一、 電能質量綜合治理概念

 

    電網用戶需要處理的電能質量問題，主要是功率因數問題、諧波問題以及電壓瞬變問題。

 

    針對這些問題的治理手段有好幾種，比如電容補償、調諧補償、動態投切補償、無源濾波、有源濾波等等。

 

    每種手段主要針對某個方面的問題治理，但同時會影響到其他方面，或者會產生不利影響，或者會有順帶的幫助作用。

 

    所以，治理電能質量問題，應該把幾個方面一起考慮，免得分別治理的時候彼此產生干擾沖突，或者重復浪費。

 

    另外，高壓、中壓、低壓母線上的電能質量問題是彼此有影響的，比如在中壓段設置了無源濾波來治理諧波，因為無源濾波技術同時具有補償效果，所以低壓母線上的無功補償容量就應該降低一些，免得浪費投資。

 

    所以，一個工程項目的高壓、中壓和低壓部分存在的電能質量問題也應該綜合設計免得重復浪費。

 

    對功率因數、諧波、電壓瞬變問題同時考慮，綜合設計統一的治理措施，對高壓、中壓、低壓母線上的電能質量問題同時考慮，形成整個項目的綜合治理措施，這就是電能質量綜合治理的概念。

 

    電能質量綜合治理的目的就是防止不同治理手段之間產生沖突，避免重復作用造成浪費，避免用高投資手段解決低投資手段可以解決的問題，以盡量少的投資，達到盡可能好的治理效果。

 

    二、 產生電能質量問題的原理

 

    無功功率的原理和解決方法：

 

    電動機一類設備在磁場下工作，磁場在交流電下會不斷儲存和釋放電能，但不會消耗電能，所以稱為無功功率。無功功率雖然不會做功，但磁場儲存能量的時候會需要流入電能，釋放能量的時候又要流回去，這些來回流動的能量占用了線路、變壓器、開關、發電機等設備的能力，不能充分發揮作用，而且還會增加線路損耗。

 

    解決的辦法是就近設置電場類設備也就是電容器，電場在交流電下也不斷儲存和釋放能量，但正好和磁場儲存和釋放能量的時間錯開，于是，磁場儲存能量的時候就正好來自電場釋放的能量，磁場釋放的能量也正好存進電容器里去，無功功率就近互相提供，不再經過發電機、變壓器、線路等系統設備了，這就是無功補償原理。

 

    產生諧波的原理和不同諧波源諧波的解決方法：

 

    如果正弦交流電壓加在設備上，產生的電流卻不是正弦交流電流，這樣的設備就稱為非線性阻抗設備，簡稱非線性設備。不是正弦波形的交流電就含有諧波成分，所以非線性設備也稱為諧波源。

 

    諧波會導致設備發熱增加、產生附加負荷導致過載故障，引起線路干擾、還會因為共振導致設備中有諧振回路的部分損壞等等。

 

    工業電網中主要的諧波源有三種類型：

 

    三相橋式整流回路在每一相的正負波形上都會產生波形變化，一個周期里就有六個非正弦的波形，所以稱為六脈波設備。六脈波設備的諧波很有規律，會產生六的倍數加減1次數的諧波，即5、7、11、13、17、19……次諧波，而且隨著諧波次數升高諧波幅值會逐漸降低，所以通常只需要處理5、7、11、13次諧波。

 

    這類設備包括有三相橋式整流器的所有設備、比如直流驅動器、變頻器、軟啟動器，UPS電源等等，是目前工業用電設備中常見的一類諧波源。

 

    六脈波諧波源產生的諧波，次數穩定，可以用調諧技術濾除。

 

    類似工業電弧爐這樣的設備工作時，電流波形變化很頻繁，會分解出次數和幅值不斷變化的諧波。

 

    這類諧波需要采用針對可變次數諧波進行濾除的技術，比如有源濾波技術。

 

    非線性的單相設備，比如帶有單相整流環節的電子儀器等等，因為三相不對稱原因會在零線上形成3次零序諧波。

 

    零序3次諧波需要采用零序接法的濾除技術，比如四線制有源濾波，或者分相式無源濾波技術。

 

    產生電壓瞬變的原因和解決：

 

    大容量電動機在直接啟動或者通過軟啟動器啟動時，由于啟動時功率因數非常低，會產生很大的無功電流，總電流比正常運行時高幾倍，在線路中產生很大的瞬時電壓降，導致系統電壓突然下降。

 

    一些負荷周期性沖擊變化的機械設備例如飛剪機等等，因為負荷的變化，電流也會大幅度周期性變化，導致系統電壓周期性變化，這種現象稱為閃變。

 

    電壓突降和電壓閃變都會給其他設備的運行帶來干擾。

 

    兩種情況都和大量的短時無功電流有關，如果無功補償能夠及時投入和切除就可以大幅度緩解。

 

    三、 電能質量問題的治理手段

 

    1.單純電容補償。

 

    電容器可以補償電動機產生的無功功率，以提高功率因數。

 

    但這些電容器會和變壓器形成諧振回路，而且隨著電容器投入切除，諧振頻率會不斷變化，就有可能在某些投切比例下正好放大了系統中存在的諧波，造成系統諧波超標、電容器壽命縮短甚至爆炸等等危害。

 

    因此，單純電容補償措施，在目前工業環境下已經屬于應該淘汰的措施。

 

    2.固定調諧電容補償。

 

    在補償電容器回路上附加電抗器，讓電容器和電抗器形成頻率固定的諧振回路，并且讓這個頻率比系統中存在的所有諧波頻率都小，這樣不僅不會再放大諧波，而且還具有一定的衰減作用。

 

    固定調諧補償是一種可以在有諧波存在的環境下運行的無功補償技術，同時具有一定程度的諧波濾除作用。

 

    電容器和電抗器之間的阻抗比不同，諧振頻率就不同，產生的作用就也有差別，常見的阻抗比有14%、12.5%、7%、5.67%四種。

 

    14%阻抗比的情況，對于3次以上的諧波都不會放大，但對各次諧波的濾除能力低，而且對3次零序諧波沒有濾除作用。

 

    由于六脈波諧波源不產生3次非零序諧波，所以這種阻抗比不常用。

 

    12.5%阻抗比的情況，作用和14%的情況差不多，只是諧波濾除作用略微強一點，也不常用。

 

    7%阻抗比的情況，對于5次以上的諧波都不會放大，并且具有一定的濾除作用，大約可以濾除20%左右的六脈波諧波源產生的諧波，特別適合于只有六脈波諧波源，且諧波問題本來不嚴重的情況下，作為同時治理無功功率和諧波問題的綜合措施，也可以配合無源濾波或者有源濾波技術使用。

 

    5.67阻抗比的情況，對于5次以上的諧波都不會放大，而衰減作用更大，對六脈波諧波源產生的諧波，可濾除40%到50%，但對電容器和電抗器的參數漂移有一定要求，投資比7%阻抗比的設備要高一點，適合于只有六脈波諧波源，固有諧波成分輕微超標的情況下，作為同時治理無功功率和諧波問題的綜合措施，比如變頻器一類設備占總容量比例在20%到40之間的應用場合。

 

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