烟草行业电能质量知识点

1电能质量概述 1.1电能质量的概念

国际电工委员会IEC（1000-2-2/4）标准对电能质量定义：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。电能质量现象包括稳态和非稳态两种，其中稳态电能质量现象包括电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡度等；非稳态电能质量现象包括电压暂升、暂降、短时电压中断、电压波动与闪变等。 1.2电能质量基本指标

衡量电能质量的主要指标有：

（1）电压偏差：是电压下跌（电压跌落）和电压上升（电压隆起）的总称，其数学表达式为：电压偏差=（实际电压-系统标称电压）/系统标称电压*100%。

（2）频率偏差：是系统频率的实际值和标称值（50Hz）之差，对频率质量的要求全网相同，不因用户而异，各国对于该项偏差标准都有相关规定。

（3）电压三相不平衡：表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。 （4）谐波和间谐波：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。 （5）电压波动和闪变：电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

1.3谐波抑制和无功补偿技术的发展现状

谐波抑制主要采用无源滤波装置和有源电力滤波器，而无源滤波装置有很大的局限性，因此目前国内对有源电力滤波器的研究十分活跃，技术上已经相当成熟，但仍处于试验阶段，且成本较高。有关有源电力滤波器的研究主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型，而且主要以理论研究和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。

无功补偿技术的发展经历了从同步调相机-开关投切固定电容器-静止无功补偿器(SVC)-静止无功发生器(SVG)的过程。同步调相机是最早采用的一种无功补偿设备。它实质上是一种不带机械负载的同步电动机。由于同步调相机属于旋转设备，损耗、噪声都很大，并且运行维护复杂。随着研究的进一步深入，静止无功补偿技术进入人们的视线中。静止无功补偿技术是指用静止开关投切电容器或电抗器，通过吸收或发出无功电流提高电力系统的功率因数，稳定系统电压。

早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器，其缺点是铁心损耗较多，伴有振动和噪 声。接着使用晶闸管的静止无功补偿装置得到了广泛的重视，出现了SVC装置包括晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)，以及这两者的混合装置，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器或机械投切电容器混合使用的装置。随着电力电子技术的进一

步发展，出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，这就是静止无功发生器SVG,与SVC装置相比，SVG装置只需要维持直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积和成本。同时SVG装置的调节速度更快、运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐波含量。国内对静止无功发生器的研究相比国外在此领域的研究起步较晚，但经过这些年的深入研究，国内不论在理论还是具体装置方面都有了突破性的进展，如2006年3月清华大学和上海电力公司完成了50MVA的链式多电平SVG装置，在上海黄渡西郊变电站成功运行。我国虽然在此领域取得了一定的成果，但相比发达国家来说研究水平还是有很大差距的，对静止无功补偿装置的研究还有待提高。 1.4电能质量的未来发展趋势

1.数字化电能质量控制技术的推广，以DSP 为基础的实时数字信号处理技术在控制领域得到广泛应用，其优点为：

（1）可提高系统稳定性、可靠性和灵活性；

（2）由程序控制，改变控制方法或算法时不必改变控制电路； （3）可重复性好，易调试和批量生产；

（4）易实现并联运行和智能化控制。随着DSP 性能的不断改善和价格的下降，电能质量控制装置将用DSP 来实现实时信号处理从而取代模拟量控制。

2.如何建立更为完善的功率定义和理论以完善谐波检测算法，还要进一步研究； 3.补偿装置的多功能化； 4.降低装置容量，提高补偿效率。 2谐波 2.1谐波的定义

正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。对于周期为T的非正弦波电压可分解为傅里叶级数，在傅里叶级数中，频率为1/T的分量称为基波，频率大于1整数倍基波频率的分量称为谐波。 2.2谐波产生的原因及危害 2.2.1谐波产生的原因

谐波产生的原因：公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。在电力电子装置大量应用之后，它成为最主要的谐波源。 2.2.1谐波的危害

谐波电流对电力系统和其它系统危害主要有以下几个方面： （1）谐波对电网的污染

理想的电网所提供的电压应该是频率固定，电压幅值在允许的范围之内，谐波对电网的污染使电网供电质量恶化，使同一电网上的用电设备受到严重影响，

设置危及用电设备的正常运行。

（2）谐波引发各种电力电子设备出现故障

谐波使系统中的元件产生附加的谐波损耗，除降低了发电，输配电和其他用 电设备的效率以外，在三相四线制的电路中，由于大量的零序谐波电流，特别是3次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。另外，异常的，过大的中线电流的增加，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安全。谐波对于旋转电机来说，除了增加损耗和引起发热外，还会产生机械振动，噪声和谐波过电压，这对电动机的寿命造成严重的影响。谐波电流流入变压

器，会增加变压器的铜损和铁损，引起变压器发热。谐波还会使变压器的噪声变 大。谐波电流流经电力电缆，令电缆发生过热，长期的过热运行将导致电缆的绝 缘老化，甚至产生漏电和短路现象。

（3）谐波引起谐振

为了补偿无功功率和滤除谐波，常常需要并联电容器，或者设置电容器和电 感器组成的滤波器。由于谐波频率高于工频频率，会使系统的感抗增加，容抗减 少，有可能产生LC谐振。谐振放大了谐波电流，是电容器或电感器烧毁。

（4）谐波造成继电器误动作，并影响电力测量。

电力系统中的谐波将会使某些继电器和漏电保护开关产生误动作。谐波对电 压表，电流表和功率表等计量仪表的测量结果带来直接影响。

（5）谐波干扰通信系统

电力系统传输功率可达MW级，而通信系统的功率小到mW级，两者如此大的功率级差，导致电力系统中相对小的不平衡音频谐波分量，一旦耦合到通信线路上，可能在通信系统中产生很大的噪声。噪声将降低通话的清晰度，甚至引起信号的丢失。 2.3谐波的治理方法

减小谐波影响的措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产 （1） 串联电抗器

串联电抗器对平滑谐波电流具有一定的作用，并且电路简单，制造成本低，往往应用在整流器之前，例如：变频器，调光器等。但由于其阻抗较高，损耗较大，因此其抑制谐波的作用受到限制。

（2）高功率因数变流器

电力电子装置是电力系统最严重，最突出的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。因此，抑制整流装置所产生的谐波是谐波治理的重要措施。

（3）无源滤波器

无源滤波器主要由电抗器、电容器构成，体积比较庞大，它是由电容器和电抗器串联而成，并调谐在某个特定谐波频率。滤波器对其所调谐的谐波来说是一个低阻抗的“陷阱”。理论上滤波器在其调谐频率处阻抗为零，因此可吸收要滤除的谐波。目前国内的谐波治理以无源滤波器为主，其特点是技术实现相对简单，具有一定消谐效果，缺点是生；二是安装滤波装置。谐波抑制的措施主要包括一下几个方面：

被动式滤波，一旦用电环境发生变化，无源滤波设备无法随之调整，滤波效果也就无法保证。

（4）有源滤波器

有源滤波器主要由电力电子元件构成，体积比较小，它使用的是电力电子技术来监控非线性负载，动态地纠正。发现一个谐波自动注入一个补偿电流使波形恢复。通过注入和抵消过程，恢复正弦波。使失真减少到不足5％的总谐波失真（THD）。其特点是可主动消谐，设备体积小，消谐效果非常理想，但是技术要求比较高。 2.4APF产品功能

有源滤波器具有以下一些特点：

（1）实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度；

（2）有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产；

（3）当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐波的危险，同时还能抑制串并联谐振；

（4）补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大； （5）用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流；

（6）当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开；

（7）装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率。 3无功 3.1无功的定义

无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。

无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。

在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。 3.2无功的危害

无功功率对电力系统的影响主要表现在以下几个方面：

（1）降低了发电机出力，使发电设备效率降低，发电成本提高； （2）降低了输变电设施的供电能力；

（3）使电网损耗增加(网络电能损失与功率因数平方成反比)； （4）增加了输电网络电压损失，造成用户端供电电压的不足；

（5）无功功率的变化可造成电压的剧烈波动，影响供电质量，并对系统中的用电

设备产生不良影响。 3.3无功补偿方法

目前采用比较多的是静止无功补偿装置。所谓静止无功补偿，是指不用旋转元件而用不同的开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抵制系统振荡等功能。静止无功补偿装置主要有晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）。 3.4SVG产品功能

对系统中的无功功率进行快速的动态补偿，可实现如下功能：  对动态无功负荷的功率因数校正  改善电压调整

 提高电力系统的静态和动态稳定性  降低过电压  减少电压闪烁  阻尼同步震荡

 减少电压和电流不平衡 4烟草行业的电能质量现状 4.1烟草行业生产工艺特点

卷烟厂的主要生产工艺包括制丝工艺和卷接包工艺。其中：将烟叶加工成烟丝的过程为制丝工艺,主要采用切片、切丝、膨胀等工序，中间辅以加温、加湿、添加糖香料等措施;在一定的温、湿度环境下，将加工好的烟丝卷制、接嘴、包装等过程为卷接包工艺。卷烟厂的主要原料为烟叶和包装材料，半成品为烟丝，代表成品为50条装的件烟，5件烟为一大箱。主要设备为制丝设备、卷接包设备和空调机组，空压机、制冷机组、水处理等动力部分的公用设备。 4.2烟草行业能耗状况

随着我国经济建设的飞速发展, 能源的需求趋于紧张，但是我国的能源总利用率仅为30%-34%，与世界先进水平相差约10个百分点, 节能空间及潜力很大。其中电能作为广泛使用的二次能源更是成为制约经济发展的重要因素之一。工业企业是我国电能消耗的大户, 根据国家统计局的统计表明：工业企业的用电量占整个国家的60%-70%左右。因此，如何节约和使用宝贵的电能, 已成为电气设计工作者和工业企业管理者的共同任务。

4.3烟草行业的谐波问题

4.3.1烟草行业的谐波和无功问题现状

卷烟厂各个车间谐波的主要设备来源，主要包括空压机组、UPS类设备、制丝设备、空调制冷、卷包机组等，具体表现形式如下。

负载 空压机组 UPS类设备 制丝设备 照明 电能质量问题的原因 软启动和交流负载，电压电流相角会存在差异 负载为整流类负荷，属于典型的非线性负载 如变频器此类非线性负载大量使用 存在单相负荷 电能质量问题描述 电流畸变率(THDi)在5%～10%之间,畸变相对比较小，功率因数为0.8左右 电流畸变严重，电流畸变率(THDi)为10%～20%之间，且零线电流很大，电源品质恶劣，功率因数处于0.8左右 电流畸变率(THDi)达到20%左右，功率因数处于0.85左右 主要以3次、5次谐波为主，总谐波畸变率达到50%左右，且零线电流非常大，功率因数仅为0.7~0.85之间 解决方案 静止无功发生器，补偿无功的同时滤除系统中的5~13次谐波。 有源滤波器，在滤除谐波的同时留有一定余量进行无功补偿。 安装有源滤波器和静止无功发生器分别对系统中存在的谐波电流和无功电流进行完全补偿 安装有源滤波器和静止无功发生器分别对系统中存在的谐波电流和无功电流进行完全补偿 安装有源滤波器和静止无功发生器分别对系统中存在的谐波电流和无功电流进行完全补偿 空调制变频器类负载 冷设备 谐波含量约为30%，功率因数仅为0.8左右 卷包机组 小容量的变频器群 总谐波畸变率为10%～20%，功率因数处于0.85左右 安装有源滤波器，在滤除谐波的同时留有一定余量进行无功补偿。 安装有源滤波器，在滤除谐波的同时留有一定余量进行无功补偿。 嘴棒成型 主要是变频器 总谐波畸变率为15%～25%，功率因数处于0.85左右 除尘设备 主要是变频器 总谐波畸变率为20%～25%，一般其中五次谐波谐波畸变非常严重，功率因数处于0.85左右 安装有源滤波器，在滤除谐波的同时留有一定余量进行无功补偿。 4.3.2烟草行业的谐波治理方案

随着烟草工业的快速发展，大量的直流设备、变频调速设备及其它非线性负荷的广泛应用，愈来愈多的谐波电流被注入了电网。高次谐波的产生，增加了电能谐波损耗，降低了系统功率因数；对电力系统有很大的危害，它不仅影响电力系统的质量而且还对电力系统的可靠性有很大的影响，严重时造成继电保护误动，烧毁微机保护线路板、数字电能表及其它微机装置。因此对谐波抑制的研究是必要的。而谐波抑制和无功补偿是两个相对独立却又紧密地联系的问题：首先，各类电力电子装置目前已成为供电系统中主要的谐波源，同时其功率因数也很低，消耗大量的无功功率：再者，补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，因此，常把谐波抑制和无功补偿两个问题一起研究。目前多采用有源电力滤波器APF和静止无功发生器SVG来抑制谐波和无功补偿。