对配电网电能质量控制问题的探讨

对配电网电能质量控制问题的探讨

刘宏韬

广东真正工程检测有限公司

摘要：配电网是面向用户的电力网络，其电能质量的好坏直接关系到用户的受电水平。基于此，本文就配电网电能质量控制技术进行了研究分析。

关键词：配电网；电能质量；控制技术

引言

随着现代科技信息化的迅速发展，人们的需求也越来越高，对于电能质量所带来的问题也越来越引起人们的关注，这些问题大多数都是由因无功波动或非线性负载大量使用而导致的电压质量和谐波等问题。因此在供电工程中，需要采取相关技术和管理措施有效提高配电网的电能质量。

1.配电网典型电能质量问题

电能质量通常是指一些电压或频率的偏差，这些偏差将会引起电气设备的损坏或不能正常运行。电能质量主要包括不同程度的频率以及电压偏差、电压波动与闪变、波形畸变、短时电压中断以及供电连续性等。配电网的电能质量问题主要集中在因无功波动或非线性负载大量使用而导致的电压质量和谐波等问题。

配电网中的变压器、异步电机、荧光灯等用电设备都属于感性负载，这些设备在运行过程中需要吸收大量的无功功率。对于公共电网来说，当有功出力不变时，无功功率增加会增大系统电流，因此增大发电机、变压器等设备的容量，最终会使设备制造成本提高，同时也会使线路及设备的损耗增加，导致电力投资与运行费用的增加。

此外，配电网中还有相当多设备易产生谐波。电力电子变流器、电焊机、电弧炉等为主要的谐波源。这些设备产生的大量谐波会导致工频电压电流的波形产生畸变，如果不进行治理直接使其流入电网，会对电网造成严重污染，影响其它电力设备的正常使用和运行，附加损耗，致使设备过热甚至损坏，并且可能与系统阻抗发生谐振从而造成难以预计的安全事故，危害极大。因此，无功补偿和谐波抑制是配电网中电能质量控制技术的研究关键。

2.无功补偿技术

在配电网进行无功补偿具有重大作用，不仅可以提高系统的功率因数从而降低设备容量，还可以稳定电网电压，提高供电质量。无功补偿的基本思路是感性负载上并联一定量的容性设备，这样就能使能量在两者间互相转换，从而减少线路中的无功功率。无功补偿技术的发展主要经历了四个阶段，分别是同步调相机，固定电容器（FixedCapacitor，FC），静止无功补偿器（StaticVarCompensatory，SVC）和静止无功发生器（StaticVarGenerator，SVG）。

2.1同步调相机

同步调相机是最早使用的无功补偿装置。同步调相机其实就是一台选择发电机，既可以对固定无功进行补偿，也可以动态补偿变化的无功。但是同步调相机属于旋转设备，运行中的损耗比较大，还会产生噪声，运行维护比较困难，控制过程比较复杂，响应速度比较缓慢，无法适应电力系统要求原来越高的无功快速补偿。

2.2固定电容器

固定电容器具有成本较低、原理简单，安装、运行和维护都很方便的优点，与同步调相机相比，在补偿效果近似使，FC的费用要经济很多。因此，利用FC进行无功补偿的发展迅速，在电力系统中使用的越来越多。但是因为FC的补偿容量固定，不能实现无功功率的动态补偿，在运行过程中可能会出现过、欠补偿现象。此外，FC受系统中谐波影响较大，容易与系统阻抗发生谐振导致谐波放大，不仅危害FC本身，还会对电网中的其他设备产生影响，导致电网的运行出现故障。

2.3静止无功补偿装置

随着电网的不断建设和发展，电网对快速动态的无功补偿需求越来越迫切。电力系统中电力电子技术的大力发展，推动了采用晶闸管的SVC进行无功补偿的研究与开发。SVC能根据系统无功的需求或电压的变化实现自动跟踪的动态无功功率补偿。SVC的典型特征是通过晶闸管等电力电子器件接入系统，因此SVC可以非常迅速地进行频繁调节和投切，性能尤其是动作速度远远优于创痛机械设备。由于SVC的补偿性能较为优良，在近几十年中，SVC在全球市场应用中得到平稳并且快速的发展。SVC的主要应用形式包括晶闸管控制电抗器（ThristorControlledReactor，TCR）和晶闸管投切电容器（ThristorSwitchedCapacitor，TSC）分别补偿感性无功和容性无功，以及这两者的混合装置（TCR+TSC）。

2.4静止无功发生器

随着电力电子技术的发展，基于全控型电力电子器件的SVG在电力系统中得到了广泛的研究和发展。SVG安装在电力系统中，可以等效成一个可以变化的无功电流源，当负荷的无功电流发生变化时，其发出的无功电流可以自动快速地进行跟随调整。SVG的基本工作原理是通过IGBT等大功率电力电子器件构成三相桥式自换相逆变电路，通过连接电感（或变压器）或者电容接入到电网上，通过对逆变电路交流侧输出电压相位和幅值进行适当的调节，或者对逆变器交流侧电流直接进行控制，SVG就能够发出或吸收满足需求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。相对于SVC来说，SVG具有更宽的运行范围和更快的调节速度，并且SVG补偿电流中谐波的含量可以通过采用多电平、多重化等技术来显著降低。此外，SVG中的电感和电容元件相对SVC容量要小很多，因此装置的体积和成本也将大大减小。SVG性能优越，表征出了未来动态无功补偿技术的研发趋势。

3.谐波抑制技术

目前电网中抑制谐波的主要措施是装设滤波装置，常用的有无源电力滤波器（PassivePowerFilter，PPF）和有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）两种。

3.1无源电力滤波器

PPF是由电容、电感和电阻元件适当组合而形成的一种滤波设备，通常并联在谐波源附近，不仅能够滤除谐波还能进行无功补偿。PPF的工作原理是通过将PPF的谐振频率与需要滤除的谐波频率设定一致，则通过谐振点低阻抗分流作用，该频率处谐波将大部分流入PPF，从而将该次谐波滤除。PPF又分为单调谐、双调谐以及高通滤波器等类型。单调谐滤波器只出在一个谐振点，高通滤波器主要用来滤除高次谐波。双调谐滤波器具有两个谐振点，但因其结构比较复杂，调谐比较困难，所以工程中应用很少。实际工程应用中PPF常由一组高通滤波器和几组不同谐振频率的单调谐滤波器组成。

PPF是最早出现的滤波装置，结构比较简单、成本较低、运行可靠，在电力系统中得到广泛应用。然而，由于PPF设置的谐振次数固定，因此只能滤除特定频次的谐波分量，此外PPF滤波效果受系统运行情况影响较大，特别对电网频率和阻抗的变化十分敏感。此外，在特殊谐波频率上PPF还有可能会与电网阻抗发生谐振而使谐波电流放大，严重时会造成设备损坏。

3.2有源电力滤波器

APF是一种新型电力电子滤波设备，响应速度快，控制灵活，可以对大小和频率都变化的谐波进行动态补偿，克服PPF等传统设备的缺点。通过对APF进行适当控制，可以发出与电网谐波大小相等极性相反的电流，注入到电网从而消除电网谐波。APF不仅可以滤波，通过适当的控制还可以补偿无功，并且不与系统阻抗发生谐振，故系统阻抗的变化不会影响其滤波效果，能自动跟踪并补偿快速变化的谐波。随着大功率全控型器件的不断研发，尤其在电力电子控制技术的大力发展后，APF得到了极大的发展，已经从针对用户自身的谐波抑制慢慢扩展到针对整个电力系统的电能质量。

4.配电网中电能质量综合控制技术

FC和PPF作为传统补偿装置，具有结构简单，设备成本和运行费用较低等优点，在电力系统中应用广泛。然而由于FC阻抗固定，不能跟随补偿负载无功的变化，PPF只能滤除特定频次谐波，因此PPF和FC不能实现谐波和无功的实时补偿和抑制。当电力系统阻抗值因线路变化，支路增加，负载变化等原因而发生变化时，都会对这些无源设备的补偿效果产生不同程度的影响，值得重视的是无源设备与系统阻抗还存在发生谐振的可能。

采用全控型电力电子器件构成的APF和SVG等有源设备能够基本上克服PPF和PC等无源设备的缺点，单独使用的APF和SVG可以在小容量非线性负荷和无功负荷的场合提供有效的解决方案，但是要进行大容量无功或谐波的补偿，对有源设备装置容量就会有较高要求，从而增加了有源设备的成本和操作难度。

采用有源装置与无源装置配合运行的混合补偿系统，可以互相弥补其各自的缺点，实现技术性能较好、可靠性高、成本较低的大容量无功和谐波综合补偿，是性价比最好的一种研究方案，适合在配电网中推广应用。

比如SVG+FC的组合方式，采用FC补偿固定的无功功率，采用SVG补偿变化的无功功率。设补偿前电网有功功率平均值为P，功率因数平均值为cosθ1，目标功率因数为cosθ2，可得无源部分无功补偿容量为：

Q=P（tanθ2-tanθ1）

所以有源部分容量可以减少QkVar，仅需小容量来补偿负载波动无功功率即可。这种补偿方式既实现了良好的无功补偿效果，又能降低SVG的容量，同时通过适当控制可以防止无源部分的投切振荡。因此，有源装置与无源装置配合运行的混合补偿方式是未来配电网电能质量控制技术发展的一个重要方向。

5.结论

综上所述，现阶段，世界各国在积极进行现代化建设过程中，对电能的可靠性要求都越来越高。因此，针对配电网出现一系列的电能质量问题，应加强对配电网质量问题的分析，并采用有源装置与无源装置配合运行的混合补偿系统，来提高配电网运行的安全性和稳定性。

参考文献：

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[2]研究电力调度的安全管理及电能质量控制[J].王江.低碳世界.2017（23）

[3]对配电网电能质量控制技术的相关分析[J].潘夏.科技视界.2017（31）