服務(wù)區(qū)變電所重要負(fù)荷一般為外場監(jiān)控、通信系統(tǒng)、生活水泵、消火栓泵、綜合樓照明、場區(qū)照明等。1.2高速公路行業(yè)負(fù)載特性
??（1）單相設(shè)備多，采用單相供電容易造成三相負(fù)載不平衡，中性點(diǎn)偏移，且三相相差不對稱。
??（2）絕大多數(shù)用電設(shè)備為非線性負(fù)載，一類是呈電容性的非線性負(fù)荷(含有開關(guān)電源的設(shè)備)。另一類是呈電感性非線性負(fù)荷(含電感鎮(zhèn)流器的照明燈具等)。
??（3）非線性負(fù)載的大量存在直接導(dǎo)致電流諧波畸變率增大，從而造成無功功率增大、功率因數(shù)降低。傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償技術(shù)不能有效地提高功率因數(shù)。
??（4）所有使用到直流電壓的電氣產(chǎn)品，其電源供應(yīng)器的面一般大都會(huì)使用橋式整流電路，橋式整流電路會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波，對電路系統(tǒng)的元器件造成損傷。
2.高速公路行業(yè)諧波源分析
2.1變壓器諧波
??變壓器具有非線性電感是有它本身的結(jié)構(gòu)決定的，由于變壓器磁路是非線性的，所以其勵(lì)磁電流也是非線性的。正常情況下電網(wǎng)電壓可以近似看成正弦電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓加在變壓器原邊繞組兩端后，產(chǎn)生的勵(lì)磁電流會(huì)使鐵芯產(chǎn)生磁通Φ，因?yàn)榇怕肥欠蔷€性的，所以當(dāng)勵(lì)磁電流為尖頂波時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生正弦磁通，當(dāng)勵(lì)磁電流為正弦波時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生平頂波的磁通。但勵(lì)磁電流不論是平頂波還是尖頂波，都會(huì)含有奇次諧波，其中的3次諧波含量是大的。如果磁通為尖頂波，那副邊的相電壓就會(huì)是非正弦的，輸出電壓就會(huì)含有諧波量。如果勵(lì)磁電流為尖頂波，那受電端的變壓器原邊電流就會(huì)含有諧波。
??變壓器的諧波含量除了與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與變壓器的工作狀態(tài)有關(guān)。在額定電壓下正常工作時(shí)，鐵芯的諧波含量是很小的。在額定的負(fù)載情況下，電流含有的勵(lì)磁電流只有5%左右，其波形近似正弦波。而在變壓器輕載或者空載的時(shí)候，鐵心就會(huì)在飽和區(qū)工作，非正弦勵(lì)磁電流會(huì)導(dǎo)致變壓器原邊繞組的漏感產(chǎn)生壓降，這將使得變壓器的感應(yīng)電動(dòng)勢中含有諧波分量。當(dāng)變壓器進(jìn)行空載合閘時(shí)，會(huì)有很大的勵(lì)磁電流出現(xiàn)，此勵(lì)磁電流的大小是由剩磁大小、合閘初相角和鐵心材料三者決定的。
2.2 燈具諧波
??節(jié)能燈是非線性的照明燈，它內(nèi)部帶有電容濾波的電子鎮(zhèn)流器，由于低成本，所以燈具內(nèi)部采取的改善電能質(zhì)量的手段有限，這類負(fù)荷就會(huì)產(chǎn)生很高含量的奇次諧波電流，其中3次和其倍數(shù)的諧波電流作用在中性線阻抗和系統(tǒng)阻抗上就會(huì)使電力系統(tǒng)的電壓每一個(gè)半周正弦波的50°發(fā)生凹陷，使電壓產(chǎn)生畸變，這類照明燈的功率因數(shù)通常只有0.55左右。由于這類燈具的諧波含量很大，在隧道燈大量開啟時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，對隧道供電造成影響。單個(gè)燈容量雖然不大，但是數(shù)量眾多，所產(chǎn)生的諧波會(huì)對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。節(jié)能燈諧波電流畸變率非常大。它們的諧波電流都是以奇次諧波為主，3次諧波的值高。
??高壓氣體放電燈是利用汞、鈉等金屬鹵化物的汽化來發(fā)光，在放電時(shí)會(huì)有負(fù)電阻特性。高壓氣體放 電燈的發(fā)光強(qiáng)度大，它們產(chǎn)生的諧波以3、5、7次諧波為主，且諧波電流會(huì)隨著燈具容量的增大而增大。現(xiàn)行的利用節(jié)能器來調(diào)節(jié)高壓氣體放電燈的發(fā)光強(qiáng)度，無非是使用可控硅、IGBT和GTO等電力電子器件來切斷一部分正弦電流或者降低工作電壓等方法，所以該電路也產(chǎn)生諧波電流電壓。
??LED燈。近幾年，LED 發(fā)展迅速，在高速公路隧道照明系統(tǒng)中的使用量猛增，具有良好發(fā)展景和 照明勢。LED的照明驅(qū)動(dòng)電源電路結(jié)構(gòu)有很多種，常用的主要有三種:無功率因數(shù)校正(簡易型)、有源2017年4期(總148期)297功率因數(shù)校正(如BOOST式的)和無源功率因數(shù)校正(逐流式)。其中無功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)會(huì)使得輸入電流含有非常高的諧波成分，并且會(huì)使得輸入電壓畸變率變高。有源功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)對功率因數(shù)的校正,會(huì)使輸入電流的正弦波形比較理想，諧波含量很低。無源功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)特性處于兩者之間，它的輸入電流波形較為理想，諧波成分含量較低，并且它成本低，所以采用這個(gè)校正電路架構(gòu)會(huì)比較多。
2.3 機(jī)電設(shè)備諧波
??現(xiàn)在的高速公路中的機(jī)電設(shè)備使用量非常大，大量的顯示用設(shè)備(如監(jiān)控控制系統(tǒng)和可變標(biāo)志顯示系統(tǒng)等)，其產(chǎn)生諧波的原理與電視的很相似。控制系統(tǒng)整機(jī)運(yùn)行時(shí)與顯示設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相比，其3～11次諧波電流畸變率會(huì)稍微下降，而13,15、17次諧波電流畸變率會(huì)稍微上升。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的諧波畸變率較高，并且其諧波電流與顯示設(shè)備 諧波電流相位重合，這會(huì)共同增大諧波電流。當(dāng)控制系統(tǒng)使用量很大時(shí)，其諧波會(huì)與正在使用的其他電氣 設(shè)備的諧波疊加，控制系統(tǒng)的諧波影響就會(huì)迅速擴(kuò)大。
2.4 不間斷電源諧波
??不間斷電源主要由整流電路、逆變電路、控制電路、充電電路、電池組、旁路系統(tǒng)組成。其中不間斷電源產(chǎn)生諧波的主要原因是由于其內(nèi)部使用整流設(shè)備而產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的諧波與整流設(shè)備的脈沖數(shù)(也就是可控硅、IGBT或者GTO的個(gè)數(shù))有關(guān)，目的不間斷電源常見的脈沖數(shù)是六脈沖和十二脈沖，對于六脈沖的不間斷電源其主要的諧波以5,7次諧波為主，對于十二脈沖的不間斷電源其主要的諧波階次為11、13次。
3.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征
3.1需求分析
??高速公路變電所包括隧道變電所、服務(wù)區(qū)變電所、收費(fèi)站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐等區(qū)域。同時(shí)由于綠色交通的推進(jìn)以及擴(kuò)容調(diào)整，目高速公路變電所呈現(xiàn)帶狀分布供配電所數(shù)量多、距離長且位置分散、橋隧比高等特點(diǎn)。也正是由于這些特點(diǎn)，高速公路配電系統(tǒng)面臨了如下痛點(diǎn)：
??(1)供電可靠性要求高；
??(2)供電范圍大造成運(yùn)維管理困難；
??(3)隧道內(nèi)控制設(shè)備種類多，頻次高；
??(4)長期處于山區(qū)或鄉(xiāng)村存在高風(fēng)險(xiǎn)又缺乏專業(yè)人員。
3.2高速公路行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：
??（1）家持續(xù)重點(diǎn)建設(shè)發(fā)展的行業(yè)，配電管理逐漸智能化、自動(dòng)化，對電能質(zhì)量要求高，對配電設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性要求高。
??（2）變壓器容量小，負(fù)荷輕。
??（3）主要關(guān)注電能質(zhì)量問題是無功補(bǔ)償問題，負(fù)載設(shè)備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小。
??（4）補(bǔ)償設(shè)備SVG，SVG補(bǔ)償精度高，能適應(yīng)高速公司輕載的特性。且SVG自動(dòng)化免維護(hù)，壽命長，沒有電容補(bǔ)償故障率高這些問題。
4.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案
4.1解決方案
??通過上述對高速公路行業(yè)各方面的分析得出配電穩(wěn)定性可靠性對于高速公路配電系統(tǒng)越來越重要，對配電的電能質(zhì)量要求也越來越高。但是高速公路供配電系統(tǒng)負(fù)荷分布較為分散，負(fù)荷一般都是日常用電的輕負(fù)荷，同時(shí)部分負(fù)荷是感性負(fù)荷，因此需要一個(gè)系統(tǒng)的解決方案來提高高速公路行業(yè)電能質(zhì)量的監(jiān)管和電能的質(zhì)量。安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價(jià)值。
4.2方案特點(diǎn)
??（1）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)可在終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；
??（2）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，測量精度高、測得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；
??（3）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)計(jì)，通過上位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；
??（4）根據(jù)高速公路行業(yè)特點(diǎn)制定合理電能質(zhì)量治理策略；
??（5）電能質(zhì)量有源治理設(shè)備采用DSP+FPGA的控制架構(gòu)、模組式高功率IGBT的輸出方式，為電網(wǎng)的安全可靠保駕護(hù)航；
??（6)電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運(yùn)維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為企業(yè)電能供給與消費(fèi)提供控制手段。
4.3方案價(jià)值
??(1)全面監(jiān)測電能質(zhì)量，保障供電可靠性,對供電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。
??(2)完整電能質(zhì)量治理,結(jié)合高速公路行業(yè)供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及配電設(shè)備負(fù)載的特性，通過集中治理的模式，經(jīng)濟(jì)和高效的滿足無功和諧波的治理需求，達(dá)到提高高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低設(shè)備故障率的目的。
5.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型
??由于高速公路行業(yè)負(fù)載較為分散，通過集中治理的方式，對高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)所涉及到的UPS、LED燈、機(jī)電等設(shè)備產(chǎn)生的諧波統(tǒng)一治理，減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響；對非線性負(fù)載產(chǎn)生的功率因數(shù)問題，也在高速公路配電房內(nèi)裝設(shè)相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置，確保無功功率因數(shù)達(dá)到標(biāo)要求值，避免罰款。同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。
表2電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表
6.結(jié)論
??自改革開放以來，我高等級公路得到迅猛發(fā)展。與此同時(shí)，高速公路的擴(kuò)容與升級對高速公路行業(yè)配電需求也越來越高，人們對配電的電能質(zhì)量也是越來越重視。本文通過分析目高速公路沿線用電設(shè)施的特點(diǎn)和性能、諧波源的特性、治理需求以及痛點(diǎn)，并針對高速公路所面臨的電能質(zhì)量問題，在相應(yīng)配電系統(tǒng)配置合理的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案，以監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無功功率和抑制諧波，減少線路損耗的目的，從而起到提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗的目的。
作者介紹：
周穎，女，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
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