陳 茜，劉 森

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.國能生物發(fā)電集團(tuán)，北京 100083）

0 引言

近年來，隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，大型寫字樓以及大型民用建筑等智能大廈的數(shù)量快速增長；同時，隨著基于計算機(jī)或微處理器控制的用電設(shè)備所占比例的大幅增加，電能質(zhì)量惡化可能會給生產(chǎn)過程帶來有害的影響，智能大廈對電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。另外，隨著智能大廈建設(shè)的大型化、現(xiàn)代化，大廈內(nèi)的非線性負(fù)荷（如電梯、計算機(jī)、空調(diào)等）的迅速增大致使電網(wǎng)發(fā)生電壓波形畸變、電壓跌落等諸多電能質(zhì)量問題，這不僅降低了用電設(shè)備本身的安全性，還嚴(yán)重削減電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益［1］。

電能質(zhì)量問題可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題和動態(tài)電能質(zhì)量問題兩大類。過去對電能質(zhì)量問題的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題上，并且取得了大量的研究成果，然而對動態(tài)電能質(zhì)量問題的研究卻相對較少。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代化建設(shè)應(yīng)用需求的日益增加，對動態(tài)電能質(zhì)量問題的研究也越發(fā)的被電力工作者所關(guān)注［2］。因此，對動態(tài)電能質(zhì)量問題的研究以及提高智能大廈的動態(tài)電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，已成為電力工作者亟需解決的問題［3］。

首先對智能大廈的負(fù)荷特點進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，然后提出了一套治理電能質(zhì)量問題的新型解決方案，最后詳細(xì)介紹了方案的總體設(shè)計與實現(xiàn)方法。

1 智能大廈電能質(zhì)量問題

在智能大廈用電負(fù)荷中，非線性負(fù)荷占有很大的比例，如：各種電力電子裝置（計算機(jī)等）、變壓器、發(fā)電機(jī)、電弧爐和熒光燈等，這些負(fù)荷在工作時產(chǎn)生大量諧波，從而使電網(wǎng)波形受到嚴(yán)重污染。1992年日本官方曾發(fā)表了一篇關(guān)于電力用戶中諧波源的分布狀況調(diào)查報告，來自樓宇的諧波源就高達(dá)40.6%。

由于智能大廈內(nèi)大多數(shù)用電設(shè)備均為單相用電，三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，因此在智能大廈配電系統(tǒng)中不僅存在不平衡電流，而且有時會很大，導(dǎo)致負(fù)載端，中性點的電位將發(fā)生偏移，這也就造成了三相負(fù)荷電壓的不平衡。這不僅對用電設(shè)備的運(yùn)行和安全極為不利，同時也增加了運(yùn)行成本。

智能大廈中的很多負(fù)荷對電壓穩(wěn)定性的要求很高。當(dāng)電壓低于60%，持續(xù)時間超過12個周期時，會導(dǎo)致計算機(jī)程序紊亂，數(shù)據(jù)丟失；當(dāng)電壓低于70%，持續(xù)時間超過6個周期時，調(diào)速裝置會被自動切除；對用于精細(xì)加工業(yè)的電機(jī)來說，當(dāng)電壓低于90%，持續(xù)時間超過3個周期時，電機(jī)就會自動跳閘從而強(qiáng)行退出運(yùn)行。與此同時，隨著土地資源的匱乏，智能大廈的建筑高度日益增高，停電事故不僅會嚴(yán)重影響正常的工作、生活，還會留下安全隱患。

智能大廈中大量的電力電子設(shè)備不僅對供電質(zhì)量要求高，同時也產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化，所以，在治理過程中，要綜合考慮電網(wǎng)與負(fù)荷的治理需求，根據(jù)其特點制定出相應(yīng)的解決措施。

為了改善智能大廈配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，近年來國家已投入大量財力和物力用于電網(wǎng)改造并提出多種解決方案。其中最直接的方法是改進(jìn)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但由于不可抗拒和偶發(fā)性因素，改進(jìn)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不能完全改善供電質(zhì)量，同時也存在投資大、周期長等缺點。此外，也可以在供電系統(tǒng)與用電負(fù)荷的接口處加裝電能質(zhì)量治理設(shè)備。如并聯(lián)電容器組、無源濾波器，以及采用定制電力技術(shù)裝置，這種方法雖能取得了一定治理效果，但由于其治理效果單一、裝置之間存在的相互影響，難以達(dá)到滿意的治理效果。

2 治理電能質(zhì)量問題的新型方案

圖1是治理電能質(zhì)量問題新型方案的圖例，該方案主要由電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制裝置兩部分組成。方案通過提供不同電能質(zhì)量水平的電能供應(yīng)，以此滿足不同負(fù)荷對電能質(zhì)量的不同需求。

電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)對電能質(zhì)量狀況采取了在線實時監(jiān)測、記錄和分析的方式，為有關(guān)工作人員或管理部門提供豐富完整的實測記錄資料并協(xié)調(diào)各電能質(zhì)量控制裝置的運(yùn)行狀態(tài)。電能質(zhì)量控制裝置通過對大功率電力電子器件的開關(guān)控制，可以在毫秒級時間內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改善電能質(zhì)量，滿足敏感用電負(fù)荷和電網(wǎng)的共同要求，其主要包括：固態(tài)切換開關(guān)（Solid State Transfer Switch-SSTS）、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply-UPS）、動態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer-DVR）、有源電力濾波器（Active Power Filter-APF）、靜止同步補(bǔ)償器 （Static Synchronous Compensator-STATCOM）等，各自的功能如表1所示。

圖1 治理電能質(zhì)量問題的新型方案

表1 電能質(zhì)量控制裝置的功能

2.1 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

單個電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)測端、服務(wù)端和用戶端，多個監(jiān)控系統(tǒng)通過服務(wù)端互聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，完整的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示［4］。監(jiān)測端采集監(jiān)測點電能質(zhì)量的實時狀況，并將處理后的電能質(zhì)量參數(shù)經(jīng)通信通道傳送到服務(wù)端。監(jiān)測端需放置于變電站、擾動負(fù)荷和敏感負(fù)荷附近。服務(wù)端接收監(jiān)測端上傳的數(shù)據(jù)并存儲，由統(tǒng)計和分析模塊進(jìn)行處理，實現(xiàn)其監(jiān)測端和用戶端之間數(shù)據(jù)交換的紐帶作用。用戶端具有監(jiān)測數(shù)據(jù)訪問、瀏覽、查詢、下發(fā)命令等功能，通過Web服務(wù)器連接到服務(wù)端。監(jiān)測端、服務(wù)端和用戶端之間通過網(wǎng)絡(luò)連接。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電能質(zhì)量控制裝置

在各種供電故障中，最嚴(yán)重、最常見的是電壓暫降和供電中斷。根據(jù)國家電力監(jiān)管委員會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2005年，全國城市供電可靠率僅為99.845%。為治理電壓暫降和供電中斷，一系列的治理設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。其中，造價低、運(yùn)行和控制簡單等特性使UPS成為計算機(jī)等設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)解決方案［5］。UPS分為三類：被動后備式（Passive standby）、雙變換式（Double conversion）和線路交互式 （Line interactive）。圖3是雙變換式UPS的結(jié)構(gòu)框圖，其主要由整流單元、儲能單元、逆變單元以及旁路開關(guān)等組成，雙變換式UPS也稱為 “在線式UPS（on-line UPS）”，其特點是無論電網(wǎng)電壓是否正常，供給負(fù)荷的電能經(jīng)過了AC—DC—AC的兩次電能變換，完全由整流單元和逆變單元共同向負(fù)荷持續(xù)供電。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，儲能單元經(jīng)過逆變單元向負(fù)荷提供電能。因此，無論電網(wǎng)電壓發(fā)生何種故障負(fù)荷均能正常工作，且在電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)為儲能單元供電過程中，負(fù)荷始終由逆變單元提供電能，無開關(guān)切換，不存在任何過渡過程，是真正意義上的不間斷電源，所以在為重要敏感負(fù)荷提供保護(hù)的應(yīng)用場合普遍選用雙變換式UPS。雙變換式UPS的旁路開關(guān)供UPS維修/維護(hù)時使用。它的缺點是整流單元和逆變單元始終處于工作狀態(tài)，溫升導(dǎo)致功率器件壽命降低，此外，經(jīng)過兩次電能變換后裝置效率大大降低。與被動后備式UPS相比，整流單元需采用較大的功率等級才能在給負(fù)荷供電的同時實現(xiàn)儲能單元的充電，因此，成本相對較高。

圖3 雙變換式UPS的結(jié)構(gòu)框圖

智能大廈中很多負(fù)荷在工作時會產(chǎn)生大量的諧波，諧波注入供電系統(tǒng)后會造成電網(wǎng)電能質(zhì)量降低等負(fù)面影響。APF是一種新型的諧波抑制裝置，其最大特點是能迅速的動態(tài)跟蹤隨機(jī)的諧波電流，且有效克服了傳統(tǒng)LC無源濾波器在諧波抑制中存在的問題。有源電力濾波器按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩類。并聯(lián)有源電力濾波器是有源電力濾波器中最基本的形式，其應(yīng)用也最為廣泛，工作時，并聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)于受控電流源，它產(chǎn)生與負(fù)荷諧波大小相等、方向相反的諧波電流注入電網(wǎng)，抵消負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康?。串?lián)有源電力濾波器則是通過隔離變壓器實現(xiàn)與非線性負(fù)荷電路的串聯(lián)，串聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)于受控電壓源，產(chǎn)生一個與負(fù)荷諧波電壓大小相等、方向相反的諧波電壓，抵消負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電壓，使流入電網(wǎng)的電流接近正弦波，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

智能大廈的配電系統(tǒng)中存在零序電流的補(bǔ)償有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，主要有四相變流器和三相變流器兩種。四相變流器的主電路及驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)比三相變流器復(fù)雜，但對零序電流直接控制，補(bǔ)償效果好于三相變流器；三相變流器的直流母線電壓控制比四相變流器復(fù)雜。

本方案采用四相變流器的有源電力濾波器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 結(jié)論

在研究智能大廈電能質(zhì)量問題的基礎(chǔ)上，提出了一套新型的電能質(zhì)量解決方案，該方案既能保證智能大廈用電負(fù)荷的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時也可以減少其對電網(wǎng)的影響。該方案與傳統(tǒng)治理方法比較具有不可比擬的優(yōu)勢，它能夠在不必提高全電網(wǎng)電能質(zhì)量的情況下，滿足敏感用電負(fù)荷對電能質(zhì)量的高需求，減小用電負(fù)荷對電網(wǎng)的負(fù)面影響，并減少了在提高全電網(wǎng)電能質(zhì)量過程中所需要的大規(guī)模資金，增加了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)