电能质量浅谈分析

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电能质量浅谈分析 景培毅

（中国电子系统工程第四建设有限公司）

摘要：优良的电能质量品质是企业渴望的用电需求。然而企业不断对生产工艺设备更新换代升级，使得配电系统的电能

质量品质逐步降低，造成配电系统供电不稳定，存在严重的安全隐患。消除隐患、安全供电是企业能源部门一直奋斗的目标。本文主要针对电能质量中的无功补偿、谐波治理、电压扰动三个方面，进行原理分析，讨论对系统的影响，并提出相应的措施。

关键词：功率因数；无功补偿；谐波治理；电压扰动

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2019.01.DQGY 0 引言

随着科技生产力的高速发展，大量的非线性负载广泛应用在企业生产中，使得电能成为必需品，同时对电能的质量品质要求也越来越高。然而非线性负载与配电系统已然构成了新的变化趋势，呈现出电能的质量品质问题，主要表现在功率因数较低、谐波污染、电压扰动等一系列问题，这些问题也引起了企业能源供电部门的高度重视，所以良好的电能质量和稳定的供电系统已成为企业和设备厂家共同的努力目标。

本文主要从提高功率因数的无功补偿设备、治理系统谐波污染谐波滤波柜、治理电压扰动的动态电压恢复装置三个方面进行分析。

无功功率，停止工作时又将无功交还给电网。这就造成了大量无功电流在系统中流动引起线路损耗；流经变压器造成变压器使用裕度降低；电网末端电压低、系统功率因数低等问题。因此用户侧增加无功补偿设备、提高功率因数是有效解决上述问题的方法之一。

功率因数是电力系统的重要的技术数据之一，也是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，增加了线路供电损失，因此供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即：

cosΦ=P／S1 功率因数及无功补偿设备分析

在电网对用户输电的过程中，电网要提供给负载的电功率有两种：有功功率和无功功率。有功功率（P）是指保持设备运转所需要的电功率，也就是将电能转化为其他形式的能量（机械能、光能、热能等）的电功率；而无功功率（Q）是指电气设备中电感、电容等元件工作时建立电场、磁场所需的电功率。

无功功率主要用于电气设备内电场与磁场的能量交换，在电气设备（电路系统）中建立和维护磁场的功率。它不表现对外做功，由电能转化为磁能，又由磁场转化为电能，周而复始。由于其交换特性造成负载设备工作时需从电网获得

S=√P2＋Q2

通过公式得知，无功功率（Q）是唯一的变量，即可通过无功功率改变系统的功率因数。

某企业1#变压器系统的功率因数在感性0.8，视在功率为1250kVA，功率因数较低，将面临供电部门的处罚。因此企业提出节能减排措施，将在系统内增加无功补偿设备使得功率因数保持在0.95，通过上述公式计算：

补偿前： cosΦ1=0.8，S1=1250kVA

有功功率P1= S1× cosΦ1=1250×0.8=1000kW无功功率 Q1= √S12＋P12=750kvar

即系统功率因数由0.8达到1时，需要无功补偿750 kvar。补偿后：系统的目标功率因数cosΦ2=0.95，有功功率不

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变，即P1= P2 。

视在功率：S2=P2/ cosΦ2=1052 kVA

无功功率：Q2= √ S =326 kvar2

2＋P22即系统功率因数由0.95达到1时，需要无功补偿326 kvar。系统功率因数由0.8达到0.95时，需要的无功补偿QC=Q1-Q2=424 kvar。

因此该企业若功率因数达到0.95时，增加的无功补偿设备的容量最少为424 kvar。

目前供配电系统中常用电容串电抗、SVG等具有无功补偿功能的设备来改变系统的无功功率，以达到提高功率因数的目的。

根据配电系统的负载电流变化情况，可以分为普通接触器投切和晶闸管快速投切两种方式。当系统中主要存在电机、空调、照明、泵类等设备时，此类设备在运行时间电流平稳，通常采用普通接触器进行投切；若系统中存在大量的快速变化的负载，如电焊、行车、电弧路、冲压等设备时，此类设备的运行时电流变化快，由于普通接触器的工作特性原因，投切速度无法满足要求，故采用晶闸管快速投切方式，通过电力电子控制充分满足快速投切的要求。

根据配电系统中单相、三相负载的分布情况，通常会选择不同电抗率的电抗器。

无论单相还是三相负载在运行时都会产生一定量的谐波，电容串联电抗器运行时会有一定的抑制作用。而电抗率是根据并联电容器装置接入电网处的背景谐波含量的测量值选择。当谐波为5次及以上时，电抗率宜取5%；当谐波为3次及以上时，电抗率宜取12%（引自GB50227－2017《并联电容器装置设计规范》）。

针对无功要求特别高、需平滑调节或容性感性双向场合，可使用SVG产品做为无功补偿设备，还可采取电容器补偿与SVG混合安装治理方案，既能够做到SVG的双向补偿，无极调节，维持较高较稳定功率因数，又降低了全部使用SVG方案的造价。

2 谐波污染、治理分析

由于大量的整流器、逆变器、变频器、UPS、开关电源等非线性电力电子设备应用，在提高生产效率的同时也造就了配电系统的电压、电流的畸变，大量的谐波就此产生。电力系统中之电压或电流讯号，除基频（50/60Hz）外之交流、周期性成份，皆称为谐波。

谐波电压含量：

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U∞H =

√Σ（U2

h）h=2

谐波电压畸变率：

THDUH

u = ×100(％)U1谐波电流含量：

I∞H =

√Σ（Ih）2

h=2

谐波电流畸变率：

THD= ×100(％)IH

i I1

式中，Uh为第h次谐波电压（方均根值）；U1为基波电压（方均根值）；Ih为第h次谐波电流（方均根值）；I1为基波电流（方均根值）。

谐波电压、谐波电流的傅里叶级数：

∞

v( t ) = =

Σvt )∞

n( n

0

t + θn )

h=2

Σ√2 vsin (nωh=2

∞

∞

i( t ) = =

Σ

in( t )h=2

Σ√2 in

sin (nω0

t + θn )

h=2

经过傅里叶可分解为基波以及成基倍数的谐波成分（引自GB/T4549－1993《电能质量公用电网谐波》）。波的分解如图1所示，谐波频谱图如图2所示。

1

0

－1

0 5 10

图1 波的分解

25％20％15%10%5%0

5 7 11 13 17 19 23 25

图2 谐波频谱图

2019.01.DQGY63

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通过大量的测试数据总结出的各阶次谐波电流估算公式如下：

In = I1 / N式中，In为第n阶谐波电流值；I1为谐波设备运行时之基波电流；n为谐波阶次。

谐波对设备的安全稳定运行带来严重的影响：

1）谐波电流将增加变压的铜损和杂散损耗，谐波电压增加变压器的铁损，谐波还会增加变压器的温升、噪声，影响变压器的使用寿命；

2）谐波电流对电力电缆产生集肤效应，增加温度、降低电缆绝缘；

3）谐波增加电机的噪音，正反序谐波还会是电机产生振动，造成扭力输出不稳定，严重影响设备机械寿命及产品质量；

4）电力电子设备对谐波比较敏感，谐波电压畸变形成的2019.01.多个过零点位置，容易造成过零点控制设备（PLC）的误动作，谐波电流对开关的温升、绝缘、载流量能力带来影响；

DQGY5）谐波是发生谐振的三要素之一，电容器的容性特点与系统变压器的阻抗在特殊频率下发生谐振，电容器将放64

大谐波，对系统的供电稳定性、设备的使用寿命带来严重的影响。

谐波畸变对系统的供电稳定性带来隐患，影响工业生产的设备使用寿命、产品质量等问题。国家相关部门针对谐波问题推出了GB/T 14549－1993《电能质量 公用电网谐波》的国家标准，标准中给出了谐波电压、谐波电流的限制值。

针对谐波污染问题通常使用有源滤波设备或者无源滤波设备进行治理。

无源滤波设备只能针对系统中的单一阶次进行谐波治理，具有一定的局限性。无源滤波器其原理主要是通过配置特定电抗率的电抗器与电容器进行组合，构建成比系统回路阻抗更低的低阻抗回路。阻抗越小，对电流的限制越小，因此使得大部分谐波电流在低阻抗回路与谐波源之间流动，避免了谐波对系统的影响。

有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以

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既补谐波又补无功和不平衡。如图3所示。在谐波治理方面上，有源滤波方案使用较广泛。

Irms = √I1 2 + I2 2 + ⋯ + In 2 Irms = √I2 2 + ⋯ + In 2

APF

Non-lineaeload

图3 APF工作原理图

3 电压扰动及治理

我国工矿企业配网供电模式主要为基于交流母线的树干式网络结构，即多个负载挂在同一交流母线上（干线）。因此当任何负载发生故障时都可能导致交流母线电压扰动，进而影响接到该母线的所有负载。如图4所示。

用户1

系统

用户2用户3

敏感负载

电压暂升

电压暂降

短时中断

图4 电压扰动

电力系统的电压暂态扰动，主要体现为三种形式：电压暂升、电压暂降、短时中断。通常会持续0.5个周波至几秒之间。电压暂态扰动的发生，来源于几个可能：相邻的大负载启动，系统的无功补偿系统投切，系统重合闸，自然界风暴雷电恶略天气等等。由于工业电网处于配电网络的末端，大量各种类型的负荷汇聚于此，任何一点发生短路、单相接地、闪络等故障，或者经受大型负载启动冲击，都会导致用户的供电电压发生暂态扰动。

暂态电压扰动会引起：接触器继电器类设备跳脱，并且

跳脱时间与发生扰动时相位角有关，最快跳脱时间仅需3ms；变频器、伺服系统低电压或过电压保护，从而致使生产停止；PC、PLC跑飞死机原点丢失[1]。接触器扰动跳脱时间与扰动时相角关系如图5所示。

暂初相角0°降幅初相角90°

值 （％）

持续时间／ms

图5 接触器扰动跳脱时间与扰动时相角关系暂态电压扰动轻则造成停机，需要较长时间重新恢复生产，重则造成加工原件报废、甚至损坏机床。损失表现在：成品率（直通率）降低，整体设备可用时间（OEE）延长，产量下降，交货期延长，成本增加，原材料浪费，效率降低，设备事故率上升，维修量加大，经济损失严重，关键绩效指标（KPI）下降。

国内以往针对此种问题通过使用在线式UPS、AVC、稳压器、SSTS等设备来进行治理。但UPS过载能力差，不能应用于动力负荷，损耗、维护费用高，需频繁更换电池；AVC治理范围缺陷，不能够治理短时中断问题；稳压器、SSTS反应速度相对较慢，暂态扰动治理效果不理想。用户没有获得理想中的解决方案。

目前有一种较为完善的治理方案，此种方案是应用动态电压恢复装置设备加以治理，动态电压恢复装置是一种治理效果最好、性价比最高的产品。动态电压恢复装置（即DVR）是近年来涌现出来的专门针对短时电压扰动的先进解决方案。

简单的讲，DVR设备由储能单元、交直流整流逆变装置及电源切换功率单元组成。3.1 动态电压恢复器的工作原理

1）当供电系统电压正常时，负载通过晶闸管直接供电，由逆变器的整流桥对超级电容进行浮充供电。

2）当供电系统的电压幅值超过设定限值时（可根据用户要求进行设定），超级电容中的能量经过逆变器逆变为交流

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输出，晶闸管强迫关断，负载转由动态电压恢复装置供电。

3）当系统电压恢复时，DVR装置输出相位进行调整，使DVR输出电压相位与系统电压相位小于5°时，逆变器退出运行，同时晶闸管导通，将负载交由系统供电，装置再次转入待机状态。

4）装置检修时，先合旁路开关，然后断开输入开关和输出开关。此时整个DVR装置与系统、负载隔离，待超级电容放完电后进行安全检修。3.2 动态电压恢复装置优势

1) 切换速度极快，可以做到2ms之内，响应时间小于1/10个周波，再敏感的设备也完全感受不到晃电的发生。

2) 补偿范围宽：系统电压在0~130%时，都可以保证负荷侧供电电压恒定。

3) 补偿时间灵活：可以根据现场需求定制，通常采用

400ms~3s补偿，也可定制更长时间。

4) 环境适应能力强：装置元件经过“三防”处理，可在温度－25~45℃，含有粉尘或潮湿的环境中正常工作。

5) 运行功耗低：DVR正常运行时，平均功耗小于1%。6) 工程实施简单，只需要很短的停电时间即可，现场接线工作也是很简单。

4 重要用电用户急需解决的问题及案例

以上论述的三个问题中电压扰动问题最为迫切，此问题在半导体生产、汽车制造、精密机加工、食品加工、石油化工、火电厂等行业中能够引起用电用户巨额的直接和间接损失，严重时甚至威胁人身安全。解决此问题的技术难度也相应更高，要满足安全性高，响应速度快，治理范围宽，运行经济等因素。综合考虑重点推荐动使用态电压恢复装置——DVR产品作为此类问题的治理设备。4.1 某半导体厂案例

据河北某半导体厂场内检查设备记录2014~2106年两年间共发生电压暂态问题140余次，严重时造成贴片机、曝光机等设备全天均无法生产，重启产线需耗时4h左右。每次暂降造成直接间接损失均在百万元以上。扰动事件记录如图6所示。

此厂除扰动频繁、负载多、杂、敏感程度高问题外，还存改造空间有限，设备需靠墙安装、允许停电时间短等限制因素。经多方调研在诸多方式中最终选择DVR装置在系统母线侧做治理的方案，如图7所示。

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图6 扰动事件记录

2019.01.DQGY普通负荷普通负荷PSTN-DVR敏感负荷敏感负荷

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一

次方案

图7 DVR一次系统图

于2017年安装调试完毕稳定运行至今，中间共发生50次电压扰动，均起到良好补偿效果，避免巨大经济损失。4.2 某食品生产厂案例

奶制品加工需要经过运输、加工、存储等多个环节，最后一定要经过一道工序：灭菌消毒。液态奶的高温短时间巴氏灭菌法，是把牛奶加热到72~75℃或82~85℃，之后保持15 ~20 s，然后再进行冷却。毫秒级的电压波动，让进行到一半的消毒工序前功尽弃；造成灭菌中断温度下降，半成品滞留在灌中，大量细菌滋生繁殖，奶液直接废掉。清洗、消毒灭菌罐需要专业人员，耗时24h以上。消毒完成之前整条生产线均处于停产状态。每年一般发生10余次暂态电压扰动，每次损失十余万至数十万不等。

同时此企业还存在配电室改造困难，治理设备需安装于负载设备现场。负载设备现场要求柜体为食品级不锈钢；能

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够承受高温高湿环境；需求控制及动力部分均被保护治理设备有较好承受启动过载能力。

最终选择动DVR产品作为治理设备，于2017年5月调试安装完毕至今，发生暂态电压扰动十余次，生产设备未受到影响。

5 结束语

配电系统电能质量问题往往同时存在多个需求综合治理；任何治理设备的选择和使用应根据实际的工况和需求来决定。只有根据实际情况选取合适的治理设备才能使系统更安全、更高效。电 器参考文献：

[1]徐永海, 兰巧倩, 洪旺松. 交流接触器对电压暂降敏感度的试验研究

[J]. 电工技术学报, 2015, 30(21):136-146.