电能质量与节能

电能质量与节能（精选十篇）

电能质量与节能 篇1

从普遍意义上来讲,电能质量是指优质供电。但迄今为止,对电能质量的技术含义还存在着不同的认识,电力企业可能把电能质量简单地看成是电压(偏差)与频率(偏差)的合格率,并用统计数字说明电力系统的电能99%是符合质量要求的;电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供电;而设备制造厂家则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工作的需要。相关文献中对电能质量的定义为:“导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差”。这个定义简明地概括了电能质量问题的成因和后果。

2 电能质量与节能的关系

电能质量与节能的关系,可以从两个方面来论述,一是控制电网电能质量会带来节能效益,二是节能技术对电网电能质量也有影响。

2.1 电能质量控制的节能效益

在各种控制电能质量的措施中,能带来节能效益的有两种:谐波抑制技术和无功补偿技术。

谐波治理带来的节能效益:谐波会在电网和各种电气设备(旋转电机、变压器等)上造成大量谐波功率损耗,高次谐波分量比低次谐波分量更容易引起损耗(但电网中高次谐波含量一般远低于低次谐波,谐波损耗主要还是由低次谐波引起)。因此,采用各种谐波治理措施消除公用电网谐波,可有效降低谐波功率损耗,带来重大节能效益。

无功补偿措施带来的节能效益:功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标,用电设备在消耗有功功率的同时,还需大量的无功功率由电源送往负荷,功率因数反映的是用电设备在消耗有功功率的同时,所需的无功功率。对于农村用电负荷来说,主要是一些小型加工业及照明负荷,其中大部分设备为感性负载,其功率因数都很低,影响了线路及配电变压器的经济运行。通过合理配置无功功率补偿设备来提高系统的功率因数,从而达到节约电能、降低损耗的目的。

2.2 节能技术对电能质量的影响

节能技术对电能质量的影响主要体现在两个方面,一是各种节能设备的使用有可能恶化电网电能质量,二是各种扩展节能技术的使用也会导致电能质量变差,如并联电容补偿装置参数配置不合理引起的电网谐振、分布式发电技术引起的电网电压和电流的畸变。

目前得到广泛使用的节能设备有节能灯具、高效率空调和热泵、高效率电动机以及高效率烘干机等,它们都使用了电子开关技术。

3 电能质量治理控制与节能效果

下面简要介绍谐波抑制、无功补偿、电压调整以及频率调节等几种治理控制技术,并对电能质量控制的节能效果进行简单分析。

3.1 常规谐波抑制与无功补偿技术

常规谐波抑制与无功补偿技术,主要是无源型的LC滤波补偿技术,是最为广泛采用的电能质量治理控制手段,也是实施节能降损的主要途径。与该技术相关的研究内容有无功补偿量的确定、无源滤波器组的参数设计等。

3.2 自动电压控制技术

电压质量的控制是运行关注的重点。近年来,随着经济的持续稳步发展,系统负荷增长较快,电网结构日趋复杂,跨区域远距离输电的交流输电通道或交直流并联输电通道越来越多,在某些受端负荷中心动态无功备用不足和输电通道过于集中,增加了电压调控的难度,降低了系统运行电压的电压质量和合格率;在发生系统故障时,增加了全网电压失稳和崩溃的可能性。同时,电网运行损耗也将增大,降低系统运行的经济性。

3.3 串联补偿技术

串联补偿 技术主要 分两类。第 一,固定串补(Fixde Series Compensator,FSC)。它是补偿度(补偿电容器组的容抗与补偿线路的感抗之比)固定的串联补偿装置。第二,可控串补(Thyristor Controlled Series Compensater,TCSC)。它是利用电力电子手段调节补偿度的串联补偿装置。

3.4 按频率、电压减负荷技术

按频率、电压减负荷普遍采用基于反映检测的稳定控制原理,即按照预先规划好切负荷的方案,包括切负荷频率、电压水平的确定,切负荷地点、切负荷量的确定以及合适的切负荷时间等,当系统发生严重故障扰动时,引起的系统频率、电压降低到预先给定的某个水平并经预定的时延后,实施切负荷。

3.5 电能质量控制的节能效果分析

第一,直接经济效益。主要表现为:减少功率因素罚款,甚至有功功率因素奖励;节约能源;提高企业利润。第二,提高企业内部设备运行的可靠性。主要表现为:电动机、电容器、电缆等故障率下降;电动机运行平稳;变压器温升下降,噪声明显降低;企业内部电子设备故障率下降,如计算机、数控设备等;减少生产性服务成本;提高企业的整体生产率。第三,对电网及周边用户的影响减少。主要表现为:系统供电变电所内电容器、变压器问题减少;周边用户用电设备故障率下降;用户投诉率下降。

摘要：电能质量与节能技术问题越来越受到国内外的关泛关注。本文从电能质量的基本概念、电能质量及其对节能的影响、电能质量治理控制与节能效果等方面进行了综述;分析电能质量与节能技术的相关影响,探讨电能质量治理控制技术与节能效果,提出加强电能质量与节能技术研究、完善电能质量与节能技术相关标准的建议。

电能质量与节能 篇2

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摘 要

介绍了电能质量的相关概念和术语，并对其指标进行了分类，指出不同的指标有不同的定义和应用领域；重点就国家已颁布的六个电能质量标准的主要内容作了分析；并结合实际阐述电能质量的几种改善方法与措施；无源滤波器、有源滤波器、静止型无功补偿装置，介绍了它们的基本组成和原理，这些方法可以有效地解决稳态时的电压质量问题；文章还就电能质量技术的改进与提高，提出系统化综合补偿技术是解决电能质量问题的“治本”途径，以解决动态电能质量问题。得出结论：运用FACTS和电力新技术对电能质量进行系统地综合补偿，将是电能质量问题研究与开发的方向和有效解决途径。

【关键词】：微机保护、工频变化量、反事故措施、信息系统、专业管理

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Abstract

His article recommands the defintion, term, and performance criterion of power energy quality, summaries the appliance scope and difference types of these criterions, analyzes emphasesly the main content of six national power energy quality standards that had been printsmaned, explains some methods to improve relative quality according to practical operation: Passive filter, active filter, SVC and so on , introduces their basic structure and principle, owever these measures can only solve stable voltage quality problems.his paper presents the synthesis compensation technique in order to resolve dynamic energy quality problem.It is just root approach to restrain power quality question.his article takes resonable conclusion finally: It is more effective to apply FACS and integrative compensation approach, and this is the direction to researchpower energy quality.

【Keywords】：Energy quality;SVC;Dynamic energy quality;Synthesis compensation

目 录 电能质量概念........................................1 2 电能质量指标........................................1 3 电能质量标准........................................1 3.1 电压允许偏差..........................................................2 3.2 公用电网谐波..........................................................2 3.3 电压波动和闪变........................................................3 3.4 三相电压不平衡........................................................3 3.5 电网频率..............................................................3 3.6 暂时过电压和瞬态过电压................................................3 电能质量污染的治理...................................4 4.1 治理的基础性工作......................................................4 4.2 SVC装置..............................................................4 4.3 无源滤波装置..........................................................5 4.4 有源滤波器............................................................5 4.5 系统化综合补偿技术....................................................5 结语...............................................6 11桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸

电能质量概念

电能质量包括四个方面的相关术语和概念：电压质量(Voltagequality)即用实际电压与额定电压间的偏差(偏差含电压幅值，波形和相位的偏差)，反映供电企业向用户供给的电力是否合格；电流质量(Current quality)即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个定义有助于 电网电能质量的改善，并降低网损；供电质量(qualityofsupply)包含技术含义和非技术含义两个方面：技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量(qualityofservice)包括供电企 业对用户投诉的反应速度和电力价格等；用电质量(qualityofconsumption)包括电流质量和非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等，它反映供用双方相互作用与影响用电方的责任和义务。

一般地，电能质量的定义：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。这个定义简单明晰，概括了电能质量问题的成因和后果。随着基于计算机系统的控制设备与电子装置的广泛应用，电力系统中用电负荷结构发生改变，即变频装置、电弧炉炼钢、电气化铁道等非线性、冲击性负荷造成对电能质量的污染与破坏，而电能作为商品，人们会对电能质量提出更高的要求，电能质量已逐渐成为全社会共同关注的问题，有关电能质量的问题已经成为电工领域的前沿性课题，有必要对其相关指标与改善措施作讨论和分析。电能质量指标

电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义，参考IEC标准、从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如下：

1、低频传导现象：谐波、间谐波、电压波动、电压与电流不平衡，电压暂降与短时断电，电网频率变化，低频感应电压，交流网络中的直流；

2、低频辐射现象：磁场、电场；

3、高频传导现象：感应连续波电压与电流，单向瞬态、振荡瞬态；

4、高频辐射现象：磁场、电场、电磁场(连续波、瞬态)；

5、静电放电现象。

对于以上电力系统中的电磁现象，稳态现象可以利用幅值、频率、频谱、调制、缺口深度和面积来描述，非稳态现象可利用上升率、幅值、相位移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度等描述。保障电能质量既是电力企业的责任，供电企业应保证供给用户的供电质量符合国家标准；同时也是用户(拥有干扰性负荷)应尽的义务，即用户用电不得危害供电；安全用电；对各种电能质量问题应采取有效的措施加以抑制。电能质量指标国内外大多取95％概率值作为衡量依据，并需指明监测点，这些指标特点也对用电设备性能提出了相应的要求。即电气设备不仅应能在规定的标准值之内正常运行，而且应具备承受短时超标运行的能力。电能质量标准

综合新颁布的电磁兼容国家标准和发达国家的相关标准，中低压电能质量标准分5大类13个指标。

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《电能质量公用电网谐波》(GB／T14529-1993)中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。

该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流(2～25次)注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。

3.3 电压波动和闪变

电压波动(Fluctuation)即电压方均根值一系列的变动或连续的改变；闪变(Flick)即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。

《电能质量电压波动和闪变))(GBl2326-2000)是在原来标准GBl2326-1990的基础上，参考了IEC电磁兼容(EMC)标准IECTl00-3-7等修订而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值。

3.4 三相电压不平衡

《电能质量三相电压允许不平衡度》(GB／T15543-1995)适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的PCC连接点的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％，每个用户不得超过1．3％。而且该标准还解释：不平衡度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产(运行)周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平衡指标时，该标准规定用95％概率值作为衡量值。即正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和实际测量的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实际测量的95％的概率值对比；以判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。

3.5 电网频率

《电能质量电力系统频率允许偏差》(GB／T15945-1995)中规定：电力系统频率偏差允许值为o．2Hz，当系统容量较大时，偏差值可放宽到+0．5Hz～-0．5Hz，标准中并没有说明系统容量大小的界限，而在《全国供用电规则》中有规定：“供电局供电频率的允许偏差：电网容量在3GW及以下者为0．2Hz；电网容量在3GW以上者为0．5Hz”。实际运行中，我国务跨省电力系统频率都保持在+0．1Hz～-0．1Hz的范围内，这点在电网质量中最有保障。3.6 暂时过电压和瞬态过电压

由于开关操作或雷击等原因引起，暂时过电压与瞬态过电压是直接危及电力设备安全运行的重要原因之一，以往只是对电器设备的耐压水平进行考核，而对电网中实际产生的过电压水平则无限制。电网的过电压水平也是电能质量的一个重要指标。

《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》GB／T18481-2001标准主要根据GB311．1，按过电压的波形特点分为两大类，因为是过电压波形，幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响。“暂时过电压”是指其频率为工频或某谐波频率，且在其持续时间

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4、自饱和电抗器型(SSR型)：维护较简单，运行可靠，过载能力强，响应速度快，降低闪变效果好，但其噪音大，原材料消耗大，补偿不对称电炉负荷自身产生较大谐波电流，无平衡有功负荷的能力。

4.3 无源滤波装置

该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

1、单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2～7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20～50％，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。

2、高通(宽频带)滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。

4.4 有源滤波器

虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(Active PowerFliter，缩写为APF)。APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：

1、不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；

2、滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；

3、具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。

4.5 系统化综合补偿技术

改善电能质量的意义与对策 篇3

【关键词】电能质量；改善意义；改善措施；对策

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质,通常是指电网线路中电能的好坏情况,当电风的电能质量被干扰或污染,达不到国家相关标准时,就要有去声生地对电风进行电能质量改善。

1.电能的概念及特点

1.1电能质量的概念

对于电能的定义国际电气电子工程师协会定义为：合格的电能能给敏感用电器供给的电力和设置的接地系统均适合该设备正常工作。

国际电工委员会则提出了电磁兼容（EMC）术语，明确说明了设备之间的相互作用及影响，且制定了电磁兼容标准，电能质量在电磁标准的定位是：合格的电能质量在正常工作情况下不影响或干扰用户使用电力情况的物理特性。

1.2电能质量的特点

电力生产企业并不能完全控制电能质量，有些电能质量的变化是有电力用户引起的（比如，谐波、电压波动和闪变等），或是自然灾害及非控制因素引起的。

在不同的时间内供用电的电能指标通常是不相同的，既是电能质量在空间和时间上是处于不停的变化之中的。

1.3改善电能质量的意义

电能质量直接关系到国民经济的总体效益，良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利。不良的电能质量对电力系统运行的不利影响也已引起人们足够的重视，电能质量问题主要影响电气设备的性能指标，如：不正常的电压和频率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化，导致传动机械的效率降低，使纺织、造纸等产品的质量受到影响；谐波电流在旋转电机、输电线路、变压器等输配电设备中流通，使这些设备因产生附加损耗而过热，从而降低了这些设备的寿命或容量，从危害程度来看，某些电能质量问题的危害是破坏性的。

2.电能质量的原因影响

2.1电力系统元件存在的非线性问题

电力供电系统中元件的非线性问题有：发电机正常工作中产生的谐波；电网中各变压设备产生的谐波；直流输电产生的谐波；经过高压后的输电线路对谐波的放大作用。另外，并联电容器在变电站中的设置等因素也都会造成谐波的出现。这些因素中直流输电因素是现在电力系统中产生谐波的主要因素。

2.2非线性负荷

非线性负载在工业和生活用电中占的比例很大，这是电力系统中产生谐波的主要根源。非线性的主要负载是电弧炉，电弧炉起弧的时延及电弧的严重非线性产生了谐波。居民的日常生活和生產的负荷中，使用的荧光灯的伏安特性也是非线性的，也会有严重的谐波电流产生，其中含量最高的是三次谐波。此外，使用大功率的整流和变频装置也会有严重的谐波电流产生，严重影响了电网的安全。

2.3电力系统故障

电能质量也会受到电力系统运行时的内外故障影响，例如，各种自然灾害、人为的非正常操作、各种线路短路、电网出现故障时发电机及励磁系统工作状态的改变等都会对电能的质量造成很大的影响。

3.改善电能质量的措施

3.1改善电能质量涉及面很广

为减少频率和电压偏差，应实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制以及许多新型的调频、调压装置的开发和应用。

近几年在全国范围内进行的城乡电网改造工程，是提高电能质量的重要措施。在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前已有几种装量可供选择，例如技术已相当成熟的无源滤波器、静止无功补偿装置等。积极推广使用先进的电能质量调节元件。

3.2改善电能质量的措施

（1）是调整负荷，降低负荷的敏感程度，如果遇到要求负荷电能质量特别高的电力用户仅依靠电力企业采取的措施不能在短期内满足要求时，电力企业必须和电力用户共同采取必要措施，使负荷减少敏感程度及降低电能质量不良程度。（2）是改进电网，电力企业安装和抵制或消除电力扰动的必要设备。

3.3电能质量的管理。电能质量的好坏，管理工作是不可忽视的环节，为此须进行下列工作

将电能质量的监督正式纳入电力生产轨道，同时建立国家、各省、地市3级电能质量管理体系。作为电能质量指标的电压和频率偏差，基本上由各级电力调度部门进行日常监管，这方面已制定了一些规程、导则（例如调度规程、无功和电压管理导则）。谐波、电压波动和闪变以及三相不平衡同用电负荷的关系较密切，这三个指标难以做到实时监督，一般应由试验部门定期组织测量。现在有必要在国家质量监督部门领导下建立国家级电能质量检测中心，作为电能质量监管的技术归口单位。各网省、地市可以建立相应的电能质量检测站。

3.4建立质量管理体系

根据实际工作需要，建立电能质量检测中心，作为电能质量监管的技术归口单位，制度与国家标准配的行业标准或规程，导则，如涉及用户干扰指标的分配，干扰的预测计算，电能质量改善措施的选择，监测仪器或规程作为执行的依据，只有建立完善的管理作体系，改善电能质量才可落到实处。

3.4.1基础理论的研究

电能质量基础理论研究是对其本质进行深入研究的基础，包括统一的畸变波形行电能质量的含义，各功率成分的定义、产生机理、评价体系的研究，及物理意义，科学的计算方法研究等。目前为适应不同的需要提出许多的定义方法。

3.4.2新型算法的开发

随着近代数学和人工智能技术的迅速发展及大量跨学科、跨专业交叉理论的出现，电能质量分析的模型、方法和手段呈现出强烈的多样性，如何以更科学、更先进的模型来分析电能质量，改善其对电网的影响，也是电能质量研究领域的研究情况来看，小波分析、模糊数学的方法、神经网络方法、遗传算法及交叉技术将成为今后电能质量新算法研究的主流方向。

3.4.3电能质量监测的网络化、智能化

现代电网规模越来越大，监测点越来越多，未来电能质量的监测不仅局限于某一点，而是要实现同一供电系统、不同地点的电能质量监测，甚至实现多个不同供电系统的集中监测。在功能上，更强调智能化，除具有计算、显示等功能外，还要有一定的判断、分析、决策等功能，如能进行事件预测、故障辩识、干扰源识别和实时控制，初步具有自动的实用先进的计算智能评估功能。

4.结束语

综上所述，我们不但要为用户提供可靠的电能，还要设法改善电能质量，电能质量对于电网的安全，经济运行，保障用户工业产品质量和科学实验的正常运行，以及降低能耗都有相当的重要意义。

【参考文献】

［１］肖湘宁，徐永海，电能质量问题剖析[J]．电网技术，2001，3．

［２］丁书文．现代电能质量问题及其检测管理与治理[J]．华中电力，2004，3．

［３］邱贤辉．关于当前电力营销管理的几点思考[J]．广西电业，2007，4．

［４］郭育生．影响电能质量的因素改善方法[J]．江西电力职业技术学院学报，2007，20（2）．

电能表在线校准与节能减排 篇4

能源计量是实现节能降耗的必要手段,在节能监测、节能诊断、能源审计等能源管理中,起着“标尺”和“眼睛”的作用。能源计量的核心是能源计量器具,只有能源计量器具配置合理、计量准确,才能保证能源计量数据的准确可靠,才能对企业的能源利用状况进行科学的统计和分析,为企业的能源管理和节能工作提供可靠、准确的指导方向,有利于企业节能减排[1,2]。

1 电能表电能计量量值溯源

电能表量值溯源可以保证其对电能计量的准确,进而保证了电能用户电能消耗量的数据准确、可靠,为用户对用电的监管提供可靠的依据。电能表量值溯源有两种方法,即:实验室检定和现场校准[3]。

1.1 电能表实验室检定

1.1.1 实验室检定原理

电能表实验室检定是在标准实验室环境、稳定的供电质量中,利用电能表检定标准装置,在模拟三相平衡负载下,对其固定的负载点进行电能误差检定。检定点如表1、表2所示。

1.1.2 实验室检定的优点

1)标准器精度高,可以满足于任何等级电能表的检定要求。

2)环境、标准器接线以及人为因素等引入的误差小。

3)安全性高,不会对检定操作人员造成伤害。

注:cosφ=0.8只适用于0.5级和1级有功电能表。

1.2 电能表现场校准

1.2.1 电能表在线校准技术原理

电能表现场校准是采用便携式电能表现场校验仪,在电能表实时的工作负载下对电能表的接线、电能误差进行的在线校准。电能表在线校准采用比对法,即在一段时间内标准表的累计电能与电能表计量的累计电能进行比对[6]。

1.2.2 现场校准的优点

1)为电能表量值溯源提供方便、节省时间。电能表实施在线校准,节省了因送检、拆装耗费的大量时间。

2)电能表实施在线校准,避免了因电能表送检需拆装而引起的企业停产,同时也节省了拆装耗费的劳动力。

3)在线校准是在电能表实时负载下进行校准,最能反映电能表在此负载下、此种工作状态下、此种接线模式下的电能计量准确性。避免了某些电能表由于线性、环境适应性、随负载瞬变性、稳定性等欠佳,在实验室标准环境、三相平衡稳定负载下检定合格的产品安装到现场后反而计量精度的情况。

4)在线校准,可以检测由于人为因素而造成的电能表计量不准确。例如:电能表接线错误引起计量不准确,电能表选型不当使电能表工作于过低负载电流下或超负载电流下而导致电能表计量不准确。

1.2.3 现场校准存在的不足

1)标准器精度不够高(原因是外夹式电流钳精度不高),满足不了高精度的电能表校准要求。

2)环境、电能质量、标准器接线等人为因素带入的误差较大。

3)校准操作人员存在安全隐患,如不做好防范措施,当操作不当时,极易引起烧伤、电击等事故。

4)生产存在安全隐患,如操作不当,可引起计量端短路,甚至可能引起设备停电。

2 企业电能计量现状及计量结果分析

2.1 企业电能计量的现状分析

电能是企业生产必不可少的一种能源,因此对电能的计量也就必不可少,电能表作为电能的专业测量仪表在企业中是随处可见。随着国家节能减排政策的大力实施,企业按照国家标准《用能单位能源计量器具配备和管理通则》(GB17167-2006)的要求,电能计量器具配备越来越完善,从进入企业的端口,到生产部门、生产线、重要耗能设备等都安装了各种类型的电能表,少则几十只,多则上千只。但是许多企业在安装电能表时疏忽造成接线错误、选型不符合要求;安装后管理不规范,没有进行周期检定或校准,甚至有些电能表损坏停止计量。可见在很多企业中,安装的电能表只是个摆设,没有起到对电能准确计量的作用,从而影响了企业能源审计、节能改造、节能量审核等数据的准确性,不利于企业进行生产能耗管理和政府部门对其节能减排的监管。

2.2 影响企业电能表计量精度的原因

1)电能表本身的电能计量误差超差。

2)电能表接线错误,导致电能表计量不准确,甚至有的更是反转。接线错误包括:电压、电流三相相线接错或电压、电流缺相[8]。

3)企业扩容或预留过大、电能表选型不对,导致电能表工作在过低负载电流或超负载电流下。

4)企业供电电能质量差,供电电压不稳、谐波大、功率因素低等导致电能表计量不准确[8]。

5)由于负载瞬变过快,电能表反应不够灵敏导致计量不准确。

2.3 企业在用电能表现场校准结果统计分析

对三菱电机、添利电子、美维电子、梅州卷烟厂、统一嘉吉粮油、中山管桩、依利安达、珠海醋酸纤维等数十家广东省重点耗能企业在用的电能表的计量现状进行摸底,共对2000多只电能显示表进行了现场在线校准,校准结果显示其中计量不准确的电能表的比例高达23.0%,具体的校准结果如表3所示。

注:电能表现场校准总数量为2318只。

注:电能表现场校准总数量为373只。

甚至个别电子生产企业在用电能表不能准确计量的高达31.4%,具体结果如表4所示。由此可见,为了保证企业电能计量的准确,为节能减排提供准确可靠的数据,对企业安装的电能表进行量值溯源刻不容缓。

从表3、表4中分析可知,导致企业电能表计量不准确的主要原因是接线错误和电能表本身误差超差。其中在被校准的2318只电能表中各种导致电能表计量不准确的原因在所有计量不准确的电能表中所占的比例如图1所示。

由图1可见,除电能表本身误差超差以外的其他原因占到了65%,这些影响电能表计量不准的因数是实验室检定中无法检测到的,只有通过在线校准才能发现这些影响因数,判断电能表实时状况下的计量误差。

3 电能表在线校准测量不确定度分析[9]

3.1 数学模型

当用被检电能表输出一定的脉冲数(N)停住标准电能表的方法检定时,被检电能表的相对误差γ(%)按式(1)计算:

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式中:γ0—标准表或检定装置的已定系统误差,%,不需更正时γ0=0;W—实测电能值,即标准电能表累计的电能值,kWh;W0—算定电能值,即被被检电能表在没有误差运行下,输出N个低频脉冲时,标准电能表应累计的电能值,kWh。

按式(2)计算W0有:

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式中:C0—标准表的脉冲常数PL或Ph;

n0—算定脉冲数。

按式(3)计算n0有:

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式中:CL—被检表的低频脉冲常数PL,kWh;KI、KU—标准表外接的电流、电压互感器变比。

当没有外接电流、电压互感器时KI和KU都等于1,如宽量限标准电能表一般都无需配电流、电压互感器扩展量限。

将式(3)代入式(2)得:

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在测量中,由于W0≈W,并将式(4)代入式(1)分母部分,可得被检表的相对误差。

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3.2 测量结果不确定度的来源

根据电能表测量结果的最后取值和相对误差计算公式,被检电能表相对误差的标准不确定度来源主要有以下几个方面的影响:

1)测量的重复性;

2)三相电能表现场校验仪的准确度(测量结果根据上一级计量机构检定证书作修正时,不予考虑);

3)三相电能表现场校验仪因标准溯源(测量结果不作修正时,不予考虑);

4)三相电能表现场校验仪的年稳定度;

5)三相电能表现场校验仪和被检表电压端电位差;

6)电路电压、电流、频率的波动;

7)测量结果的修约(如果测量最后结果取修约值,应予以考虑)。

4 结语

对电能表现场在线校准的优势以及企业电能表的利用状况和现场校准结果的统计分析,可知企业在电能表的利用方面和电能的准确计量方面还存在很大的问题。企业中在用的电能表计量不准确,一方面是由电能表计量特性超差导致的,但绝大部分是由于安装条件、选型、接线等环境或人为因素导致的,可见,对企业在用的电能表进行现场在线校准是尤其必要的。只有对企业在用的电能表进行现场在线校准,才能保证企业对电能的准确计量,才能实际反映企业生产电耗的高低;有利于企业在生产中对电耗的控制,节约能源;保证了节能量审核、能源审计等数据的准确,有利于企业节能减排。

为了电能表在线校准能更好地为企业节能减排服务,必须发展和创新电能表在线校准技术,提高便携式电能表校验仪的精度,扩大电能表在线校准的等级范围,提高现场在线校准的安全系数。

摘要：阐述能源计量、电能表在线校准在企业节能减排中的重要作用,同时分析研究企业电能计量的现状及其对节能减排的影响。通过对电能表现场校准的结果统计分析,阐述在企业节能减排中电能表在线校准的优势和必要性,同时对电能表在线校准的测量不确定度进行研究分析,并对电能表在线校准技术的发展提出要求。

关键词：电能表,在线校准,能源计量,节能减排

参考文献

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[2]苟铭.计量,节能的命脉—访国家质检总局副局长王秦平[J].中国质量技术监督,2005,(6):5-6.

[3]刘玉明.提高电能计量准确性的方法研究[D].重庆:重庆大学,2002.

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[5]JJG596-1999,电子式电能表检定规程[S].

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[7]徐二强,胡春兰,刘蕾,等.电能表接线方式对计量准确度的影响分析和应用[J].电力设备,2008,(8):67-69.

[8]葛毅.电力谐波对电能表电能计量的影响研究[D].重庆:重庆大学,2003.

单一电能质量扰动信号的建模与检测 篇5

关键词：电能质量 建模 检测 扰动

中图分类号：TM773 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（b）-0002-01

电能属于二次利用能源，电能的利用程度直接影响着一个地区乃至国家电力发展的好坏[1]。近年来，非线性电子控件和以微处理器为基础设备的负载器件被广泛使用，从而导致出现了越来越多的电压扰动，也使电能质量问题变得尤为突出。在电能质量的扰动中，主要包含暂态问题和稳态问题，该文主要介绍PQ扰动信号的暂态信号数学模型和稳态信号数学模型的定义、公式[2]。

1 暂态模型

在PQ问题的研究中，暂态扰动模型主要涵盖了电压暂降、电压暂升、电压中断、振荡暂态这几种模型[3]。

1.1 电压暂降

电压暂降产生的原因主要有电力系统机械故障，如系统发生接地短路故障、大容量电机的启动和负载突增也会导致电压暂降，数学模型如下所示：

（1）

1.2 电压暂升

电压暂升是指电力电压在标准工作环境下，受到外界干扰时其电压幅值在极短的时间内迅速上升，一般暂升值是标准幅值的1.1到1.8倍，下降持续时间大约为0.01s到1min的电磁扰动现象[4]。其数学模型为：

（2）

1.3 电压中断

电压中断是指工作电压在极短的时间内降低到标准幅值的0到0.1倍，并且中断时间大约为0.01s到1min的电磁扰动现象。数学模型为：

（3）

1.4 振荡暂态

按照频谱成分可以将振荡分为三类即低频振荡、中频振荡和高频振荡。高频振荡多为脉冲引起的，低频振荡一般是由于电网中出现不必要的故障而引起的，其危害系数远远高于高频振荡。其数学模型为：

（4）

2 仿真

仿真采样频率，采样点数为8000个数据点，图中分别表示原始信号、由基于非形态小波（MUDW）分解后的第一层、第二层的幅值。a到f分别代表：a表示电压电能质量扰动形态费抽样小波检测仿真（后面依次同理）；b表示电压暂降PQ扰动；c表示电压暂升PQ扰动；d表示振荡PQ扰动，仿真检示意图如图1、图2。

3 结论

图1，图2中的仿真结果表明：在单一扰动信号下，改进的MUDW检测出的扰动信号误差较小，并检测扰动奇异时刻值，有利于电能质量扰动信号的检测定位分析。

该文提出了一种改进的形态非抽样小波用于电能质量扰动的研究，在仿真验证中，利用MATLAB软件进行仿真，将扰动信号分为单一扰动仿真，结果表明改进的形态非抽样小波能识别出扰动信号。

参考文献

[1]林海雪.现代电能质量的基本问题[J].电网技术，2001，25（10）：5-12.

[2]谭万禹，金月，张红，等.电能质量扰动检测研究方法[J].长春工程学院学报：自然科学版，2013（4）：40-42.

[3]张秀娟，徐永海，肖湘宁.电能质量扰动小波变换检测与识别方法的发展[J].电力自动化设备，2003，23（9）：67-71.

电能质量与国民经济 篇6

随着国民经济发展和人民生活水平的提高,社会对电能的需求越来越大。由于我国电力工业的发展,特别是近年来的高速发展,供电量基本满足了社会的需求。但是工业的发展,用电设备中整流元件的大量使用,大负荷、冲击负荷、不平衡负荷的出现使电能质量下降。与此同时,高新技术的发展,大量电子设备的应用,对电网的电能质量提出了更高的要求。因此,近年来电能质量问题受到了业内外各界的关注和重视。电网的互联和扩大提高了供电可靠性和经济性,但在事故状态下也会使电能质量的某些指标(如电压暂降)劣化的范围和频度扩大。电能质量检测与控制技术因此得到迅速发展。电能质量涉及到发电、供电、用电和电气设备制造行业,关系到国民经济的发展和人民生活水平的提高。

本文综述电能质量和国民经济的关系,提出了电能质量检测与控制技术研究中应该注意的几个问题。

2 电力工业是国民经济发展的重要基础之一

能源是国民经济的重要基础。随着科学技术的进步和社会生产力的发展,人类使用能源不仅在数量上越来越大,在品种和构成上也呈现出多样化趋势。其中煤炭、石油、天然气、水能、核能、风能、太阳能等由自然界提供的能源,称为一次能源;在我们的日常生产和生活中广泛使用的电能则是由一次能源转换而来的,称为二次能源。把一次能源转换为电能,并传输分配到工农业生产和人民生活等各用户的产业就是电力工业。现代社会中,电能是四个现代化不可缺少的动力,也是人们日常生活不可离开的能源。它是现代文明社会中最为清洁、安全、方便的能源。一百多年来的发展和使用习惯,电力工业已经成为支撑国民经济的重要基础之一。电力工业的发展水平已成为反映国家经济发达程度的重要标志之一,人均发电机装机容量也就成为一个国家经济实力、生产力水平和人民生活水平的重要指标之一。尽管近几年我国每年装机容量新增将近1亿千瓦,到目前还只有8亿千瓦,人均只有0.6千瓦,而美国为人均3千瓦,德国和法国为2.5千瓦,我国的近邻韩国为1.2千瓦。我国目前在电能供需关系上基本消除了缺电现象,只能算是暂时的数量上基本满足,电力工业的发展、建设和电能质量的提高还任重道远。

3 电能质量下降的原因

电能和其他任何的商品一样,都有一个质量的问题。一般意义上来说,电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。公用电网应以规定范围内的频率、正弦波形和电压,按规定的负荷对用户供电。同时在三相交流系统中,各相电压和电流的幅值应大小相等,相位差为120°。为此,国家标准化管理部门发布了7项国家标准对电网的电能质量指标进行规范:

·GB/T 12325-2008电能质量供电电压偏差

·GB/T 12326-2008电能质量电压波动和闪变

·GB/T 15543-2008电能质量三相电压不平衡

·GB/T 15945-2008电能质量电力系统频率偏差

·GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波

·GB/T 18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压

·GB/T 24337-2009电能质量公用电网间谐波

电能除了具有商品的共性以外,还有其特殊性。电力系统是由发电机、电力网和负荷组成的统一体。发电机是将一次能源转换为电能的机器。目前主要有火力发电、水力发电、核能发电,还有风力发电、地热发电、潮汐发电和太阳能发电等,除太阳能发电,其他的发电均由发电机将动能转换为电能。为了节省原材料,发电机的铁芯运行在磁化曲线的接近饱和区,再加上三相绕组参数的不平衡等原因,发电机就是谐波、三相不平衡等电能质量问题的一个节点。由于制造部门的长期努力,这部分问题不突出。从发电机发出的电能要用升压变压器将电压升高到输电电压实现电能的远距离输送,在用电侧要用一级或者多级降压变压器将输电电压降低为配电电压。一般地说,电力系统各级变压器的总容量约为发电机容量的5～6倍,变压器和发电机一样有工作磁密位于磁化曲线接近饱和段的问题和结果。结构上的不对称性比发电机严重,发电机是旋转体,三相可以对称布置在圆周上,而三相变压器的三个绕组是布置在躺着的“”字的三个柱上。现代大型变压器采用五柱结构平衡相关参数,它也是电能质量的一个节点。另外,线路导线的对地电容、互感等不相等,也是造成三相不平衡等电能质量问题的节点。

负荷对电能质量的影响更为复杂和多样,主要有电动机、电炉、整流设备、电子设备、照明设施以及家用电器。从负荷性质来分,主要有大负荷的接入公用电网,如:大型电机的启动,大型冲击负荷和三相不平衡负荷接入公用电网。如:电炉炼钢和电气化机车,晶闸管式整流设备、变频装置等。这些均为电能质量的节点。

充气电光源如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光,其伏安特性具有明显的非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器,因内置调压整流元件,会对公用电网产生高次奇次谐波。电风扇、洗衣机、空调器等电动机因产生不平衡电流也会影响公用电网电能质量,这类设备功率虽小但数量多,也不可忽视。某电能质量监测点设在对居民区供电的10千伏侧,发现在晚上7～10点之间谐波总量已超过标准的规定。

公用电网或用户的单相、两相、三相接地短路(可能是雷击或者绝缘损坏)更是电能质量问题的一个节点。这个情况可能使某些线路供电中断,也可能使远离事故点的供电点出现电压波动和暂降现象。

由以上分析可见,电能质量问题是由发电、输配电、用户和设备制造商四个方面引起的。因此,是一个共同的“环境”问题。

4 电能质量劣化的危害

4.1 三相不平衡

生产和生活用电中三相负荷不平衡,输配电线路参数三相不平衡时,使变压器处于不对称运行状态。造成变压器损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。零序电流增大,局部金属件温度增高,严重时甚至烧毁变压器。

三相电压的不平衡会导致数倍不平衡电流的发生,诱导电动机中逆扭矩增加,从而使电动机的温度上升,效率下降,能耗增加,发生振动,出力下降等。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短,设备运行维护成本加大;断路器允许电流余量下降;中性线中流过较大的不平衡电流,致使中性线加粗。

在三相四线制结线方式,三相负荷不平衡时,无论何种负荷分配情况,电流不平衡度越大,线损也越大。

4.2 谐波

谐波对异步电动机的影响主要是增加电动机的附加损耗、降低效率。负序谐波可以产生逆向扭矩,起制动作用,减少电动机出力。对电机类设备(包括变压器)有同样的问题,有时会引发机械振动,引起噪声。有时谐波会引起谐振,产生高电压或大电流损坏电气设备。

对于配电用断路器,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁损增大而发热,同时由于对电磁铁的影响和涡流影响使脱扣困难。且谐波次数越高影响越大,热磁型的断路器由于导体的效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流和脱扣电流降低,电力型的断路器,谐波也会使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降得更多。简单地说,会使配电断路器产生误动。

对于电力电缆,谐波特别是高次谐波引起效应,导致电缆温升加大,允许通流下降。在一定线路感抗下,可能产生谐振,损坏电缆。

对于电力电容器,当某谐波频率下电网的感抗和电容器的容抗相等会产生谐振,损坏电容器和其他电器设备。电容器组谐波阻抗小,容易使电容器过负荷影响其使用寿命。

4.3 电压波动和闪变

对于照明设备,电压波动可以使高压汞灯熄火,如果是冷启动型照明设备,要等待几分钟才能恢复照明。频闪效应会引发视觉疲劳;在频闪频率与旋转物体的转速成某个关系,可以引发视觉错误:运动物体变成静止、倒转或转速变慢等,引发次生事故。

电压降低,电动机的出力迅速下降,若负荷不变,就会出现电动机过载,甚至烧毁。为了保护电动机,必须跳闸,切断电源,公共场所滚动电梯的电动机突然停止,会引起人身事故。

为了保证安全和运行状态的稳定,各种电器设备上都设置了跳闸的阙值,如:可编程序控制器,电压低于80%时停止工作;一些1/0设备,电压低于90%持续几个周波就会被切除;由机器人控制的精密加工机械,电压低于90%,持续2～3个周波时跳闸;交流接触器电压低于50%时1个周波自行脱扣;计算机电压下降到60%以下时程序紊乱,数据丢失。

5 提高电能质量为国民经济的发展服务

从本文第四部分可以看出电能质量问题给国民经济发展带来的影响。据2007年欧盟调查,因电能质量(包括供电可靠性)问题造成欧盟每年经济损失达1,500亿欧元。美国近年也有调研数据,认为损失达每年2,000亿美元。

近年来,国家、企业和科研院所对电能质量给予了高度重视。国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的重点领域及其优先主题的能源部分专门提到了“电能质量监测与控制技术”。该纲要指出:“重点领域是指在国民经济、社会发展和国防安全中重点发展,亟待科技提供支撑的产业和行业。优先主题是指在重点领域中急需发展,任务明确,技术基础较好,近期能够突破的技术群。”

国家标准化管理委员会将电能质量国家标准的制修订工作交给了全国电压电流等级和频率标准化技术委员会。该标委会近年来组织各行各业的专家制定了15项电能质量国家标准,成功召开了四次国际电能质量研讨会。电力行业也成立了柔性输电和电能质量标准化技术委员会。相信随着电能质量标准的相继发布和实施,我们国家的电能质量将会有很大的提高,电能质量治理的市场得到进一步规范,工农业将在一个优化的电能质量环境中发展,人民生活环境将更加舒适和安全。

许多企业列了电能质量研究的专项课题、专项电能质量治理工程,创建了多个电能质量实验室,专项电能质量治理公司不断研制新型设备和治理新技术投入市场。

监测网正在全国范围内逐渐形成,监测技术评估技术得到长足发展。

各类负荷正在建立物理和数学模型,便利仿真计算、实验和研究分析。

最重要的是,逐渐形成了一支以中青年骨干为主的设计、规划、设备制造、工程改造和科学研究队伍。他们是电能质量提高,实现近期和远期目标的最重要保证。

6 电能质量问题研究的几点建议

6.1 电能质量是一个公共环境

众所周知,发电、输配电、用户、设备制造业都会影响到电能质量,同时本身亦会受到电能质量问题的影响。因此,这是一个公共环境的问题。一个公共的环境就要大家来维护,这需要有共同的理念和行为准则。电磁兼容学科的(其实电能质量就是一个低频段的电磁兼容问题)骚扰水平、抗扰度和兼容水平的概念可以引入电能质量技术领域里来。从治理上来说,“谁污染谁治理”是较好的方针。但是一个企业不到自己的某一设备运行会严重影响另外的生产环节时,一般是不会出资进行治理的。因此,国家应该出台相应的政策,指导和推进治理工作。当然,在环境问题上,一些成功的做法值得借鉴,例如:全局效益最大化,购买排放量等。

6.2 应重视电气设备抗干扰能力的研究

除了电压暂降,其他的电能质量指标都有一个限值。这个限值主要来源于电气设备的抗干扰水平,而公共连接点上的限值,还有一个合成的问题,当然最终还有一个技术经济问题。单就电气设备本身而言,与世界上的万物一样,其抗扰水平特性不会是一条直线,总是有高有低,通过统计分析、拟合,得到设备抗扰特性。特性在不同负荷和作用时间、不同气象条件下亦应该是有所变化的。这方面的研究相对于其他领域的研究较为滞后。因为此项工作属基础性工作,就需要国家、企业和研究机构共同出资、出人来完成。

6.3 对敏感负荷的用电特性研究

香港制定了在电压骤降时可能引发扶手电梯和升降机跳闸突然停电的缓解措施,主要是选择了具备过渡能力的电机驱动器和在直流母线上安装了储能缓冲装置,在电压骤降时仍保持运转,电压值大大降低,持续时间延长,同时将扶手电梯的电压骤降过渡能力列为《升降机及自动梯设计及建造实务守则》的技术规定之一。这是一项很好的工作,如果能组织科研项目,计算和实测能保持电梯运行(非正常),但又不损坏设备的骤降值,而不是原定的跳闸值,就更好了。

芯片制造业也制定了防范电压骤降的对策。芯片生产过程中会使用到有毒和危害性较大的气体和化学品。为避免意外泄露事件发生,供电异常时,有停机功能;可编程控制器PLC及变频器有电源变化的忽略或延迟功能;设备继电器在电压过低时,吸合力大幅降低,供电中断。认真分析后提出了采用不间断电源、静动态UPS和采用抗短时电源波动及生产线设备分类等手段,提高抗骤降能力和减少治理成本。

对敏感负荷的用电特性应认真分析其负荷特性,电气设备在整个工艺过程中的作用,以及其输出特性对工艺和质量的影响,然后确立保护动作的限值。对于在一条生产线上有多个电气设备时,应分析其工作状况和特性,确定负荷的性质,分门别类进行治理。

对于整体而言,应该将敏感负荷分类,分别提出针对性措施,最后达到治理标准化。

6.4 电气化机车、高速铁路机车用电特性

近年来城市轨道交通、城际电气化铁路和高速铁路的发展很快,其特点是大负荷、冲击负荷和单相供电。牵引负荷的特性,机车群的负荷特性,电网供电电压、供电容量、供电可靠性以及机车负荷可能会影响到其他用户的用电,都是电铁接入电力系统值得关注的问题。电铁的发展对国民经济和人民生活将发生重大影响,而电铁大量接入电力系统是对电力系统的一个挑战和机遇,挑战是出现了不少技术问题,机遇是用电量大大增加。当然最根本的是电铁用电特性的研究,归纳总结,另外亦要铁路和电力减小行业界限共同商讨应对措施。

6.5 农民用电的电能质量问题

农业的发展需要大量电能,农民的生活水平提高亦需要大量电能,应该及早给予关注,例如:电网规划,应该把农民的现在用电和未来用电纳入到电力规划体系中去,将来农业发展了,农民生活水平提高了,电力如何保证有电用,用好电。农业、农民用电负荷的预测及主要特征,应是一个课题。我国人均用电量远低于发达国家的一个主要原因就是农民用电还不够。日本东京电力公司的相关资料表明,该地区二战后居民用电占社会总量的百分之十几。到近几年居民用电已占到55%,这表示时代在前进,人民生活水平也大大提高,这里虽然可能有统计口径上的差别,但还是反映了居民用电和社会发展的关系。

以前农民用电的电能质量,停电较多,电压波动大,现在和将来值得研究和探索。

参考文献

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[3] 段晓波等.牵引变压器容量与系统供电电压等级及供电能力分析[C].第四届电能质量(国际)研讨会论文集

[4] 景德炎.电气化铁路负荷特性分析及供电方案相关问题的建议[C].第四届电能质量(国际)研讨会论文集

电能质量与节能 篇7

在变频器节能领域,目前技术种类比较齐全,节能效果较为明显的有四象限变频器电能回馈方式、超级电容储能回馈方式等的应用,市场节能效果较为明显,但均因属于新装电梯使用范围,目前市场存量巨大的普通变频器则存在很大的技术改造空间。该文则主要对市场未采用电能回馈装置的存量变频器,通过外部加装回馈模块来达到节能效果的技术改造。

对市场存量的老旧变频器通过外部加装变频器的方式,大大降低了改造成本,节能效果显著,节电约15~45%。

1 变频器电阻能耗工作方式耗电量大,技改市场广阔

变频调速电梯运行时,采用矢量闭环控制方式,在电梯轿厢空载上行或重载下行及其制动过程中,电动机均处于发电状态,使得变频器直流侧电压迅速升高,普通变频器通常是将电容储存的剩余电量通过溢出开关转化成制动电阻上的热量而白白消耗掉。有资料显示在电梯消耗的总电能中,最高可达40%的能量被制动电阻消耗。能耗电阻在大量产热的同时,使得电梯机房的温度受到了极大的影响,在高温的夏季,为保持机房温度在40摄氏度以下,又不得不采用加装空调来降温,连续运转的空调用电量巨大,使得电梯运行总能耗进一步提高。而通过安装电能回馈装置,将电梯运行过程中储存在电容上的多余电能通过逆变装置回馈到电网,供给楼宇其他设备用电,同时减少制动电阻的发热量,降低电梯机房温升,减少甚至是停止空调的使用,达到双重节能的效果,同时也使得电梯机房的各类设备因环境温度的降低而延长使用寿命,减少因高温导致的各类故障,综合效应明显提高。

2 变频器电能回馈装置的研究与应用

2.1电梯基本工作原理

如图1所示,电梯分为三种基本工作模式,即轿厢轻载、轿厢重载和轿厢与对重平衡三种模式。当轿厢满载上行时,因轿厢侧重量大于对重侧,曳引机电动机处于电动运行状态,变频器必须施加和轿厢方向一致的转矩才能拖动负载;当轿厢满载下行时,因轿厢侧与对重侧重量差为正值,轿厢侧势能转化为机械能,曳引机电动机不但无需耗电,还要将部分势能转化为电能,电动机处于发电机状态,变频器此时直流侧端电压迅速升高,变频器工作在吸收电能的状态。当轿厢空载上行时,同样道理,因轿厢侧重量小于对重侧,曳引机电动机处于发电机运行状态,变频器此时施加和轿厢运行方向相反的转矩以平衡轿厢侧重量的不足;当轿厢空载下行时,同样因轿厢侧与对重侧重量差为负值,电动机处于电动运行状态,变频器需要施加和轿厢运行方向的转矩来拖动负载。当轿厢侧与对重平衡时,无论轿厢上行或是下行,变频器只需提供克服运行中的摩擦所耗能量即可,当然此种平衡模式在实际使用中出现频度较小。

以上三种电梯运行状态是描述匀速运行时的状况。需要指出的是,静止的轿厢启动时或是运行中的轿厢挚停时,电动机在快速制动时,往往需要变频器工作在发电模式来吸收制动能量,未经改造的传统变频器将这种电量通过制动电阻来消耗,称之为能耗制动。无论是电梯的启动和制动还是上述三种状态下的运行,变频器都在不断的做着吸收电能的工作,如果吸收的电能加以吸收转换,可以大大节约电能,经济效益十分显著。

2.2 变频器电能回馈装置原理

能量回馈制动装置就是电梯曳引机电动机处在发电机运行状态,变频器因吸收回馈电能而出现直流端电压升高时,将吸收的多余电能回馈给电网。当曳引机电动机采用变频调速时,其电能回馈制动装置主要通过变频器的回馈制动模块实现,如图2所示。

电能回馈装置将变频器直流端储存的多余的直流电经过IGBT模块逆变成恒频恒压的交流电,再通过滤波电路后返送电网供其它用电设备使用,减少市政用电量,其节电量主要取决于电梯的使用量和楼层的高度,一般节电率可达到15%~45%。

本文以日立GVF系列品牌电梯为例,采用富士牌变频器,在改造前测得直流母线静态电压和峰值电压分别为530V和690V,制动电阻持续电流和峰值电流分别是15A和25A,在夏季平均气温变化不大的外部环境下,机房温度为35-48摄氏度,电梯机房必须通过空调降温。该文在改造中设置电能回馈设备工作电压为600V~640V之间,制动电阻工作电压为680V。通过设置回馈设备的阀值电压低于制动单元的工作电压,来控制电能回馈设备比制动单元提前工作。这样连接电能回馈设备的电梯变频器直流母线电压就不会超过640V,制动单元不再投入工作,制动电阻能耗减为零,大大降低了电梯机房的温升。当电能回馈装置发生故障停止工作或者自我保护时,变频器又可以通过之前的能耗方式将多余电能消耗的电阻上,并不影响电梯的正常使用。发生故障的变频器电能回馈装置可以通过外部显示等方式告知维保人员进行及时维修。

变频器回馈制动设置条件:

1) 电动机从高速(高频FH)到低速(低频FL)减速过程中,频率减小,电动机的机械惯性使得电动机转速大于同步旋转磁场转速n0,此时转差s为负值,电动机处于发电机状态,这时的反电动势E大于端电压U。

2) 势能负载,如轿厢空载上行(或满载下行)时,轿厢和对重侧的质量差使得电动机不仅不需要输出功率,而且还要起到一定的制动作用,出现实际转速大于电动机同步旋转磁场转速no,这时电动机处于发电机运行状态,当然反电动势E大于端电压U。

2.3 采用控制算法

本文改造中的控制方法采用电流追踪型正弦脉宽调制SPWM控制,如图3所示。

这种控制算法将实测的直流母线电压与给定值进行比较相减,它们的差通过PI电压调节器,得到电流的给定值Id*;电流给定值Id*再与与电源电压相位检测后得到的三相正弦基准值相乘,得到三相正弦输出电流的给定值,然后与电流检测信号进行相减,得到△Iabc,之后经PI电流调节器处理后得到三相输出电压的给定值V*abc与三角载波进行比较的调制波作为开关管的触发信号。电流△Iabc的值直接控制了SPWM调制的占空比,使实际输入电流接近参考电流的大小。

这种变频器电能回馈控制算法具有开关频率固定、噪声小,损耗小等优点。此控制方式算法略去了坐标变换的计算,因此与采用矢量控制方式相比具有算法简单,对控制器的计算能力要求较低的优点。

3 工程实际应用中节能效果的研究

3.1 节能效果的研究

为研究电梯变频器回馈装置在实际应用中的节电效果, 可用通过电能表,记录其有功功率和无功功率的消耗情况,通过定时定量的计算,对比改造前后的数据,得出总体的节能测算数据。电流钳表主要测量变频器输入端的电流,对照改造前后的电流值,说明变频器电能回馈装置工作情况正常,接点功能有效。为使该改造工程更具参考意义,特设置如下条件:

1) 在工程研究中,发现不同楼宇性质,不同的提升高度、不同功率的电机,其节能效果存在一定的差异,究其原因发现:启制动频率较大的写字楼节电效果优于使用频率较小的住宅电梯;提升高度越大的电梯,在相同情况下节能效果越明显;电梯额定速度越大的电梯,改造后节能效果越显著。该文所测量的电梯数据,主要来自写字楼宇,提升高度30层左右,梯速普遍在1.8 m/s及以上,电梯曳引机电动机功率20.5 k W以上。

2) 测试电表如图4所示。电能表1是测量改造后的总的用电量;电能表2用来测量变频器输入耗电量;电能表3采用“反接反计数”的感应式电表,用来测量节电量。当系统引入变频器电能回馈模块后,总耗电量=电能表1计量=电能表2计量-电能表3计量;当系统脱离电能回馈装置,则总耗电量=电能表1计量=电能表2计量;在条件相同的情况下,集中用2 h以上时间, 控制电梯轿厢上行、下行, 循环动作,测得的量化数据如表1所示。

3) 测试时注意检查一下其中电能3在上行时表盘会反转且读数会减小, 下行时表盘正转,否则需要调试接线端子。

3.2 回馈电能质量测量

在电能节电率方面取得了理想的效果的情况下,对于回馈电能的质量也不能忽视。节能改造后输入市电网络的电能主要存在以下问题需要克服:

避免高次谐波含量超标,因为本次改造是在不改变原有变频器的基础上所做的增加节能回馈模块的方法,因此容易导致网侧的电流谐波含量超标,为此可对系统进行后续测量跟踪,可采用加装额外滤波环节加以改善。

2) 市电网络电压波动范围要符合要求,由于电量回馈装置是直接将电能反馈给电网,因此该装置对电网电能质量的影响也比较大,该文所涉及的电梯多数来自写字楼宇,多因楼宇本身都建有独立的变电房,电能质量良好,电压波动范围能限定在规定的范围之内。本次测试使用Fluke电能质量钳型表来测量电能质量的各项数据,并与相关的国家标准对比,图5为电能质量测量的现场照片,表2为电能质量检测数据与国标的对比。

由上我们可以得出结论,经改造后,该能量回馈制动装置输出电能的质量完全符合国家相关标准,总的节电率高达36%,完全满足目前市场大量未经改造的存量电梯的改造要求,该项目的研究与应用,为实现低碳节能环保的现代电梯产业提供了较好的参考借鉴价值。

4 结束语

电能质量的性能指标与改善方法 篇8

电能质量包括四个方面的相关术语和概念:电压质量 (Voltagequality) 即用实际电压与额定电压间的偏差 (偏差含电压幅值, 波形和相位的偏差) , 反映供电企业向用户供给的电力是否合格;电流质量 (C urrent quality) 即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求, 并使电流波形与供电电压同相位, 以保证系统以高功率因数运行, 这个定义有助于电网电能质量的改善, 并降低网损;供电质量 (qualityofsupply) 包含技术含义和非技术含义两个方面:技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量 (qualityofservice) 包括供电企业对用户投诉的反应速度和电力价格等;用电质量 (qualityofconsum ption) 包括电流质量和非技术含义, 如用户是否按时、如数缴纳电费等, 它反映供用双方相互作用与影响用电方的责任和义务。

2电能质量指标

电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述, 不同的指标有不同的定义, 参考IEC标准、从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如下:

2.1低频传导现象:谐波、间谐波、电压波动、电压与电流不平衡, 电压暂降与短时断电, 电网频率变化, 低频感应电压, 交流网络中的直流;

2.2低频辐射现象:磁场、电场;

2.3高频传导现象:感应连续波电压与电流, 单向瞬态、振荡瞬态;

2.4高频辐射现象:磁场、电场、电磁场 (连续波、瞬态) ;

2.5静电放电现象。

对于以上电力系统中的电磁现象, 稳态现象可以利用幅值、频率、频谱、调制、缺口深度和面积来描述, 非稳态现象可利用上升率、幅值、相位移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度等描述。

3电能质量标准

综合新颁布的电磁兼容国家标准和发达国家的相关标准, 中低压电能质量标准分5大类13个指标。

3.1频率偏差:包括在互联电网和孤立电网中的两种;

3.2电压幅值:慢速电压变化 (即电压偏差) ;快速电压变化 (电压波动和闪变) ;电压暂降 (是由于系统故障或干扰造成用户电压短时间 (10m s～lm in) 内下降到90%的额定值以下, 然后又恢复到正常水平, 会使用户的次品率增大或生产停顿) ;短时断电 (又称电压中断, 是由于系统故障跳闸后造成用户电压完全丧失 (3m in, 电压中断使用户生产停顿, 甚至混乱) ;长时断电;暂时工频过电压;瞬态过电压;

3.3电压不平衡;

3.4电压波形:谐波电压;间谐波电压; (由较大的波动或冲击性非线性负荷引起, 如大功率的交一交变频, 间谐波的频率不是工频的整数倍, 但其危害等同于整数次谐波) ;

3.5信号电压 (在电力传输线上的高频信号, 用于通信和控制) 。

4电能质量污染的治理

4.1治理的基础性工作首先要掌握供电网络运行状态, 对电能质量开展实时监测, 以掌握其动态;第二是分析诊断其变化, 即在详细分析电能质量数据的基础上, 利用仿真软件对电网结构的固有谐振特性进行计算与分析, 排除虚假的谐波干扰;第三是开展系统的合理设计和改造, 变电站的设计和投运以及新的电力用户投运之前都要进行谐波源负荷及电能质量要求等方面的技术咨询, 线路网络改造和建设也要结合运行负荷的特点和措施, 以降低线损, 降低设备损失事故, 最后才是开展滤波装置或无功补偿装置的研制、调试和现场测试, 以了解治理后的效果, 并总结经验。

4.2 SVC装置近些年来发展起来的SVC装置是一种快速调节无功功率的装置, 已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿, 它可使所需无功功率作随机调整, 从而保持在非线性、冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。

Q i=Q D+Q L-Q c

其中Q i、Q D、Q L、Q c分别为:系统公共连接点的无功功率、负荷所需的无功功率、可调 (可控) 电抗器吸收的无功功率、电容器补偿装置发出的无功功率, 单位均为kvar。

当负荷产生冲击无功△Q D时, 将引起

△Q i=△Q D+△Q L+△Q c

其中△Q c=0, 欲保持△Q C不变, 即△Q i=0, 则△Q D=-△Q L, 即SVC装置中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整, 此时电压水平能保持恒定不变。

4.3无源滤波装置该装置由电容器、电抗器, 有时还包括电阻器等无源元件组成, 以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路, 以达到抑制高次谐波的作用;由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区, 所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联, 这样既满足无功补偿、改善功率因数, 又能消除高次谐波的影响。

国际上广泛使用的滤波器种类有:各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

4.3.1单调谐滤波器:一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好, 结构简单;缺点是电能损耗比较大, 但随着品质因数的提高而减少, 同时又随谐波次数的减少而增加, 而电炉正好是低次谐波, 主要是2～7次, 因此, 基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时, 基波损耗可减少20～50%, 属节能型, 滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器, 但组成复杂些, 投资也高些, 用于电弧炉系统中, 2次滤波器选用三阶滤波器为好, 其它次选用二阶单调谐滤波器。

4.3.2高通 (宽频带) 滤波器, 一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时, 对5次以上起滤波作用时, 通过参数调整, 可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。

5结束语

随着电力电子与信息技术在社会各个领域的渗透应用, 一些新型电力负荷对电能质量的要求不断提高, 电能质量已成为电力企业和用户共同关心的课题。当今威胁信息电力质量的主要干扰除了谐波、电压波动外, 更多为人们所关注的将是电压暂降和短时断电、电压闪变等动态电能质量问题;我们应因地制宜, 对症下药, 在深入调研、现场实测、试验研究的基础上, 运用FA C TS和电力新技术对电能质量进行系统化地综合补偿, 这将是今后解决电能质量问题的最根本途径。

摘要：介绍了电能质量的相关概念和术语, 并对其指标进行了分类, 指出不同的指标有不同的定义和应用领域;重点就国家已颁布的六个电能质量标准的主要内容作了分析;并结合实际阐述电能质量的几种改善方法与措施;无源滤波器、有源滤波器、静止型无功补偿装置, 介绍了它们的基本组成和原理, 这些方法可以有效地解决稳态时的电压质量问题;文章还就电能质量技术的改进与提高, 提出系统化综合补偿技术是解决电能质量问题的“治本”途径, 以解决动态电能质量问题。得出结论:运用FACTS和电力新技术对电能质量进行系统地综合补偿, 将是电能质量问题研究与开发的方向和有效解决途径。

关键词：电能质量,SVC,动态电能质量,综合补偿

参考文献

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[2]辽宁电力系统调度运行规程.2004年.

[3]翁利民, 王渺.改进的遗传算法在谐波抑制中的应用[J].电网技术.2000.24 (4) .

电能质量远程监测系统的设计与实现 篇9

由于不对称、冲击性、非线性负荷容量的不断增长，电能质量问题日益突出;同时，越来越多的敏感负载对电能质量有着更高的要求。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行等均有重要意义。对电能质量各项指标进行监测是进一步改善电能质量的基础和前提。

目前，国内大部分地区仍采用便携式电能质量监测仪进行电能质量测量，由于其测量指标单一，不能够连续监测，测量劳动强度大等原因，不能够很好地适应电能质量管理的需要。随着数字化测量技术、计算机技术和网络通信技术的飞速发展，国内一些科研院所已开展了电能质量远程监测系统的研究。例如：有的文献提出了分布式电能质量监测系统的设计思路，利用公用电话网络建立监测中心工作站与厂站终端装置的通讯联系。采用计算机远程在线监测，具有连续多点监测、辅助管理等优点，克服了传统手工监测手段的缺陷[1,2]。本文所设计的电能质量远程监测系统把虚拟仪器技术应用到电能质量监测中，同样具有上述优点，并且实现起来较为方便。

1 虚拟仪器简介[3]

所谓虚拟仪器VI(Virtual Instrument)，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是计算机软硬件技术和仪器仪表测控技术相结合的产物，它的硬件部分往往具有很大程度上的通用性，软件是系统的核心。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。

不同的电能质量指标对测试仪器的功能要求不同。因此，过去对于不同的测试量，往往需要采用不同的测量分析仪器，有时甚至在同一项目中测量和分析需要分别采用不同的仪器。这样不但测试设备繁多、利用率低、测试成本高，而且也给测试和分析工作带来诸多不便。利用虚拟仪器可以很好地解决这个问题，因为虚拟仪器用软件来实现测试功能，可以编制不同的软件在同一台计算机上实现不同的传统仪器的功能。

2 系统组成

系统的总体设计框图如图1所示。

图中信号转换电路的作用是将被测的高电压和大电流转换为-5 V到+5 V的电信号，在信号转换电路的内部还包含有抗干扰、滤波等电路。数据采集卡采用美国NI(National Instrument)公司的PCI6024e卡，它的性能指标如下：16路单端/8路差分模拟输入，12位精度，200 ks/s采样率，±0.05到±10V输入范围，两路12位模拟输出，两路24位计数器/定时器。

电能质量指标测量系统软件运行在前端数据采集和数据处理计算机上，它在美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台Lab VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)8.0上开发完成。Lab VIEW是一个优秀的虚拟仪器开发平台，它基于图形语言，编程界面形象直观，提供各种旋钮、波形图等控制与显示元件，用于创建虚拟仪器的前面板;它使用图标、连线来编写程序。对于开发测量系统有重要意义的是，Lab VIEW以图标的形式提供了进行经典的信号分析和处理的很多函数，比如，数字滤波、窗函数、相关分析、频谱分析等等;还有微分、积分、傅氏变换、拉氏变换等各种数学工具。另外它还提供联合时频分析，小波变换等信号处理工具包。测量技术人员只要进入这个平台，通过调用控件、图标就可以轻松构建高性能的测量仪器。本文中设计出了测量以下电能质量指标的程序：频率、电压偏差、电压波动与闪变、谐波、三相电压不平衡度[4]。

3 远程监测功能的实现

为了通过网络实现远程监测电能质量指标和远程控制电能质量监测程序，必须进行程序的网络发布。

LabVIEW 6.1及以后的版本，具备Remote Panels(远程面板)发布的能力，即能直接在本地(Client端)计算机上打开并操作位于远程(Web Server端)计算机上的VI前面板。本系统就是利用Lab VIEW提供的Remote Panels技术实现程序的网络发布。有两种方式可以实现在客户端计算机进行Remote Panels操作：一是在LabVIEW环境中直接操作Remote Panels;二是利用网页浏览器在网页中直接操作Remote Panels。这里采用第二种方式。

在Web上发布LabVIEW程序，必须首先在Server计算机(图1中的前端数据采集和处理计算机)上运行Lab VIEW，并配置Web Server。Web Server需要下面三个方面的配置：

1)文件路径和网络设置

在LabVIEW主菜单中选择Tools>>Options，在随后弹出的Options对话框上部的下拉列表框中选择Web Server:Configuration，切换到Configuration配置页面即可进行配置。主要的配置内容为：启动Web Server服务器、Web服务器存放HTML文件的位置、HTTP端口等。这里的各项配置取系统的默认值。

2)客户机访问权限设置

在下拉列表中选择Web Server:Browser Access，将页面切换到Browser Access页即可进行配置。主要配置客户机的访问权限。客户机的访问权限有三种：Allow Viewing and Controlling、Allow Viewing、Deny Access。这里设置为允许任意客户机观看并控制程序前面板。

3)Vis访问权限设置

在下拉列表中选择Web Server:Visible VIs，将页面切换到Visible VIs页即可进行配置，设置允许客户访问的VIs。这里将powerquality.vi即电能质量监测程序设置为允许客户机访问。

创建HTML文件的方法是用Tools>>Web Publishing Tool菜单弹出发布网页对话框。该对话框的主要内容为：

a.填写出现在网页上的标题、出现在图像上方和下方的文字。本文设置这些内容都是空白，所以在图中没有显示这几项的内容。

b.填写被发布的程序名。这里填的是powerquality.viㄢ

c.浏览选项Viewing Options，其中Embedded表示允许在网页浏览器中浏览并控制远程程序;Snapshot表示网页中程序面板图像是静态的;Monitor表示网页中程序面板图像是不断刷新的快照。Snapshot和Monitor方式都不能对程序进行远程控制。这里选择的是Embedded方式。

网页配置之后需要保存为一个文件，按下Save to Disk保存文件之后弹出如图所示的对话框，对话框给出了浏览这个网页时需要输入的URL。给出的URL中“ychcksys”是服务器的计算机名，也可以用该计算机的IP地址代替。“powerquality”是要发布的程序名。

系统测试时先在服务器端运行powerquality.vi，其程序的前面板如图3所示。然后在客户端浏览器中输入图2给出的URL地址，即可远程通过浏览器监测电能质量的各项指标，如图4所示。图4中的波形、测量结果和图3中的波形、测量结果同步变化。

在客户端浏览器中打开程序的前面板后，在如图4所示界面的程序前面板上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Request Control of VI”，当出现“Control Granted”提示后，浏览器前面板上的菜单栏处于可用状态，此时便可以在浏览器中远程控制程序的运行，比如执行关闭、运行程序，修改数据采集参数等操作。在前面板的左下角显示服务器的计算机名。

与此同时，在图3所示的服务器程序前面板上出现“Control transferred to ZHUGENGHUI”提示，其中“ZHUGENGHUI”是浏览器所在的计算机名。程序前面板上的菜单处于不可用状态(灰色)，前面板的左下角显示浏览器所在的计算机名。浏览器端已经完全获得了程序的控制权。

4 总结

用虚拟仪器技术构建远程电能质量监测系统与传统方法相比其开发效率、性能价格比及可操作性、可维护性等方面都具有明显的优势。本文所设计的电能质量远程监测系统能长期在线运行、实时分析。在本系统中可以加上数据记录模块，把一段时间的测量结果保存到数据文件中。另外，也可以用本文的方法构建分布式电能质量监测系统。

参考文献

[1]院晓涛,姚建刚,等.电能质量全网监测系统的研制及实施[J].大众用电,2007,(2):27-29.YUAN Xiao-tao,YAO Jian-gang,et al.The Development and Implement of Overall Network Power Quality Monitoring System[J].Popular Utilization of Electricity,2007,(2):27-29.

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[3]National Instrument Corporation[Z].LabVIEW User Manual,2007.

电能质量与节能 篇10

关键词：风力发电电能质量控制试验

1 风力发电场电能质量问题

随着我国能源战略的调整，清洁能源已成为社会广泛讨论的话题。作为典型的清洁型发电模式，风力发电已经得到了长足的发展，占发电容量的比重越来越大。但是，大规模风电机组的并网势必带来一些新问题，如电能质量问题，由于风电机组内设置有非线性电气设备，且控制技术较为复杂，将会带来诸如电压波动、谐波等问题，影响着电网的正常运行。风力发电场电能质量的控制与研究工作已经成为一项重要的课题。

本文以电能质量问题为切入点，介绍几种能够应用风力发电场的电能质量控制与试验装置，通过论述，可以为风力发电场电能质量问题研究扩展思路。

2 电能质量控制

近年来，电力系统中的电能质量问题得到了越来越广泛的关注。大量非线性装置的应用是产生电能质量问题的重要原因之一[1]。其中包括调速驱动装置、开关型电源、电弧炉、电子镇流器等等。此外，系统的正常投切操作与故障切除产生的扰动也会影响供电质量。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差。其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变以及电压暂降与短时间中断等。

电能质量的监测、分析与治理已成为电能供应与利用领域的重要课题。电能质量问题之所以日益引起国内外专家学者的研究兴趣，主要归结于以下几点原因：

①计量问题：劣质的电能质量可能会影响电力计量的精度。

②继电保护：劣质的电能质量可能会引起继电保护装置保护功能的失灵。

③设备的停运：劣质的电能质量可能会引起设备（特别是异步电动机）停机或损坏，导致生产率下降，损害电力用户的经济利益。

④电磁兼容性：劣质的电能质量可能引起电磁兼容性问题和噪声问题。

目前，已有不少高校或科研机构建立了电能质量实验室。电能质量实验室的建立具体服务于三个目的：

①测试设备在电力扰动下的运行状况。

②测试电能质量校正设备对扰动的补偿能力。

③通过与电网连接的装置来判定电力扰动的类型和幅度。总之，电能质量实验室主要侧重于电能质量事件检测与补偿装置的研发。电能质量问题研究依托于电力电子技术的高速发展，随着电力电子变流器控制技术的日益成熟，可以为电能质量问题研究提供宽广的平台。

3 电能质量控制与试验装置

3.1 VSC型电力扰动发生装置（VSC-IG）

为了改善电力系统电能质量，大量电能质量补偿控制装置已接入电网。电压源型变流器（VSC）型电力扰动发生装置是针对于对电能质量补偿控制装置的测试而提出的，该装置简称VSC-IG。通俗地讲，VSC-IG就是一个高精度可控大功率电压扰动发生装置。它能够模拟各种电力扰动波形，便于对电能质量补偿控制装置的测试。在风电场中，VSC-IG还可以应用于风电机组低电压穿越能力的测试。

文献2详细介绍了VSC-IG装置的研制方法，对于该装置，通常需要研究以下几点内容：

①装置的建模。

②装置主电路参数的选择方法。

③装置控制器设计。

④基于仿真软件平台的装置仿真。

⑤装置物理样机的研发与实验。

目前，VSC-IG装置主要应用于电能质量实验，研究电能质量检测与分析方法。

3.2 三相电压型整流器（VSR）

三相电压型整流器是将交流电压转换为直流电压的重要装置，在永磁直驱型风力发电机组中得到了广泛的应用。装置结构如图1所示。

■

目前工业中使用三相电压型整流器通常是以半控型功率器件晶闸管作为开关器件的，采用的是相位控制方式。这种类型的整流装置虽然功率因数较高（工业上甚至可达0.99），但是网侧谐波是不可避免。解决该问题的办法通常是在网侧安置电容进行滤波，这样做简单易行，工程上广泛应用，但是同时会带来LC谐振问题。

采用全控型器件IGBT可以有效地解决上述问题。全控器件采用PWM控制技术，PWM的最大优点是其谐波分布在开关频率附近，一般为几千赫到几十千赫，较为容易滤除。通过整流器的闭环控制算法，可以实现网侧电流的正弦化，消除对电网的谐波污染，减少谐波带来的能量损耗。整流器的闭环控制算法涉及较多的自动控制理论与电力电子技术的内容，目前较为流行的是前馈解耦控制算法和反馈线性化控制算法。文献3对相关控制算法作了较深入的研究与分析。

3.3 有源电力滤波器（APFC）

在风电产生和传输过程中，谐波是产生能耗的主要原因之一。供电电压波形的畸变而产生的谐波分量不能被电力用户所用，但是却消耗在线路中，造成了能源的浪费，同时也损害了电力用户的经济利益。

目前使用有源电力滤波器用于谐波治理，通常并联至待治理点，以补偿系统中的谐波电流。谐波的产生工作原理图如下：

■

有源电力滤波器检测负载电流的谐波分量，通过控制变流器输入一个与之相反的电流分量来达到补偿的目的。实际上，有源电力滤波器就是一个高功率可控电流源，可以灵活地发出指定的电流值。

3.4 静止无功功率补偿器（STATCOM）

大量无功电流在电网中会导致线路损耗增大，变压器利用率降低，用户电压跌落。无功补偿是利用技术措施降低线损、实现节能的重要措施之一，电网规划，在有功功率合理分配的同时，也必须做到无功功率的合理分布。

无功优化的目的是通过调整无功潮流的分布降低网络的有功功率损耗，并保持最好的电压水平。无功优化补偿一般有变电所无功负荷的最优补偿、配电线路最优补偿以及配电变压器低压侧最优补偿。由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与功率因数的平方成反比。功率因数越低电网所需无功就越多，线损就越大。因此，在受电端安装无功补偿装置，可减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，提高电气设备的有功出力。

无功功率补偿装置（STATCOM）的投入一方面改善了投入点的功率因数，同时也可提高接入点的电压水平，是改善风电场电能质量的重要手段之一，工作原理如图3所示。其结构与三相电压型整流器基本一致。理论核心是八十年代日本学者赤木泰文提出的瞬时功率控制理论，通过该理论可以达到灵活控制网侧无功功率的目的。

3.5 统一潮流控制器（UPFC）

统一潮流控制器(UPFC)是柔性交流输电系统(FACTS)中的一种新兴的、功能最完善控制装置，作为FACTS中最具代表性的一种，UPFC具有非常灵活的控制功能，集调节线路潮流、节电电压、阻抗、相角和无功补偿等众多功能于一体，通过统一控制系统可对电力系统进行实时、有效、快速地控制，其强大的综合控制功能是其它FACTS及传统的补偿装置所无法比拟的。此外，UPFC还能抑制电力系统的低频振荡，改善系统的暂态稳定性，提高线路的传输极限等。UPFC应用于输电网，装置容量较高。这个研究方向具备广泛的前景，目前风电场发电应用于直流输电这一方向正在兴起。

4 结语

本文介绍了几种以电能质量控制为目的的装置，综述了风力发电发展情况，对目前电能质量问题研究进行了阐述。结合国家的相关政策，可以预见，本文所论述的电力扰动发生装置、三相电压型整流器、有源电力滤波器、静止无功功率补偿器和统一潮流控制器在今后风力发电电能质量问题研究中会有很大的应用空间。

参考文献：

[1]韩立.电力节能中的科学方法和政策[C].2007年中国科学技术协会年会论文集.

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[5]Alexander Kusko,Marc T.Thompson著.电力系统电能质量[M].科学出版社，2009.

作者简介：

齐磊（1984-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，助理工程师，主要从事电力系统风险评估研究工作。