胡正 王茂盛 陳濤 劉長樹

1，四川省電力公司西昌電業(yè)局,四川 西昌 615000

2，河南弘正電氣科技有限公司,河南 鄭州 450000

城市用戶電能質量的監(jiān)測與治理

胡正1王茂盛1陳濤1劉長樹2

1，四川省電力公司西昌電業(yè)局,四川 西昌 615000

2，河南弘正電氣科技有限公司,河南 鄭州 450000

由于電網中日趨嚴重的非線性、非對稱性和波動性問題，導致電能質量的嚴重下降，容易對電網和用戶的電氣設備造成嚴重危害。本文正是基于這一問題，對城市用戶的電能質量進行了簡單的分析，介紹了其主要存在的諧波和無功功率補償問題，并且分析了其可能造成的影響，給出了對其進行監(jiān)測和治理的措施。

電能質量；諧波電流；諧波抑制；無功補償

power quality; harmoncic urrent; harmoncic ontrol; reactive power compensation

引言

隨著國民經濟的發(fā)展與科學技術的進步，特別是冶金，化學等現(xiàn)代化大工業(yè)和電氣化鐵路的發(fā)展，造成電網負荷加大，電網系統(tǒng)中的非線性負荷（主要是各種硅整流設備、電解設備和電力機車等）及波動性負荷（如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵路等）使得電網發(fā)生嚴重的電壓波動，產生各次諧波，閃變，三相不平衡等各種問題，從而造成電能質量的嚴重問題。而電能質量的下降又嚴重的影響了各種供用電設備的運行安全，增加了用電的經濟成本，降低了人民的生活質量。

由此，提高電能質量就成為一個避免不了的問題。電能質量指的是在電網公共連接點處對用戶的供電電壓質量和電力用戶在電網公共連接點處對電網的干擾水平[1]。通過電能質量的定義，可以看出，要提高電能質量，可以從兩個方面進行努力：一是提高公用連接點處的供電電壓質量；二是降低電力用戶在公用連接點處對電網的干擾水平。而要解決這兩個方面的問題，都要對其進行檢測和治理。本文主要從降低用戶對電網的干擾水平著手，先分析城市用戶用電中存在的問題，再從這些問題著手，對其進行監(jiān)測，并給出治理措施。

1 城市用戶用電存在的電能質量問題及其可能造成的影響

通過對城市用戶開展調查，發(fā)現(xiàn)城市用戶的用電負荷類型一般為各種類型的非線性用電設備，如各種視頻顯示設備，節(jié)能照明設備（熒光燈、調光燈和各種高壓氣體放電燈等），家用電器（洗衣機、空調、微波爐、電冰箱等），各種辦公設備（投影儀、掃描儀、打印機、復印機等）以及軌道交通的各種整流和調速驅動裝置等。而隨著高速鐵路和客運專線的快速發(fā)展，電氣化鐵路也成為影響城市用戶電能質量的一個重要負荷。

通過分析這些設備的電能質量特性，可以發(fā)現(xiàn)接入電網后會對電網產生以下電能質量問題：

（1）產生大量的零序三次諧波電流，使低壓供電母線三次諧波電壓嚴重超過國標允許范圍，影響低壓設備的安全正常運行；

（2）中性線上的三次諧波電流過高，使中性線發(fā)熱，增大線損；

（3）各種低壓用電設備的三次諧波電流含有率往往高達50%以上，致使電流有效值遠遠大于基波電流有效值，其視在功率遠大于基波視在功率，功率因數(shù)也遠遠小于基波功率因數(shù)，導致低壓電網諧波電壓超標和線損增加。

圖1就是基波與三次諧波的示意圖，從圖中可以看到諧波電壓與基波電壓的疊加所得到的合成波，已經造成嚴重的電壓畸變。

圖1 諧波示意圖

（4）電氣化鐵路機車負荷具有單相性、非線性、隨機波動性以及再生制動的特點，會引起三相電壓不平衡、諧波和電壓波動等電能質量問題[2]。

由于電氣化鐵路用電電壓、接線方式、電氣特性等的特殊性，需要專門進行監(jiān)測和治理之后才能注入低壓供電系統(tǒng)，所以本文不予過多考慮。

根據城市用戶存在的電能質量問題，主要就是三次諧波和無功功率問題。

諧波會對電網、變壓器和旋轉電機、繼電保護和電力測量、通信系統(tǒng)等造成一系列的影響，主要表現(xiàn)在：

（1）對電網的影響。諧波電流會產生有功功率損耗，在采用電纜的輸電系統(tǒng)中除了引起附加損耗外，還會加速電纜絕緣的老化，造成絕緣損壞，進而發(fā)生短路，引起火災；

（2）對旋轉電機和變壓器的影響。諧波主要引起附加損耗和過熱，其次是產生機械振動、噪聲和諧波過電壓，嚴重時甚至會損毀電機；

（3）對繼電保護和電力測量的影響。對部分晶體管型繼電保護器來說，諧波會改變其性能，引起誤操作或者拒絕操作。而對于電力測量來說，如果負載不是諧波源，則會在負載上產生有害的諧波損耗，若用戶是諧波源，向電網輸出的有害的諧波有功功率比他所消耗的基波有功功率要少，這同樣都會造成電力測量的誤差；

（4）對通信系統(tǒng)的影響。諧波干擾會引起通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話的清晰度，嚴重時更會引起信號的丟失，在諧波與基波的共同作用下還引起電話鈴響，嚴重時甚至會危及設備和人身安全。

同時，基波無功功率對公用電網也會產生如下影響：

（1）增加設備容量。無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的啟動及控制設備、測量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大；

（2）設備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路損耗增加；

（3）是線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。例如電動機在啟動期間功率因數(shù)很低，這種沖擊性無功功率會使電網電壓劇烈波動，甚至使接在同一電網上的用戶無法正常工作。電弧爐、軋鋼機等大型設備會產生頻繁的無功功率沖擊，亞種影響電網的供電質量。

2 城市用戶電能質量的監(jiān)測

用于電能質量監(jiān)測的儀器有很多種，可以根據不同的測試內容和測試目的，選用不同類型的測試儀器，一般情況下，在線監(jiān)測應該選用電能質量遠程監(jiān)測儀，而專項監(jiān)測應選用便攜式多通道電能質量分析儀，簡單的諧波監(jiān)測一般用手持式諧波分析儀，而城市用戶電能質量的問題一般就是諧波和無功功率補償問題，特別是三次諧波和無功功率補償問題，因此，對于各個小區(qū)用戶一般可以采用簡單，實用的手持式諧波分析儀。而對于一個大規(guī)模的城市來說，不可能一個個小區(qū)的進行監(jiān)測，這就需要采用在線監(jiān)測各個小區(qū)的電能質量，因此，在線電能質量遠程監(jiān)測儀的使用就成為必然。

在實際使用中，不管采用哪種裝置或儀器，都要對其所采集到的數(shù)據進行存儲，分析和處理。再根據處理結果，對電網電能質量問題做出合適的應對措施，達到改善電網電能質量的效果。圖2就是一種在線電能質量遠程監(jiān)測裝置，具有對數(shù)據進行采集和存儲的功能，并能對數(shù)據進行一些簡單處理。

圖2 電能質量監(jiān)測裝置

3 城市用戶電能質量的治理

由于城市用戶電能質量主要存在的是諧波和無功功率問題，而要對其治理就是要對其進行諧波抑制和無功功率補償。而要進行諧波抑制和無功功率補償主要有兩條思路可以進行考慮：一是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且把其功率因數(shù)控制為1。這一種在本文所提供的模型中顯然不適合，故，可以不予考慮。二是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這顯然對于各種諧波源都是實用的。所以，這是本文所要考慮的主要思路。

傳統(tǒng)的諧波補償裝置一般采用LC調諧濾波器。這種裝置雖然結構簡單，且在補償諧波的同時還可以補償無功功率，但是，其補償特性易受電網阻抗與運行狀態(tài)的影響，易與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀[3]。因此除了部分小區(qū)可以采用外，在整個城市中一般要慎重使用。而隨著技術的發(fā)展，目前，采用有源電力濾波器(APF)已經成為諧波抑制的一個重要趨勢。

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制濾波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。它的基本工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。因此應用特別廣泛。

目前實際應用的有源電力濾波器根據其與補償對象的連接方式來劃分，可以分為并聯(lián)型與串聯(lián)型，現(xiàn)在所用的裝置幾乎全是并聯(lián)型的。這些裝置可以單獨使用，也可以根據實際情況，與LC濾波器混合使用。圖3就是有源電力濾波器的系統(tǒng)構成。

圖3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構成分類

4 結語

現(xiàn)在我國對于諧波抑制和無功功率補償?shù)难芯恳呀涍M入一個非?；钴S的階段，社會對這一技術的需求的呼聲也越來越響亮。雖然現(xiàn)在已經取得一定的成果，但是像靜止無功發(fā)生器（SVG）等技術的研究并不是特別成熟，還有待于研究人員繼續(xù)努力。

[1] 歐盟—亞洲電能質量項目合作組. 用戶電能質量測試評估與解決方案案例集[M]. 中國電力出版社,2009

[2] 于坤山，周勝軍，王同勛等.電氣化鐵路供電與電能質量[M].中國電力出版社,2010.12

[3] 王兆安，楊君，劉進軍等. 諧波抑制和無功功率補償[M]. 機械工業(yè)出版社, 2005.10

Power quality monitoring and management of urban users

Liu yue-feng
Zhuhai Titan technology Co. Ltd Henan branch , ZhengzhHoeun 4a5n0000

because of the trouble of growing nonline ar, asymmetray nd volatility, which has resultedi n serious declinoe f power quality, harm the electric equipmeonft the power and users easily. based on this problemt, he paper analysets he power quality of city users, introducets he problemo f the harmonaic nd reactive power compensatwiohn ichi t exists, analysets he possiblee ffect, and gives the monitoring and treatment measures.

TM761

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.120

胡正（1975-），男，四川西昌人，碩士，工程師，研究方向：通信及自動化技術；

汪茂盛（1982-），男，重慶梁平人，工程師，研究方向：電能質量、無功管理 ；

陳濤（1980-），男，四川德昌人，工程師，研究方向：電力工程；

劉長樹(1973-)，男，廣東省珠海市人，碩士，高級工程師，研究方向：電能質量監(jiān)測。