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摘 要：电能质量与节能降耗的关系密切，通过各种电能质量治理措施即可达到节能降耗目的，而出于节能降耗目的投入的节能设备也会对电网电能质量产生一定的影响。有必要对两者相互关系进行研究，以便更好解决问题。 关键词：电能质量治理；节能设备；节能降耗
1 前言 电能质量是指公用电网对电力用户公共连接点的电压质量和电力用户在公共连接点对公用电网的干扰水平。可用谐波电压、电压偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、电压暂降、电压暂升、谐波电流、负序电流等参数描述。 节能降耗就是应用技术上可靠、经济上可行合理、环境和社会都可以接受的方法，有效利用能源，提高用能设备或工艺的能量利用效率，降低能源的损失与浪费。 随着电网电能质量污染的日益严重，各种电能质量治理措施提上日程，它们对系统的节能降耗起到了积极的作用。而近年来电力电子技术的进步也带动节能技术、设备不断发展，在电网中大量应用的节能设备都使用了现代电力电子技术，将不可避免地对电网电能质量产生一定的影响。因此，有必要对电能质量和节能之间的关系进行研究，以便更好地解决各相关问题。电能质量治理与节能降耗的关系可以从两个方面来论述：一是治理电网电能质量会带来节能效益，二是节能、设备技术对电网电能质量也有影响。
2 电能质量治理的节能效益 各种治理电能质量的措施中，会带来节能效益的有两种：谐波抑制技术和无功补偿技术。谐波除了会造成电网污染外，还会造成谐波功率，在电网和电气设备上造成附加损耗，带来能源浪费。采取相应措施消除谐波是电网节能措施的一个重要方面。电网异地无功输送不但会在线路上产生大量的能耗损耗和浪费，而且会导致受端电压质量变差。因此采用就地补偿，使电网运行于较高的功率因数，保证了较好的输电、供电质量，也实现了能源的节约。 2.1 谐波治理带来的节能效益 工业的发展使越来越多的电力电子设备以及非线性负荷在电网中获得应用，这使得谐波污染问题更加凸显出来。谐波除了会造成电网污染和危害电力系统正产运行外，还会带来大量谐波功率损耗，浪费能源，并危害各种节电设备。 （1）减少电网、旋转电机和变压器附加损耗 谐波电流在电网中的流动将在线路上产生有功损耗，它是线路网损的一部分，如式（1）所示。 （1） 一般来说，谐波电流与基波电流相比所占比重不大，但是谐波频率高，因导线的集肤效应使谐波电阻增加很多，因此由谐波产生的附加损耗也大。更重要的是是电网电压波形受到污染，供电质量下降，从而危及各种用电设备（包括节电设备）的正常运行。 谐波对旋转电机的影响主要是引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。这些将缩短电机的寿命，严重时甚至会损坏电机。曾经在现场工况调查遇到过这样的例子，某工厂的电动机运行之前一直正常，但是最近一段以来却连续出现损坏，经查原来是接于同一电网的相邻配电室新投入了大型整流装置，因未采取消除谐波措施，其谐波电流流入而使电动机连续损坏。 谐波源产生的谐波电流流入变压器时，主要影响是增加了变压器的铜损耗和铁损耗。还会引起变压器外壳、硅钢片和某些紧固件的发热，并有可能变压器局部严重过热。此外，谐波还会引起变压器的噪声增大。 从上述介绍可知，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，谐波损耗主要还是由低次谐波引起）。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。 （2）延长节电设备的使用寿命 随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题日趋严重，谐波的存在会对节电设备造成损坏，加速绝缘老化。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斜波率。其中峰值对它寿命的影响最大。 例如作为并联成套装置的节电设备，在谐波干扰下运行的，主要影响如下： ①畸变的电压波形使器件局部性能下降，由于谐波的存在，电压波形发生畸变，使电压峰值增加，呈锯齿状尖顶波。长时间的局部放电，必然加速绝缘介质的老化，使其自愈性能恶化，最终导致设备损坏。 ②严重的谐波过电流使器件损耗功率增加，导致严重发热。在相关标准中，允许通过的稳态过电流，应不超过在额定频率、额定正弦电压下产生的电流的1.3倍，这个稳态过电流使谐波和过电压共同作用的结果。因此，在如此大的损耗功率下，器件将异常发热，必然使绝缘迅速老化而早期损坏。 因此，抑制谐波对节电设备寿命的影响十分重要。 2.2 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一定的有功功率的同时所需的无功功率。通过合理配置无功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。 假设电网输送的有功P为定值，加装无功补偿设备后功率因数由cosφ1提高cosφ2，因为P=UI，负荷电流I与cosφ成反比，又由于P=I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高，电流I降低时，线路有功损耗大大降低，如式（2）～式（4）所示。 式中：cosφ1为补偿前的功率因数；cosφ2为补偿后的功率因数；I1为补偿前的线路电流；I2为补偿后的线路电流；△P1为补偿前的有功损耗；△P2为补偿后的有功损耗；△P为补偿后有功损耗减少量。 从上面的计算可以看出，在输送同样的功率时，由于功率因数不同，在电网中造成的有功损耗大不相同。从发电厂到用户再到最终用电设备，往往经过较长距离的供、配电线路，并经多次变压，功率损耗约占总耗电量的8%。因而采用无功补偿设备，所带来的节能效果显著。
3 节能设备、技术对电能质量的影响 主要体现在两方面：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。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，变频调速装置等，它们都使用了电子开关技术。 3.1 节能照明灯具对电能质量的影响 我国照明耗电约占全国总发电量的10～20%。如果全国的白炽灯都换成节能的绿色照明灯具，一年可节电数百亿kWh。因此，选择和使用高效节能的照明产品是节能照明用电的重要途径。 荧光灯是目前应用范围最广泛的节能照明光源，家用节能灯主要采用直管型、环型、紧凑型等荧光灯。用紧凑型荧光灯取代白炽灯，可节电70～80%，使用寿命延长5～10倍。但是研究表明，大量安装的紧凑型荧光灯会引起用户侧供电电压畸变。测量数据表明，以紧凑型荧光灯代替白炽灯后，即使在总负荷水平不变情况下，仍有个别节点电压总畸变率超标（标准为8%)，随着负荷水平增加，电压畸变情况更加严重：超标节点增加，畸变值增大。因此在安装紧凑型荧光灯时，应该对敏感节点进行监测，确保电压总畸变率不越限，才能在节电的同时较好保证该配电侧有较好的电压质量。 3.2 变频调速设备对电能质量的影响 在工业生产中，风机、泵类负载等设备应用范围广泛，其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占生产成本的20%左右。变频调速技术正是顺应了工业生产现代发展的要求，在多个行业的电机传动设备中得到实际应用，卓越的调速性能，显著的节能效果，提高设备利用率，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。 变频器的应用虽然产生了显著的节能效益，但随之而来的谐波问题不容忽视。谐波电流注入电网，不仅增加线路损耗，缩短输电线寿命；增加旋转电机电动机的损耗、增大电动机噪声、产生脉动转矩；导致电容器因 过流而损坏。 因而，在投入变频器设备之前，应该了解在哪些情况下应该使用变频器，哪些场合不适宜使用变频器，以及综合考虑变频器的配置总量，变频器过多配置带来的谐波危害已成为共识。 3.3 并联电容补偿对电能质量的影响 通过并联电容组进行就地无功补偿，是目前电网无功补偿的主要形式。同时系统存在分布电容，它们与系统的感性部分组合，在一定的频率下可能存在串联或并联谐振的条件。当系统中该次频率的谐波足够大时，就可能造成危险的过电压或过电流。 应当指出，谐波谐振成为危害，必须具备两个条件，其一是电网参数的不利配合，其二是有足够的谐波源。过去谐波谐振问题不突出的主要原因是电网中的谐波源比较少。随着电网中谐波源的大量增加，谐振问题就越来越引人注目了。而解决此问题，一方面要控制谐波源，另一方面要设法消除系统参数的不利配合。 3.4 分布式发电技术对电能质量的影响 分布式供电是指相对于传统的集中式供电方式而言，将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立输出电、热或冷能的系统。分布式供电技术是一种很好的节能措施，与常规的集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低的输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；各电站相互独立，可自行控制，不会发生大规模供电事故，可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；减少环保压力。 分布式供电技术对电能质量的影响也要一分为二地来看： （1）正面影响。采用了分散、就近的供电方式，可以提高供电可靠性，从而提高供电质量；分布式电源能够及时快速地提供电能，当电网关联负载较大时，分布式电源在相关控制策略下载尽可能短的时间内投入使用，使系统尽可能减少故障，从而提高整个电网系统的稳定性。 （2）负面影响。分布式发电技术中大量采用了电力电子技术和换流技术，不可避免的会影响电网的电压和电流质量，恶化某些电能质量指标。首先，分布式发电技术有可能引起电网电压闪变，如大型分布式发电单元的起动、分布式单元输出的短时剧变以及分布式单元与系统中电压反馈控制设备相互作用。其次，分布式发电技术所呈现的非线性成分会给电网引入大量的谐波，所带来的谐波幅度和阶次收到发电技术以及转化器工作模式的影响。 另外诸如高效率空调和热泵、高效率电动机等装置中也都含有电子开关电路，也会为系统带来大量谐波污染，消耗大量的谐波功率。
4 总结 节能降耗在缓解能源压力、环境保护等多方面具有重大意义，而电能质量控制是工业节能降耗的一个重要影响因素，利用各种基于电力电子技术的电能控制装置解决电网的电能质量，不仅会提高供电可靠性，也会减少各种损耗，延长节能设备的使用寿命。而在推广和安装各种节能设备、技术时，也要根据电网的实际情况进行预评估，全面考虑节能设备对电网电能质量的影响；对节能产生的效益和治理其带来电网污染的费用要
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发表于 2017-4-10 15:38:46
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