可持续发展的电能质量观

【摘　要】　文章分析了电压暂降、间谐波、电磁兼容的特点和成因;指出起草相应的国家标准,并对现有的电能质量标准进行完善和修订,是适应电能质量评估和综合治理的迫切需要。文章认为:需要建立节能降耗、系统治理和主动积极的电能质量新观念,从宏观角度认识解决电能质量问题的新思路,以实现排放行为的规范和可监控性,促进电能质量环境的可持续发展。

【关键词】　电压暂降　间谐波　电磁兼容　电能质量标准

0　引言

电能质量与电网建设、运行,以及日常生活密切相关,同时对电能质量问题的研究也是智能电网规划与建设非常重要的内容之一,从技术角度上可找到解决电能质量问题的有效措施,但由于电能质量恶化同环境污染一样,电能质量问题是电力系统和用户共同构成的一个“环境”问题,需要建立和完善系统、主动、积极的电能质量观念,便于更合理地解决电能质量问题,达到优化和可持续的目的。

国家陆续出台了6项电能质量标准,电能质量的改善也有了衡量的依据,随着我国电力系统的不断复杂化,各种精密用电设备的广泛应用要求不断完善电能指标及其标准体系,其中电压暂降、间谐波、电磁兼容等电能质量现象也提上了议事日程,越来越受到关注。

1　电能质量问题关注的新焦点

IEC标准定义电能质量:供电装置正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。即电能质量的概念包括电能供应中所要考虑的一切方面,可以分成如下三类:

(1)电压和频率的偏差:过电压、欠电压、频率偏差。

(2)电压和电流的波形:电压暂降、电压暂升、电压波动和闪变、谐波、三相不对称。

(3)供电连续性:瞬时断电、暂时断电、持续断电。

在参考IECEMC-61 000系列标准和IEEE标准后,国家逐年颁布《电能质量供电电压允许偏差》(GBl 2325—200 3)、《电能质量公用电网谐波》(GB/T14529-93)、　《电能质量电压波动和闪变》(GBl2326-2000)、　Ⅸ电能质量三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-1995)、　《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》GB/T1 8481-2001、《电能质量　电力系统频率允许偏差》(GB/T15945-1995)等6项电能质量系列国家标准。为推动电能质量的研究深入和改善规范化提供了依据和指导。

1.1　电压暂降

电压暂降等暂态电能质量问题越来越受到了广泛的关注。其原因是微电子技术、计算机技术的广泛应用,用户对电能质量的要求越来越高,据统计,在欧洲和美国,电力部门与用户对电压暂降的关注程度比对其它电能质量问题的关注要强得多。

电压暂降,因为国内尚没有对应的标准,所以名称和限值都不明确。通常也称电压下凹、电压骤降、电压跌落、电压下陷等多种说法。IEC的标准通常写作Voltage dip,标准为1%-90%。IEEE中为Voltagesag,标准为10%～90%。电压暂降按持续时间可以分为瞬时、即时和暂时,其三个特征量是幅值变化、持续时间与相位移动。

易发生电压暂降的场合分系统运行和负荷用电两方面:短路故障,雷击致使保护动作;大量的设备投入使用,大型电机启动等。

电压暂降对电能质量敏感企业,如含自动化生产线企业,芯片生产厂的影响较为严重。一般来说,可编程控制器在电压低于10%时,只能持续工作300ms芯片测试仪在电压低于85%时停止工作,芯片与主板烧毁;工业机器人在电压低于90%时,持续时间超过60ms就跳闸。目前对电压暂降的测试是按照IEC标准,10%～90%范围进行测试,这种限值已经可以满足大多数企业的要求。

1.2　间谐波

间谐波指非工频频率整数倍的周期性电流或电压,又称分数谐波。问谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷引起,如炼钢电弧炉、电焊机、各种变频调速装置等。

间谐波的主要危害是:会放大电压闪变,对音频干扰,影响电视机画质,对收音机产生噪声污染,并在一定程度上造成感应电动机震动,特别对采用电容电感构成的无源滤波器会由于间谐波引起谐波放大,严重时会造成谐振和设备的损坏。

据统计间谐波含有率超过0.3%便会引起灯光闪变,干扰无线通讯。可见问谐波会对日常生活造成负面影响,这也是电能质量国家标准有待完善的原因,对其定义、限定指标、以及测试方法都应明确表述和规定。

1.3　电磁兼容性

IEC标准对电磁兼容的定义:设备或系统在所处的电磁环境中能正常运行,同时不对其它系统和设备造成干扰。系统内或系统间能电磁兼容意味着无论是在系统内部,还是对其所处的环境,系统都能如预期的那样工作。电磁兼容性包括两个方面的含义:①电力系统、电子系统或电工设备之间在电磁环境中相互坚固和兼容;②电力系统、电子系统或电工设备在自然界电磁环境中,能承受干扰源的作用,按照设计要求正常工作。

一方面,随着电子技术日益向高频率、宽频带、高速度、高灵敏度、高密度(小型化、大规模集成化)、大功率等方向发展,电磁干扰已成为系统和设备正常工作的突出障碍。另一方面,电磁场、电磁波对人体生态的影响程度及危害,已经成为全世界关注的热点。

2　标准的修订与完善

关于标准的改进和完善,包括两个方面,一是对现有的标准存在的问题进行分析,并加以修订;一方面是适应电网的需要,制定与国际接轨的新的专项电能质量标准。

现有的6项电能质量国家标准在多年的实际执行过程中,存在有以下问题:

(1)标准适用范围有限。谐波标准只规定到110KV电压,实际上,随着电网与负荷水平的发展,目前220kV及以上电压等级的谐波源用户不在少数,如电解铝、超高功率炼钢炉、直流炉,500kV直流输电换流站等都存在高次谐波,其限制无章可循对谐波电流限值仅规定到25次,在实际工程中是不够的,因为随电力电子技术的发展,25次以上的谐波广泛存在,并且其危害已经显现。

(2)标准限值过严,缺乏灵活性。标准需要相关方共同分担责任,维护好电气环境,标准过宽或过严都是不合适的。实际执行中反应比较多的,一是3次的谐波电流指标,以及总的电压畸变率等指标与发达国家制定的指标相比,限值过严;二是在电气铁道系统中,谐波国标电流值限值过严,这主要是由于对电铁谐波特殊性考虑不周。在现有电网条件下,标准要求过于苛刻会不经济,实施起来也很难,所以须留有灵活性,对用户限值作分级处理是一个好思路。

(3)对测量仪器的要求和测量方法没有明确,造成考核与评价困难,这样会对标准的贯彻与执行带来挑战,务必引起重视。标准中有的对测量仪器的功能和精度、以及测量方法没有规定;有的规定不全面、操作性差。例如关于电压偏差标准GBl2325-2003和过电

压标准GB/T1 848l-2001中就缺乏仪器和测量方法的规定。

所以,对现有的电能质量标准进行完善和修订,结合电网运行实际有针对性地分析,制定修订后的标准,井与国际标准接轨应该成为电能质量研究的当务之急。

另一方面,随着我国电力系统和负荷的不断复杂化,各种精密用电设备的应用等因素要求完善电能质量指标及其标准体系。上面谈到的关于电压暂降、间谐波、电磁兼容等电能质量标准起草应该提上了议事日程。

电压暂降和暂时断电问题日益突出和复杂,已经成为系统可靠性分析和电能质量研究的不可或缺的重要内容,电压暂降已经成为越来越受关注、影响越来越大的电能质量问题,IEEE和IEC已经制定了电压暂降相关国际标准:IEEEStdl 159-1995和IEC61000-2-8(2002-11),为电压暂降的标准化治理提供了依据和参考。

间谐波已广泛存在于工业企业和城镇用电网,产生的影响与危害已经不能被忽视,制定问谐波相关的标准也是电能质量国家标准有待完善的重要内容,需要关注的是关于间谐波的测试,和对测试仪器的要求与规定,因为间谐波的数据检测与筛查关系到能否准确找到谐波谐振点,为有效治理谐波创造基础条件。

电磁干扰和电磁兼容问题,很多国家成立专门机构,制定了专门标准,对此进行管理,这是大势所趋。一切电子设备必须经过专门机构的鉴定和批准才能进入市场,电子系统和电力设备的设计需要考虑电磁兼容问题。我国在电磁兼容方面也有相应的标准,但是在电能质量领域中涉及到的内容有限。随着电网的不断复杂化、各种电力电子装置的层出不穷、生态学的发展,电磁兼容性问题会成为电能质量领域不可回避的一个问题。

3　谐波问题再研究

谐波问题作为电能质量的首要问题,其研究已经大大超过了电力系统自身的研究范围,渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域,谐波问题逐渐被认识和了解。对其产生的原因,计算方法的研究,危害与影响的机理,测量与评估标准的制定,以及综合治理措施等方面的探索也在不断深入。但由于谐波问题复杂,涉及领域宽,目前仍有大量问题需要解决。概括起来,对谐波研究工作的展望,可以划分为4个方面。

(1)谐波功率理论研究;

(2)谐波及其危害和影响的分析,制定限制谐波的新标准;

(3)谐波有关测量的问题;

(4)谐波的补偿和抑制。

从现有技术手段和实际应用进行归纳,配电网中谐波治理的措施主要分三类:

一是受端治理,即从受到谐波影响的设备或等效系统出发,提高其抗谐波干扰能力;

二是主动治理,即从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波,或同时减小消耗的无功功率,在产品设计时就考虑抑制措施,即“防病”方法;

三是被动治理,即在系统或负载加装滤波装置,抑制谐波和补偿无功功率,阻止非线性负荷产生的高次谐波注入电网,或者阻止系统的谐波流入负载端。即“治病”方法。

在被动治理谐波的措施中,无源滤波(PPF)措施本质上是频域处理方法,也就是将非正弦周期电流分解成傅里叶级数,对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。有源滤波(APF)则是在时域中对非正弦周期电流进行分解后,再进行适当的电流补偿,从而改善系统的电流波形。然而,在现今的电力电子器件的制造水平情况下,单独采用APF实现高压大功率的谐波治理与无功补偿较为困难,而且成本也很昂贵。因而,采用混合有源滤波器MAPF,即将PPF和APF结合起来,取两者之长,避免它们的短处,是当前中、高压大功率滤波装置推广应用的必然选择。

4　可持续发展观

电能质量问题实际上已经成为受广泛关注的环境问题,成为电气环境中的“污染”治理问题,因为电能质量问题和环境恶化的产生过程、危害、以及治理难度相类似,但电能质量问题存在瞬时性、传播距离远、速度快、受害对象广泛而深刻等特点,所以有必要更新电能质量观念,提高认识,强化实际效能。

4.1　节能降耗的电能质量观

电能质量恶化给电网及用户带来损失,典型的是损耗的显著增加,如在传输同样功率的条件下,变压器端电压降低,会使变压器绕组电流增大,绕组的损耗增大,损耗大小与通过变压器的电流的平方成正比,额定负荷时变压器绕组电阻中的功率损耗是变压器空载损耗的几倍,甚至十几倍,可见,电能质量问题的解决对节能降耗的意义有多大。提倡用户在使用电能时,能将自身产生的“污染”通过适当的途径加以消除或利用。从电网侧看,该用户等效为线性或近似线性负荷,并有较高的电能利用率,目前电力滤波器、SVC、SVG、以及统一电能质量控制器的应用,均可使干扰性负荷产生的污染得到大部分消除,干扰性负荷从电网侧看近似为线性负荷。

4.2　系统治理的电能质量观

电能质量包括很多内容,现行的国家标准有6项,而且还存在很多没有涵盖的内容,电能质量问题已渗透到很多领域,治理措施不可能只是独立的,因为电能质量问题不是孤立存在的,而是相互关联的,需要进行综合分析与评价,才能拿出系统的、经济的、操作性强的解决方案来。

一是在电力规划、设计、运行和管理等规范或导则中,需要对电能质量问题引起关注,从开始就认识和预防谐波、负序、电压波动、暂降等电能质量问题在某些方式下可能带来的危害;进而提高电能可靠性,满足电能质量敏感性要求;或从电能质量要求的角度,将负荷按普遍负荷、敏感负荷和要求严格的负荷分类,适应电网的安全要求。二是对负荷,特别是非线性负荷存在的电能质量问题需要仔细分析、归类,对照相应的标准限定值,从用户设备安全和投资控制的角度,结合等效系统的特点,制定系统的、合理的治理措施。克服“头疼医头、脚疼医脚”的传统思维方式,对待电能质量问题,需要始终树立全局的、综合的、系统的、优化的观念,才能让电能质量问题解决得更好、更彻底。

4.3　主动积极的电能质量观

这里强调的是要对电能质量问题,特别对于非线性负荷广泛存在的钢铁、石化、铁路、煤炭等工业企业,由于其电能质量问题比较突出,需要有可预见性,而不是电能质量出现了,严重了,影响设备的安全运行了,再采取末端治理,需要的是变消极预防为积极应对、主动采取有效措施。不仅注重从单项治理到综合治理,而且还要从“末端治理”、　“被动治理”到“源头根治”、　“主动治理”。因而在解决电能质量问题时,在关注治理污染的技术性措施的基础上,力求研究开发电能质量污染小的工艺、技术和设备,最大程度地提高社会效益,让电能质量问题的解决达到理想效果。

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,当今威胁信息电力质量的主要干扰除了谐波、不平衡等稳态电能质量外,更多为人们所关注的是电压闪变、电压暂降、暂时中断等暂态电能质量,以及电磁兼容的问题。分析与实践证明,运用电力电子新技术对电能质量进行系统化地综合补偿将是解决电能质量问题的最根本途径。

电能质量问题产生的原因复杂多变,与普遍的环境问题存在异同,需要建立较完备的电能质量新观念,从宏观角度认识解决电能质量问题的新思路。需要清楚的是当前的电能质量标准体系,不能适应电能质量评估和综合治理的需要,需要有更科学、操作性更强的评价体系对电能质量进行评估,以实现排放行为的规范和可监控性,实现电能质量环境的可持续发展。

6　参考文献

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