摘  要：電能質(zhì)量與節(jié)能降耗的關(guān)系密切，通過各種電能質(zhì)量治理措施即可達(dá)到節(jié)能降耗目的，而出于節(jié)能降耗目的投入的節(jié)能設(shè)備也會對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。有必要對兩者相互關(guān)系進(jìn)行研究，以便更好解決問題。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量治理；節(jié)能設(shè)備；節(jié)能降耗

1  前言

電能質(zhì)量是指公用電網(wǎng)對電力用戶公共連接點(diǎn)的電壓質(zhì)量和電力用戶在公共連接點(diǎn)對公用電網(wǎng)的干擾水平?？捎弥C波電壓、電壓偏差、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度、電壓暫降、電壓暫升、諧波電流、負(fù)序電流等參數(shù)描述。

節(jié)能降耗就是應(yīng)用技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上可行合理、環(huán)境和社會都可以接受的方法，有效利用能源，提高用能設(shè)備或工藝的能量利用效率，降低能源的損失與浪費(fèi)。

隨著電網(wǎng)電能質(zhì)量污染的日益嚴(yán)重，各種電能質(zhì)量治理措施提上日程，它們對系統(tǒng)的節(jié)能降耗起到了積極的作用。而近年來電力電子技術(shù)的進(jìn)步也帶動節(jié)能技術(shù)、設(shè)備不斷發(fā)展，在電網(wǎng)中大量應(yīng)用的節(jié)能設(shè)備都使用了現(xiàn)代電力電子技術(shù)，將不可避免地對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。因此，有必要對電能質(zhì)量和節(jié)能之間的關(guān)系進(jìn)行研究，以便更好地解決各相關(guān)問題。電能質(zhì)量治理與節(jié)能降耗的關(guān)系可以從兩個方面來論述：一是治理電網(wǎng)電能質(zhì)量會帶來節(jié)能效益，二是節(jié)能、設(shè)備技術(shù)對電網(wǎng)電能質(zhì)量也有影響。

2  電能質(zhì)量治理的節(jié)能效益

各種治理電能質(zhì)量的措施中，會帶來節(jié)能效益的有兩種：諧波抑制技術(shù)和無功補(bǔ)償技術(shù)。諧波除了會造成電網(wǎng)污染外，還會造成諧波功率，在電網(wǎng)和電氣設(shè)備上造成附加損耗，帶來能源浪費(fèi)。采取相應(yīng)措施消除諧波是電網(wǎng)節(jié)能措施的一個重要方面。電網(wǎng)異地?zé)o功輸送不但會在線路上產(chǎn)生大量的能耗損耗和浪費(fèi)，而且會導(dǎo)致受端電壓質(zhì)量變差。因此采用就地補(bǔ)償，使電網(wǎng)運(yùn)行于較高的功率因數(shù)，保證了較好的輸電、供電質(zhì)量，也實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約。

2.1  諧波治理帶來的節(jié)能效益

工業(yè)的發(fā)展使越來越多的電力電子設(shè)備以及非線性負(fù)荷在電網(wǎng)中獲得應(yīng)用，這使得諧波污染問題更加凸顯出來。諧波除了會造成電網(wǎng)污染和危害電力系統(tǒng)正產(chǎn)運(yùn)行外，還會帶來大量諧波功率損耗，浪費(fèi)能源，并危害各種節(jié)電設(shè)備。

（1）減少電網(wǎng)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器附加損耗

    諧波電流在電網(wǎng)中的流動將在線路上產(chǎn)生有功損耗，它是線路網(wǎng)損的一部分，如式（1）所示。

（1）

一般來說，諧波電流與基波電流相比所占比重不大，但是諧波頻率高，因?qū)Ь€的集膚效應(yīng)使諧波電阻增加很多，因此由諧波產(chǎn)生的附加損耗也大。更重要的是是電網(wǎng)電壓波形受到污染，供電質(zhì)量下降，從而危及各種用電設(shè)備（包括節(jié)電設(shè)備）的正常運(yùn)行。

    諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響主要是引起附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動、噪聲和諧波過電壓。這些將縮短電機(jī)的壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞電機(jī)。曾經(jīng)在現(xiàn)場工況調(diào)查遇到過這樣的例子，某工廠的電動機(jī)運(yùn)行之前一直正常，但是最近一段以來卻連續(xù)出現(xiàn)損壞，經(jīng)查原來是接于同一電網(wǎng)的相鄰配電室新投入了大型整流裝置，因未采取消除諧波措施，其諧波電流流入而使電動機(jī)連續(xù)損壞。

    諧波源產(chǎn)生的諧波電流流入變壓器時，主要影響是增加了變壓器的銅損耗和鐵損耗。還會引起變壓器外殼、硅鋼片和某些緊固件的發(fā)熱，并有可能變壓器局部嚴(yán)重過熱。此外，諧波還會引起變壓器的噪聲增大。

    從上述介紹可知，諧波會在電網(wǎng)和各種電氣設(shè)備（旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器等）上造成大量諧波功率損耗，高次諧波分量比低次諧波分量更容易引起損耗（但電網(wǎng)中高次諧波含量一般遠(yuǎn)低于低次諧波，諧波損耗主要還是由低次諧波引起）。因此采用各種諧波治理措施消除公用電網(wǎng)諧波，可以有效降低諧波功率損耗，帶來重大節(jié)能效益。

（2）延長節(jié)電設(shè)備的使用壽命

   隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題日趨嚴(yán)重，諧波的存在會對節(jié)電設(shè)備造成損壞，加速絕緣老化。諧波疊加后的電壓峰值對節(jié)電器件老化有很大的影響，研究表明，諧波對其壽命的主要影響因素為：電壓峰值、電壓均方根值和電壓斜波率。其中峰值對它壽命的影響最大。

例如作為并聯(lián)成套裝置的節(jié)電設(shè)備，在諧波干擾下運(yùn)行的，主要影響如下：

①畸變的電壓波形使器件局部性能下降，由于諧波的存在，電壓波形發(fā)生畸變，使電壓峰值增加，呈鋸齒狀尖頂波。長時間的局部放電，必然加速絕緣介質(zhì)的老化，使其自愈性能惡化，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞。

②嚴(yán)重的諧波過電流使器件損耗功率增加，導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，允許通過的穩(wěn)態(tài)過電流，應(yīng)不超過在額定頻率、額定正弦電壓下產(chǎn)生的電流的1.3倍，這個穩(wěn)態(tài)過電流使諧波和過電壓共同作用的結(jié)果。因此，在如此大的損耗功率下，器件將異常發(fā)熱，必然使絕緣迅速老化而早期損壞。

    因此，抑制諧波對節(jié)電設(shè)備壽命的影響十分重要。

2.2  無功補(bǔ)償措施帶來的節(jié)能效益

    功率因數(shù)是供用電系統(tǒng)的一項重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。用電設(shè)備在消耗有功功率的同時，還需大量的無功功率由電源送往負(fù)荷，功率因數(shù)反映的是用電設(shè)備在消耗一定的有功功率的同時所需的無功功率。通過合理配置無功補(bǔ)償設(shè)備來提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約電能、降低損耗的目的。

    假設(shè)電網(wǎng)輸送的有功P為定值，加裝無功補(bǔ)償設(shè)備后功率因數(shù)由cosφ1提高cosφ2，因?yàn)?span>P=UI，負(fù)荷電流I與cosφ成反比，又由于P=I2R，線路的有功損失與電流I的平方成正比。當(dāng)cosφ升高，電流I降低時，線路有功損耗大大降低，如式（2）～式（4）所示。 

式中：cosφ1為補(bǔ)償前的功率因數(shù)；cosφ2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)；I1為補(bǔ)償前的線路電流；I2為補(bǔ)償后的線路電流；△P1為補(bǔ)償前的有功損耗；△P2為補(bǔ)償后的有功損耗；△P為補(bǔ)償后有功損耗減少量。

    從上面的計算可以看出，在輸送同樣的功率時，由于功率因數(shù)不同，在電網(wǎng)中造成的有功損耗大不相同。從發(fā)電廠到用戶再到最終用電設(shè)備，往往經(jīng)過較長距離的供、配電線路，并經(jīng)多次變壓，功率損耗約占總耗電量的8%。因而采用無功補(bǔ)償設(shè)備，所帶來的節(jié)能效果顯著。

3  節(jié)能設(shè)備、技術(shù)對電能質(zhì)量的影響

主要體現(xiàn)在兩方面：一是各種節(jié)能設(shè)備的使用有可能惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，二是各種擴(kuò)展節(jié)能技術(shù)的使用也會導(dǎo)致電能質(zhì)量變差。目前得到廣泛使用的節(jié)能設(shè)備有節(jié)能燈具、高效率空調(diào)和熱泵、高效率電動機(jī)，變頻調(diào)速裝置等，它們都使用了電子開關(guān)技術(shù)。

3.1  節(jié)能照明燈具對電能質(zhì)量的影響

我國照明耗電約占全國總發(fā)電量的10～20%。如果全國的白熾燈都換成節(jié)能的綠色照明燈具，一年可節(jié)電數(shù)百億kWh。因此，選擇和使用高效節(jié)能的照明產(chǎn)品是節(jié)能照明用電的重要途徑。

熒光燈是目前應(yīng)用范圍最廣泛的節(jié)能照明光源，家用節(jié)能燈主要采用直管型、環(huán)型、緊湊型等熒光燈。用緊湊型熒光燈取代白熾燈，可節(jié)電70～80%，使用壽命延長5～10倍。但是研究表明，大量安裝的緊湊型熒光燈會引起用戶側(cè)供電電壓畸變。測量數(shù)據(jù)表明，以緊湊型熒光燈代替白熾燈后，即使在總負(fù)荷水平不變情況下，仍有個別節(jié)點(diǎn)電壓總畸變率超標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)為8%)，隨著負(fù)荷水平增加，電壓畸變情況更加嚴(yán)重：超標(biāo)節(jié)點(diǎn)增加，畸變值增大。因此在安裝緊湊型熒光燈時，應(yīng)該對敏感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，確保電壓總畸變率不越限，才能在節(jié)電的同時較好保證該配電側(cè)有較好的電壓質(zhì)量。

3.2  變頻調(diào)速設(shè)備對電能質(zhì)量的影響

在工業(yè)生產(chǎn)中，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載等設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛，其電能消耗和諸如閥門、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占生產(chǎn)成本的20%左右。變頻調(diào)速技術(shù)正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代發(fā)展的要求，在多個行業(yè)的電機(jī)傳動設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用，卓越的調(diào)速性能，顯著的節(jié)能效果，提高設(shè)備利用率，從而降低電機(jī)功耗達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。

變頻器的應(yīng)用雖然產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效益，但隨之而來的諧波問題不容忽視。諧波電流注入電網(wǎng)，不僅增加線路損耗，縮短輸電線壽命；增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)電動機(jī)的損耗、增大電動機(jī)噪聲、產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩；導(dǎo)致電容器因 過流而損壞。

    因而，在投入變頻器設(shè)備之前，應(yīng)該了解在哪些情況下應(yīng)該使用變頻器，哪些場合不適宜使用變頻器，以及綜合考慮變頻器的配置總量，變頻器過多配置帶來的諧波危害已成為共識。

3.3  并聯(lián)電容補(bǔ)償對電能質(zhì)量的影響

    通過并聯(lián)電容組進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，是目前電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)闹饕问?。同時系統(tǒng)存在分布電容，它們與系統(tǒng)的感性部分組合，在一定的頻率下可能存在串聯(lián)或并聯(lián)諧振的條件。當(dāng)系統(tǒng)中該次頻率的諧波足夠大時，就可能造成危險的過電壓或過電流。

    應(yīng)當(dāng)指出，諧波諧振成為危害，必須具備兩個條件，其一是電網(wǎng)參數(shù)的不利配合，其二是有足夠的諧波源。過去諧波諧振問題不突出的主要原因是電網(wǎng)中的諧波源比較少。隨著電網(wǎng)中諧波源的大量增加，諧振問題就越來越引人注目了。而解決此問題，一方面要控制諧波源，另一方面要設(shè)法消除系統(tǒng)參數(shù)的不利配合。

3.4  分布式發(fā)電技術(shù)對電能質(zhì)量的影響

    分布式供電是指相對于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言，將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立輸出電、熱或冷能的系統(tǒng)。分布式供電技術(shù)是一種很好的節(jié)能措施，與常規(guī)的集中供電電站相比，分布式供電具有以下優(yōu)勢：沒有或很低的輸配電損耗；無需建設(shè)配電站，可避免或延緩增加的輸配電成本；各電站相互獨(dú)立，可自行控制，不會發(fā)生大規(guī)模供電事故，可靠性高；可進(jìn)行遙控和監(jiān)測區(qū)域電力質(zhì)量和性能；減少環(huán)保壓力。

    分布式供電技術(shù)對電能質(zhì)量的影響也要一分為二地來看：

（1）正面影響。采用了分散、就近的供電方式，可以提高供電可靠性，從而提高供電質(zhì)量；分布式電源能夠及時快速地提供電能，當(dāng)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)負(fù)載較大時，分布式電源在相關(guān)控制策略下載盡可能短的時間內(nèi)投入使用，使系統(tǒng)盡可能減少故障，從而提高整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）負(fù)面影響。分布式發(fā)電技術(shù)中大量采用了電力電子技術(shù)和換流技術(shù)，不可避免的會影響電網(wǎng)的電壓和電流質(zhì)量，惡化某些電能質(zhì)量指標(biāo)。首先，分布式發(fā)電技術(shù)有可能引起電網(wǎng)電壓閃變，如大型分布式發(fā)電單元的起動、分布式單元輸出的短時劇變以及分布式單元與系統(tǒng)中電壓反饋控制設(shè)備相互作用。其次，分布式發(fā)電技術(shù)所呈現(xiàn)的非線性成分會給電網(wǎng)引入大量的諧波，所帶來的諧波幅度和階次收到發(fā)電技術(shù)以及轉(zhuǎn)化器工作模式的影響。

另外諸如高效率空調(diào)和熱泵、高效率電動機(jī)等裝置中也都含有電子開關(guān)電路，也會為系統(tǒng)帶來大量諧波污染，消耗大量的諧波功率。

4  總結(jié)

節(jié)能降耗在緩解能源壓力、環(huán)境保護(hù)等多方面具有重大意義，而電能質(zhì)量控制是工業(yè)節(jié)能降耗的一個重要影響因素，利用各種基于電力電子技術(shù)的電能控制裝置解決電網(wǎng)的電能質(zhì)量，不僅會提高供電可靠性，也會減少各種損耗，延長節(jié)能設(shè)備的使用壽命。而在推廣和安裝各種節(jié)能設(shè)備、技術(shù)時，也要根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)評估，全面考慮節(jié)能設(shè)備對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響；對節(jié)能產(chǎn)生的效益和治理其帶來電網(wǎng)污染的費(fèi)用要進(jìn)行比較，衡量得失。