摘  要：電能質量與節能降耗的關系密切，通過各種電能質量治理措施即可達到節能降耗目的，而出于節能降耗目的投入的節能設備也會對電網電能質量產生一定的影響。有必要對兩者相互關系進行研究，以便更好解決問題。

關鍵詞：電能質量治理；節能設備；節能降耗

1  前言

電能質量是指公用電網對電力用戶公共連接點的電壓質量和電力用戶在公共連接點對公用電網的干擾水平?？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、負序電流等參數描述。

節能降耗就是應用技術上可靠、經濟上可行合理、環境和社會都可以接受的方法，有效利用能源，提高用能設備或工藝的能量利用效率，降低能源的損失與浪費。

隨著電網電能質量污染的日益嚴重，各種電能質量治理措施提上日程，它們對系統的節能降耗起到了積極的作用。而近年來電力電子技術的進步也帶動節能技術、設備不斷發展，在電網中大量應用的節能設備都使用了現代電力電子技術，將不可避免地對電網電能質量產生一定的影響。因此，有必要對電能質量和節能之間的關系進行研究，以便更好地解決各相關問題。電能質量治理與節能降耗的關系可以從兩個方面來論述：一是治理電網電能質量會帶來節能效益，二是節能、設備技術對電網電能質量也有影響。

2  電能質量治理的節能效益

各種治理電能質量的措施中，會帶來節能效益的有兩種：諧波抑制技術和無功補償技術。諧波除了會造成電網污染外，還會造成諧波功率，在電網和電氣設備上造成附加損耗，帶來能源浪費。采取相應措施消除諧波是電網節能措施的一個重要方面。電網異地無功輸送不但會在線路上產生大量的能耗損耗和浪費，而且會導致受端電壓質量變差。因此采用就地補償，使電網運行于較高的功率因數，保證了較好的輸電、供電質量，也實現了能源的節約。

2.1  諧波治理帶來的節能效益

工業的發展使越來越多的電力電子設備以及非線性負荷在電網中獲得應用，這使得諧波污染問題更加凸顯出來。諧波除了會造成電網污染和危害電力系統正產運行外，還會帶來大量諧波功率損耗，浪費能源，并危害各種節電設備。

（1）減少電網、旋轉電機和變壓器附加損耗

    諧波電流在電網中的流動將在線路上產生有功損耗，它是線路網損的一部分，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，因導線的集膚效應使諧波電阻增加很多，因此由諧波產生的附加損耗也大。更重要的是是電網電壓波形受到污染，供電質量下降，從而危及各種用電設備（包括節電設備）的正常運行。

    諧波對旋轉電機的影響主要是引起附加損耗和過熱，其次是產生機械振動、噪聲和諧波過電壓。這些將縮短電機的壽命，嚴重時甚至會損壞電機。曾經在現場工況調查遇到過這樣的例子，某工廠的電動機運行之前一直正常，但是最近一段以來卻連續出現損壞，經查原來是接于同一電網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連續損壞。

    諧波源產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熱，并有可能變壓器局部嚴重過熱。此外，諧波還會引起變壓器的噪聲增大。

    從上述介紹可知，諧波會在電網和各種電氣設備（旋轉電機、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（但電網中高次諧波含量一般遠低于低次諧波，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諧波，可以有效降低諧波功率損耗，帶來重大節能效益。

（2）延長節電設備的使用壽命

   隨著非線性電力設備的廣泛應用，電力系統中諧波問題日趨嚴重，諧波的存在會對節電設備造成損壞，加速絕緣老化。諧波疊加后的電壓峰值對節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。

例如作為并聯成套裝置的節電設備，在諧波干擾下運行的，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，必然加速絕緣介質的老化，使其自愈性能惡化，最終導致設備損壞。

②嚴重的諧波過電流使器件損耗功率增加，導致嚴重發熱。在相關標準中，允許通過的穩態過電流，應不超過在額定頻率、額定正弦電壓下產生的電流的1.3倍，這個穩態過電流使諧波和過電壓共同作用的結果。因此，在如此大的損耗功率下，器件將異常發熱，必然使絕緣迅速老化而早期損壞。

    因此，抑制諧波對節電設備壽命的影響十分重要。

2.2  無功補償措施帶來的節能效益

    功率因數是供用電系統的一項重要技術經濟指標。用電設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荷，功率因數反映的是用電設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償設備來提高系統的功率因數，從而達到節約電能、降低損耗的目的。

    假設電網輸送的有功P為定值，加裝無功補償設備后功率因數由cosφ1提高cosφ2，因為P=UI，負荷電流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為補償前的功率因數；cosφ2為補償后的功率因數；I1為補償前的線路電流；I2為補償后的線路電流；△P1為補償前的有功損耗；△P2為補償后的有功損耗；△P為補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，由于功率因數不同，在電網中造成的有功損耗大不相同。從發電廠到用戶再到最終用電設備，往往經過較長距離的供、配電線路，并經多次變壓，功率損耗約占總耗電量的8%。因而采用無功補償設備，所帶來的節能效果顯著。

3  節能設備、技術對電能質量的影響

主要體現在兩方面：一是各種節能設備的使用有可能惡化電網電能質量，二是各種擴展節能技術的使用也會導致電能質量變差。目前得到廣泛使用的節能設備有節能燈具、高效率空調和熱泵、高效率電動機，變頻調速裝置等，它們都使用了電子開關技術。

3.1  節能照明燈具對電能質量的影響

我國照明耗電約占全國總發電量的10～20%。如果全國的白熾燈都換成節能的綠色照明燈具，一年可節電數百億kWh。因此，選擇和使用高效節能的照明產品是節能照明用電的重要途徑。

熒光燈是目前應用范圍最廣泛的節能照明光源，家用節能燈主要采用直管型、環型、緊湊型等熒光燈。用緊湊型熒光燈取代白熾燈，可節電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供電電壓畸變。測量數據表明，以緊湊型熒光燈代替白熾燈后，即使在總負荷水平不變情況下，仍有個別節點電壓總畸變率超標（標準為8%)，隨著負荷水平增加，電壓畸變情況更加嚴重：超標節點增加，畸變值增大。因此在安裝緊湊型熒光燈時，應該對敏感節點進行監測，確保電壓總畸變率不越限，才能在節電的同時較好保證該配電側有較好的電壓質量。

3.2  變頻調速設備對電能質量的影響

在工業生產中，風機、泵類負載等設備應用范圍廣泛，其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節流損失以及維護、維修費用占生產成本的20%左右。變頻調速技術正是順應了工業生產現代發展的要求，在多個行業的電機傳動設備中得到實際應用，卓越的調速性能，顯著的節能效果，提高設備利用率，從而降低電機功耗達到系統高效運行的目的。

變頻器的應用雖然產生了顯著的節能效益，但隨之而來的諧波問題不容忽視。諧波電流注入電網，不僅增加線路損耗，縮短輸電線壽命；增加旋轉電機電動機的損耗、增大電動機噪聲、產生脈動轉矩；導致電容器因 過流而損壞。

    因而，在投入變頻器設備之前，應該了解在哪些情況下應該使用變頻器，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  并聯電容補償對電能質量的影響

    通過并聯電容組進行就地無功補償，是目前電網無功補償的主要形式。同時系統存在分布電容，它們與系統的感性部分組合，在一定的頻率下可能存在串聯或并聯諧振的條件。當系統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。

    應當指出，諧波諧振成為危害，必須具備兩個條件，其一是電網參數的不利配合，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中的諧波源比較少。隨著電網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，另一方面要設法消除系統參數的不利配合。

3.4  分布式發電技術對電能質量的影響

    分布式供電是指相對于傳統的集中式供電方式而言，將發電系統以小規模、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立輸出電、熱或冷能的系統。分布式供電技術是一種很好的節能措施，與常規的集中供電電站相比，分布式供電具有以下優勢：沒有或很低的輸配電損耗；無需建設配電站，可避免或延緩增加的輸配電成本；各電站相互獨立，可自行控制，不會發生大規模供電事故，可靠性高；可進行遙控和監測區域電力質量和性能；減少環保壓力。

    分布式供電技術對電能質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，從而提高供電質量；分布式電源能夠及時快速地提供電能，當電網關聯負載較大時，分布式電源在相關控制策略下載盡可能短的時間內投入使用，使系統盡可能減少故障，從而提高整個電網系統的穩定性。

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

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

4  總結

節能降耗在緩解能源壓力、環境保護等多方面具有重大意義，而電能質量控制是工業節能降耗的一個重要影響因素，利用各種基于電力電子技術的電能控制裝置解決電網的電能質量，不僅會提高供電可靠性，也會減少各種損耗，延長節能設備的使用壽命。而在推廣和安裝各種節能設備、技術時，也要根據電網的實際情況進行預評估，全面考慮節能設備對電網電能質量的影響；對節能產生的效益和治理其帶來電網污染的費用要進行比較，衡量得失。