一、 电能质量综合治理概念

 

    电网用户需要处理的电能质量问题，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、有源滤波等等。

 

    每种手段主要针对某个方面的问题治理，但同时会影响到其他方面，或者会产生不利影响，或者会有顺带的帮助作用。

 

    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免得重复浪费。

 

    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。

 

    二、 产生电能质量问题的原理

 

    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会需要流入电能，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，磁场储存能量的时候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。

 

    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等。

 

    工业电网中主要的谐波源有三种类型：

 

    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。

 

    这类设备包括有三相桥式整流器的所有设备、比如直流驱动器、变频器、软启动器，UPS电源等等，是目前工业用电设备中常见的一类谐波源。

 

    六脉波谐波源产生的谐波，次数稳定，可以用调谐技术滤除。

 

    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。

 

    非线性的单相设备，比如带有单相整流环节的电子仪器等等，因为三相不对称原因会在零线上形成3次零序谐波。

 

    零序3次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。

 

    产生电压瞬变的原因和解决：

 

    大容量电动机在直接启动或者通过软启动器启动时，由于启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。

 

    三、 电能质量问题的治理手段

 

    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，而且随着电容器投入切除，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等危害。

 

    因此，单纯电容补偿措施，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，产生的作用就也有差别，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%左右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%到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%到40之间的应用场合。

 

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