配电网电能质量控制的基本策略
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◇涂光瑜罗毅陈维莉／华中科技大学电气与电子工程学院
配电网电能质量控制的基本策略
配电网是面向用户的电力网络，其电能质量的好坏直接关系到用户的受电水平。本文提出改善配电网电能质量的基本策略是，在配置充足的无功功率电源的前提下，建设系统级的电能质量监测协调控制系统，保证整个配电网的电能质量需求，并利用电力电子技术实现不同用户对不同电能质量的需求。
经过多年的城农网改造，我国配电网的供电可靠性得到了根本性的提高。电力公司和用户对电能质量关注的焦点也从供电可靠性转移到了电压合格率和电压波形方面，使电压和电压波形方面的问题在短短几年时间内凸显出来。
目前，产生电压和电压波形问题的原因主要是电力负荷快速增长和负荷构成的变化。国民经济的发展和供电可靠性的提高使大量非线性负荷和非对称负荷快速增长，如电气化铁道、大功率变频设备、大功率节能设备、电动机群组、高速电梯等。电网中原有的电能质量控制措施没有跟上这种变化，使电压合格率和电压波形畸变问题日益严重，在很多地县级电网中已经成为电网运行的一个突出问题。表现在电压合格率偏低、三相不平
衡加剧、谐波分量较大，部分地区出现了较大的电压闪变［１－３］。
为了改善电能质量问题，必须采取一系列手段和措施调控供给最终用户电能的电压、频率和波形，使之满足相关国家标准（ＧＢ１２３２５、ＧＢ１２３２６、ＧＢ／Ｔ１４５４９、ＧＢ／Ｔ１５５４３、ＧＢ／Ｔ１５９４５、ＧＢ／Ｔ１８４８１）的要求，并尽可能地维持在较高水平，这就是所谓的电能质量控制。关于电能质量及其控制问题，国内外很多学者进行了深入研究，取得了很多有价值的研究成果［４］。但是，关于电能质量的控制研究大多针对某一具体的电能质量问题而展开，鲜见从系统整体上如何改善电能质量的研究成果［５］。
本文阐述在现有电网条件和技术水平下，如何在配电网中从系统整体上改善电能质量、实施电能质量控制的一种基本思路。本
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文提出改善配电网电能质量的基本策略是，在配置充足的无功功率电源的前提下，建设系统级的电能质量监测协调控制系统，保证整个配电网的电能质量需求，并利用电力电子技术实现不同用户对不同电能质量的需求。
自然无功负荷，一般可按最大自然无功负荷的１．１５倍计算。２２０ｋＶ及以下电压等级的变电站中，应根据需要配置无功补偿设备，其容量可按主变容量的０．１～０．３倍确定。在主变压器最大容量时，其二次侧的功率因数不小于表１中所列数值，或者由电网供给的无功功率与有功功率比值不大于表１中所列数值。其中，由发电厂直接供电的变电所，其供电线路较短，功率因数可取表１中较低值。其他变电所功率因数应取较高值。技术经济比较合理时，功率因数可高于下表中上限值。
表２２０ｋＶ及以下变电所二次侧功率因数规定值
电压等级／ｋＶ功率因数
无功功率／有功功率
２２００．９５～１０～０．３３
３５～１１００．９～１０～０．４８
配电网电能质量控制的基本策略
目前，很多配电网缺乏全局治理电能质量问题的规划，往往在电能质量比较突出的点采取电能质量控制措施，其结果常常不能达到满意的效果。实际上，电能质量控制是一个系统工程，必须进行全网的配合才能从根本上解决配电网的电能质量问题。配电网电能质量控制的基本思路是：
首先，必须保证电网有充足的无功电源。充足的无功电源不仅是保证稳态电压的基础，而且非线性和非对称负荷对电能质量的影响将被削弱。如果没有充足的无功电源，很多电能质量控制技术和设备将因为电压下降可能达不到应有的性能，部分设备（如变压器分接头）在低电压时调整可能造成更大的无功缺额。因此，按照无功功率就地平衡原则合理配置无功功率电源是保证电能质量的重要前提，特别是在大功率非线性和非对称负荷附近。
其次，在合理配置电能质量监测点的同时，尽可能利用现有的电能质量控制设备，合理进行调整，并适当增加系统级的电能质量调整手段，保证整个配电系统的电能质量。国家标准原则上规定了电网的稳态电压监测点，其原则同样适合电网的其他电能质量监测，但应该适当考虑特殊用户对电能质量的特殊需求。为了系统地改善电能质量，有必要建立全网的电能质量监测、分析和协调系统，以克服局部电能质量调节系统的缺陷。
第三，满足不同用户对电能质量的不同需求是电能质量控制的发展方向，也是为今后电力市场中对用户实施“同网不同质不同价”的技术基础。因此，研究和应用大功率电力电子电能质量控制装置、研究电力电子装置与其他电能质量控制装置的协调配合问题是电能质量控制的高级阶段。
１０（６）ｋＶ配电线路上宜配置高压并联电容器，或者在配电变压器低压侧配置低压并联电容器。电容器的安装容量不宜过大，一般为线路配电变压器总容量的０．０５～０．１０倍，并且在线路最小负荷时，不应向变电所倒送无功。如配置容量过大，则必须装设自动投切装置。
目前配电网的无功配置主要有用户终端分散补偿、杆上无功补偿、低压集中补偿和变电站集中补偿这四种方式［７］。
其中，用户分散补偿可以用于整个电网，改善电压的效果最好，并能减少线损和电压损失以及提高线路供电能力。但是由于低压无功补偿通常按照配电变压器低压侧最大无功功率需求来确定容量，因此设备利用率较低、单位投资大。
杆上无功补偿则主要用于１０ｋＶ线路，这种方式是通过提高配电网功率因数来达到降损升压的目的，具有很高的设备利用率以及较小的单位投资，在改善电压效果方面也很显著。但是由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置的情况，因此其控制成本和维护工作量比较大。
低压集中补偿和变电站集中补偿的效果相当，前者主要用于配电变压器的３８０Ｖ侧，是根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿；后者主要用于１０ｋＶ变电站，利用并联电抗器和有载调压变压器进行协调控制。这两种方式都具有较高的设备利用率和较好的电压改善效果，但是也都具有单位
配置充足的无功电源
［６］
《电力系统电压和无功技术导则》规定２２０ｋＶ
及以下电网的无功电源安装总容量，应大于电网最大
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投资较大的缺陷。
在无功装置配置时，应该根据实际情况选取一种或几种补偿装置。
值得强调的是，在配电网无功电源配置的过程中，应该注重终端用户的无功补偿问题。大多数的终端用户负荷特性稳定，负荷增长可预测。这类终端用户应该考虑采用无功补偿装置和调节器将功率因数稳定在接近１，并利用补偿装置的分相补偿特性尽可能减小三相不平衡。在负荷增长后，首先考虑的也是先增加终端用户的无功补偿容量。这样做的好处是：减小网损；保证用户的电压质量；降低中高压网络无功优化配置时负荷预测的工作量。
量监测协调控制系统应该是ＥＭＳ／ＤＭＳ的子系统之一，不应该独立成自动化孤岛，但是作为过渡方案，该系统也可以建成独立的系统。电能质量监测协调控制系统主要完成三个方面的职能：监测全网电能质量；分析全网电能质量；协调各电能质量控制装置的动作行为。为了完成这三个方面的职能，尚有若干系统理论和实际问题需要进一步研究。
目前地县级电网中正在推广使用的全网电压集中（或分级）控制系统属于上述电能质量监测协调控制系统的初级阶段。
满足不同用户电能质量需求的用户电力技术
用户电力技术是美国Ｈｉｎｇｏｒａｎｉ博士于１９８８年提出的概念：把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。电力公司（或其他利益群体）利用用户电力技术和相关新设备，可使单独用户或用户群从配电系统得到用户指定质量水平的电力；用户电力技术可以用来有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰动，可使用户供电可靠性达到不断电、严格的电压调整、低谐波电压、冲击和非线性负荷对终端电压无影响等［１０］。
配电网的用户电力控制技术是在满足电能质量在一定范围内的前提下，对系统中出现的一些暂态情况以及对供电质量有更高要求的用户所提供的，是电能质量控制的高级阶段。其中最有代表性及最具影响的有不间断电源（ＵＰＳ）、配电系统静止无功补偿器（ＤＳＴＡＴＣＯＭ）、有源电力滤波器（ＡＰＦ）、动态电压调节器（ＤＶＲ）、统一电能质量控制器（ＵＰＱＣ）以及固态切换开关（ＳＳＴＳ）等。下面简要介绍其中的几种。
［１１］
配电系统静止无功补偿器（ＤＳＴＡＴＣＯＭ）是将
建立系统级的电能质量监测协调控制系统
电能质量控制有多种方法，如调节有载调压变压器的分接头，以保持电压稳定，保证电压质量；局部并联电容器组，以补偿系统无功功率解决电压偏低的情况；采用无源滤波器抑制谐波电流，通过备用发电机组和机械式双电源切换装置（＞２ｓ）等方法对重要用户连续供电，以及采用新型的电力电子控制装置。这些方法虽然各自独立调节，但是其调节效果又会相互影响，因此，在满足无功供给充足的条件下，如何协调各种装置以使电能质量达到合理范围，并有效地保证系统的经济运行显得非常重要。这就要求建立系统级的电能质量监测、分析、协调控制系统，统一协调各电能质量控制装置的控制行为［８－９］。
为了建立电能质量监测协调控制系统，各个电能质量控制装置应该满足“四遥”功能要求：遥测该装置控制的电能质量状态量；遥信该装置的投切状态和故障信息；遥控该装置的投切状态；遥调该装置的无功出力和整定值。
根据电网实际情况，电能质量监测协调控制系统可以采用集中控制、分级（层）控制或分布式控制及这几种控制的折中方案。集中控制要求将大量的实时数据传输到控制中心，具有信息集中、计算量大的特点；分级（层）控制将信息约束到一个较小的范围，上一级对下一级进行统一协调，是目前比较认可的控制方案；分布式控制从理论上尚未形成一致认可的方案，其应用将有待于网络化控制技术的发展，但是可能是一个极具发展潜力的控制方案。
电能质量控制属于电网运行的内容，因此电能质
ＰＷＭ控制与电力系统并联的电压源变流器，在配电网中有取代传统静止无功补偿器（ＳＶＣ）的趋势，它具有响应时间短（＜１０ｍｓ）、补偿电流不依赖系统电压、占地面积小（仅有同容量ＳＶＣ的５０％）、谐波抑制能力强和较好的抑制电压闪变的能力，其有功损耗也比ＳＶＣ低两个百分点。
为了防止敏感负荷停电，通常在敏感负荷的电源侧安装不间断电源（ＵＰＳ）。虽然ＵＰＳ能保证敏感负荷持续供电，但大容量ＵＰＳ的价格过于昂贵，限制了它的应用。而价格相对低廉的ＤＶＲ则是保证对敏感
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负荷供电质量非常有效的串联补偿装置，它能在毫秒级内将电压跌落补偿至正常值，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置［１２－１４］。
［１５］
有源电力滤波器（ＡＰＦ）可看作可控的电流源，
结束语
电能质量好坏是电力企业服务于用户的重要体现之一。配电网运行中存在大量的谐波源、三相电压不平衡、电压闪变等问题，随着电网的发展，电能质量问题越来越严重。解决了配电网问题，也就在很大程度上解决了整个电网的电能质量问题。
本文从电能质量控制配置的方式、电能质量控制策略的选择和电能质量控制的发展趋势三个方面，对配电网电能质量控制的基本策略进行了分析和归纳。配电网电能质量控制的核心问题是在满足无功源配置充足的情况下多种电能质量控制装置如何协调配合，以及配电网如何优化控制才能满足电能质量要求的问题。其发展前景将是开发新型电能质量测量、控制和监管装置，建立系统级的电能质量监测、分析、协调控制系统，以满足不同电能质量需求的市场化的配电网。
因而可主动快速地（＜５ｍｓ）补偿负荷的谐波、无功功率或不平衡电流，而且这些不同的电流成分可按需要分别补偿，从而使非线性负荷流入系统的电流为基波电流、基波正序电流或纯基波正序有功电流。
把有源电力滤波器（ＡＰＦ）、动态电压调节器（ＤＶＲ）组合起来，就是能同时补偿电压跌落、瞬时电压中断、谐波电流和谐波电压、电压闪变、系统不对称等电能质量问题的综合补偿装置，即统一电能质量控制器（ＵＰＱＣ）。它给对电压和电流波形都很敏感的重要负荷提供电源，还可消除非线性负荷和冲击性负荷对系统的影响，相当于在负载和系统之间进行了隔离。
固态切换开关（ＳＳＴＳ）则具有防止停电、补偿动态电压以及防止灾害、容量大和成本低的优点。
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