沖擊性，從而導(dǎo)致電壓波動，瞬時脈沖等現(xiàn)象。

（4）在企業(yè)中，電力設(shè)備及裝置的自動保護和正常運行、大型電力設(shè)備的啟動和停運、自動開關(guān)的跳閘及重合等現(xiàn)象都對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，使額定電壓暫時降低、產(chǎn)生電壓波動與閃變。

3 提高電能質(zhì)量的措施

伴隨我國電力工業(yè)的快速發(fā)展、技術(shù)水平的不斷進步，以及節(jié)能減排政策的深入推進和智能電網(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)品的市場規(guī)模將迅速擴大。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家標準，避免給設(shè)備帶來危害，但由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負荷眾多，對每個用電設(shè)備的電壓都進行監(jiān)視和調(diào)整，不可能做到也無必要。電力系統(tǒng)可采取一系列調(diào)壓手段和方法來減少電壓偏差。一般電力系統(tǒng)電壓的監(jiān)視和調(diào)整可以通過對中樞點電壓的監(jiān)視和調(diào)整來實現(xiàn)。中樞點就是指電力系統(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，很多負荷都由這些母線供電。如果控制了這些中樞點的電壓偏差，也就控制了系統(tǒng)中大部分負荷的電壓偏差。此外，除了對中樞點進行調(diào)壓，還可以進行發(fā)電機調(diào)壓、調(diào)壓器調(diào)壓等。從而實現(xiàn)對電力系統(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載所致。當電流流經(jīng)負載時，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。諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴重的，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)或脈動數(shù)，k為正整數(shù)）。當脈動數(shù)由p＝6增加到p＝12時，可以有效地消除幅值較大的低頻項（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)中增加動態(tài)無功補償裝置，使供電系統(tǒng)承受諧波的能力增強。在技術(shù)經(jīng)濟分析允許的情況下，可以在諧波源處裝設(shè)動態(tài)無功補償裝置：靜止無功補償裝置或更先進的靜止同步補償裝置，這樣可以獲得補償負荷快速變動的無功需求，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功功率因數(shù)的作用。但當有諧波存在時，在一定的參數(shù)下，這些并聯(lián)電容器會對諧波產(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。包括合理地選擇變壓器、在線路出口加裝限流電抗器、配電變壓器并列運行、采用電抗值最小的高低壓配電線路方案等方法。

（2）對電力系統(tǒng)電網(wǎng)的電能質(zhì)量實施監(jiān)測控制。電能質(zhì)量指標檢測可采取連續(xù)、不定時和專項監(jiān)測三種方式。連續(xù)檢測適用于供電電壓偏差、非線性負荷接入點和電網(wǎng)中樞變電所電能質(zhì)量指標的實時檢測。一般采用統(tǒng)計型電壓表。不定時檢測適用于需要掌握供電電能質(zhì)量指標，而連續(xù)檢測不具備條件所采用的檢測方式。專線檢測適用于非線性設(shè)備接入電網(wǎng)（或擴建、改建）前后、查找電網(wǎng)電能質(zhì)量污染源、了解某些特殊負載或用戶對電網(wǎng)電能質(zhì)量指標影響等檢測方式，用以確定電網(wǎng)電能質(zhì)量指標的背景狀況、電能質(zhì)量污染的實際水平、驗證技術(shù)措施效果。一般采用電能質(zhì)量分析儀。

5 結(jié)束語

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)量符合國家標準。用戶在安全用電同時，共同對各種電能質(zhì)量問題采取有效的措施加以抑制。

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