电力作为一种特殊的商品,也有着自己的质量问题。随着我国电力行业的发展,用户与电力企业之间的矛盾已经逐渐从电能数量向电能质量方面转移。近年来,电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加,这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性,给公用电网供电质量造成严重污染,向公用电网注入大量的谐波,并汲取较多的无功功率,导致电网中暂态冲击、无功功率、高次谐波及三相不平衡等问题日趋严重。另一方面,现代工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感,对供电质量的要求也越来越高。电能质量越来越成为电力行业和电能用户共同关注的热点问题之一,电能质量的监测、控制和管理已成为大家关注的热门课题。

　　1 电能质量标准

　　综合国家标准和国外的相关标准,中低压电能质量有下列几方面内容。

　　1.1 常用的技术指标

　　(1)频率偏差:包括在互联电网和孤立电网两种情况;

　　(2)电压幅值:慢速电压变化(即电压偏差);快速电压变化(即电压波动和闪变);电压暂降[是指由于系统故障或干扰造成用户电压短时间(10ms～lmin)内下降到90%的额定值以下,然后又恢复到正常水平,会使用户的次品率增大或生产停顿];短时断电(又称电源中断,是由于系统故障跳闸后造成用户电源完全丧失<3min,电源中断使用户生产停顿,甚至混乱);长时断电;暂时工频过电压;瞬态过电压;

　　(3)电压不平衡;

　　(4)电压波形:谐波电压;间谐波电压(由较大的波动或冲击性非线性负荷引起,如大功率的交-交变频,间谐波的频率不是工频的整数倍,但其危害等同于整数倍谐波);

　　(5)信号电压(在电力传输线上的高频信号,用于通信和控制)。

　　我国迄今为止已颁布了6项电能质量指标的国家标准。

　　1.2 电力系统频率允许偏差

　　《电能质量 电力系统频率允许偏差》(GB/T 15945-2008)标准中规定:电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时,偏差值可以放宽到±0.5Hz。实际运行中,电力系统频率都保持在±0.1Hz的范围内,这一点在电能质量中最有保障。

　　1.3 供电电压允许偏差

　　《电能质量 供电电压允许偏差》(GB 12325-2008)标准规定了电力系统在正常运行条件下,用户受电端各电压等级的供电电压的允许偏差。该偏差是相对于系统额定电压的,而用电设备的运行指标和额定寿命也是对其额定电压而言的,电压偏差将影响其运行参数和寿命。

　　1.4 电压波动和闪变

　　《电能质量 电压波动和闪变》(GB 12326-2008)标准规定了各级电压下电压波动和闪变的限制,适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯闪明显感觉的场合。

　　电压波动(Voltage fluctuation),即电压方均根值一系列的变动或连续的改变;闪变(Flicker),即灯光照度不稳定造成的视感,是由波动负荷,如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。

　　1.5 三相电压允许不平衡度

　　《电能质量 三相电压允许不平衡度》(GB/T 15543-2008)标准规定了电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值,适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量引起的公共连接点的电压不平衡。

　　1.6 公用电网谐波

　　《电能质量 公用电网谐波》(GB/T 14549-1993)标准规定了各电压等级的总谐波畸变率、谐波电压限值及谐波电流允许值。

　　谐波(Harmonic),即对周期性变流量进行傅里叶级数分解,得到频率为基波频率大于1整数倍的分量,它是由电网中非线性负荷产生的。

　　1.7 暂时过电压和瞬态过电压

　　《电能质量 暂时过电压和瞬态过电压》(GB/T 18481-2001)标准规定了交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平,以及过电压保护方法。

　　暂时过电压和瞬态过电压是按照过电压的幅值、波形及持续时间来划分的,其中暂时过电压包括工频过电压、谐振过电压,瞬态过电压包括操作(缓波前)过电压、雷电(快波前)过电压。

　　2 电能质量现状

　　电能质量问题主要是由终端负荷引起的,例如冲击性无功负荷会使电网电压产生剧烈波动,降低供电质量。随着电力电子技术的发展,电力电子装置作为一个主要谐波污染源给电网带来的损害是无法估量的。理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化,也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起电力系统局部发生并联谐振或串联谐振,使谐波含量被放大,致使电容器等器件烧毁。

　　作为电能质量指标的电压和频率偏差,因为与电力系统密切相关,基本上由各级电力调度部门进行日常监管,这方面已制定了一些规程、导则,例如调度规程、无功和电压管理导则。谐波、电压波动和闪变以及三相不平衡度同用户的电力负荷特性的关系较密切,这三个指标难以做到实时监督,一般由试验部门定期组织测量。当电网的电能质量被干扰或污染,达不到国家相关标准时,就必须有针对性地对电网进行电能质量改善。

　　3 改善电能质量的措施

　　改善电能质量措施的研究涉及面很广。近几年在全国范围内进行的城乡电网改造工程,也是提高电能质量的重要措施。为减少频率和电压偏差,应实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制以及许多新型的调频、调压装置的开发和应用。在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面,目前基本上采用技术已经相当成熟的电网补偿技术和滤波装置,包括静止无功补偿装置、静止无功发生装置、可控串补装置、有源滤波装置等。对于电能质量的改善可以从无功补偿和滤波治理两个角度来考虑。无功缺乏可能导致系统电压降低,从而引发一系列问题;谐波污染则会破坏通讯系统的运行,并对电气设备的寿命和电力系统的运行造成威胁。

　　3.1 静止无功补偿装置(SVC)

　　近些年发展起来的静止无功补偿装置是一种快速调节无功功率的装置,这种装置利用晶闸管的开通与关断调节等效电抗和投入的电容数量,从而达到迅速调整无功补偿容量的目的,已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿,它可使所需无功功率作随机调整,从而保持在非线性、冲击性负荷连接点的电压水平的恒定。

　　静止无功补偿装置由可控支路和固定(或可变)电容器支路并联而成,主要有以下两种类型，一种是晶闸管投切电容器(TSC)，另一种是晶闸管控制电抗器(TCR)。TSC与普通电容器不同之处，在于用晶闸管代替了断路器作电容器组的投切。TCR则连续调节电抗器电流大小,使无功按要求变化。

　　(1)晶闸管投切电容器(TSC)

　　电容器组的投切开关用晶闸管取代了机械式开关,例如油断路器或真空断路器。用晶闸管开关取代普通有接点开关的优点是,在投切过程中没有冲击电流和过电压,这是由于电容器的接入是在晶闸管两端电压过零瞬间完成的,而电容器的切断是由晶闸管在电流过零时完成的。这样,电容器可以任意频繁的投切。由于与TSC相连的由一般断路器投切的电容器或电缆线路会向TSC放电,因此,在TSC的电容器电路上串联有电抗器,既可限制放电电流也能防止电容器组产生某些次谐波的谐振。

　　TSC广泛应用于低压动态无功补偿,它必须分阶调节,每次投切一组电容器。TSC不产生谐波,所以它可以独立运行,用于调压、调无功、减低电压波动。与TCR联用往往可以解决更多问题。

　　(2)晶闸管控制电抗器(TCR)

　　TCR是静止补偿装置中的重要组成部分,是动态无功补偿的第一选择,通过调节晶闸管的导通角度以改变电抗器电流。TCR通常与电容器并联使用,当系统需要较多电容时,TCR使电抗电流减小,若系统需求电容电流下降,TCR则使电抗电流加大,用电抗电流抵消电容电流,这相当于使接入系统的电容电流减小。TCR本身会产生谐波,所以,往往用滤波器代替部分并联的电容器组,也可用TSC。

　　TCR广泛用于高压大容量无功补偿,可用作电压支撑、无功潮流控制,增加系统稳定性,以及减小电压波动,可分相调节,有对称化功能,是目前连续调节的理想方法。

　　3.2 无功发生器(SVG)

　　无功发生器(SVG)是一个可以产生超前电流90°或滞后电流90°的逆变器,带有自整流充电能力。无功发生器在系统电压下降时,仍能供出额定的无功电流。但无功发生器难于应付系统的不对称,在系统电压不对称时,无功发生器会产生很大的负序电流。目前采取的方法是,在系统发生不对称时将无功发生器自动切除。无功发生器多用在系统对称而产生无功的情况,如换流站等。

　　由于电力系统中的故障多数是不对称的,这使得无功发生器能产生额定无功电流的优势不能充分发挥出来,应加大研究力度,发挥其低压性能,克服不适应不对称的特点是研究开发的重点。

　　3.3 可控串联电容补偿(TCSC)

　　串联电容补偿与并联电容补偿相比较,串联电容补偿在负荷变化时,受端的电压变化幅度小,和并联的动态补偿有相似的功能,有减小电压降和减小功角的能力。动态补偿系统阻抗参数的具体设置方法是:在串联电容器上并联一组可控电抗器,借改变晶闸管的导通角改变电感电抗值,从而改变容抗及补偿度。

　　由于可控串联电容补偿的设置复杂,通常适用于长距离大容量交流输电,增加系统阻尼,提高系统传输容量,也可以抑制低频振荡和次同步谐振,有很好的调节电压波动的性能。这项技术正处在发展的过程中。

　　3.4 无源滤波器

　　无源滤波器由电感线圈、电容器(电阻)组成,利用电容、电感谐振的原理“吸收”、“阻止”谐波,限制进入公用电网的谐波,从而保证电压畸变率处于较低水平。无源滤波器按接线方式分为串联滤波和并联滤波以及低通滤波三种。串联滤波主要滤除3N次谐波(或称零序性质的谐波);并联接入的滤波器不仅滤除多次谐波,而且对系统具有无功补偿作用;低通滤波器主要用于高次谐波的治理。

　　在配电系统中,传统的谐波抑制和无功补偿方法是将无源电力滤波器与需补偿的非线性负荷并联,为谐波提供一个低阻通路的同时,也提供负载所需的无功功率,这是最常见也是比较实用的方法。该装置的优点是投资少、效率高、结构简单,运行可靠及维护方便,运行费用也低,不但起到滤波作用,还能进行无功补偿,是目前配电网中广泛采用的抑制谐波及无功补偿的重要手段。但由于滤波器特性受电网阻抗、频率和运行工况等系统的参数影响较大,只能消除特定的几次谐波,而且很可能对某些次谐波会产生放大作用,甚至谐振现象等情况,使滤波器过载甚至烧毁。

　　3.5 有源滤波器(APF)

　　APF是一种能动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置,实质上是一个大功率的谐波发生器。APF先从补偿对象中检测出谐波电流,利用可控的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,起到大小相等、方向相反、相互抵消的作用,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。APF具有以下特点:

　　(1)不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点,在性价比上较为合理;

　　(2)滤波特性不受系统阻抗参数等因素的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;

　　(3)具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,具有高度可控性和快速响应性等特点。

　　APF按其与补偿对象的连接方式,可分为串联型和并联型两种。并联型APF只适合补偿电流型谐波源负载,而串联型APF适合补偿电压型谐波源负载。

　　电力有源滤波器有很快的响应速度,对变化的谐波和无功功率都能实施动态补偿,能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需要的无功功率,并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小,是一种很有发展前途的电力谐波抑制和无功补偿手段。

　　当然,由于系统中的谐波成分较多,因此工程实际中不可能将系统中各次谐波电压都补偿掉,现实的做法是根据系统中含量较大的或者用户负载较为敏感的那些谐波成分来选择谐波电压补偿次数和补偿度。

　　4 结束语

　　随着电力电子与信息技术在社会各个领域的应用,一些新型电力负荷对电能质量的要求不断提高,电能质量已成为电力企业和用户共同关心的课题。除了谐波、电压波动外,电压暂降和短时断电、电压闪变等动态电能质量问题也逐渐引起了人们的更多关注。而提高电能质量的技术及措施也将日渐增多,哪一种方法科学可行,要具体情况具体分析,可以使用一种方法,也可以多种措施并举,以达到解决电能质量问题的满意效果。（游米儿）