電能質(zhì)量管理

1、電能質(zhì)量綜合治理一、電能質(zhì)量綜合治理概念電網(wǎng)用戶需要處理的電能質(zhì)量問題，主要是功率因數(shù)問題、諧波問題以及電 壓瞬變問題。針對這些問題的治理手段有好幾種，比如電容補償、調(diào)諧補償、動態(tài)投切補 償、無源濾波、有源濾波等等。每種手段主要針對某個方面的問題治理，但同時會影響到其他方面，或者會 產(chǎn)生不利影響，或者會有順帶的幫助作用。所以，治理電能質(zhì)量問題，應該把幾個方面一起考慮，免得分別治理的時候 彼此產(chǎn)生干擾沖突，或者重復浪費。另外，高壓、中壓、低壓母線上的電能質(zhì)量問題是彼此有影響的，比如在中 壓段設置了無源濾波來治理諧波，因為無源濾波技術同時具有補償效果，所以低 壓母線上的無功補償容量就應該降低一些，

2、免得浪費投資。所以，一個工程項目的高壓、中壓和低壓部分存在的電能質(zhì)量問題也應該綜 合設計免得重復浪費。對功率因數(shù)、諧波、電壓瞬變問題同時考慮，綜合設計統(tǒng)一的治理措施，對 高壓、中壓、低壓母線上的電能質(zhì)量問題同時考慮，形成整個項目的綜合治理措 施，這就是電能質(zhì)量綜合治理的概念。電能質(zhì)量綜合治理的目的就是防止不同治理手段之間產(chǎn)生沖突，避免重復作 用造成浪費，避免用高投資手段解決低投資手段可以解決的問題，以盡量少的投 資，達到盡可能好的治理效果。二、產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原理無功功率的原理和解決方法：電動機一類設備在磁場下工作，磁場在交流電下會不斷儲存和釋放電能，但 不會消耗電能，所以稱為無功功率。無功

3、功率雖然不會做功，但磁場儲存能量的 時候會需要流入電能，釋放能量的時候又要流回去，這些來回流動的能量占用了 線路、變壓器、開關、發(fā)電機等設備的能力，不能充分發(fā)揮作用，而且還會增加 線路損耗。解決的辦法是就近設置電場類設備也就是電容器，電場在交流電下也不斷儲 存和釋放能量，但正好和磁場儲存和釋放能量的時間錯開，于是，磁場儲存能量 的時候就正好來自電場釋放的能量，磁場釋放的能量也正好存進電容器里去，無 功功率就近互相提供，不再經(jīng)過發(fā)電機、變壓器、線路等系統(tǒng)設備了，這就是無 功補償原理。產(chǎn)生諧波的原理和不同諧波源諧波的解決方法：如果正弦交流電壓加在設備上，產(chǎn)生的電流卻不是正弦交流電流，這樣的設 備就

4、稱為非線性阻抗設備，簡稱非線性設備。不是正弦波形的交流電就含有諧波 成分，所以非線性設備也稱為諧波源。諧波會導致設備發(fā)熱增加、產(chǎn)生附加負荷導致過載故障，引起線路干擾、還 會因為共振導致設備中有諧振回路的部分損壞等等。工業(yè)電網(wǎng)中主要的諧波源有三種類型：三相橋式整流回路在每一相的正負波形上都會產(chǎn)生波形變化，一個周期里就 有六個非正弦的波形，所以稱為六脈波設備。六脈波設備的諧波很有規(guī)律，會產(chǎn) 生六的倍數(shù)加減1次數(shù)的諧波，即5、7、11、13、17、19次諧波，而且隨著 諧波次數(shù)升高諧波幅值會逐漸降低，所以通常只需要處理5、7、11、13次諧波。這類設備包括有三相橋式整流器的所有設備、比如直流驅(qū)動器、

5、變頻器、軟 啟動器，UPS電源等等，是目前工業(yè)用電設備中最常見的一類諧波源。六脈波諧波源產(chǎn)生的諧波，次數(shù)穩(wěn)定，可以用調(diào)諧技術濾除。類似工業(yè)電弧爐這樣的設備工作時，電流波形變化很頻繁，會分解出次數(shù)和 幅值不斷變化的諧波。這類諧波需要采用針對可變次數(shù)諧波進行濾除的技術，比如有源濾波技術。非線性的單相設備，比如帶有單相整流環(huán)節(jié)的電子儀器等等，因為三相不對 稱原因會在零線上形成3次零序諧波。零序3次諧波需要采用零序接法的濾除技術，比如四線制有源濾波，或者分 相式無源濾波技術。產(chǎn)生電壓瞬變的原因和解決：大容量電動機在直接啟動或者通過軟啟動器啟動時，由于啟動時功率因數(shù)非 常低，會產(chǎn)生很大的無功電流，總電流

6、比正常運行時高幾倍，在線路中產(chǎn)生很大 的瞬時電壓降，導致系統(tǒng)電壓突然下降。一些負荷周期性沖擊變化的機械設備例如飛剪機等等，因為負荷的變化，電 流也會大幅度周期性變化，導致系統(tǒng)電壓周期性變化，這種現(xiàn)象稱為閃變。電壓突降和電壓閃變都會給其他設備的運行帶來干擾。兩種情況都和大量的短時無功電流有關，如果無功補償能夠及時投入和切除 就可以大幅度緩解。三、電能質(zhì)量問題的治理手段單純電容補償。電容器可以補償電動機產(chǎn)生的無功功率，以提高功率因數(shù)。但這些電容器會和變壓器形成諧振回路，而且隨著電容器投入切除，諧振頻 率會不斷變化，就有可能在某些投切比例下正好放大了系統(tǒng)中存在的諧波，造成 系統(tǒng)諧波超標、電容器壽命縮

7、短甚至爆炸等等危害。因此，單純電容補償措施，在目前工業(yè)環(huán)境下已經(jīng)屬于應該淘汰的措施。固定調(diào)諧電容補償。在補償電容器回路上附加電抗器，讓電容器和電抗器形成頻率固定的諧振回 路，并且讓這個頻率比系統(tǒng)中存在的所有諧波頻率都小，這樣不僅不會再放大諧 波，而且還具有一定的衰減作用。固定調(diào)諧補償是一種可以在有諧波存在的環(huán)境下運行的無功補償技術，同時 具有一定程度的諧波濾除作用。電容器和電抗器之間的阻抗比不同，諧振頻率就不同，產(chǎn)生的作用就也有差 別，常見的阻抗比有14%、12.5%、7%、5.67%四種。14%阻抗比的情況，對于3次以上的諧波都不會放大，但對各次諧波的濾除能 力最低，而且對3次零序諧波沒有濾

8、除作用。由于六脈波諧波源不產(chǎn)生3次非零序諧波，所以這種阻抗比不常用。12.5%阻抗比的情況，作用和14%的情況差不多，只是諧波濾除作用略微強一 點，也不常用。7%阻抗比的情況，對于5次以上的諧波都不會放大，并且具有一定的濾除作 用，大約可以濾除20%左右的六脈波諧波源產(chǎn)生的諧波，特別適合于只有六脈波 諧波源，且諧波問題本來不嚴重的情況下，作為同時治理無功功率和諧波問題的 綜合措施，也可以配合無源濾波或者有源濾波技術使用。5.67阻抗比的情況，對于5次以上的諧波都不會放大，而衰減作用更大，對 六脈波諧波源產(chǎn)生的諧波，可濾除40%到50%，但對電容器和電抗器的參數(shù)漂移有 一定要求，投資比7%阻抗比

9、的設備要高一點，適合于只有六脈波諧波源，固有諧 波成分輕微超標的情況下，作為同時治理無功功率和諧波問題的綜合措施，比如 變頻器一類設備占總容量比例在20%到40之間的應用場合。固定調(diào)諧補償設備是在有諧波環(huán)境下工作的，元件上承受的電壓和電流都比 沒有諧波的情況高，所以，為單純電容器補償設計的電容器，以及不是專門為諧 波環(huán)境運行設計的電抗器，都不能用來組成固定調(diào)諧補償設備。低、中、高壓系統(tǒng)都可以采用固定調(diào)諧補償技術。動態(tài)投切技術。電容器切除后沒有放完電就再次投入，如果正好是電源電壓相位和電容器電 壓相反的瞬間，電容器上就會承受超過電網(wǎng)峰值的電壓，甚至達到峰值電壓兩倍 的過電壓，同時充電電流很大，會

10、損壞電容器。在電容器初充電期間，充電電流的最大瞬時值遠大于正常運行情況，如果正 好在電流最大瞬時值的時候切除，也可能損傷電容器。因此，接觸器投切的電容器，投入和切除動作之間必須有時間間隔。這樣，就做不到利用在無功功率快速變化的同時進行實時補償?shù)姆绞?，來?解電壓瞬變了。利用品閘管配合觸發(fā)電路上的檢測判斷功能，可以在檢測到電源電壓與電容 器電壓接近的瞬間投入，或者在電容器充電電流過零時切除，能夠不受投切時間 間隔限制，達到快速投切的要求，這種方式稱為動態(tài)投切。動態(tài)投切用帶控制單元的品閘管作為投切開關，投資比接觸器投切要高。實際上并不需要把所有補償回路都設計成動態(tài)投切，只需要一部分補償回路 采用動

11、態(tài)投切，利用自動轉(zhuǎn)換方式，在靜態(tài)投切的電容器放電完成或者充電平穩(wěn) 之后，與動態(tài)投切的電容器之間進行交換，始終讓一半左右的動態(tài)投切回路保持 投入，這樣，不論是需要投入還是切除補償回路，都可以利用動態(tài)投切回路瞬時 執(zhí)行，達到動態(tài)投切的效果，這種方式就是動-靜結合投切技術。動態(tài)投切技術目前只能用于低壓補償。無源濾波技術。無源濾波技術也稱調(diào)諧濾波技術，它本質(zhì)上仍然是調(diào)諧原理，只不過調(diào)諧頻 率從衰減端更加靠近需要濾除的諧波頻率，例如調(diào)諧頻率略低于250Hz的調(diào)諧回 路，能夠濾除大部分5次諧波，調(diào)諧頻率略低于350Hz的調(diào)諧回路，能夠濾除大 部分7次諧波等等，把能夠濾除大部分5、7、11、13次諧波的四個

12、分支回路組合 起來，就能夠濾除六脈波諧波源產(chǎn)生的大部分諧波。無源濾波技術適用于諧波源都是六脈波設備，諧波成分又嚴重超標的情況。無源濾波和固定調(diào)諧補償一樣，基本回路都是由電容器和電抗器組成的調(diào)諧 回路，都同時具有濾波和補償功能。只不過固定調(diào)諧補償以無功補償為主，濾波 功能只是順帶有一些，而無源濾波以諧波濾除為主，順帶具有補償作用。無源濾波的調(diào)諧頻率很接近諧波頻率，因此要求調(diào)諧頻率非常精確，而且不 能明顯漂移，所以，對于設計計算能力，電容器和電抗器的質(zhì)量，以及參數(shù)漂移 的限制等都要高很多，所以投資明顯高于固定調(diào)諧補償，而且能夠掌握此技術的 制造商也遠沒有固定調(diào)諧補償普遍。無源濾波技術雖然是很多諧波

13、治理廠商沒能掌握的技術，但對于掌握了此項 技術的廠商而言，卻是屬于成熟技術，其運行可靠性是相當高的。無源濾波技術既可以用于低壓系統(tǒng)，也可以用于中、高壓系統(tǒng)。有源濾波技術（ACF）。和無源濾波不同，有源濾波技術不是利用的調(diào)諧原理，而是利用有源逆變技 術，產(chǎn)生出諧波來和系統(tǒng)原有諧波抵消，得到濾波的目的。有源濾波需要實時檢測系統(tǒng)諧波情況，然后以有源逆變作為執(zhí)行手段，實時 產(chǎn)生反相位諧波去抵消系統(tǒng)諧波。所以，有源濾波技術實際上是一種自動控制技術，不受調(diào)諧頻率限制，可以 濾除一定范圍內(nèi)的各次諧波，使用四線制的帶零序的有源逆變，還能夠濾除零序 三次諧波，而且，濾除諧波的程度，要比無源濾波更強，濾除得更干凈

14、。有源濾波同樣可以逆變出不同相位的基波成分來抵消基波無功電流，因此也 同樣具有無功補償?shù)哪芰?。有源逆變的發(fā)生機制是實時的，可以實時補償無功功 率和濾除諧波，所以，有源濾波也能夠有效緩解電壓瞬變。所以，有源濾波從功能來說，幾乎可以說的萬能的電能質(zhì)量治理手段。但有源濾波技術是一種復雜技術，投資成本遠高于調(diào)諧技術，而且有源逆變 理論上還存在逆變顛覆的技術隱患，所以，有源濾波技術應該用在調(diào)諧濾波技術 不能充分解決問題的場合，不應該作為諧波治理的首選手段。存在大量的非六脈波諧波源產(chǎn)生的變化諧波的場合，需要把諧波成分濾除得 特別干凈的場合，以及存在大量的3次零序諧波的場合，才是真正需要有源濾波 技術的合理

15、的應用場合。另外因為元件因素，有源濾波目前還很難直接制造中壓以上的產(chǎn)品。中壓SVC技術。SVC技術也是一種調(diào)諧濾波技術，是調(diào)諧頻率可以動態(tài)改變的調(diào)諧濾波技術的 總稱，分為兩個大類，一類是通過品閘管動態(tài)投切調(diào)諧回路內(nèi)的電容器而電抗器 容量保持不變，使得回路諧振頻率動態(tài)變化的TSC方式，另一類是通過品閘管動 態(tài)投切調(diào)諧回路內(nèi)的電抗器而保持電容容量不變，使得回路諧振頻率動態(tài)變化的 TCR方式。SVC技術用于在中壓環(huán)境解決諧波次數(shù)不斷變化的諧波濾除需求，是有 源濾波技術在中壓領域的一種替代技術。和有源濾波不同的是，能夠同時濾除的諧波次數(shù)受到設備回路數(shù)的限制，也 就是每一個回路雖然可以改變諧振頻率用于濾

16、除不同次數(shù)的諧波，但只能同時濾 除單次諧波，有幾個回路就只能同時濾除幾個單次諧波。SVC技術是利用品閘管串并聯(lián)方式進行投切的，技術要求相當復雜，投資成本 相當高。因此，SVC技術是一種高成本的替代技術，用于彌補中壓系統(tǒng)不能使用有源濾 波技術的問題，但其功能作用并不能完全替代有源濾波技術。四、不同電能質(zhì)量情況的治理建議電能質(zhì)量綜合治理要求把功率因數(shù)、諧波、電壓瞬變等問題統(tǒng)一考慮，設計 治理措施。因此，針對幾種電能質(zhì)量問題的不同組合情況，對應的合理的治理手段組合 也應該不一樣，不可能存在對任何情況都適用的組合。比如，目前的一種流行設計習慣是，以固定調(diào)諧補償作為改善功率因數(shù)的措 施，以有源濾波作為治

17、理諧波的措施，以一種組合方式應付各種不同情況，就明 顯不符合綜合治理原則。這里，針對一些比較常見的電能質(zhì)量問題的情況，提供一些綜合治理建議。有大量無功功率存在，沒有諧波或者只有極少量諧波的應用情況，適合于 使用單純電容補償，以改善功率因數(shù)。在現(xiàn)在的工業(yè)應用環(huán)境下，這種情況已經(jīng)不多。有大量無功功率存在，六脈波設備占總裝機容量20%以內(nèi)，沒有或者只有極 少量其他類型諧波源的情況，這時適合于采用阻抗比7%的固定調(diào)諧補償措施，在 防止諧波放大并且濾除部分諧波的情況下，解決無功補償問題。對于低壓系統(tǒng)，如果同時有大容量電動機直接啟動或者周期性沖擊負荷，因 此存在較大電壓瞬變的情況，固定調(diào)諧補償應采用動態(tài)投

18、切或者動-靜結合投切方 式，以便在改善功率因數(shù)的同時緩解電壓瞬變。對于中壓系統(tǒng)如果存在需要改善電壓瞬變問題，可以把補償容量的一部分用 中壓SVC技術代替，其作用相當于低壓的動-靜結合投切方式。有大量無功功率存在，六脈波設備容量占總裝機容量20%至40%，沒有或者 只有極少量其他類型諧波源的情況，適合于采用阻抗比5.67%的固定調(diào)諧補償措 施，在防止諧波放大情況下解決無功補償問題，同時濾除接近一半的諧波。對于低壓系統(tǒng)，如果同時有大容量電動機直接啟動或者周期性沖擊負荷，因 此存在較大電壓瞬變的情況，固定調(diào)諧補償應采用動態(tài)投切或者動-靜結合投切方 式，以便在改善功率因數(shù)和抑制諧波畸變的同時緩解電壓瞬

19、變。對于中壓系統(tǒng)如果存在需要改善電壓瞬變問題，可以把補償容量的一部分用 中壓SVC技術代替，其作用相當于低壓的動-靜結合投切方式。有大量無功功率存在，六脈波設備容量占總裝機容量50%及以上，沒有或者 只有極少量非六脈波諧波源和零序3次諧波源的情況，適合于采用無源濾波技術 濾除諧波，同時配合采用阻抗比7%的固定調(diào)諧補償措施，以補償剩余部分的無功 功率。對于低壓系統(tǒng)，如果同時有大容量電動機直接啟動或者周期性沖擊負荷，因 此存在較大電壓瞬變的情況，其中的固定調(diào)諧補償應采用動態(tài)投切方式，以便在 改善功率因數(shù)和濾除諧波的同時緩解電壓瞬變，由于此時需要的固定調(diào)諧補償容 量因為無源濾波技術具有的補償能力而明顯減小，所以不適合再采用動-靜結合投 切方式。和無源濾波配合時，固定調(diào)諧補償?shù)娜萘?，應該按達到目標功率因數(shù)需要的 補償容量，扣除無源濾波的補償能力以后設計。對于中壓系統(tǒng)如果存在需要改善電壓瞬變問題，可以用中壓SVC技術代替無 源濾波技術，這時SVC技術既起到濾波作用，同時又相當于動態(tài)投切補償，與固 定調(diào)諧補償措施組成類似于低壓系統(tǒng)的動-靜結合投切方式。有大量無功功率存在，同時存在大