近年来，随着工业及民用建设项目越来越多，用电负载也越来越复杂，因此电能及技术要求越来越高。面对随之而来的电网及用户端的各种电能质量问题，对电能质量产品的要求也越来越高。
安徽大学教育部电能质量工程研究中心测试评估研究所所长朱明星教授一直致力于供配电系统电能质量测试、分析与控制技术的研究与工程应用，擅长于大型企业用户供配电系统电能质量系统解决方案的设计与仿真工作。朱教授结合自身的科研和工程实践，基于典型电能质量问题及影响，探讨了电能质量问题的影响及危害、电能质量解决方案的流程以及目前工程应用的各种通用电能质量治理装置治理效果评价等问题，希望为同行提供借鉴和参考。
电能质量问题的影响及危害
电能质量通俗来说有四个性质，主要以交流电力系统为主，即交流电力系统的正弦性、对称性、同步性和平衡性，理解了这四个性质，也就理解了交流电力系统的电能质量问题。现代的用电设备显著的特征有电力电子化和大功率冲击性，而现代配电网的显著特征是电力电缆化，基于此电力系统电能质量问题变得愈发突出，因而给电力系统的安全运行带来威胁。常见的电能质量问题的影响及危害具体如下。
（1）谐波主要影响及危害
1）背景谐波造成电力变流器产生非特征谐波，造成计算机设备和不间断电源系统（UPS）设备工作失常。
2）谐波电压畸变将引起电动机效率下降。引起发热、振动和高频噪声。
3）谐波电流属于高频电流，导线和设备受趋肤效应的影响，其电阻值会增大，使其谐波损耗增大。
4）高次谐波可能造成电能计量错误，对信号的干扰也会威胁着计算机工作的稳定性、可靠性和安全性。
5）引起电力电容器及其串接电抗器过热、老化或击穿，易引起一定频率下补偿装置的谐振，烧毁电抗器和电容器。
6）高次谐波引起的电磁兼容问题会造成IGBT等开关器件的控制电路、阻容吸收装置的损坏。
（2） 电压偏差的影响及危害
1）由于输电线路输送功率的静态稳定功率极限（P M=EU/X）与发电机电动势E和系统电压U成正比，与组合电抗X成反比。系统电压越低，稳定功率极限越低，容易发生不稳定现象，严重时会造成系统瓦解的重大事故 。
2）当电网缺乏无功功率、电压偏低时，系统发出的无功功率小于负荷正常吸收的功率，迫使电流增大而电压下降，电流进一步增大使无功缺额更大，这种恶性循环会导致电压崩溃。
3）电网低电压运行，会使线路和变压器电流增大。线路和变压器绕组的有功损耗与电流二次方成正比。低电压运行会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，从而加大了线损率，增加了供电成本。
4）若系统运行电压过高，可能造成各种电气设备的绝缘受损，导致带铁心的供电设备饱和，产生谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安全稳定运行。
（3）电压波动和闪变的危害
1）对于电弧炉，电压波动会影响金属冶炼时间，增加电能的损耗。电压波动造成炉钢水波动，影响炼钢品质。
2）切削金属工件时，电压波动会影响工件产品的质量和数量。
3）电焊工作中由于电压波动造成电弧不稳定，从而影响焊接质量。
4）当电压波动幅值过大时，数控装置出现动作紊乱的现象，影响设备正常运行。电压波动与闪变对电力电子变流器稳定运行产生影响。
5）影响设备的使用寿命。三相异步电动机外加电压波动引起转矩波动，造成电动机振动和发热，绝缘过早老化。
（4）三相不平衡的影响及危害
1）增加线路电能损耗。当中性线有电流通过时，不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。
2）对继电保护和自动装置的影响。负序分量偏大，可能导致一些作用于负序电流的保护和自动装置误动作。电铁负荷造成发电机负序保护动作的情况屡见不鲜。
3）对变流器的影响。三相电压不平衡使变流器的触发角不对称，产生较大的非特征谐波。
4）对控制计算机的影响。三相不平衡引起中线上出现不平衡电流，中性点电位会产生漂移，严重的零电位漂移可能使计算机无法正常工作。
5）对感应电动机的影响。负序电压产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，还可能引起电动机振动。
6）对变压器的影响。变压器处于不平衡负载下运行时，容量得不到充分利用，如果仍要维持额定容量，将会造成变压器局部过热，缩短寿命。
（5）电压暂降和短时中断的影响及危害
1）对计算机的影响。当电压低于60%且持续时间超过240 ms时，计算工作将会受到影响，如数据丢失。
2）对交流接触器的影响。当电压低于50%且持续时间超过20 ms时接触器就会脱扣。
3）对可编程逻辑控制器（PLC）的影响。当电压低于81%时，PLC停止工作；一些I/O设备电压低于90%，持续时间仅几十毫秒就会被切除。
4）对变频调速器的影响。当电压低于70%且持续时间超过120 ms时，变频调速器被切除。
5）精密机械工具。由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证产品质量和安全，当电压暂降和短时中断持续时间超过40～60 ms时，被跳闸 。
电能质量解决方案的关键流程
（1）搜集供配电系统基础资料
配电变压器主要参数：额定容量、额定电压、空载损耗、负载损耗，短路电压和接线组别。
储能、分布式电源基本参数：额定容量、入口滤波器参数，已经设置的电能质量治理装置的容量与参数。
各供电线路的参数：线路长度、电缆型号、单位线路电阻、电感和电容。
（2）扰源负荷发射机理与发射特性分析
干扰源负荷名称、类别、容量和用电性质（即阻抗的性质、阻抗的线性度、变化率和对称性）、生产工艺操作流程、耗电情况及允许中断供电时间，应重点关注以下内容：干扰源负荷的变流器类型（电压源型/电流源型）；是否是双向变流器；开关器件类型和开关频率；变流器入口是否设置滤波器；变流器产生的各次谐波发生量、频谱分布及变化率；干扰源负荷产生的无功功率大小及其变化率；三相、单相和相间干扰源负荷负序电流和零序电流的发生量及变化率。
（3）配电网电能质量干扰传递的机理分析根据供配电系统基础资料和干扰源负荷的分析结果，建立含干扰源负荷模型的配电网阻抗仿真模型，并进行电能质量干扰传递的机理分析：背景电能质量对配电网电能质量的影响程度；背景电能质量指标对干扰源负荷干扰发生量的影响；干扰源负荷对配电网电能质量的影响。
并联型电能质量治理装置适用于治理干扰源负荷产生的电能质量问题，以及对谐波电流、平衡或不平衡有功和无功电流及线路功率因数等的用电电流质量问题。
串联型电能质量治理装置适用于因背景电能质量引起的电压偏差、过电压和欠电压、谐波电压、电压暂降与暂升及三相电压不平衡度等供电电压质量问题。
（4）制定电能质量控制目标
根据供配电系统基础资料，计算干扰源用户用电电流质量限值，具体包括：各次谐波电流发射限值、负序电流发射限值及电压波动与闪变发射限值。
根据电能质量限值，制定电能质量治理后各种干扰发生量的改善率、供电线路平均功率因数等控制目标。电能质量控制目标对电能质量治理装置的选型和治理设备投资产生重要的影响。
（5）电能质量治理装置选型、接入位置与参数设计
根据电能质量控制目标，确定电能质量治理装置的类型，控制目标要求高，影响装置类型选取和治理成本。
根据电能质量干扰传递特性、电能质量干扰对配电网运行损耗的影响以及对配电网供用电设备安全稳定运行（如开关设备）的影响，来设计治理装置的接入位置为单体设备侧、设备群侧和系统侧 。
根据电能质量控制目标和干扰源发生量的大小，设计电能质量治理装置的参数与容量。
（6）电能质量治理效益评价
治理效益评价是指电能质量治理装置投运后对配电网安全稳定运行产生的影响，包括以下技术和经济内容评价：
1）对立项电能质量问题的治理效果。
2）电能质量治理是否对扰动源发射特性产生影响。
3）电能质量治理是否衍生出新的电能质量问题。
4）电能质量治理装置自身的运维成本。
5）电能质量治理取得的经济效益。
电能质量治理装置运行效果评价
1.供电电压质量改善率的评价方法
对于允许装置退出运行的应用场合，在相同的负荷运行工况下，对治理装置投运前后供电母线电压分别进行电能质量测试。测试数据分析，计算投运前后的供电电压偏差、各次谐波电压、电压总谐波畸变率、电压三相不平衡度和电压波动与闪变等供电电压质量指标，进而评估改善率。
对于不允许干扰负荷单独运行的应用场合，测试供电母线电压外，还需要同步测试干扰负荷进线的电流，对干扰负荷的基波功率、谐波电流和不平衡电流进行计算。再结合配电网网架结构参数所建立的仿真母线，仿真干扰负荷发生量注入系统引起的电压质量指标，进而评估改善率。
2. 用电电流质量改善率的评价方法
同步测试供电母线电压、系统进线电流和负荷馈线电流，或者同步测试供电母线电压、系统进线电流和治理装置馈线电流。
为评价动态补偿效果，测试数据分析方法应采用定制分析方法，如采用单周波滑动DFT方法，计算得到各次谐波电流、负序电流、有功功率和无功功率；评价治理装置对干扰性负荷各次谐波电流、负序电流和无功电流的补偿率。
3.动态响应特性的评价方法
同步测试供电母线电压、系统进线电流和负荷馈线电流，或者同步测试供电母线电压、系统进线电流和治理装置馈线电流。
根据同步测试得到各测点的电压和电流时域采样值，利用瞬时无功计算方法，计算各测试点的瞬时有功功率和无功功率，对各瞬时功率进行时域相关性分析，进而评价电能质量治理装置的动态响应特性。
4. 本体损耗的评价方法
在装置处于满负荷运行工况下，测试系统总进线和总负荷馈线电压电流，采用DFT算法计算单位时间内的有功电量，再计算得到该段时间内系统总进线和总负荷馈线的平均有功功率，从而得到治理装置的本体损耗，即ΔP= P1－P2，进而评价其本体损耗。
结束语
科学制定配电网的电能质量解决方案，电能质量测试与评估工作是十分必要和有效的手段。低成本、最大程度地改善或者解决问题，需要深厚的专业知识支撑和长期的工程经验积累，不仅需要一流的产品，更需要一流的装置选型与接入系统的设计。对电能质量解决方案制定需做充分的科学论证与评估，避免解决方案衍生出新的安全可靠运行问题，电能质量控制装置的类型和控制策略选择均凝结一定的工程智慧。
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