电能质量与节能技术综述
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摘要：电能质量与节能技术问题越来越受到国内外的关泛关注。文章从电能质量的基本概念、电能质量与节能的关系、电能质量相关标准、电能质量及其对节能影响、电能质量治理控制与节能效果等方面进行了综述；分析了电能质量与节能技术相关影响；探讨了电能质量治理控制技术与节能效果；提出了加强电能质量与节能技术研究，完善电能质量与节能技术相关标准的建议。
关键词：电能质量节能技术标准
0引言
电能是一种经济、清洁、实用的能源形态，是电力部门向电力用户提供的由发、供、用三方面共同保证质量的特殊商品。电能作为商品，无疑应讲究质量。电能质量关系到电力系统和电气设备的安全和效率，关系到节能降耗、关系到生产、日常生活以及国民经济的总体效益。近年来，随着社会经济的飞速发展,电网规模不断扩大,电能质量问题日益突出。一方面，各种非线性负荷及电力电子设备在电网负载中所占比例急剧增加，电能质量污染引起供电品质、供电可靠性下降，同时引起电能损耗增大；另一方面，技术的进步使公用电网、高科技型用户、精密负载等对供电可靠性、电能质量的要求越来越高。电能质量问题已日渐成为现代电网面临的一个必需认真对待并应寻求有效措施改善的技术焦点。同时，着力构建资源节约型和环境友好型社会，以提高电力能源利用效率为核心，努力营造有利于节电降耗的环境，以电力资源的高效利用，促进社会经济的全面提升和可持续发展，已成为我国广大电力工作者孜孜以求的目标。因此，电能质量与节能技术问题备受关注。
1电能质量的基本概念
一个理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz)和正弦波形，按规定的电压水平(标称电压)对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位互差120°的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、线路等)参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量(Power QuaHty)的概念。
从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术含义还存在着不同的认识，电力企业可能把电能质量简单地看成是电压(偏差)与频率(偏差)的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能99％是符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供电；而设备制造厂家则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要。相关文献中对电能质量的定义为：“导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。”这个定义简明概括了电能质量问题的成因和后果。
2电能质量与节能的关系
随着电网电能质量污染日益严重，各种电能质量治理措施提上日程，它们对系统的节能降耗又起到了积极作用。同时，电力市场化使的节能技术日益受到关注，而近年来，电力电子技术的进步也带动了节能技术不断发展，在电网中大量应用的节能设备大都使用了电力电子技术，它们都对电网电能质量产生了一定的影响。由此，也引起了广大电力科技工作者对电能质量和节能之间的关系进行研究。电能质量与节能的关系，可以从两个方面来论述，一是控制电网电能质量会带来节能效益，二是节能技术对电网电能质量也有影响。
1、电能质量控制的节能效益
在各种控制电能质量的措施中，会带来节能效益的有两种：谐波抑制技术和无功补偿技术。
谐波治理带来的节能效益：谐波会在电网和各种电气设备（旋转电机、变压器等）上造成大量谐波功率损耗，高次谐波分量比低次谐波分量更容易引起损耗（但电网中高次谐波含量一般远低于低次谐波，谐波损耗主要还是低次谐波引起）。因此，采用各种谐波治理措施消除公用电网谐波，可以有效降低谐波功率损耗，带来重大节能效益。
无功补偿措施带来的节能效益：功率因数是供用电系统的一项重要的技术经济指标，用电设备在消耗有功功率的同时，还需大量的无功功率由电源送往负荷，功率因数反映的是用电设备在消耗有功功率的同时，所需的无功功率。对于农村用电负荷来说，主要是一些小加工业及照明负荷，其中大部分设备为感性负载，其功率因数都很低，影响了线路及配电变压器的经济运行。通过合理配置无功功率补偿设备来提高系统的功率因数，从而达到节约电能、降低损耗的目的。
2、 节能技术对电能质量的影响
节能技术对电能质量的影响主要体现在两个方面，一是各种节能设备的使用有可能恶化电网电能质量，二是各种扩展节能技术的使用也会导致电能质量变差，如并联电容补偿装置参数配置不合理引起的电网谐振、分布式发电技术也会引起电网电压和电流的畸变。
目前得到广泛使用的节能设备有节能灯具、高效率空调和热泵、高效率电动机、高效率烘干机等，它们都使用了电子开关技术。
3电能质量相关标准
电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理、推广电能质量控制技术、判断电能质量的基本技术依据，也是维护供用电双方合法权益的法律依据。为了更好的监测、控制、和治理电能质量，国际电工委员会（IEC）、IEEE等制定并颁布了一系列规范和标准。我国国家质量技术监察局也相继制定并颁布了以下电能质量标准。
GB/T 12325-2008《电能质量 供电电压偏差》
GB/T 12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》
GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》
GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》
GB/T 15945-2008《电能质量 电力系统频率偏差》
GB/T 18481-2001《电能质量 暂时过电压和瞬态过电压》
GB/T 24337-2009《电能质量 公用电网间谐波》
GB/T 19862-2005《电能质量监测设备通用要求》
电能质量标准的颁布、贯彻及实施，为保证电能质量，实现节能减排提供了强力的技术支撑。
4电能质量污染及其对节能的影响
4.1 影响电能质量的原因
影响电能质量的原因各种各样，大体上可分为外部原因和内部原因：
外部原因如：雷击线路、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器的投切、线路的切换等都可能干扰系统，造成断电或电压扰动，甚至影响到相临线路，导致有害影响蔓延。
内部原因主要是指系统本身带有的各种电能质量污染，如电弧炉、整流器、单向负荷、大功率电动机等干扰性负荷（包括冲击性负荷、不对称负荷和非线性负荷）。这些负荷对电网产生负面影响，如谐波、无功冲击、负序等，而且这些负面影响可能通过公共连接点（PCC）波及其它终端用户。
电能质量污染源又可按照它们在电网中所处的位置不同，分为电网侧电能质量污染源和用户侧电能质量污染源：
（1） 电网侧电能质量污染源。
电力设备及装置的自动保护和正常运行。如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合对电能质量的影响，使额定电压暂时降低、产生电压波动与闪变等。
（2） 用户侧电能质量污染源。电力系统非线性负荷、冲击性负荷等的大量投运。如炼钢电弧炉、电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、电压波动和闪变等。
4.2 电能质量污染对节能的影响：
各种控制电能质量污染问题中，对节能问题有直接影响的主要是电力系统谐波污染。谐波除了会造成电网污染外，还会产生谐波功率，在电网和电气设备上造成附加损耗，带来能源浪费。采用相应措施消除谐波是电网节能措施的一个重要方面。
（1）谐波由谐波源(非线性设备和负荷)注入系统，会损坏系统设备(如电容器、电缆、电动机、电压互感器等)，威胁系统的安全运行(如继电保护及自动装置误动)，增加系统的功率损耗(如线损)，增大测量仪表的误差(如电能表)，干扰通信等。
（2）谐波的存在会对电力设备造成损坏，加速绝缘老化。
（3）谐波叠加后的电压峰值对节电器件老化有很大的影响，研究表明，谐波对其寿命的主要影响因素为电压峰值、电压均方根值和电压波斜率。其中峰值对它的寿命影响最大。
（4）作为并联成套装置的节电设备，它都是在谐波干扰下运行的，主要影响如下：
畸变的电压波形使节电器件局部性能下降。
严重的谐波过电流使节电器件损耗功率增加，导致异常发热。
5 电能质量治理控制与节能效果
电能质量治理控制是改善电能质量指标的唯一手段，是优质供用电的必要条件，也是节能降耗的主要手段。电能质量污染的治理控制主要包括谐波抑制、无功补偿、电压调整、频率调节、三相不平衡治理、闪变抑制、瞬态电压事件的控制等。下面简要介绍谐波抑制、无功补偿、电压调整、频率调节等几种治理控制技术，并对电能质量控制的节能效果进行简单分析。
5.1 常规谐波抑制与无功补偿技术
常规谐波抑制与无功补偿技术，主要是无源型的LC滤波补偿技术，是最为广泛采用的电能质量治理控制手段，也是实施节能降损的主要途径。与该技术相关的研究内容有无功补偿量的确定、无源滤波器组的参数设计等。
无功补偿量的确定：无功补偿及谐波抑制中，所需基波无功补偿量的确定是基础，目前，有计算法及实测法两种方法。无功补偿量的计算法：无功补偿量的计算有两种，即根据功率因数的改善计算和目线运行电压的提高计算。
无源滤波器组的参数设计：无源滤波器组安装在带有非线性负荷的节点上，既能抑制谐波电流注入电力系统、降低节点的谐波电压，又能提供该节点的无功补偿。无源滤波器组参数的设计既要满足注入系统的谐波电流限制、节点的谐波电压及电压总谐波畸变率限制和无功补偿的要求，又要保证多个安全运行条件，如电容器的过点压、国电流及发热约束，滤波器组内并联谐振约束及滤波器组与外部系统的并联谐振约束，同时又能使投资最小。
5.2 自动电压控制技术
电压质量的控制是运行关注的重点。近年来，随着经济的持续稳步发展，系统负荷增长较快，电网结构日趋复杂，跨区域远距离输电的交流输电通道或交直流并联输电通道越来越多，在某些受端负荷中心动态无功备用不足和输电通道过于集中，增加了电压调控的难度，降低了系统运行电压的电压质量和合格率；在发生系统故障时，增加了全网电压失稳和崩溃的可能性。同时，电网运行损耗也将增大，降低系统运行的经济性。
随着电网规模的扩大，对电网电压的调控主要应从以下几方面考虑。
1、无功规划
电网电压调控手段主要依赖于无功，因此，合理的全网无功规划和配置有效的调控手段是实现电网无功电压优化控制的基础。
2、调控的设备和方式
传统的无功电压调控手段主要有电容器、电抗器、有载调压分接开关等，控制方式也主要是就地控制。随着运行控制要求的提高，对调控手段也提出了新的要求，如动态、实时调控等，在此背景下，SVC、STATCOM等得到一定程度的运用，控制方式也要求能实现区域性的分级自动优化控制。欧美等国以及国内一些网省公司实施全网二级或三级电压控制后，都取得了良好的效果。
3、电厂自动电压控制
电厂自动电压控制是通过优化控制各机组的无功功率，达到实时调节电厂高压侧母线电压的目的。
5.3 串联补偿技术
随着电力需求的不断增长及电力工业的发展，电力系统已进入大电网、大机组、高压交直流输电的新阶段，应用远距离大容量的高压输电技术，已成为电力工业发展的重要手段之一。其中，串联（电容器）补偿技术已日渐广泛使用，该技术采用电容器组串联于交流输电线路中，用于补偿交流输电线路的电气距离，来提高输电线路的输送功率，改善系统稳定水平，减少线路回数，降低输电线路损耗的目的。
串联补偿技术主要分两类：
1、固定串补（Fixde Series Compensator,FSC）.它是补偿度（补偿电容器组的容抗与补偿线路的感抗之比）固定的串联补偿装置。
2、 可控串补（Thyristor Controlled Series Compensater,TCSC）.它是利用电力电子手段调节补偿度的串联补偿装置。
5.4 按频率、电压减负荷技术
电力系统在正常运行工况下的电能质量指标应控制在标准允许的限值范围内，在异常工况或故障情况下，对相关电能质量指标也应采取一定的手段或措施控制。系统在故障情况下，由于机组退出，线路断路器分闸或网架的解列，会导致系统有功、无功供需不平衡，引起系统频率、电压下降，如这种趋势不能尽快遏制，继续发展下去，将出现频率崩溃或电压崩溃。
按频率、电压减负荷技术是防止电力系统发生频率、电压崩溃的系统安全自动装置技术，作为电力系统的第三道防线，其正确动作与否将直接影响到能否实现电力系统的安全稳定运行，也是电力系统在严重事故情况下，保证系统频率、电压等电能质量指标维持在一定水平的主要手段。
目前，按频率、电压减负荷普遍采用基于反映检测的稳定控制原理，即按照预先规划好切负荷的方案，包括切负荷频率、电压水平的确定，切负荷地点、切负荷量的确定，合适的切负荷时间等，当系统发生严重故障扰动时，引起的系统频率、电压降低到预先给定的某个水平并经预定的时延后，实施切负荷。
5.5 电能质量控制的节能效果分析
电能质量控制的节能效果，应从两方面考虑，即电力用户和电力系统。
一、电力用户
1、直接经济效益
a)减少功率因素罚款，甚至有功功率因素奖励。b)节约能源。C)提高企业利润。
2、企业内部设备运行可靠性提高
a)电动机、电容器、电缆等故障率下降。b)电动机运行平稳。C)变压器温升下降，噪音明显降低。d)企业内部电子设备故障率下降，如计算机、数控设备等。e)减少生产性服务成本。f)提高企业的整体生产率。
3、对电网及周边用户的影响减少
a)系统供电变电所内电容器、变压器问题减少。b)周边用户用电设备故障率下降。c)用户投诉下降。
二、电力系统
技术降损的措施主要有：
1、通过指标分析、测算、分解及优化运行，提高全网电压质量，实施全网及区域无功电压优化控制，加强无功、电压、线损运行管理等。
2、技术措施：简化电压等级，缩短供电半径，减少迂回供电，合理选择导线截面合变压器规格、容量，防窃电等。
6 结论与建议
优良的电能质量对保证电网和电气设备的安全、可靠、经济运行具有重要意义，电能质量与节能技术的发展是节约型社会的重要条件之一。中国的智能电网建设已拉开序幕，中国的可持续发展迫切需要全社会大力提倡节能减排；新技术的发展，用电负荷性质的变化，使得现代电能质量出现了新的问题，电能质量的内涵得以进一步延伸，这一切都对电能质量与节能技术研究提出了新的要求，希望引起广大电力科技工作者和有识之士普遍的关注和深入的探讨。
为了支撑电能质量与节能技术的研究与发展，建议尽快完善相应的导则、法规、标准和规范，相关政府、标准化研究机构及高科技企业应积极组织改领域的专家，制定和形成科学、合理，符合我国国情，符合电力发展客观规律，符合电力生产运营实际的、可操作性强的电能质量标准和规范，作为实践中对电能质量与节能技术等的评估依据；同时，建立综合性的电能质量评价与管理体系。
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