提高电网用户电能质量

电网用户涉及的电能质量问题主要是功率因数问题、谐波问题以及电压瞬变问题。针对这些问题的治理手段有好几种，比如电容补偿、调谐补偿、动态投切补偿、无源滤波、有源滤波等。每种手段主要针对某个方面的问题进行治理，但同时会影响到其他方面，或者会产生不利影响，或者会有帮助作用。所以，治理电能质量问题，应该把几个方面一起考虑，免得分别治理的时候彼此产生干扰冲突，或者重复浪费。另外，高压、中压、低压母线上的电能质量问题是彼此有影响的，比如在中压段设置了无源滤波来治理谐波，因为无源滤波技术同时具有补偿效果，所以低压母线上的无功补偿容量就应该降低一些，免得浪费投资。所以，一个工程项目的高压、中压和低压部分存在的电能质量问题也应该综合设计以免重复浪费。对功率因数、谐波、电压瞬变问题同时考虑，综合设计统一的治理措施，对高压、中压、低压母线上的电能质量问题同时考虑，形成整个项目的综合治理措施，这就是电能质量综合治理的概念。

电能质量综合治理的目的就是防止不同治理手段之间产生冲突，避免重复作用造成浪费，避免用高投资手段解决低投资手段可以解决的问题，以尽量少的投资，达到尽可能好的治理效果。

1.产生电能质量问题的原理和解决方法

（1）无功功率的原理和解决方法 电动机一类设备在磁场下工作，磁场在交流电下会不断储存和释放电能，但不会消耗电能，所以称为无功功率。无功功率虽然不会做功，但磁场储存能量的时候需要流入电能，释放能量的时候又要流回去，这些来回流动的能量占用了线路、变压器、开关、发电机等设备的能力，不能充分发挥作用，而且还会增加线路损耗。

解决的办法是就近设置电场类设备也就是电容器，电场在交流电下也不断储存和释放能量，但正好和磁场储存和释放能量的时间错开，于是，磁场储存的能量就正好来自电场释放的能量，磁场释放的能量也正好存进电容器里去，无功功率就近互相提供，不再经过发电机、变压器、线路等系统设备了，这就是无功补偿原理。

（2）产生谐波的原理和不同谐波源谐波的解决方法 如果正弦交流电压加在设备上，产生的电流却不是正弦交流电流，这样的设备就称为非线性阻抗设备，简称非线性设备。不是正弦波形的交流电就含有谐波成分，所以非线性设备也称为谐波源。谐波会导致设备发热增加、产生附加负荷导致过载故障，引起线路干扰，还会因为共振导致设备中有谐振回路的部分损坏等。

工业电网中主要的谐波源有三种类型：

1）三相桥式整流回路在每一相的正负波形上都会产生波形变化，一个周期里就有六个非正弦的波形，所以称为六脉波设备。六脉波设备的谐波很有规律，会产生六的倍数加减1次数的谐波，即5、7、11、13、17、19……次谐波，而且随着谐波次数升高谐波幅值会逐渐降低，所以通常只需要处理5、7、11、13次谐波。这类设备包括三相桥式整流器的所有设备，比如直流驱动器、变频器、软起动器、UPS等，是目前工业用电设备中最常见的一类谐波源。六脉波谐波源产生的谐波，次数稳定，可以用调谐技术滤除。

2）类似工业电弧炉这样的设备工作时，电流波形变化很频繁，会分解出次数和幅值不断变化的谐波。这类谐波需要采用针对可变次数谐波进行滤除的技术，比如有源滤波技术。

3）非线性的单相设备，比如带有单相整流环节的电子仪器等，因为三相不对称原因会在零线上形成3次零序谐波。3次零序谐波需要采用零序接法的滤除技术，比如四线制有源滤波，或者分相式无源滤波技术。

（3）产生电压瞬变的原因和解决方法 大容量电动机在直接起动或者通过软起动器起动时，由于起动时功率因数非常低，会产生很大的无功电流，总电流比正常运行时高几倍，在线路中产生很大的瞬时电压降，导致系统电压突然下降。一些负荷周期性冲击变化的机械设备例如飞剪机等，因为负荷的变化，电流也会大幅度周期性变化，导致系统电压周期性变化，这种现象称为闪变。电压突降和电压闪变都会给其他设备的运行带来干扰。两种情况都和大量的短时无功电流有关，如果无功补偿能够及时投入和切除就可以大幅度缓解。

（4）电能质量问题的治理手段 解决电能质量问题，首先涉及的是供电企业、用户以及用电设备制造商，进一步需要设计、咨询、标准化组织、研究部门以及监测仪器制造商的广泛参与。

1）单纯电容补偿。电容器可以补偿电动机产生的无功功率，以提高功率因数。但这些电容器会和变压器形成谐振回路，而且随着电容器的投入和切除，谐振频率会不断变化，就有可能在某些投切比例下正好放大了系统中存在的谐波，造成系统谐波超标、电容器寿命缩短甚至爆炸等危害。因此，单纯的电容补偿措施，在目前工业环境下已经属于应该淘汰的措施。

2）固定调谐电容补偿。在补偿电容器回路上附加电抗器，让电容器和电抗器形成频率固定的谐振回路，并且让这个频率比系统中存在的所有谐波频率都小，这样不仅不会再放大谐波，而且还具有一定的衰减作用。固定调谐补偿是一种可以在有谐波存在的环境下运行的无功补偿技术，同时具有一定程度的谐波滤除作用。

电容器和电抗器之间的阻抗比不同，谐振频率就不同，产生的作用也就有差别，常见的阻抗比有14％、12.5％、7％、5.67％四种。

14％阻抗比的情况，对于3次以上的谐波都不会放大，但对各次谐波的滤除能力最低，而且对3次零序谐波没有滤除作用。由于六脉波谐波源不产生3次非零序谐波，所以这种阻抗比不常用。

12.5％阻抗比的情况，作用和14％的情况差不多，只是谐波滤除作用略微强一点，也不常用。

7％阻抗比的情况，对于5次以上的谐波都不会放大，并且具有一定的滤除作用，大约可以滤除20％的六脉波谐波源产生的谐波，特别适合于只有六脉波谐波源，且谐波问题本来不严重的情况下，作为同时治理无功功率和谐波问题的综合措施，也可以配合无源滤波或者有源滤波技术使用。

5.67％阻抗比的情况，对于5次以上的谐波都不会放大，而衰减作用更大，对六脉波谐波源产生的谐波，可滤除40％～50％，但对电容器和电抗器的参数漂移有一定要求，投资比7％阻抗比的设备要高一点，适合于只有六脉波谐波源，固有谐波成分轻微超标的情况下，作为同时治理无功功率和谐波问题的综合措施，比如变频器一类设备占总容量比例在20％～40％之间的应用场合。

固定调谐补偿设备是在有谐波环境下工作的，元件上承受的电压和电流都比没有谐波的情况高，所以，为单纯电容器补偿设计的电容器，以及不是专门为谐波环境运行设计的电抗器，都不能用来组成固定调谐补偿设备。低、中、高压系统都可以采用固定调谐补偿技术。

2.动态投切技术

电容器切除后没有放完电就再次投入，如果正好是电源电压相位和电容器电压相反的瞬间，电容器上就会承受超过电网峰值的电压，甚至达到峰值电压两倍的过电压，同时充电电流很大，会损坏电容器。

在电容器初充电期间，充电电流的最大瞬时值远大于正常运行情况，如果正好在电流最大瞬时值的时候切除，也可能损伤电容器。

因此，接触器投切的电容器，投入和切除动作之间必须有时间间隔。

这样，就做不到利用在无功功率快速变化的同时进行实时补偿的方式，来缓解电压瞬变了。

利用晶闸管配合触发电路上的检测判断功能，可以在检测到电源电压与电容器电压接近的瞬间投入，或者在电容器充电电流过零时切除，能够不受投切时间间隔限制，达到快速投切的要求，这种方式称为动态投切。

动态投切用带控制单元的晶闸管作为投切开关，投资比接触器投切要高。

实际上并不需要把所有补偿回路都设计成动态投切，只需要一部分补偿回路采用动态投切，利用自动转换方式，在静态投切的电容器放电完成或者充电平稳之后，与动态投切的电容器之间进行交换，始终让一半左右的动态投切回路保持投入，这样，不论是需要投入还是切除补偿回路，都可以利用动态投切回路瞬时执行，达到动态投切的效果，这种方式就是动-静结合投切技术。

动态投切技术目前只能用于低压补偿。

3.无源滤波技术

无源滤波技术也称调谐滤波技术，它本质上仍然是调谐原理，只不过调谐频率从衰减端更加靠近需要滤除的谐波频率，例如调谐频率略低于250Hz的调谐回路，能够滤除大部分5次谐波；调谐频率略低于350Hz的调谐回路，能够滤除大部分7次谐波等。把能够滤除大部分5、7、11、13次谐波的四个分支回路组合起来，就能够滤除六脉波谐波源产生的大部分谐波。

无源滤波技术适用于谐波源都是六脉波设备，谐波成分又严重超标的情况。

无源滤波和固定调谐补偿一样，基本回路都是由电容器和电抗器组成的调谐回路，同时具有滤波和补偿功能。固定调谐补偿以无功补偿为主，滤波功能为辅，而无源滤波以谐波滤除为主，且具有补偿作用。

无源滤波的调谐频率很接近谐波频率，因此要求调谐频率非常精确，而且不能明显漂移，所以，对于设计计算能力，电容器和电抗器的质量，以及参数漂移的限制等都要高很多，所以投资明显高于固定调谐补偿，而且能够掌握此技术的制造商也远没有固定调谐补偿普遍。

无源滤波技术虽然是很多谐波治理厂商没能掌握的技术，但对于掌握了此项技术的厂商而言，却属于成熟技术，其运行可靠性是相当高的。

无源滤波技术既可以用于低压系统，也可以用于中、高压系统。

4.有源滤波技术（ACF）

和无源滤波不同，有源滤波技术利用的不是调谐原理，而是有源逆变技术，产生出谐波来和系统原有谐波抵消，达到滤波的目的。

有源滤波需要实时检测系统谐波情况，然后以有源逆变作为执行手段，实时产生反相位谐波去抵消系统谐波。(www.xing528.com)

所以，有源滤波技术实际上是一种自动控制技术，不受调谐频率限制，可以滤除一定范围内的各次谐波，使用四线制的带零序的有源逆变，还能够滤除3次零序谐波，而且，滤除谐波的程度要比无源滤波更强，滤除得更干净。

有源滤波同样可以逆变出不同相位的基波成分来抵消基波无功电流，因此也具有无功补偿的能力。有源逆变的发生机制是实时的，可以实时补偿无功功率和滤除谐波，所以，有源滤波也能够有效缓解电压瞬变。

所以，有源滤波从功能来说，几乎可以说是万能的电能质量治理手段。

但有源滤波技术是一种复杂技术，投资成本远高于调谐技术，而且有源逆变理论上还存在逆变颠覆的技术隐患，所以，有源滤波技术应该用在调谐滤波技术不能充分解决问题的场合，不应该作为谐波治理的首选手段。

存在大量的非六脉波谐波源产生的变化谐波的场合，需要把谐波成分滤除得特别干净的场合，以及存在大量的3次零序谐波的场合，才是真正需要有源滤波技术的合理应用场合。

另外因为元件因素，有源滤波目前还很难直接制造中压以上的产品。

5.中压SVC技术

SVC技术也是一种调谐滤波技术，是调谐频率可以动态改变的调谐滤波技术的总称，分为两个大类：一类是通过晶闸管动态投切调谐回路内的电容器而电抗器容量保持不变，使得回路谐振频率动态变化的TSC方式；另一类是通过晶闸管动态投切调谐回路内的电抗器而保持电容容量不变，使得回路谐振频率动态变化的TCR方式。SVC技术用于在中压环境解决谐波次数不断变化的谐波滤除需求，是有源滤波技术在中压领域的一种替代技术。

和有源滤波不同的是，能够同时滤除的谐波次数受到设备回路数的限制，也就是每一个回路虽然可以改变谐振频率用于滤除不同次数的谐波，但只能同时滤除单次谐波，有几个回路就只能同时滤除几个单次谐波。

SVC技术是利用晶闸管串并联方式进行投切的，技术要求相当复杂，投资成本相当高。

因此，SVC技术是一种高成本的替代技术，用于弥补中压系统不能使用有源滤波技术的问题，但其功能作用并不能完全替代有源滤波技术。

6.不同电能质量情况的治理建议

电能质量综合治理要求把功率因数、谐波、电压瞬变等问题统一考虑，设计治理措施。

因此，针对几种电能质量问题的不同组合情况，对应的合理治理手段组合也应该不一样，不可能存在对任何情况都适用的组合。

比如，目前的一种流行设计习惯是，以固定调谐补偿作为改善功率因数的措施，以有源滤波作为治理谐波的措施，以一种组合方式应付各种不同情况，就明显不符合综合治理原则。

这里，针对一些比较常见的电能质量问题的情况，提供一些综合治理建议。

1）有大量无功功率存在，没有谐波或者只有极少量谐波的应用情况，适合于使用单纯电容补偿，以改善功率因数。

在现在的工业应用环境下，这种情况已经不多。

2）有大量无功功率存在，六脉波设备占总装机容量的20％以内，没有或者只有极少量其他类型谐波源的情况，这时适合于采用阻抗比7％的固定调谐补偿措施，在防止谐波放大并且滤除部分谐波的情况下，解决无功补偿问题。

对于低压系统，如果同时有大容量电动机直接起动或者周期性冲击负荷，因此存在较大电压瞬变的情况，固定调谐补偿应采用动态投切或者动-静结合投切方式，以便在改善功率因数的同时缓解电压瞬变。

对于中压系统，如果存在需要改善电压瞬变的问题，可以把补偿容量的一部分用中压SVC技术代替，其作用相当于低压的动-静结合投切方式。

3）有大量无功功率存在，六脉波设备容量占总装机容量的20％～40％，没有或者只有极少量其他类型谐波源的情况，适合于采用阻抗比5.67％的固定调谐补偿措施，在防止谐波放大情况下解决无功补偿问题，同时滤除接近一半的谐波。

对于低压系统，如果同时有大容量电动机直接起动或者周期性冲击负荷，因此存在较大电压瞬变的情况，固定调谐补偿应采用动态投切或者动-静结合投切方式，以便在改善功率因数和抑制谐波畸变的同时缓解电压瞬变。

对于中压系统，如果存在需要改善电压瞬变的问题，可以把补偿容量的一部分用中压SVC技术代替，其作用相当于低压的动-静结合投切方式。

4）有大量无功功率存在，六脉波设备容量占总装机容量的50％及以上，没有或者只有极少量非六脉波谐波源和3次零序谐波源的情况，适合于采用无源滤波技术滤除谐波，同时配合采用阻抗比7％的固定调谐补偿措施，以补偿剩余部分的无功功率。

对于低压系统，如果同时有大容量电动机直接起动或者周期性冲击负荷，因此存在较大电压瞬变的情况，其中的固定调谐补偿应采用动态投切方式，以便在改善功率因数和滤除谐波的同时缓解电压瞬变，此时需要的固定调谐补偿容量因为无源滤波技术具有的补偿能力而明显减小，所以不适合再采用动-静结合投切方式。

和无源滤波配合时，固定调谐补偿的容量，应该按达到目标功率因数需要的补偿容量，扣除无源滤波的补偿能力以后设计。

对于中压系统，如果存在需要改善电压瞬变的问题，可以用中压SVC技术代替无源滤波技术，这时SVC技术既起到滤波作用，同时又相当于动态投切补偿，与固定调谐补偿措施组成类似于低压系统的动-静结合投切方式。

5）有大量无功功率存在，同时存在大量或者较大数量的非六脉波形变化谐波源的情况，适合于采用有源滤波技术滤除谐波，同时配合采用固定调谐补偿措施以补偿无功功率，阻抗比可选用14％、12.5％或者7％，不适合选用5.67％阻抗比，以避免有源滤波和固定调谐补偿之间发生阻抗冲突。由于有源滤波技术能够缓解电压瞬变问题，此时固定调谐补偿一般不用考虑动态投切。

和有源滤波配合时，固定调谐补偿的容量应该按达到目标功率因数需要的全补偿容量考虑。

对于中压系统，可用SVC技术代替有源滤波技术。

这种应用情况对应于有短路电弧炉一类特殊负荷存在的场合。

6）有大量无功功率存在，同时存在大量或者较大数量的3次零序谐波源的情况，适合于采用四线制有源滤波技术滤除谐波，同时配合采用固定调谐补偿措施以补偿无功功率，阻抗比可选用14％、12.5％或者7％，不适合选用5.67％阻抗比，以避免有源滤波和固定调谐补偿之间发生阻抗冲突。由于有源滤波技术能够缓解电压瞬变问题，此时固定调谐补偿一般不用考虑动态投切。

中压系统中一般不会出现这种情况。

这种应用情况对应于有大量非线性单相负荷存在的场合。

7）无功负荷较低，系统原始功率因数较高，但又存在较大谐波量的场合，不论谐波源是什么类型，都不适合采用调谐式滤波，这种情况适合单独采用有源滤波措施解决谐波问题，并且同时缓解电压瞬变。

如果其中包含较多的单相非线性设备，则应该选择四线制有源滤波设备。

8）高压系统一般不会直接为用电设备供电，而是为中压系统馈电，因此通常不承担谐波和电压瞬变的治理，仅采用固定调谐补偿治理功率因数问题即可。