電能質量

電能質量的好壞，直接影響到工業產品的質量，評價電能質量有三方面標準。首先是電壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等;其次是頻率波動;最后是電壓的波形質量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。我國對電能質量的三方面都有明確的標準和規范。

隨著科學技術的發展，隨著工業生產水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗，而且干擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動作與拒動，直接威脅電網的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節能燈在使用量所占比重較小的電網中運行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節能燈后，就會發現節能燈的損壞率大大提高。這是由于節能燈是非線性負荷，它產生較大的諧波污染了這一片電網，造成三相負荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比1要小得多，造成了該片電網供電質量下降，用電設備發熱增加，電網線損增加，使得該區的配變發熱嚴重，嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設備產生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。

電力系統中的諧波來自電氣設備，也就是說來自發電設備和用電設備。由于發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發電機發出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。

對于諧波分量而言，隨著科技進步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發電機的諧波分量有所上升。當發電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時，由于電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由于電網電壓偏移在±7%以下，所以發電、變電設備產生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。

為此，影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：

·電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。

·交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。

·交流整流再逆變用電設備：如變頻調速、變頻空調等。

·開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。

這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

電弧加熱設備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。

此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少，電焊機應用的同時率就更小了，對整個電網的影響比較小，但在當時已發現在燒電焊時，局部低壓電網的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

交流整流直流用電設備的諧波產生的原因是由于整流設備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感)，從而使閥電壓提高，加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中應用了可控硅，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數比較低。

交流整流再逆變用電設備，在交流變直流過程中產生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設備產生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

雖然這類設備單臺容量比上述兩類設備容量要小，但它的分布面廣，數量多，是目前推廣使用的技術手段，因此它的諧波污染應引起足夠關注。

開關電源設備目前應用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉，從而在變壓器二次側感應出電流，供給用電設備。此外，開關電源的頻率比較高一般在40KHZ左右，不僅在整流時產生諧波，而且在開關管開閉時，反射40KHZ左右的波至電源。這類用電設備同樣是單臺容量不大，但它是應用面最廣、量最大的非線性用電設備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10KV電網。

通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前國內工業企業的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規的無功補償就無法投切，有的用戶用常規的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8～3.8倍以上，使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設備的使用壽命，多交了電費。

諧波的治理主要采用無源濾波裝置和APF有源電力濾波器。

1、LZS無源濾波裝置主要采用LC回路，并聯于系統中，LC回路的設定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經為其設定的LC回路，達到消除(濾除)某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統進行無功補償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制回路。

2、LZS有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網絡中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，雖然成本略高，但在其額定功率范圍內，原則上能全部濾除干凈。

目前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波裝置和有源電力濾波器。下面就談談這二種方法的優缺點以及市場前景及其經濟效益的分析。

1、無源濾波裝置

無源濾波裝置的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來，組成LC串聯回路，并聯于系統中，LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與系統產生諧振。現在，市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV 無源濾波裝置，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業大多數是私有的，業主對諧波的危害認識不足，一般不愿意拿出大量的經費來治理諧波，而有的企業由于諧波的含量太大，常規的無功補償不能奏效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就會產生力調電費。

2、有源電力濾波裝置

LZS有源電力濾波裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的，它的濾波效果好在其額定的無功功率范圍內，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，成本極高，其制作也較之LZS無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多了。其主要的應用范圍是計算機控制系統的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統，工廠的計算機控制供電系統。