電能質(zhì)量

電能質(zhì)量的好壞，直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，評價電能質(zhì)量有三方面標(biāo)準(zhǔn)。首先是電壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等;其次是頻率波動;最后是電壓的波形質(zhì)量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。我國對電能質(zhì)量的三方面都有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護(hù)裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動作與拒動，直接威脅電網(wǎng)的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)中運行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節(jié)能燈后，就會發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負(fù)荷，它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng)，造成三相負(fù)荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比1要小得多，造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，用電設(shè)備發(fā)熱增加，電網(wǎng)線損增加，使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波必須進(jìn)行治理，使諧波分量不超過國家標(biāo)準(zhǔn)。

電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。

對于諧波分量而言，隨著科技進(jìn)步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10%以上時，由于電機(jī)的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7%以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。

為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：

·電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。

·交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。

·交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。

·開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。

這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。

此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機(jī)在上世紀(jì)四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當(dāng)時電弧加熱設(shè)備量少，電焊機(jī)應(yīng)用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但在當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感)，從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。

交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

雖然這類設(shè)備單臺容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。

開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開關(guān)電源的頻率比較高一般在40KHZ左右，不僅在整流時產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時，反射40KHZ左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺容量不大，但它是應(yīng)用面最廣、量最大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10KV電網(wǎng)。

通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴(yán)重，尤其是早些年為了節(jié)能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規(guī)的無功補(bǔ)償就無法投切，有的用戶用常規(guī)的電容器無功補(bǔ)償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8～3.8倍以上，使得電動機(jī)、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設(shè)備的使用壽命，多交了電費。

諧波的治理主要采用無源濾波裝置和APF有源電力濾波器。

1、LZS無源濾波裝置主要采用LC回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的設(shè)定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設(shè)定的LC回路，達(dá)到消除(濾除)某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關(guān)、電容器、電抗器以及保護(hù)和控制回路。

2、LZS有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，雖然成本略高，但在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能全部濾除干凈。

目前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波裝置和有源電力濾波器。下面就談?wù)勥@二種方法的優(yōu)缺點以及市場前景及其經(jīng)濟(jì)效益的分析。

1、無源濾波裝置

無源濾波裝置的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的諧振頻率設(shè)定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達(dá)到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設(shè)定得不好，會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振?，F(xiàn)在，市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV 無源濾波裝置，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進(jìn)行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對諧波的危害認(rèn)識不足，一般不愿意拿出大量的經(jīng)費來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)的無功補(bǔ)償不能奏效，供電部門對無功的要求又是十分嚴(yán)格的，達(dá)不到就會產(chǎn)生力調(diào)電費。

2、有源電力濾波裝置

LZS有源電力濾波裝置是在無源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的濾波效果好在其額定的無功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之LZS無源濾波裝置復(fù)雜得多，成本也就高得多了。其主要的應(yīng)用范圍是計算機(jī)控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計算機(jī)控制供電系統(tǒng)。