電能質量的現狀和未來分析
人氣：2194次發表時間：2014-11-17
在電力市場經濟環境下，隨著經濟社會的快速發展，特高壓電網，新能源發電的迅猛崛起，以及電力電子技術和產品的廣泛應用，使電力系統中的電源類型與特性，電網拓撲結構和負荷構成發生深刻變化，使之對電能質量的重視程度在與日俱增。
電能是一種資源，也是一種特殊商品，其特殊性除電力供應方式，商品交換形式及貿易結算等方面與普通商品不一樣外，在商品質量即電能質量的保證條件也是與眾不同。普通商品的質量由制造廠家負責，而電能質量則與用戶的用電狀況密切相關，造成電能質量劣化有可能是用戶用電不當所致。供電與用電狀況對電能質量每項指標所產生的影響程度也互不相同，其所承擔的責任也有差別。
在電力供應相對緊缺時期，電力供應尚無法滿足社會需求時，提起電能質量的概念，很多人不以為然，而對電能質量的概念，只停留在電壓、頻率偏差等靜態值范圍內。然而在新形勢下，電力消耗形式和用電設備性能發生了重大變化，使電能質量問題日益突出。再加上新能源、分布式發電和微電網的興起，及新能源發電經電力變換接入電網。同時電網內還有大量非線性負載投運，這些都導致電能不在保持理想的正弦穩定波形，從而造成波形畸變，成為電網的“公害”。
在電力市場經濟環境下，隨著供電雙方對電能質量的高度關注，電能質量標準也在實踐中不斷完善和發展。為此，準確理解和掌握電能質量標準具有十分重要意義。
1.供電電壓允許偏差
GB/T12325—2003規定了電力系統在正常運行條件下，用戶受電端供電電壓的允許偏差為：35千伏及以上供電電壓正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%;10千伏及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的-7%~+7%;220伏單相供電電壓允許偏差為額定電壓的-10%~+7%。
2.電網頻率
GB/T15945—1995規定電力系統頻率偏差允許值為-0.2Hz~+0.2Hz，當系統容量較大時，偏差值可放寬到-0.5Hz~+0.5Hz。
3.電壓波動和閃變
GB/2326—2000適用于由波動負荷引起的公共連接點電壓快速變動，及由此可能引起人對燈閃明顯感覺的場合。新標準將原標準中的以電壓波動為主改為以閃變為主，最敏感頻率有10Hz移到8.8Hz。
4.三相電壓不平衡
GB/T15542—1995適用于交流額定頻率為50Hz電力系統正常運行方式下，由負序分量而引起公共接點的電壓不平衡。用電壓負序分量與正序分量的均方根百分比表示。
5.公共電網諧波
GB/T14549—1993在電力生產、傳輸、轉換和使用各個環節中都會產生諧波。在發電環節可近似認為發電機輸出的是具有基波頻率的正弦波形電壓。其他環節產生諧波的主要有：非線性特征的電氣設備;鐵磁飽和特性的鐵心設備;有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，以電力電子元件為基礎的開關電源設備等。
6.暫時過電壓和瞬態過電壓
電能質量是個動態的變化量，隨同電網的結構的強弱、負荷構成、考核地點以及時間變化和受到不同的影響。隨著我國已成為世界上最復雜的交直流互聯大電網，以及新能源、分布式發電和微電網的興起，而新能源發電又具有功率波動性、間歇性和不確定性。同時新能源發電需經電力變換接入電網，再加上電力電子技術發展與廣泛應用，使電力能源與電力消耗形式出現多樣性，以及網內又有大量非線性負載投運，這些都導致電能不在保持理想的正弦穩定波形，影響電能質量。
電能質量劣化具有外在性和特點：
①當電網供電線路過長，線徑過小，供電能力不足，在用電負荷過大時將引起供電電壓偏差;在電網調壓裝置與能力不足時而無功補償又相對缺乏也會引起供電電壓偏差;當用戶無功功率沖擊時同樣也會引起電壓偏差，容性無功使電壓偏高，感性無功使電壓偏低。
②用戶從電網吸取的有功功率是變化的，只有當發電機輸出有功與用戶消耗的有功維持動態平衡時，電力系統的頻率才不會發生偏差。若電網供電容量不足或調頻設備能力不足，當用電負荷超過供電能力時，即會發生頻率偏差。
③電網內有煉鋼電弧爐、大型軋鋼設備，以及負荷變動大的設備投運時，或當電網發生操作失誤，或電網發生故障時，即會發生電壓的波動和閃變。
④當電網內三相用電負荷分配不均衡，及單相大容量設備的投運，或為了降低電力供應而采用單相供電等，即會引起三相電壓的不平衡。不平衡度是指電網中三相不平衡程度，這僅對電壓而言，對電流一般用負序電流或零序電流。
⑤鑒于電力消耗形式出現多樣性，電網內有大量非線性電氣設備;鐵磁飽和特性的鐵心設備;有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，以及電力電子元件為基礎的開關電源設備。還有大容量電力晶品閘管可控設備，電力變流設備和相控調速調壓裝置等，這些非線性設備的投運，必將引起電壓、電流正弦波形的畸變而產生諧波。
為實現對電網能量流的快速有效控制，就離不開電力電子裝置，而電力電子元件的非線性特性對電網的副作用也很大，導致電能質量的劣化。在新形勢下新能源發電也成為污染源，風能、太陽能發電具有斷續性、波動性的特點。同時還需要變流裝置接入電網，因而也存在有諧波污染。
電網運行中供電與用電的狀況異常，必將造成電能質量的劣化，對每項指標產生影響程度也不相同，所承擔的責任也有差別。隨著用電設備性能的提高，高靈敏度負荷的增多，高科技含量設備對電能擾動愈加敏感，從而意識到高質量的電能是和經濟性聯系在一起的。
電網供電運行中若是電能質量劣化，必將造成供、用電設備的電氣性能變壞，運行效率下降，電能損耗增加。劣化的電能將使用電設備運行中產生過熱，不僅能耗增加，而且生產效率下降，導致用電設備的利用率降低。電能劣化還會影響到繼電保護和自動裝置工作的可靠性，以及電子控制設備工作的失常，同時還會造成測量和計量儀器儀表指示與計量不準確，對通信系統的工作也會造成干擾。
電能質量本身和節能減排相關，國家已將電能質量提到資源環境的高度，它的改善將會使供用電雙方獲得更好經濟效益。電能是一種重要資源，保證電能質量實際上是給人們提供一個良好的電磁環境。
為適應信息化電能質量檢測技術的需要，必須建立健全電能質量評估體系，建成完善的電能質量檢測網絡，為電能質量評估提供信息，其分析結果將為改善電能質量提供依據，指導電力運行人員對電能污染進行綜合治理。只有實現對電能質量的全面檢測，才能對污染性負荷用戶的有效監管，促進電能質量的改善。改善電能質量的關鍵是實時的無功調節和優化控制，事實上電網電能質量的優劣是反映全網發、供、用電三方對無功的控制于協調，以及無功補償的技術水平，同時也反映了全網無功補償的布置和補償裝置的調節能力。
改善電能質量應針對不同的電能問題，通過不同的技術手段和設備來解決，才能有效地告訴電網運行中的電能質量問題。
電網頻率的波動源于大負荷設備的投運，引發有功功率的沖擊所致，這可能通過電力經濟調度，優化電力負荷配置，來維持發電有功功率與用電消耗的穩定。或且增加電網供電裝機容量，保證供電能力大于用電負荷。另外，電網應有合適水電廠作為調頻的備用容量，以增強電網的調頻能力，從而解決電網頻率的波動。
電網電壓波動，主要是電網內有大量非線性負荷投運，以及無功功率的沖擊所造成的。從而改善電網電壓波動問題。對于有功功率沖擊引起的電壓波動，應增加電網發電裝機容量，使電網保持足夠備用容量，應對有功功率的沖擊。或改善發電系統的調速功能，使之達到跟蹤調節，也能改善電壓波動的問題。
電網電壓暫降、短時間斷，則是電網發生故障，或大型設備的失誤操作而引起的。這可通過提高供電網絡的可靠性，設法減少電網發生故障的數目，以及盡快切除故障達到減少停電時間。通過改善供電系統的設計，完善供電網絡的功能，使之能在發生故障時對用電設備的電壓擾動最小。或且通過提高用電設備對電壓擾動的抵御能看來解決電壓暫降，也可在電網與用電設備之間加裝補償設備，使之能在一定時間內維持運行電壓的穩定。其所涉及設備有：動態電壓恢復器。它除了補償無功功率外，還有補償有功功率能力，當電網發生電壓暫降時，能在短時內將電壓恢復到正常。還有固態斷路器和固態轉換開關。它適用于快速隔離故障和轉換供電。它和電抗器配合還能快速限制短路電流。
電網諧波的治理，主要是降低諧波源諧波電流的含量。整流設備中的換流裝置，其產生諧波電流次數與脈動數有關，因此增加換流裝置的脈動數是降低諧波電流的有效措施。同時還可通過裝設交流濾波器，合理選擇供電電壓等級，加強諧波源的管理等，均可取得治理諧波的效果。
諧波治理所涉及設備有：無源電力濾波器和有源電力濾波器。
無源電力濾波器可濾除某一次或多次諧波。常用結構是將電感和電容串聯而成，可對(3、5、7)次諧波構成低阻抗旁路。
有源電流量濾波器在性能上比無源濾波器好得多，為濾除諧波及波形畸變，采取主動發生策略進行濾波的電力電子裝置。它可實現動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波，以及變化的無功進行補償。
有源電力濾波器配合靜止式無功發生器，是大功率電力電子技術應用于電網電能質量控制領域的高科技產品，適用于負載變化大而快的狀況下，為電網無功補償、諧波濾波、三相不平衡治理提供快速穩定的技術手段，并具有補償無功的大小進行連續的調節，不受電網阻抗的影響，也不容易與電網阻抗發行諧振。
電能質量劣化的治理，道路是曲折的，前景是光明的。在電力市場經濟環境下，人們已意識到高質量的電能供應是和經濟性聯系在一起的，電能質量的改善勢在必行。
隨著電能質量監測和評估體系的建設與完善，以及電能質量標準在實踐中不斷完善和發展，因而準確理解和把握電能質量標準，對搞好電能質量監管和電網安全穩定運行，以及節能降耗都具有十分重要意義。讓我們共同為建立一個完善的電能質量環境和全面提高供電質量而努力。
電能是一種資源，也是一種特殊商品，其特殊性除電力供應方式，商品交換形式及貿易結算等方面與普通商品不一樣外，在商品質量即電能質量的保證條件也是與眾不同。普通商品的質量由制造廠家負責，而電能質量則與用戶的用電狀況密切相關，造成電能質量劣化有可能是用戶用電不當所致。供電與用電狀況對電能質量每項指標所產生的影響程度也互不相同，其所承擔的責任也有差別。
在電力供應相對緊缺時期，電力供應尚無法滿足社會需求時，提起電能質量的概念，很多人不以為然，而對電能質量的概念，只停留在電壓、頻率偏差等靜態值范圍內。然而在新形勢下，電力消耗形式和用電設備性能發生了重大變化，使電能質量問題日益突出。再加上新能源、分布式發電和微電網的興起，及新能源發電經電力變換接入電網。同時電網內還有大量非線性負載投運，這些都導致電能不在保持理想的正弦穩定波形，從而造成波形畸變，成為電網的“公害”。
隨著社會進步、科技發展、電力充足，人們開始研究和追求電能質量。在科技不斷發展的當今時代，用電設備性能在提高，高靈敏度負荷不斷增多，高科技含量電氣設備對電能擾動愈加敏感，從而意識到高質量的電能是和經濟性聯系在一起的。為此，對電能質量的關注是改善電能環境和保證優質電力供應的需求，也是全面提高供電質量的基礎。
在電力市場經濟環境下，隨著供電雙方對電能質量的高度關注，電能質量標準也在實踐中不斷完善和發展。為此，準確理解和掌握電能質量標準具有十分重要意義。
1.供電電壓允許偏差
GB/T12325—2003規定了電力系統在正常運行條件下，用戶受電端供電電壓的允許偏差為：35千伏及以上供電電壓正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%;10千伏及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的-7%~+7%;220伏單相供電電壓允許偏差為額定電壓的-10%~+7%。
2.電網頻率
GB/T15945—1995規定電力系統頻率偏差允許值為-0.2Hz~+0.2Hz，當系統容量較大時，偏差值可放寬到-0.5Hz~+0.5Hz。
3.電壓波動和閃變
GB/2326—2000適用于由波動負荷引起的公共連接點電壓快速變動，及由此可能引起人對燈閃明顯感覺的場合。新標準將原標準中的以電壓波動為主改為以閃變為主，最敏感頻率有10Hz移到8.8Hz。
4.三相電壓不平衡
GB/T15542—1995適用于交流額定頻率為50Hz電力系統正常運行方式下，由負序分量而引起公共接點的電壓不平衡。用電壓負序分量與正序分量的均方根百分比表示。
5.公共電網諧波
GB/T14549—1993在電力生產、傳輸、轉換和使用各個環節中都會產生諧波。在發電環節可近似認為發電機輸出的是具有基波頻率的正弦波形電壓。其他環節產生諧波的主要有：非線性特征的電氣設備;鐵磁飽和特性的鐵心設備;有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，以電力電子元件為基礎的開關電源設備等。
6.暫時過電壓和瞬態過電壓
GB/T18481—2001規定了交流電力系統作用于電氣設備的暫時過電壓和瞬態過電壓的要求，電氣設備的絕緣水平以及過電壓的保護方法。實際上該標準沒有被貫徹執行，其重要原因是過電壓信號很難進行取樣、A/D轉換、數據分析。
電能質量是個動態的變化量，隨同電網的結構的強弱、負荷構成、考核地點以及時間變化和受到不同的影響。隨著我國已成為世界上最復雜的交直流互聯大電網，以及新能源、分布式發電和微電網的興起，而新能源發電又具有功率波動性、間歇性和不確定性。同時新能源發電需經電力變換接入電網，再加上電力電子技術發展與廣泛應用，使電力能源與電力消耗形式出現多樣性，以及網內又有大量非線性負載投運，這些都導致電能不在保持理想的正弦穩定波形，影響電能質量。
電能質量劣化具有外在性和特點：
①當電網供電線路過長，線徑過小，供電能力不足，在用電負荷過大時將引起供電電壓偏差;在電網調壓裝置與能力不足時而無功補償又相對缺乏也會引起供電電壓偏差;當用戶無功功率沖擊時同樣也會引起電壓偏差，容性無功使電壓偏高，感性無功使電壓偏低。
②用戶從電網吸取的有功功率是變化的，只有當發電機輸出有功與用戶消耗的有功維持動態平衡時，電力系統的頻率才不會發生偏差。若電網供電容量不足或調頻設備能力不足，當用電負荷超過供電能力時，即會發生頻率偏差。
③電網內有煉鋼電弧爐、大型軋鋼設備，以及負荷變動大的設備投運時，或當電網發生操作失誤，或電網發生故障時，即會發生電壓的波動和閃變。
④當電網內三相用電負荷分配不均衡，及單相大容量設備的投運，或為了降低電力供應而采用單相供電等，即會引起三相電壓的不平衡。不平衡度是指電網中三相不平衡程度，這僅對電壓而言，對電流一般用負序電流或零序電流。
⑤鑒于電力消耗形式出現多樣性，電網內有大量非線性電氣設備;鐵磁飽和特性的鐵心設備;有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，以及電力電子元件為基礎的開關電源設備。還有大容量電力晶品閘管可控設備，電力變流設備和相控調速調壓裝置等，這些非線性設備的投運，必將引起電壓、電流正弦波形的畸變而產生諧波。
為實現對電網能量流的快速有效控制，就離不開電力電子裝置，而電力電子元件的非線性特性對電網的副作用也很大，導致電能質量的劣化。在新形勢下新能源發電也成為污染源，風能、太陽能發電具有斷續性、波動性的特點。同時還需要變流裝置接入電網，因而也存在有諧波污染。
⑥在電能質量的熱點問題上，供用電雙方從不同角度有不同看法，諧波影響是較早的問題，其對電能質量的影響早就受到電力部門的關注。但實際上造成影響與危害較大的不是諧波，而是電壓暫降。電壓暫降，電壓短時間斷則是電網故障和大型設備操作失誤所致。這種電壓暫降所造成危害對用戶而言，由于用電戶相對比較分散，因而影響不大明顯。但隨著敏感負荷的增多，高科技含量設備對電能擾動更加敏感，因而電壓暫降給用戶帶來影響與危害將會更加嚴重。
電網運行中供電與用電的狀況異常，必將造成電能質量的劣化，對每項指標產生影響程度也不相同，所承擔的責任也有差別。隨著用電設備性能的提高，高靈敏度負荷的增多，高科技含量設備對電能擾動愈加敏感，從而意識到高質量的電能是和經濟性聯系在一起的。
電網供電運行中若是電能質量劣化，必將造成供、用電設備的電氣性能變壞，運行效率下降，電能損耗增加。劣化的電能將使用電設備運行中產生過熱，不僅能耗增加，而且生產效率下降，導致用電設備的利用率降低。電能劣化還會影響到繼電保護和自動裝置工作的可靠性，以及電子控制設備工作的失常，同時還會造成測量和計量儀器儀表指示與計量不準確，對通信系統的工作也會造成干擾。
電能質量惡化將使產生機械設備的生產效率下降，使生產的產品質量劣化，甚至還可能造成產品報廢。若是電能質量嚴重劣化，還影響到電氣設備運行的安全性和使用壽命，嚴重時甚至還危及人身的安全。
電能質量本身和節能減排相關，國家已將電能質量提到資源環境的高度，它的改善將會使供用電雙方獲得更好經濟效益。電能是一種重要資源，保證電能質量實際上是給人們提供一個良好的電磁環境。
為適應信息化電能質量檢測技術的需要，必須建立健全電能質量評估體系，建成完善的電能質量檢測網絡，為電能質量評估提供信息，其分析結果將為改善電能質量提供依據，指導電力運行人員對電能污染進行綜合治理。只有實現對電能質量的全面檢測，才能對污染性負荷用戶的有效監管，促進電能質量的改善。改善電能質量的關鍵是實時的無功調節和優化控制，事實上電網電能質量的優劣是反映全網發、供、用電三方對無功的控制于協調，以及無功補償的技術水平，同時也反映了全網無功補償的布置和補償裝置的調節能力。
改善電能質量應針對不同的電能問題，通過不同的技術手段和設備來解決，才能有效地告訴電網運行中的電能質量問題。
電網頻率的波動源于大負荷設備的投運，引發有功功率的沖擊所致，這可能通過電力經濟調度，優化電力負荷配置，來維持發電有功功率與用電消耗的穩定。或且增加電網供電裝機容量，保證供電能力大于用電負荷。另外，電網應有合適水電廠作為調頻的備用容量，以增強電網的調頻能力，從而解決電網頻率的波動。
電網電壓波動，主要是電網內有大量非線性負荷投運，以及無功功率的沖擊所造成的。從而改善電網電壓波動問題。對于有功功率沖擊引起的電壓波動，應增加電網發電裝機容量，使電網保持足夠備用容量，應對有功功率的沖擊。或改善發電系統的調速功能，使之達到跟蹤調節，也能改善電壓波動的問題。
電網電壓暫降、短時間斷，則是電網發生故障，或大型設備的失誤操作而引起的。這可通過提高供電網絡的可靠性，設法減少電網發生故障的數目，以及盡快切除故障達到減少停電時間。通過改善供電系統的設計，完善供電網絡的功能，使之能在發生故障時對用電設備的電壓擾動最小。或且通過提高用電設備對電壓擾動的抵御能看來解決電壓暫降，也可在電網與用電設備之間加裝補償設備，使之能在一定時間內維持運行電壓的穩定。其所涉及設備有：動態電壓恢復器。它除了補償無功功率外，還有補償有功功率能力，當電網發生電壓暫降時，能在短時內將電壓恢復到正常。還有固態斷路器和固態轉換開關。它適用于快速隔離故障和轉換供電。它和電抗器配合還能快速限制短路電流。
電網諧波的治理，主要是降低諧波源諧波電流的含量。整流設備中的換流裝置，其產生諧波電流次數與脈動數有關，因此增加換流裝置的脈動數是降低諧波電流的有效措施。同時還可通過裝設交流濾波器，合理選擇供電電壓等級，加強諧波源的管理等，均可取得治理諧波的效果。
諧波治理所涉及設備有：無源電力濾波器和有源電力濾波器。
無源電力濾波器可濾除某一次或多次諧波。常用結構是將電感和電容串聯而成，可對(3、5、7)次諧波構成低阻抗旁路。
有源電流量濾波器在性能上比無源濾波器好得多，為濾除諧波及波形畸變，采取主動發生策略進行濾波的電力電子裝置。它可實現動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波，以及變化的無功進行補償。
有源電力濾波器配合靜止式無功發生器，是大功率電力電子技術應用于電網電能質量控制領域的高科技產品，適用于負載變化大而快的狀況下，為電網無功補償、諧波濾波、三相不平衡治理提供快速穩定的技術手段，并具有補償無功的大小進行連續的調節，不受電網阻抗的影響，也不容易與電網阻抗發行諧振。
有源電力濾波器運行中還能自動跟蹤電網頻率的變化，其補償性能也不受電網頻率變化的影響，對補償對象的變化有極快的響應，可同時對諧波和無功進行補償，具有良好的治理諧波效果。
電能質量劣化的治理，道路是曲折的，前景是光明的。在電力市場經濟環境下，人們已意識到高質量的電能供應是和經濟性聯系在一起的，電能質量的改善勢在必行。
隨著電能質量監測和評估體系的建設與完善，以及電能質量標準在實踐中不斷完善和發展，因而準確理解和把握電能質量標準，對搞好電能質量監管和電網安全穩定運行，以及節能降耗都具有十分重要意義。讓我們共同為建立一個完善的電能質量環境和全面提高供電質量而努力。
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