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卢凌霄 英国卡迪夫大学Cardiff University 英国卡迪夫
【文章摘要】
电能质量是衡量用户侧电力设备电能好坏的一个重要标准。电力系统中过低的电能质量往往会造成诸多经济负担。本文主要围绕英国的电能质量展开，包括电压骤降，谐波，以及电能质量的重要性。同时，还将引入低电能质量的经济分析以及改善智能电网中的电能质量可行的措施。
【关键词】
电能质量; 智能电网; 谐波; 电压骤降
0 引言
近些年，电能质量这一参考因素受到了越来越多诸如公共设施，终端用户，厂商以及其他使用者的重视。这一术语是用来衡量驱动电力负载的电能是否具有合适的功能性。如果没有合适的电能在做驱动，电力设备（或负载）就很有可能出现故障、永久性的失灵或者根本运行不起来。一般来说，有很多种方式都可能导致电能出现很低的电能质量，因此出现这种状况的原因也是多种多样。这对于电力供应者以及电力用户都是一个很重要的考量因素。
目前英国电网的电能频率和我国类似，都是维持在50 赫兹上下（图1）。任何的频率扰动都会影响到电能质量，从而导致电压的不稳定，甚至可能引发大规模的停电。由于目前英国电力供应普遍采用一些传统的发电站，比如天然气，核能以及煤炭，因此，已经很久没有出现因为电力频率没有保持在一定的幅值范围内而发生电力故障的事件了。
然而，由于大量的不稳定的可持续能源并网，并且呈现了越来越高的比重，英国的电能质量出现了逐步下滑。这将很有可能在未来导致一个不良的趋势：越来越多的英国家庭会遭受到诸如电压不稳，灯光闪烁以及骤然停电等糟糕情况。与此同时，储能技术以及可持续能源稳定技术尚在初步阶段。为了更好的提供稳定的电能，英国毫无疑问应该在现有电网的基础上继续改善电能质量。
图 1. 英国电网的频率稳定性
1 电能质量的影响因素
1. 1 电压骤降
根据国际上普遍采用的定义（欧洲标准EN50160），当电能电压在一分钟内下降到90% 的标准电压，称之为电压骤降。然而， 多数情况下，电压骤降只会持续短暂的不到十分之一秒，在这之后，电能供应的标准电压就会恢复。电压骤降并不是电能中断，因为在电压骤降出现的期间，电能供应并没有因此而中断。
切换操作和任何类型的电路故障都可能会引起电压骤降。典型的切换操作包括大型电机负载的启动引起的大电流负荷。其他的可能的原因包括闪电、植被、第三方干扰、动物以及挖掘带来的干扰。可以想象的是，当闪电击中或者击中电缆线附近时，亦或者植物茎秆压倒在电缆上时，都会在很大程度上影响电网供电的电能质量。
目前，有多种可以采用的方式来解决电压骤降问题。工业上，由于短路电流通常很大， 可以用串联反应器来降低由此引起的大电流。快速耦合晶闸管反应器可以应用于一些中压馈线。为了防止出现可能的电路故障，以上这些措施对于限制电流大小以及减少骤降深度都提供了实质性的解决方案。
动态电压恢复设备可以提供电压注入，对于保护敏感负载引起的电压骤降以及供应电压时的短暂中断有着很好的效果。动态无功补偿提供了电流注入，适用于保护配电网中的分布载荷。
1.2 谐波
由于基波电流产生畸变从而形成了谐波
图 2. 电压骤降RMS 波形图
图 3. 谐波效果图
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( 图 3)。换句话说，谐波就是目标信号或者波形的频率对于参考信号或者波形的频率的比例。
电力系统中谐波的一个主要危害就是增大系统电流。尤其对于三次谐波而言，会造成零序电流的激增从而导致中性线电流的增加。这都应该在设计电力系统非线性负载时作为特别情况而考虑进去。除此之外，电力设备也会或多或少的受到谐波的影响从而影响其稳定性和使用寿命。
由于传统的谐波解决方案显得较为昂贵， 目前，最普遍的用来减缓谐波影响的措施包括采用无源滤波器和有源滤波器。
无源滤波器是串联电容和谐振电抗组成的设计构成的滤波电路，经调谐之后将高电抗回路降低为基波频率而把低电抗回路升高为特定的频率（例如5th - 250Hz, 7th - 350Hz）。由于此类应用需要持续工作以提供有效的谐波抑制，通常他们连接于发电站的独立负载。
有源滤波器描述了一个过程，在这个过程中，由负载产生的谐波电流持续的被监测从而产生了一个相同波形的非线性比例负载电流的自适应波形。和无源滤波器不同的是，有源滤波器可以在额定功率下的任何负载情况提供谐波抑制。
2 智能电网与电能质量
2.1 电能质量的重要性
由于敏感数字电子设备在19 世纪60 年代初期的引入，电能质量问题开始逐渐受到了人们的重视。但最初发现电能质量扰动问题是在人们开始使用电能时。然而，由于技术限制，相比现在，那时候的电能扰动显得更加可以被理解。如今，当越来越多的制造商开始持续的减小设备中电路和电子元件体积的时候，他们同样也在减小这些设备的需求电压。结果是，设备运行能力更强大，速度更快，但也更加易受电能扰动的影响。
因此，电能质量对于任何依赖于敏感电力扰动的设备和系统都是至关重要且具有实质性的影响。仅仅是非常小的变化就会对于商业上造成时间损失，产量亦或是收益损失的惨痛代价。
2.2 英国智能电网和电能质量
智能电网是一种新型的电网形式，它使用信息和通信技术收集电网瞬时信息，并且实时监测以达到供应和消耗的平衡。和其他经历过工业革命的国家一样，二战之后英国的电网大规模的扩大以支撑整个国家的经济发展。智能电网并没有减少对于传统电网的加固，相反，更加有效地使用基础设施可以最小化甚至退后对于投资此类设施的需求，以此快速减少投资并且加速低碳技术的进程。根据政府可持续能源战略的报告，到2020 年，英国的电力需求中有35% 将由可持续能源作为发电。
未来的智能电网应该包括能源监测系统来改善电能质量。通过合适的实时监测和与此对应的自动平抑机制，以及其他一系列的措施，会使得智能电网运行更加有效、可靠。
3 电能质量的经济分析
从上述分析可知，电能质量会很大程度上影响机构运行的效率，因而，随之而引发的经济问题也比以前变得更加受到重视。
3.1 电压骤降
对于单一的电压骤降而言，其深度和时间长度几乎等同于一个小的或者长的电能中断。根据供电来源的不同，电压骤降造成的影响会是造成中断的50%-100%。对公司甚至是工厂而言，电压骤降与电能中断的经济影响比很有可能大于1。
3.2 谐波
相比于其他已经提及的电能质量经济损失，谐波所造成的经济损失可能更难以定量。谐波可能会造成电气设备更短的使用寿命，更少的能源使用率以及更加易于受到跳闸的影响。当然，设备更短的使用寿命意味着更加昂贵的成本支出。诸如变压器等，正常使用寿命是30 到40 年，一旦长期受到谐波影响，可能就会锐减到只有7 到10 年，这无疑会造成非常严重的经济损失。而避免这些情况发生的成本花费就相对要小很多，只要设备选型和安装适当即可。其实，安装比计算得到的最小花费的电缆多出一倍到两倍的大小只会对增加很小的初期投资。
4 结论
本文主要围绕英国电能质量问题展开，介绍了电压骤降，谐波以及电能质量对于经济成本的重要性。因此，在电网以及配电网中，持续的电能质量检测显得日益重要。尽管低电能质量的花费越来越高，减少谐波造成的影响不仅节能，且会增加供应其他负载的能力。
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