电能质量治理技术及其发展趋势

电能质量治理技术及其发展趋势

孙国歧魏晓宾张玲艳刘娟

（山东德佑电气股份有限公司山东淄博255000）

摘要：自改革开放后，我国科学经济得到快速发展，现代工业技术有大幅度的提升，但由于发展过快的原因在许多方面都存在较大的缺失。电能是人类生活的必需品，但是由于在治理技术的上缺失，电能质量问题随着时间日益凸显，所造成的损失也是越发越大。因此，对于如何有效的提高电能质量治理技术已成现代社会所关注的重点话题，这一问题不仅关系到电力电子设备往后在电力系统中应用，同时也关系到往后的节能效应。

关键词：电能质量；质量技术；发展趋势

0.引言

随着21世纪经济社会的飞速发展，现代工业技术的愈发成熟，现今的社会几乎全由电子产品所组成，人们日常生活与电能息息相关。因此，人们对于电能供应的要求越来越高。由于在技术的缺失，电能质量的指标常常会自动偏离正常水平，时常会造成停电等故障发生，给国民带来了极大的不方便，同时也会造成极大的电能浪费。近年来，由于电能质量问题所引发的事故层出不穷，如前几年发生由电压过高所引起“电场风机跳闸”事件，在当时给人们造成了极大的不方便。在新时代的环境下，人们制造的高新技术产业及信息设备等都需要可靠性高的电能为其供应，随着地球资源的日益枯竭，由于电能质量问题所浪费资源巨大能源显然不符合当今社会的需求。因此，对于如何有效的提高电能质量治理技术已成现代社会的所关注重点话题，笔者将通过对电能质量治理技术及其发展趋势进行一些简单的分析，并提出一些不成熟的建议，希望能为相关研究人员提供有效的参考。

1.无功补偿技术的现状与发展

在现阶段的电力系统里，有功电源与无功电源是供电系统的重要组成部分。由于技术方面的缺失，在供电期间无功电源能量消耗巨大，无法长期持续性提供电源，给需要使用的用电客户造成了极大的困扰。究其主要原因，便是由于各种设备能源消耗过大，促使无功能源的消耗变大。针对这一问题，有相关研究者提出以增加发电机有功功率的输出，降低无功功率，以备缓解能效果过大的说法，当时在说法便提出来得到了人们的认可，随后在研究中却发现了其中的缺陷：在增加发电机有功功率的同时势必改变电网的供电能力，并且降级无功功率则势必会造成线路受电压影响而增多，从根本意义上来讲，这只是解决小部分的问题，但是却出现了更为严重容量无法充分发挥的问题，并且严重的浪费了大量资源，随即便被直接否定。经过进一步的研究，发现可以通过对无功补偿的方式进行修缮。在这方面国家对其极为重视，并且还制定对于无功功率的要求指标，审视极为严格。

现今，对于无功补偿方式已研究出了三种，即：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿，三者之间存在着必然的联系，以低压个别补偿来说，其主要特点是能够无时间时间限制对无功能源进行补偿，即使在设备停用的情况下也能进行有效补偿，简单方便易操作，且成本不高，个性单一，使其维护工作也变得异常简单；而低压集中补偿相比较于低压个别补偿来说则是比较复杂一点，但同样具有简单方便易操作的特点，不同之处便是在于结构方面，没过多的复杂性，接线简单，系统较为稳定不容易出错，能够大幅度的减低网线损耗问题，现今运用较为广泛；高压集中补偿与低压个别补偿、低压集中补偿两者不同，低压个别补偿、低压集中补偿在各个线路都适用，而高压集中补偿只适合在高压电方便适用，并且由于本身具有一定危险性，不太适合在居民区或者工业区适用，煤矿行业方面适用的比较多，其特点主要是能够根据用户用电功率、负荷大小自动关闭，很大程度上节约了成本问题，如今最大的缺陷便是应用不够广泛。

我国与无功功率补偿技术的研究从很早便开始了，最早所使用的是固定式或利用机械开关投切的电容器或电抗器以及同步调相机，然后经过专家的不断努力探寻，现今研究出了电力电子开关代替机械开关装置，这类装置在如今应用的较为广泛，得到多数人的认可，而前者由于技术的复杂与低效目前基本上已经退出历史舞台，现今应用较为广泛的是后者，也就是我们现在所说静止无功补偿器（SVC）。

静止无功补偿器装置由电抗器与电容器所构成，其主要特点便是快速投切。简单来说，由于晶闸管动作较快的原因，在其不大于10毫秒的时间内，能够实现快速的投入和切除。与此同时，由于在技术上的缺失，在对于无功补偿的无功功率需要一定的计算时间，无法对其进行快速投切。因此，针对这个问题，人们为了提高实现无功功率的计算效率，在原有的基础上加以改制，研发了一种新型装置——晶闸管控制的电抗器。其特点相比之前的快速投切来说，主要通过控制晶闸管的导通时间，能够达到在电抗器全部或部分投入的效果，使其相应时间能够达到30毫秒以上，进而实现对无功功率的连快速投切。这一技术的改造，将原有的静态无功补偿装置改为了动态无功补偿装置，大幅度的提升了其功能效应，并且应用极为广泛。但同时，由于动态无功补偿装置体积广、消耗无功率过大等原因，在运行过程中消耗能量巨大，造成了极为严重的资源浪费。

2.电能质量治理技术对策

2.1谐波治理技术

在电能质量故障问题中，谐波是最为常见的一种故障问题。随着我国国民节能意识的不断上升，在电力电子装置方面也愈发对节能的重视，并且通过大量对电力电子装置进行不断改造实现节能效应，其中最为典型在电动机上加装变频器。在一定程度上来说，谐波对系统造成的危害十分巨大，由于损耗降低功率因数，导致系统重度发热，进而产生系统振荡和电磁干扰等问题。因此，在这种情下，对于谐波方面的治理技术研究急需加强，以此对以上问题作有效缓解。

我国目前治理谐波方法措施主要是通过无源滤波器、有源滤波器与混合滤波器进行治理。无源滤波装置主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低。同时，缺点也较为明显，比如设施占地面积大，会大量产生无功功率；同时，可以根据电抗器、电容器所产生参数会导致其性能的改变，使得滤波特性效果极其不稳定，进而在有效补偿谐波波动性较大负荷问无法得到有效解决。

与无源滤波器相比，有源滤波器无论在产出原理还是工作原理方面都有着很大不同，首先其结构便是由先用电力电子元件所构成的谐波电流，由于方向不同，能够有效的抵销网络中的不稳定谐波电流，这种装置的主要元件是由大功率的电力电子器件所构成的，但是由于成本过高的原因，应用范围同样不大。其特点是能够在其额定功率范围内，原则上能全部滤清除。从根本意意义来说，有源滤波器响应速度较快的原因，使得负荷谐波的电流在快速变化能够防止其流入系统。

根据无源滤波器、有源滤波器两者的特色与缺陷，人们在两者的基础上制造出了一种新型滤波器，即混合型滤波器。混合型滤波器最大的特点便是将无源滤波器、有源滤波器两者之间的特点全部集中起来，比如成本低、损耗小等，同时，它又能有效减少流入电网补偿负荷产生的谐波电流。并且能够有效减低电压，进一步来说大幅度的降低了成本问题，同时有提高了工作效率。简单来说，体现混合型滤波器形式千变万化，但其基础仍然是以无源滤波器、有源滤波器所构建的。混合型滤波器的诞生，使得滤波器在滤除方面有了更高频率谐波的工能，而且将运行损耗降到最小，除此之外，滤波器在接入更高的电压等级以及谐波时，它的滤除率同样有效果。与此同时，我们也真诚的希望在滤波器往后的发展中，不但能够具备谐波滤除能力，同时还希望能自动合理分配补偿容量等功能，以此提高工作效率、进而实现节能。

2.2负序治理技术

在电力系统中，三相电力是其基础，目前我国多数发电机会发生跳闸事件便与三相电力的不平衡性有关，由于它的不平衡性会使负序电流流入电力系统，直接引起电压的不对称，使得电动机产生震动，其损耗量也会大大增加。在电力系统中，负序源在为电气化铁路中通常所采的方式是比较单相供电的电力机车。根据相关研究资料我们发现，在电力系统中，许多不平衡负荷在接入处，并联三相无功补偿装置能够实现负序电流、无功电流的自动化补偿，且不容易出错，简单方便等效果。目前，在负序的补偿设施方面有许多缺失，经过学者多年的研究，关于负序的补偿已有初步计划，并且有相关工程已进行操作。而关于负序补偿最大问题，还是需要较大的补偿容量进行补偿，关于这方面问题研究，需要人们根据系统短路容量、公共连接点、负序电压的允许值方面为研究路线进行研究，我国目前在这方面的研究也是根据这一路线所进行的。

2.3综合型电能质量治理技术及其发展

对于电能质量问题，为了减少受干扰因素的影响，通常做好准备工作，即在系统与负荷之间串联补偿装置影响。在通常情况下，对系统电压造成干扰的因素有很多，其中比较明显的便是受电压敏感的电力系统的污染源，既然需要在系统与负荷之间加装并联型电补偿装置，那么，换句话说，可是适当增多多个串联型电能质量补偿装置。在这个基础上，为了节能，人们研制出来一种更合理的装置，即综合型电能质量治理装置，这种装置通常被称为统一电能质量调节器。

统一电能质量调节器形成是根据单一串联型或并联型补偿设备而来。由串联单元、并联单元、直流储能单元三个部分构成主要电路。统一电能质量调节器装置特征明显，比如在可以给电压和电流波形比较敏感的部分提供持续性电源，同时，具有一定限量的消除非线性负荷和冲击性负荷对系统所造成的负面效果，换句话来说，就是在负载体与系统之间贴了一层膜，将两者进行隔离；同时，统一电能质量调节器装置还具有无功功能，能够为电压所需要的无功功率进行持续性的输出，使得系统电流与电压之间得到平衡性，进而为负荷的功率因数进行有效提高，同时可以在整流装置不需要提供额外的串联单元能量，这样一来，就不会与系统电流产生产生碰撞，减少了额外的干扰，在很大程度上节约了成本，

统一电能质量调节器诞生，其强大而全面的改善电能质量的功能引起了全世界的关注，近年来，国内外对它的研究一直就没停过，为此，国家还专门成立了一个研究机构对其专门研究，在研究之初，为了取得它的电路结构、控制策略等装置详细数据，我国将其置入电厂中进行观察，经过长期观察，它强大而全面的改善电能质量的功能得到了广泛的认可。但是，其中还存在着一定的不足，由于统一电能质量调节器装置结构较为复杂，在元件方面有一定缺失，使得成本过高，导致无法被广泛使用。统一电能质量调节器装置在并联部分与串联部分需要用变压器进行隔离，不仅会使装置的成本提高，同时也使得装置的体积变大。因此，面对这种情况，人们一直在想一种两全其美的策略，经过长期探索，人们将研究方向放在了不带变压器的主电路中，提出了无隔离变压器的单相统一电能质量调节器装置。这个装置在电路中，用开关电容变换器换掉了隔离变压器，设备逐渐走向轻型化，这种原理同样适合三相电路。虽然设备变得轻型化，在控制环节却变得复杂无比。根据这一原理人们研究出了各种混合式的统一电能质量调节器装置，这种装置能够为电能负荷供电，进而使电压暂降对敏感负荷造成的影响降到最低。

3.结论

随着电力电子技术在电力系统中的广泛应用，电能质量问题必须得到有效解决，根据上文所述，解决电能质量问题主要有两条途径：1.以合理的产品规范为前提，通过在电力电子设备内部安装电能质量补偿功能方式解决由设备接入电网而引起电能质量问题2.通过电能质量补偿设备去解决有关于负荷及电网的电能质量问题，进而实现负荷与电网之间的协调与兼容。通过这些，使其电能质量问题得到有效解决，进而以优化性能、节能、减少占地面积小等方案作为电能质量治理技术未来的发展方向。

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