造纸企业中典型电能质量扰动的危害及其监测与治理措施

造纸行业是一个与国民经济和社会发展关系密切并具有可持续发展特点的重要基础原材料行业，该行业具有生产连续性强和能耗高的特点[1]。据中国造纸协会调查资料显示，2018年我国纸和纸板人均消费量为75kg（13.95亿人），远低于发达国家的平均水平，行业发展前景广阔。然而，随着先进制造技术和节能减排技术在造纸企业中的不断转型升级[2-4]，使得企业用电设备的非线性化程度日益提高，电气设备的敏感性不断增强，由此引发了企业配电网中的电能质量“被污染”和“污染”问题[5]，继而影响生产过程，甚至会造成生产事故。

本文针对造纸企业中出现的典型电能质量扰动问题展开分析和研究，旨在助力造纸行业电力供应的绿色发展。

1典型电能质量扰动特征

电能质量是指表征母线中电压电流幅值和频率为额定值且波形近似于正弦波的品质[6]。衡量电能质量品质的指标较多，其中对电力用户安全生产影响较大的典型扰动特征包括以下几方面。

（1）电压偏差。电压偏差ΔU是指实际运行电压Ure对系统标称电压UN的偏差相对值，以百分数表示，具体计算见式（1）。

ΔU=Ure-UNUN×100%（1）

用户允许的电压偏差应符合标准《电能质量供电电压偏差》(GB/T12325—2008)。

（2）谐波。谐波通常由电力用户中的非线性负荷产生，其频率为电网基波频率的整数倍。谐波电压和电流可用傅里叶级数展开，具体计算见式（2）。

u(t)=∑h=2M2Uhsin(2πhft+αh)

i(t)=∑h=2M2Ihsin(2πhft+βh)（2）

式中，Uh、Ih为第h次谐波电压、电流的均方根值，αh、βh为第h次谐波电压、电流的初始相角。标准《电能质量公共电网谐波》（GB/T14549—1993）规定了不同等级电压下谐波的发射限值和畸变率。

（3）电压波动。电压波动d为电压均方根值曲线上相邻两个极限电压之差与其标称电压UN之比的百分数，表示为式（3）。

d=Umax-UminUN×100%（3）

标准《电能质量电压波动与闪变》（GB/T12326—2008）规定了不同等级电压下的极值。

（4）三相不平衡度。三相不平衡度εU为负序分量均方根值U-与正序分量均方根植U+的比值，以百分数表示，见式（4）。

εU=U+U-×100%（4）

用户允许的三相不平衡度应符合《电能质量三相电压不平衡》标准（GB/T15543—2008）。

（5）电压暂降。电压暂降是指在工频条件下某点电压均方根值跌落至0.01~0.9pu，并在短暂持续时间0.5T~1min后恢复正常的现象。其中，T为扰动持续周波（当工频为50Hz时，T为0.02s）。常见的电压暂降有三相、两相和单相暂降。据统计，因配电网故障而引起的电力用户投诉中，电压暂降占到70%~80%，其他各类扰动总和占到20%~30%。

2主要用电设备与电能质量扰动的相互影响关系

由造纸生产工艺和自动化生产装备可知[7]，造纸企业的主要用电设备分为两大类：谐波源和敏感负荷。

2.1谐波源

谐波源用电设备通常包括：①磁芯设备（变压器、电动机和发电机等）；②气体放电设备（电弧炉、弧焊机和高压放电管等）；③电子电力设备（整流器、变频器、开关电源和UPS等）。

造纸企业的谐波源以磁芯设备和电子电力设备为主。由谐波传递特性等效电路可知[8]，谐波源产生的谐波电流注入配电系统，引起谐波电压，谐波电压进而施加在同级或上一等级母线下的其他用电设备上，继而造成对用电设备和供配电系统的危害[9-10]，具体危害如表1所示。

电子电力设备的误动作、额外容量和损耗的产生、生产设备提前老化等问题，将影响正常生产并导致企业承担额外的费用。

2.2敏感负荷

敏感负荷是指电压发生变动或突变情况下不能正常工作或功能下降的用电设备。电压暂降是发生频次最高的一种电压变动现象，其成因是由电网、变电设施的故障或负荷突然出现所引起。工业中常用的敏感负荷受电压暂降的影响程度各不相同，如图1所示。图1中开关电源的电压耐受能力最强，传感器的电压耐受能力最差，而当电压暂降跌落至额定电压55%以下时，绝大多数敏感负荷失去抗电压能力，出现故障或跳闸现象，从而引发生产中断。造纸企业中的主要敏感负荷及其受电压暂降的危害表现在以下几方面。

（1）开关电源类负荷

开关电源类负荷的典型代表有PLC和计算机，它们在造纸生产现场起到控制生产工艺、信号处理、通信等多种作用。这类负荷受电压暂降影响时，干扰会通过开关电源耦合到其内部的CPU、I/O等模块[11]。当电压低于65％、立刻或是持续几个周波时，CPU就会停止工作。而当电压低于90％、持续几个周波时，一些I/O设备就会被切除。一旦这类负荷出现无预期停止运行或输出错误指令，将会对其所在的操作和控制系统造成巨大影响，引起生产工艺紊乱、相关控制设备误操作、产品报废甚至是安全问题。

（2）电磁线圈类负荷

电磁线圈类负荷是指运用电磁感应原理实现其功能的负荷。典型代表有交流接触器和继电器，它们用来接通或分断带负载的交流主电路或大容量控制电路。如电动机的启动与控制、正反转运行、Y-Δ降压启动等。当电压低于60％、持续时间超过几个周波时，接触器线圈释放电压，造成接触器欠压脱扣[12]，使电动机从电网断开，引发生产中断。而当电压暂降恢复时，部分大功率电机脱网后的重新启动又非常繁琐，造成生产恢复时间长，经济受损严重。

（3）电子电力类负荷

电子电力类负荷的典型代表有变频器和伺服驱动器。随着造纸行业节能降耗工作的深入推进，变频器在造纸企业中应用广泛。分析变频器拓扑结构可知[13]，为了避免不正常工作或过载，变频器通常会安装直流母线低电压保护电路。当遇到浅幅电压暂降时，仅会引起电动机转速降低，而当电压低于75%时，保护电路动作，变频器低压跳闸，从而导致电机停机，特别是关键生产环节电机变频器低压跳闸造成的非计划停机，给企业造成很大的经济损失。

今后随着造纸企业的不断升级转型，敏感负荷的范围将会继续扩大，还会包含各种智能化设备等[14]。如智能流浆箱、智能液压控制、在线水分监测、智能毛布管理、智能张力控制、智能卷纸系统、智能排刀控制系统等。这类设备或系统的核心芯片对深度电压暂降十分敏感，若发生深度电压暂降，则会导致电路主板故障，无法实现智能生产。

3面向造纸企业的电能质量监测措施

为减少电能质量扰动对造纸生产过程和生产设备造成的影响，需要对其进行治理，而电能质量监测是实现治理的前提。

电能质量监测是指采用符合规范的测试仪器对电网中所关心节点的电能质量指标进行测量，监测方式一般包括3种[15]：①定期巡检，主要适用于不需要或不具备在线监测条件的场合；②专项监测，主要用于负荷容量变化大或有干扰源的场合；③在线监测，主要用于公共配电点（PCC）、有事件型电能质量问题或需要在线实时监测的场合。

为适应不同场合的监测需要，测试仪器一般可分为便携式和在线监测[15]，各自优缺点如表2所示。

考虑到造纸企业内大型谐波源和敏感负荷量大、面广且现场工况复杂，电能质量监测的拓扑结构可采用三级监测措施，三级监测拓扑结构如图2所示。这种结构可以更好地分析谐波在企业电网内部的传播关系、统计外网或内网电压暂降的发生频次及其对敏感负荷造成的影响，以及有利于企业各部门更及时地了解故障原因和预诊设备健康状态。

图2中不同监测点下的监测方式和测试设备包括：①一级监测点，主要针对PCC公共接线端或企业进线端，可实现电压暂降、瞬态事件、闪变和高至63次谐波的采集与分析，可选在线监测方式及在线监测仪器。②二级监测点，主要针对车间变压器、主开关设备和主配电柜，可实现电压暂降、瞬态事件和高至40次谐波的采集与分析，可选在线监测方式及在线监测仪器。③三级监测点，主要针对重要生产用电设备或敏感负荷等，可实现每相的谐波测量和能源计量，可选专项监测方式及便携式测量仪器。若某些生产设备或敏感负荷需要重点监测，也可选择在线监测方式及在线监测仪器。

4面向造纸企业的电能质量治理措施

电能质量治理是解决电能质量问题，提高用电质量的重要途径，也是节能降耗的主要手段之一[16]。由第2节分析结果可知，造纸企业主要治理的对象是谐波和电压暂降。

4.1谐波的抑制和治理

企业在实施谐波抑制和治理时应综合考虑电气设备本身的抗干扰能力、是否超过标准限值要求、是否对用电设备安全稳定运行产生影响、是否造成额外电能损耗等因素。若不可忽略时，应根据配电网和负荷的特点以及负荷的谐波特性制定科学的治理策略和治理方案[17-18]。谐波不同治理策略下的常用方案及其装置如表3所示。

目前，造纸企业为满足电力公司的要求及考虑自身的治理成本，通常采取在低压母线处并联电容器的方式。该方式可有效进行无功补偿，提高功率因数。然而，就从源头处消除谐波而言，就地治理方式（谐波源处安装滤波装置或无功补偿装置）治理效果最佳，不仅能够满足电力公司的要求，还能保证企业内部的用电质量，从而获得最大的节能效益。

因此，造纸企业可根据自身规模和治理成本，选择如图3所示的治理措施。若企业规模较小时，只需在较大功率谐波源处就近安装滤波器，小功率谐波源暂不治理，再根据治理效果决定是否在低压母线处实施集中治理；若造纸企业规模较大、企业内部有变电站时，除就地治理、低压母线处治理外，还应考虑高压母线处治理。

4.2电压暂降治理

电压暂降的成因较多且具有不可预防的特性，故电压暂降治理主要着眼于降低发生频次和控制其后果严重度，通过电压暂降治理技术和设备可有效降低或缓解生产过程中断以及生产设备损坏的危害[19]。目前，常用的治理设备有以下两种。

（1）不间断电源（UPS）

UPS是一种含有储能元件（一般为蓄电池）并以逆变器为主要组成部分的恒压恒频不间断电源。当电压暂降发生时，UPS储能元件中的电能会立即经逆变器转化为交流电，提供给负荷，保证其正常工作。

（2）动态电压补偿器（DVR）

DVR是一种不需要储能元件的串联补偿装置[19]，它从电网中吸取所需的额外能量补偿跌落的电压。当电压暂降发生时，DVR检测电路检测到变化的电压后，经控制策略产生控制信号对逆变器进行控制，再经串接变压器向馈电线注入幅值、相角可调的电压，以保证负荷侧的电压稳定。整个响应时间极短，仅为数毫秒，满足动态补偿的要求。

两种设备的综合对比结果如表4所示。由表4可知，DVR是一种能够替代UPS的先进补偿装置，更适合保护现代化的生产线。但因造纸企业负荷容量较大，特别是大型造纸企业负荷容量可达20万kVA以上，利用DVR对全厂敏感设备进行整体保护时，需根据经济损失评估模型，计算投资成本和回报率[20]。若投资成本高、回报率低时，可选择如图4所示的就地治理措施，有效降低治理成本。图4(a)中，DVR安装在车间变压器输出端，即只保护车间中的全部敏感负荷；图4(b)中，DVR就近安装在重要敏感生产负荷旁，即只对自动化系统及控制回路或对恢复时间长的工位优先治理。如将DVR串联安装在DCS、QCS及全厂计算中心旁或安装在服务器及系统同电源之间，防止系统因电压干扰造成计算机与服务器故障、数据丢失，提高计算机系统的安全可靠性。

5总结与展望

本文针对电能质量扰动问题，分析了造纸企业主要用电设备与典型电能质量扰动的相互影响关系，研究并提出了面向造纸企业的电能质量监测与治理措施。然而，此项工作在造纸企业中开展还存在如下问题。

（1）从意识层面而言，对比我国的汽车、钢铁、化工等行业，造纸企业缺乏对优质电能的追求，还停留在对自身用电总量的关注阶段。

（2）从经济层面而言，缺乏对生产过程和生产设备受电能质量扰动影响的经济受损指标统计和分析，无法综合优化监测和治理方案。

（3）从技术层面而言，缺乏一种融合电能质量监测、企业能源管理、设备状态监测三位一体的监测、计量和诊断系统。

随着我国新一轮电力体制变革的深入推进，电能作为一种商品的观念正逐步普及，用户已成为电力市场的核心主体。而“谁的问题谁负责”的电力市场运行机制必然推动用电大户积极主动地关注自身用电质量并开展电能质量监督与管理等相关工作。与此同时，“中国制造2025”战略的实施也将必然带动造纸企业生产方式和关键技术的重大变革。机器人、物联网、大数据、云平台等新技术的应用，迫切需要与之配套的优质电能，迫切需要企业加强对自身电能质量的监测和治理。为此，这些变革必将为造纸企业主动解决电能质量问题带来新契机。