客户侧电能质量治理探究

摘要：电能质量对客户的用电设备安全与稳定运行至关重要。本研究围绕客户侧电能质量治理展开，深入分析客户侧电能质量问题的类型与成因，探讨相应的治理策略与措施，包括传统与现代的治理技术。通过对实际案例的剖析，总结治理过程中的经验与挑战，旨在为客户侧电能质量的优化提供全面且实用的指导，助力构建更加可靠、高效的客户用电环境。

关键词：客户侧；电能质量；治理措施；谐波；电压波动

现今电力系统环境下，电能质量成为了人们关注的中心。随着各类先进电子设备以及复杂工业设备被广泛地应用于用户侧，人们对于电能质量也提出了更高要求。用户侧电能质量问题的出现不但会引发设备故障和寿命缩短等问题，而且还会导致生产中断和数据丢失的严重后果，从而给用户造成重大经济损失。所以，对用户侧电能质量治理问题进行深入探讨有一定的实际意义。它不仅与个别用户的利益息息相关，而且对于整个电网的平稳运行有着深远的影响。

一、用户侧电能质量问题类型

（一）谐波问题

在现今电力系统中，用户侧电能质量越来越引起人们的重视，谐波问题就是比较突出的问题之一。谐波是周期电气量中频率等于基波频率整数倍的正弦波成分。非线性负载与电力系统连接时会产生谐波电流并注入到电网中，后造成电压畸变而影响电能质量。普通产生谐波的非线性负载包括电力电子设备、电弧炉和荧光灯，以电力电子设备为例，比如变频器和整流器，在运行时都会产生很大一部分谐波电流[1]。根据数据显示，一个功率为100kW的变频器有可能产生高达30%到50%的谐波电流。

谐波对于电能质量有如下几方面的影响。一是谐波可导致电力设备发热加剧和寿命缩短。如对变压器而言，谐波电流使铁芯及绕组附加损耗增大。实验结果显示，在谐波含量达到10%的情况下，变压器的额外损耗可能会增长大约20%到30%。二是谐波使电气设备误动作。比如继电保护装置在谐波作用下可能会发生误跳闸现象，从而影响电力系统安全、稳定地运行。三是谐波还会对通信系统造成干扰，从而降低通信质量。为精确地评价谐波对电能质量产生的影响，常用谐波含量和总谐波畸变率作为评价指标。总谐波畸变率（THD）描述的是谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之间的比率，这一比率通常用百分比来表示。以某电力系统为例，若测得电压总谐波畸变率偏大，表明系统谐波含量比较大，需采取适当治理措施。谐波问题的严重程度也和电力系统容量、负载特性有关。大容量电力系统，因其阻抗比较低，谐波电流可能会对其影响很小。但是对小容量电力系统或者敏感负载较大地区来说，谐波问题就有可能比较突出，以某些电子制造企业为例，因为大量精密电子设备的应用，对于电能质量提出了极高的要求，哪怕是很小的谐波含量都会使设备失效或者是生产中断。综上所述，谐波问题作为用户侧电能质量的一个主要挑战，必须采取有效措施进行治理，以减少谐波给电力系统带来的冲击。

（二）电压波动和闪变

电压波动和闪变又是影响用户侧电能质量的主要因素。所谓电压波动，就是电压方均根值发生一系列变化或者不断变化。一般用电压的变化幅度及频率作为电压波动程度的量度，比如某一负载突然并网或者切除电网时会使电网电压发生瞬时改变，这就是电压波动[2]。在通常情况下，若电压波动范围大于额定电压±1%，则会影响某些敏感设备。闪变就是人眼对于灯光亮度改变的一种主观感觉，电压波动频率在0.05Hz到35Hz范围内都会导致闪变。闪变的严重性通常是通过短时间闪变值（Pst）和长时间闪变值（Plt）来衡量的。例如，根据国际电工委员会（IEC）的标准，Pst值小于1表示闪变可以忽略不计；Pst值从1到3.5，说明略有闪变感；Pst值为3.5~6.0，说明存在适度的闪变感；当Pst值超过6.0时，说明闪变的感觉较强。导致电压波动和闪变的因素有大功率冲击性负载接入、系统短路故障、风力发电和其他可再生能源间歇性输出。以电弧炉为例，在运行时会经常发生大电流冲击现象，使电网电压出现急剧的波动。根据实际测量的数据，一个容量为50MVA的电弧炉在运行过程中，可能导致电网电压的波动范围在额定电压的±10%到±15%之间，而闪变值Pst有可能超出5.0。

要想对电压波动和闪变进行有效地处理，就必须要有一系列措施。一是通过设置无功补偿装置可使电网电压保持稳定并降低电压波动。举例来说，通过安装静止无功补偿器（SVC）或静止同步补偿器（STATCOM），能够迅速适应电网电压的波动，为电网提供无功功率的支持，从而增强电网的整体稳定性。二是大功率冲击性负载可通过谐波治理减少对电网造成的冲击。

二、客户侧电能质量治理的方法

（一）使用无源滤波器

无源滤波器常被用于用户侧电能质量治理，无源滤波器是以电感、电容、电阻为主的无源元件，它通过表现出对某一频率谐波电流的低阻抗使谐波电流在滤波器内分流以实现谐波抑制，如图1所示，无源滤波器设计一般需结合电力系统谐波特性及负载情况[3]。

图1:无源滤波器

电力系统谐波需经过测量与分析以确定谐波主要次数及含量，例如，当利用谐波分析仪对电网进行检测时，可以观察到某工厂的电力系统中主要存在5次、7次和11次的谐波，这些谐波的含量分别是20%、15%和10%。接着，针对谐波特性，设计了相关无源滤波器参数使得在某一谐波频率处滤波效果较好。无源滤波器具有结构简单、造价低、可靠性强等优点。比如，对于规模中等的工厂来说，安装一套无源滤波器的费用可能高达数十万元，这与其他的治理方法相比，具有更高的性价比。同时无源滤波器无需外接电源，操作和维护比较简单。但无源滤波器有其局限性。无源滤波器仅能有效地滤除某频率谐波，而对频率发生变化的谐波或其间谐波则滤除效果不佳，无源滤波器在电力系统中可能产生谐振而引起谐波放大，从而加剧电能质量的问题。为避免产生谐振，在设计时必须对谐振做细致分析并采取适当措施，例如调节滤波器参数和提高阻尼电阻。

在实际使用也可以中无源滤波器滤波效果可由谐波含量减少程度度量，例如，在开始安装无源滤波器之前，电网的总谐波畸变率是10%，但安装之后，这个畸变率下降到了5%以下，这表明无源滤波器已经展现出了很好的滤波性能。另外，通过检测电力设备发热情况和设备误动作次数也可评价无源滤波器在提高电能质量上的作用。无源滤波器对于用户侧电能质量治理具有很好的效果，但是在使用过程中要结合实际情况对其进行合理的设计与优化，为了充分发挥它的滤波效果而又避免了可能带来的麻烦。

（二）对设备布局和运行方式进行优化

优化设备布局和运行方式，是实现用户侧电能质量控制的主要途径之一，从设备布局上看，合理布置电力设备位置能够降低彼此间的相互干扰并改善电能质量[4]。如对产生谐波的器件与敏感器件，可将其尽可能地单独排列，以减少谐波对敏感器件的冲击。同时对大功率设备可在电源点附近设置，以降低线路损耗及电压降。根据实际案例研究表明：某厂房内，当产生谐波较多的变频器和精密电子设备单独设置时，由于谐波干扰导致电子设备发生故障的频率由原来的5个/月减少至1个/月以内。从运行方式上看，通过调节设备运行参数可提高电能质量。例如，在面对电弧炉这样的冲击性负载时，可以选择经过优化的炼钢方法，以降低大电流冲击的频率和强度。同时，能够合理地安排设备启停时间以避免多台大功率设备一次起动，以减小电压波动。根据数据显示，优化电弧炉的操作模式可以使电网电压的波动范围减少30%到50%。另外，动态无功补偿装置可用于改善电网稳定性。动态无功补偿装置能够根据电网实时需要迅速供给或者吸收无功功率，以达到稳定电网电压、降低电压波动及闪变的目的。比如，在安装了静止同步补偿器（STATCOM）之后，电网电压的波动范围能够被限制在额定电压的±3%之内，同时闪变值Pst也能被降低至2.0或更低。优化设备布局和运行方式，也需根据实际情况加以全面的考虑。比如对某些空间受限的地方，设备布局可能会有更细致的计划；针对不同种类负载需根据各自特点制定运行策略[5]。与此同时，必须要加强设备运行监测与管理，发现并解决电能质量方面存在的问题。综上所述，优化设备布局及运行方式能够有效改善用户侧电能质量并减少电力系统运行成本及风险。

（三）融入无功补偿技术

将无功补偿技术纳入到用户侧电能质量治理当中是一个极其关键的环节。应用无功补偿技术可以有效地提高功率因数、减少电网损耗、促进电能质量的改善。以某中型工业企业为例，该企业电力系统感性负载较多，例如电动机和变压器，没有无功补偿前功率因数大概只有0.7。假定企业总有功功率1000kW,按功率因数公式计算：功率因数=有功功率+视在功率，可得出此时的视在功率约为1428.57kVA（1000/0.7），无功功率约为1020.62 kvar（通过将视在功率的平方与有功功率的平方相加，再加上无功功率的平方来进行计算）。在将无功补偿技术整合时，例如在静态无功补偿（SVC）中使用晶闸管投切电容器（TSC），可按无功功率要求分配电容器组。假定所配电容器组单组容200 kvar，则约需投入5-6只电容器，功率因数可提高至0.95。当功率因数达到0.95，视在功率约为1052.63kVA（1000/0.95），而无功功率则约为328.63 kvar，从比较中可看出无功功率有明显下降。在电网损耗中，电网损耗正比于电流平方，电流正比于视在功率。未补偿前的电流约为2025.31A（1428.57kVA/0.7kV，假设电网电压为0.7kV），补偿后的电流约为1503.76A（1052.63kVA/0.7kV）。当电网电阻达到0.1Ω时，未经补偿的电网损耗功率大约是409.15kW（2025.312×0.1），而补偿后的损耗功率大约是225.57kW（1503.762×0.1），这意味着损耗减少了大约44.87%。例如，可以考虑使用动态无功补偿（SVG）的方法。经SVG整定后功率因数可稳定到0.92附近。这时视在功率就变成了869.57kVA左右，无功功率也变成了339.43 kvar左右。

结束语

客户侧电能质量治理虽然复杂，却影响深远。通过分析电能质量问题的种类、产生原因，探究治理策略及措施，能够清楚地了解到传统治理措施和现代治理技术在不同情景及需求中起到了至关重要的作用。实际运行时，用户需结合自身设备特点、用电需求及经济成本等各方面因素全面选择最合适的电能质量处理方案。与此同时，伴随着电力技术的发展与革新，各种新型治理方法与装置会层出不穷。这需要用户对新技术保持重视与学习，并对电能质量治理方案进行及时地更新与优化。

参考文献

[1]刘勃,李玮,张莉,何学东,宋鹏飞.一种基于用电采集综合信息的客户侧低压用户故障辅助研判方法[J].微型电脑应用,2023,39(10):114-117.

[2]李汶蔓.售电侧改革背景下P市供电公司营销策略研究[D].重庆交通大学:2022.

[3]陈文瑛,龙跃,傅宏,杨芾藜,周川.客户侧窃电态势感知及智能预警关键技术的研究[J].电子技术应用,2021,47(12):69-73.

[4]黄慧军,王智.一次异常停电分析和安全整改方案[J].农村电工,2021,29(04):47-48.

[5]项镭,张超,盛卓鸣.客户侧隐患排查整改工作探索与实践[J].中国电力企业管理,2021(02):38-39.