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电能质量监测与治理系统

电能质量监测与治理系统

系统概述

我国三相四线制低压配电网（380V/220V）的用电负荷沿线分流，三相负荷不平衡严重，负荷率低、功率因数变化频繁，运行工作情况复杂，多年来一直存在无功补偿容量不足，无功补偿装置欠佳的情况。

近年来，随着我国工业化程度的不断提高，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等非线性、冲击性负荷不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡特性或者使得电网中的电压、电流波形发生畸变，或者引起电压波动、闪变和三相不平衡。与此同时，半导体电子工业的迅猛发展导致了大批精密仪器和高档家电的产生，这些设备对电能质量非常敏感，特别是在重要的工业生产过程中，供电的中断或波动将带来巨大的经济损失。因此，低压配网中的电能质量问题日益突出。

北京华腾开元电气有限公司以清华大学为技术依托，一直致力于电能质量问题的研究和相关产品的研制，在电能质量治理方面具有丰富的经验和多款先进的产品。

目前，针对我国电力用户对电能质量问题尤其是谐波问题认识不足，以及供电企业对辖区内的电力用户的电能质量状况不清楚的现状，我公司提出“电能质量监测与治理系统”的概念。“电能质量监测与治理系统”包括电能质量监测系统和电能质量治理系统两个方面。电能质量监测系统通过电能质量监测仪器帮助供电企业摸清其用电单位的电能质量状况，帮助电力用户认识自身电能质量存在的问题及可能的危害。电能质量治理系统则是根据电能质量监测的结果，针对各个电力用户的不同情况量体裁衣、对症下药，用最合理、最经济的补偿方案和性价比最高的补偿设备来完成对用户电能质量问题的彻底解决，从而达到降低损耗、抑制干扰、提高供电质量、提高电网稳定性的目标。

电能质量监测系统

一、系统结构

电能质量监测系统通过电能质量监测仪器帮助供电企业摸清其用电单位的电能质量状况，帮助电力用户认识自身电能质量存在的问题及可能的危害。监测系统由监测终端和主站系统构成。系统的体系结构和功能如图1所示。图中，监测终端安装在馈线、变电站或对电能质量要求较高的场所，并将其监控所得到的信息通过无线网络发送到位于配电网监控中心的电能质量监测系统主站中。下面对主站系统和监测终端分别进行介绍。

图1 电能质量监测系统体系结构图

二、主站系统

主站系统由前置处理机、数据服务器、WEB服务器和电能质量监测工作站等组成，主要完成以下功能：

电能质量监测系统与已有的配网管理系统、大用户用电管理系统等形式形似，但实现上有较大区别。主要原因是，电能质量监测系统中，监测的量较多，如电压有效值、谐波含量、谐波畸变率，电流有效值、谐波含量、谐波畸变率，电流不平衡度，有功功率，无功功率，视在功率，功率因数等。美国等国家制定的电能质量监测指标更是高达72项。因此系统的数据量、计算量、存储方法、显示方法和报警方式等均发生了较大的变化，现有的配网管理系统和大用户用电管理系统无法适应这些要求。

监测终端

监测终端实现有两种形式：

这两种形式中，前者实现简单，费用低廉，且通讯量较小，但在终端上不能看到任何电能质量相关的数据，且需要主站支持；后者费用相对较高，通讯量大，但可在终端上看到与当前监测点相关的各项电能质量指标数据，并可独立工作。这两种形式各有优点，可在实际应用中根据实际情况在不同地点和不同需求下采用不同形式的监测终端。

我们的产品采用第2种形式的电能质量监测终端，该终端的功能示意图如图2-2 所示。该监测终端的主要特征如下：

图2 电能质量监测终端功能示意图

电能质量治理设备介绍

电能质量治理系统通过各种能够改善电能质量的设备实施。电能质量治理系统的实施，以电能质量监测系统的监测结果为依据，分析负荷的主要电能质量问题，制订最合适的治理方案进行治理。治理方案的选择以“用户利益最大化”为最终目标，也就是说在保证治理效果的前提下选取最经济的方案。

目前的电能质量治理设备很多。在无功补偿方面，有投切电容器（TSC）、静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（STATCOM）；在谐波治理方面，有LC无源电力滤波器、有源电力滤波器（APF）；在平衡三相负荷方面，有静止无功发生器（STATCOM）。这些设备各有优缺点，不能简单的说某一个比另一个更好。为了提高产品的性价比，我们将TSC与STATCOM相结合，已经研制成功以TSC为基础的可实现连续动态跟踪补偿的“新型无级差动态无功补偿装置”；将LC无源滤波器与APF相结合，已经研制成功混合型有源电力滤波器。这些新产品的推出，给电力用户提供了更优质而又经济的解决方案，同时也推动了新技术的推广应用。

TSC使用接触器或电力电子开关对电容器组进行投切，达到动态补偿无功功率的目的。其最大优点是：价格便宜，控制简单。然而电力系统及用电设备的发展，TSC的缺点也越来越突出：第一，电容器对谐波有放大作用，在谐波较大的场合，TSC可能引起自身电容损毁甚至电力系统谐振；第二，TSC属于有级差调节，补偿效果受最小级差的限制，且动态性能较差；第三，TSC的补偿容量与系统电压正相关，在电压较低无功需求量较大是其补偿容量反而变小。

SVC是指晶闸管控制的电抗器（TCR）与固定电容器（FC）并联应用补偿无功功率的设备。它可以实现无级差连续调节，响应速度较快。然而，与TSC相比，第一，SVC的价格较高；第二，TCR会引入大量的谐波，给电网造成污染；第三，SVC也存在对谐波的放大作用，以及补偿容量受电压影响的问题。目前SVC的主要应用领域是中高压电压等级（10kV及以上），因为在这个范围内它才具有一定的优势——与TSC相比具有技术优势，与STATCOM相比具有价格优势，而对于低压、中小容量的设备，SVC与TSC和STATCOM相比都不具有优势。

STATCOM利用整流逆变桥来控制输出电压从而实现补偿功能，我们可以把它当作一个特殊的发电机。STATCOM无论与TSC还是与SVC相比，在技术上都具有绝对的优势：它可以同时实现无功补偿、谐波治理和平衡三相负荷三种功能，而且，它可以真正做到连续补偿（无级差）和动态跟踪补偿，响应速度快。然而，作为新技术，STATCOM目前的成本较高，而且单机容量一般不大。

LC无源电力滤波器利用电容电感串联谐振的原理，调整电容电感串联电路的谐振峰，提供某次谐波的低阻抗通路，从而吸收该次谐波。LC无源滤波器的优点是：在补偿谐波的同时还可以补偿无功，而且成本较低，控制简单。不过LC无源滤波器也有很多局限性：第一，一组滤波器只能主要补偿一次谐波，而且谐波滤除率较低，一般只能达到80％左右；第二，在功率因数较高的场合容易造成无功过补；第三，电容器参数存在衰减问题，衰减后大大影响谐波抑制效果，而且电容器的大量使用容易引起系统谐振，稳定性差；第四，无功补偿不可连续调节。

APF与STATCOM比较相似，也是利用整流逆变桥来控制输出电压从而实现补偿功能，甚至可以认为，把STATCOM的谐波治理功能大大改进和强化后就是APF。同样，APF技术先进但成本较高。APF可以根据负荷的变化，自适应补偿负荷中的所有主要谐波，比如一台APF可以同时补偿5、7、11、13、17、19次谐波，而不需要像LC无源电力滤波器那样配备很多的滤波支路。目前，在一些对电能质量要求较高的企业和单位对APF的需求量较大。

治理方案与设备选择

基于各种设备的优缺点，根据电能质量监测系统的监测结果，在充分了解负荷特性的前提下，可以针对不同的用户设计最优而又最经济的电能质量治理方案。比如，在负荷稳定而且谐波含量较低的场合，可以采用TSC进行补偿，满足性能而又价格最低；在谐波很大干扰正常生产的场合，可以采用高端的APF产品进行高效的谐波治理；在负荷波动较大而且波动频繁的场合，可以采用TSC与STATCOM并联补偿的方式，即采用“新型无级差动态无功补偿装置”，更多情况下的治理方案可参考下表。

表1不同负荷状况下建议的治理方案及设备选型