电能质量概念.ppt

电能质量与提高技术西安科技大学电控学院傅周兴教授 主要内容 绪论电能质量的概念及分类稳态电能质量暂态电能质量电能质量的污染治理电能质量检测器 1 绪论 1 1电能及特点 电能 是一种特殊的商品 既具有以商品形式向用户出售的性质 又具有为千百万用户服务的公用事业性质 特点 不能储存 是发 供 用电同时完成并由用电的多少来决定发电与供电的多少 因此 对用户连续不断供电是电能质量的一个重要标志 1 2电能的发展 1 3电能质量问题产生的原因电力负荷构成的变化大量谐波注入电网 1 4电能质量问题的解决 1 具体问题具体分析2 搞好电能质量涉及电力企业各个部门 例如调配 试验 规划设计 用电管理 生技等等 需要用户内部相关部门的配合 3 总体上需要建立一套监督管理体系 并有配套的标准和相关的产业作支持 2 电能质量的概念及分类 2 1电能质量的定义 电能质量 供电质量 电压质量 供电可靠性 IEEE 国际电工委员会 定义 合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统适合该设备正常工作 3 技术方面来定义 导致用电设备故障的或者不能正常工作的电压 电流 或频率的偏差 其内容包括频率偏差 电压偏差 电压波动及闪变 三相不平衡 暂时或暂态过电压 波形畸变 电压暂将与短时间中断以及供电连续性 2 2电能质量的分类 3 稳态电能质量 3 1性能指标电压偏差频率偏差三相不平衡度谐波电压波动与闪变 3 1 1电压偏差1 概念 电压偏差即为实际供电电压与额定供电电压之间的差值 2 范畴 该问题属于基波无功的范畴3 影响因素 无功功率不足 无功补偿过量 传输距离过长 电力负荷过重和过轻等 其中无功功率不足是造成电压偏差的主要原因 4 相关标准 电能质量电力系统电压允许偏差 QualityofelectricenergysupplyPermissibledeviationofvoltageforpowersystem 1 主题内容与适用范围本标准规定了供电电压允许偏差 指定本标准的目的 是使供电电压质量得到基本保证 以获得良好的社会经济效益 本标准适用于交流50Hz电力系统在正常运行条件下 供电电压对额定电压的偏差 本标准不适用于瞬态和非正常运行情况 注 1本标准中额定电压为系统额定电压 2正常运行条件是指电力系统中所有元件都按预定工况运行2 引用标准GB156额定电压 3 供电电压允许偏差a 35kV以及以上供电电压正 负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10 注 如供电电压上下偏差同号 均为正或负 时 按较大的偏差绝对值作为衡量依据 b 10kV及以下三相供电电压允许偏差为 7 c 220V单相供电电压允许偏差为额定电压 7 10 注 1用电设备额定工况的电压允许偏差仍由各自标准规定 例如旋转电机按GB755 旋转电机基本技术要求 规定 2对电压有特殊要求的用户 供电电压允许偏差由供用电协议确定 5 电力系统电压调整 1 中枢点调压2 发电机调压3 变压器调压4 改变电网无功功率分布调压 3 1 2频率偏差 1 概念 电力系统内的实际频率与标称频率 50Hz 之间的偏差2 范畴 该问题属于基波有功问题3 影响因素 负荷的波动 主要包括变化周期在10s 3min的负荷脉动和变化十分缓慢的持续变动分量且带有周期规律的负荷 电能质量电力系统频率允许偏差 QualityofelectricenergysupplyPermissibledeviationoffrequencyforpowersystem 4 相关标准 1 主题内容与适用范围本标准规定了电力系统频率允许偏差值及其测量仪表的基本要求 本标准适用于正常运行下标称频率为50Hz的电力系统 本标准不适用于电气设备的频率允许偏差 2 术语a频率偏差frequencydeviation系统频率的实际值与标称值之差 b频率变动frequencyvariation频率变化过程中相邻极值频率之差 c冲击负荷impactload生产 或运行 过程中周期性或非周期性地从电网中取用快速变动功率的负荷 3 频率偏差允许值a 电力系统正常频率偏差允许值为 0 2Hz 当系统容量较小时偏差值可以放宽到 0 5Hz b 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超 0 2Hz 根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值 但应保证近区电力网 发电机组和用户的安全 稳定运行以及正常供电 4 测量仪表用于频率偏差指标评定的测量 须用具有统计功能的数字式自动记录仪表 其绝对误差不大于0 01Hz 5 频率偏差对电力系统的影响 1 系统低频运行对水电厂的影响 2 系统低频运行对火电厂的影响 3 系统低频运行对负荷的影响 4 电力系统高频运行时的危害 a 电力系统的运行频率高于额定值 但不超出运行允许上限的工况 b 电力系统频率超出正常运行上限的工况 6 电力系统的频率调整 1 频率的一次调整 2 频率的二次调整 3 调频厂的选择 3 1 3三相不平衡度1 概念理想的三相交流电力系统中 三相电压应有相同的幅值 且相位角互差2 3 这样的系统叫做三相平衡 或对称 系统 但是在实际中 由于各种因素 电力系统并不是完全平衡的 2 影响因素 事故性不平衡 是由于三相系统中某一相 或两相 出现故障所致 例如一相或两相断线或者单相接地故障等 正常性不平衡 是由于系统三相元件或负荷不对称引起的 3 相关标准 电能质量三相电压允许不平衡度 QualityofelectricenergysupplyAdmissiblethree phasevoltageunbalancefactor 1 主题内容与适用范围本标准规定了三相电压不平衡度的允许值及其计算 测量和取值方法 本标准适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的公共连接点的电压不平衡 2 术语a 不平衡度unbalancefactor指三相电力系统中三相不平衡的程度 用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示 b 正序分量positive sequencecomponent将不平衡的三相系统的电量按对称分量分解后 其正序对称系统中的分量 c 负序分量negative sequencecomponent将不平衡的三相系统的电量按对称分量分解后 其负序对称系统中的分量 d 公共连接点pointofcommoncoupling电力系统中一个以上用户的连接处 4 三相不平衡的危害 1 引起旋转电机的附加发热和振动 危及其安全运行和正常出力 2 引起以负序分量为启动原件的多种保护发生误动作 特别是电网存在谐波时 会严重威胁着电网安全运行 3 电压不平衡使发电机容量利用率下降 4 变压器的三相负荷不平衡 不仅会引起负荷较大的一相过热 并且也会造成附加损耗 5 对于通信系统 电力三相不平衡 会影响正常的通信质量 5 三相不平衡的改善措施 1 将不对称负荷分散接到不同的供电点 以减小集中连接造成的不平衡度超标问题 2 使不对称负荷合理的分配到各项 尽量使其平衡化 3 将不对称负荷接到更高电压级以上供电 以使连接点的短路容量足够大 3 1 4谐波 1 概念国际上公认的谐波定义为 谐波是一个周期电气量的正弦波分量 其频率为基波频率的整倍 由于谐波的频率是基波频率的整数倍 也常称它为高次谐波 国际电工标准 IEC555 2 1982 CIGRE的文献 工作组报告36 05 中对谐波也都有明确的定义 谐波分量为周期量的傅里叶级数中 1的n次分量 对谐波次数n的定义则为 以谐波频率和基波频率之比表达的整数 IEEE标准519 1981中的定义为 谐波为一周期波或量的正弦波分量 其频率为基波频率的整数倍 2 性质 1 谐波次数n必须是正整数电力系统的额定频率为50Hz 则其基波为50Hz 2次谐波为100Hz 3次谐波为150Hz n不能为非整数 因此也不能有非整数次谐波 2 谐波和暂态现象的区别通常认为谐波现象的波形保持不变 而暂态现象则在每周的波形都发生变化或有衰减现象等 根据傅里叶级数 3 范畴 该问题属于非线性负荷用电特性问题 4 影响因素 电网中非线性负荷的介入 电网的结构参数 运行方式 特别是储能设备的配置等因数也是影响谐波问题严重的重要原因 5 谐波的产生 a 变压器和电抗器造成的谐波 在电弧燃烧过程中 电弧的电压与通过的电流有关 电流增大 电阻以更快的速度降低 这使得电弧的伏安特性呈现明显的非线性 即使在电弧中通过正弦波形的电流时 电弧电压的波形也不是正弦波形的 这样就产生了高次谐波 气体放电灯电弧焊设备电弧炉 b 电弧的非线性伏安特性造成的高次谐波 c 整流 换流装置整流 换流装置在变换电力的工作过程中 使得从电力系统输入的电压 电流之间失去了比例关系 导致了负荷电流波形的非正弦 d 家用电器家用电器所产生的谐波电流可以从低压系统馈入电网 一般家用电器所产生的高次谐波电流含量如表2所示 6 谐波的危害谐波对电力系统或并联的负载产生种种危害 危害的程度取决于谐波量的大小 现场条件等因素 1 谐波对电网的危害电网内的谐振现象增加网络损耗2 谐波对低压电器的危害谐波电流的流入会导致整个设备过热 它能升高设备的温度 降低绝缘寿命 而在加热过程中又影响整个设备 以下描述一些低压用电设备受谐波的影响 电阻电感负荷显著缩短灯泡寿命弧光灯显著缩短寿命电动机谐波对电动机的主要影响是引起附加损耗 其次是产生机械振动 噪声和谐波过电压 整流装置及其负荷谐波使电压偏差复杂化 导致运行误差 对信息机的影响对信息机数据的传输 处理带来严重的影响 特别是运算速度快的计算机会产生误动作 使正常的工作程序遭到破坏 直到损伤信息机的半导体器件 电力系统谐波的抑制 1 减少谐波源的谐波含量 2 在电容器回路串接电抗器 3 安装交流滤波器 4 采用有源滤波器 5 加大供电系统容量和合理选择供电电压 6 采用相数倍增法 相关标准 电能质量公用电网谐波QualityofelectricenergysupplyHarmonicsinpublicsupplynetwork 1 主要内容与适用范围本标准规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法 本标准适用于交流额定频率为50Hz 标称电压110kV及以下的公用电网 标称电压为220kV的公用电网可参照110kV执行 本标准不适用于暂态现象和短时间谐波 2 引用标准GB156额定电压 3 术语a 基波 分量 fundamental component 对周期性交流量进行傅立叶级数分解 得到的频率与工频相同的分量 b 谐波 分量 harmonics component 对周期性交流量进行傅立叶级数分解 得到频率为基波频率大于1整数倍的分量 c 谐波次数 h harmonicsorder谐波频率与基波频率的整数比 d 谐波含量 电压或电流 harmonicscontent forvoltageorcurrent 从周期性交流量中减去基波分量后所得的量 e 谐波含有率harmonicsratio HR 周期性交流量中含有的第h次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值之比 用百分数表示 f 总谐波畸变率totalharmonicdistortion THD 周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比 用百分数表示 g 谐波源harmonicsource向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备 h 短时间谐波shortdurationharmonics冲击持续的时间不超过2s 而且两次冲击之间的间隔时间不小于30s的电流所含有的谐波及其引起的谐波电压 4 谐波电压限制 5 谐波电流允许值5 1公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量 方均根值 不应超过表 见下页 中规定的允许值 注 220kV基准短路容量取2000MVA 5 2同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配 6 测量 3 1 5电压波动与闪变1 概念电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差 电压波动值为电压均方根值的两个极值Umax和Umin之差 U 常以额定电压UN的百分数表示其相对百分值 闪变一词是闪烁的广义描述 它可理解为人对白炽灯明暗变化的感觉 包括电压波动对电工设备的影响和危害 但不能以电压波动来代替闪变 2 范畴该问题属于无功冲击问题 3 影响因素 1 供电电压波动的幅值 频度和波形 2 照明装置 与白炽灯的功率和额定电压等有关 3 人对闪变的主观视感 由于人们视感的差异 需对观察者的闪变视感作抽样调查 4 危害 1 照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳 进而影响视力 2 电视机画面亮度变化 图像垂直和水平摆动刺激人的眼睛和大脑 3 电动机转速不均匀 不仅危害电机 电器正常运行和寿命 而且影响产品质量 4 电子仪器 电子计算机 自动控制设备等不能正常工作 5 影响对电压波动较敏感的工艺或实验结果 如实验时示波器波形跳动 大功率稳流管的电流不稳定 导致实验无法进行 5 相关指标电能质量电压允许波动和闪变 QualityofelectricenergysupplyAdmissiblevoltagefluctuationandflicker 1 主题内容与适用范围本标准规定了电压波动和闪变的允许值及测试方法 指定本标准的目的 是使电力系统中具有冲击性功率的负荷对供电电压质量的影响控制在合理的范围内 以获得良好的社会经济效益 本标准适用于交流50Hz电力系统正常运行方式下 公共供电点电压的快速变化以及由此可能引起人眼对灯闪明显感觉的场合 2 引用标准GB156额定电压注 本标准中额定电压为系统额定电压 3 术语1 公共供电点pointofcommoncoupling ofTwoormoreloads 电力系统中一个以上用户的连接处2 冲击性功率的负荷fast speedvaryingload生产 或运行 过程中周期性地从供电网中取用快速变动功率的负荷 3 电压调幅波voltagefluctuationwaveform工频50Hz电压幅值包络线的波形 4 电压波动值magnitudeofavoltagefluctuation电压调幅波中相邻两个极值电压均方根之差 以额定电压的百分数表示 5 闪变flicker人眼对灯闪的主观感觉 6 闪变视感度系数humansensitivityfactortoflicker人眼对不同频率的电压波动而引起灯闪的敏感程度 7 闪变电压限值throsholdvoltageofflickerirritability引起闪变刺激性程度的电压波动值 8 等效闪变值equivalent10Hzflicker电压调幅波中不同频率的正弦波分量的均方根值等效为10Hz值的一分钟平均值 以额定电压的百分数表示 电压变化频度FthenumberofvoltagechangesoccurringperunitoftimeF单位时间内电压变化的次数 电压由大到小或由小到大各算一次变化 统计F的时段冲击性负荷一个周期 电压变化的速度应不低于每秒0 2 低于此速度的电压变化不统计在变化次数中 同一方向的变化 如间隔时间 一次变化结束到下次变化开始的时间段 不大于30ms 则算一次变化 4 电压波动和闪变的允许值电力系统公共供电点 由冲击性功率负荷产生的电压波动允许值见表 电力系统公共供电点 由冲击性功率负荷产生的闪变电压值应满足 V10或Vt的允许值 电力系统公共供电点 由冲击性功率负荷产生的闪变电压值应满足 V10或Vt的允许值 四 暂态电能质量 配电网中非线性负荷对电网的电能质量构成了严重的威胁 配电网中如计算机等用电设备对系统干扰更加敏感 它们对电能质量提出了高可靠性和高可控性的要求 4 1暂态电能质量的概念及特征 暂态电能质量问题主要包括脉冲型的暂态电能质量问题和振荡型的暂态电能质量问题1 脉冲型暂态电能质量问题电压 电流或两者在稳态情况下发展突然 非工频且单方向 正或负极性 性质的变化 例如雷击电流脉冲暂态过程造成的电能质量问题 2 振荡型暂态电能质量问题电压 电流或两者在稳态情况下发生突然 非工频且正级性和负极性两方面的变化 暂态电能质量扰动特性 4 2暂态电能质量的衡量指标 电压暂降 VoltageSags 电压暂升 VoltageSwell 电压中断 VoltageInterruptions 电压缺口 VoltageNotches 电压尖峰 VoltageSpikes 短时谐波 Short DurationHarmonics 振荡暂态 OscillatoryTransients 电压波动 VoltageFluctuations 4 2 1电压暂降 1 概念在工频情况下电压或电流的有效值效降低至0 9p u 0 1p u 且持续时间在0 5个周波到1min 2 产生原因系统故障 启动重负荷或大容量的电动机3 分类电压骤降按持续时间可以分为瞬时 即时和暂时 其三个特征量是幅值变化 持续时间与相位移动 4 2 2电压暂升 1 概念在工频情况下电压或电流的有效值升高至1 1p u 1 8p u 且持续时间在0 5个周波到1min 2 影响因素系统故障 例如单相对地故障情况下的非故障相电压 或对大容量电容器充电 4 2 3电压中断 1 概念供电电压或负荷电流降低到0 1p u以下 且持续时间不超过1min 2 产生原因系统故障 设备故障 控制误动 电压骤降发展成中断 如变电所重合闸 4 2 4电压缺口 1 概念持续时间小于0 5个周期的周期性电压扰动 2 产生原因主要是电力电子装置由一相换至另一相时 参与换相的电路瞬时短路造成的 4 2 5电压尖峰 1 概念 电压尖峰是电压暂态的一种 其表现与电压缺口类似 只是极性相反 2 产生原因主要是电力电子装置由一相换至另一相时 参与换相的电路瞬时短路造成的 4 2 6短时谐波 1 概念谐波是指含有基频整数倍频率分量的正弦电压 短时谐波持续时间在几个周期到1min之间 一般频率和幅值保持不变 2 产生原因通常是由整流器等电力电子设备以及具有非线性特性的用电负荷引起的 4 2 7震荡暂态 概念震荡暂态是指电压在其稳态时的一种突发的 高频的 高于基频 瞬时值双极性化 其持续时间较短 一般在几个周期之内 产生原因通常由电容器组等的投切所引起 概念 多种扰动同时发生的情况 如含谐波的电压暂升 含谐波的电压暂降 含谐波的电压中断 含谐波的震荡暂态 含震荡的电压暂升等等 则是多种扰动线性叠加的结果 特性兼顾多种扰动的特性 4 2 复合扰动 含谐波的电压暂升信号 4 3基于D FACTS技术的改善方法 D FACTS技术 即配电网中的FACTS技术 亦称为用户电力技术 简称CP技术 其核心是电力电子 微处理及控制技术在配电系统中的应用 是提高综合暂态电能质量的一种经济 有效的方法 该技术以IGBT IGCT等器件为基础的三相电压源是各种CP控制器的主要组成部分 具有更快的开关频率 因此具有很快的响应特性 可完美地解决暂态电能质量问题 4 3 1动态电压恢复器 1 原理动态电压调节器 DVR 是串联在线路上的 DVR通过串联变压器在馈线上以电压叠加的方式注入配电系统 用于消除对负荷侧的不利影响 DVR使用低耗的IGBT或IGCT等固态可关断器件 其示意图如下 DVR示意图 2 适用范围 当系统电压出现突然下降 或上升 时 DVR能快速反应 通过串联变压器向系统注入3个与系统同频的单向交流电压分量 其幅值为正常电压与故障电压之差 4 3 2静止无功发生器 D STATCOM 1 原理采用GTO 或IGBT IGCT 构成的自换相变流器 它把逆变器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源 控制补偿器基波电压大小与相位可改变基波无功电流的大小与相位 当逆变器基波电压比交流电源电压高时 逆变器就会产生一个超前 容性 无功电流 反之 当逆变器基波电压比交电源电压低时 则会产生一个滞后 感性 无功电流 故俗称其为 无功发生器 SVG 2 适用场合调节电压和系统功率因素 用于动态非线性负载 如电弧炉等除了对电压波动与电压闪变有明显的抑制效果外 其对电压暂降 骤升与电压中断均具有良好的补偿作用 4 3 3固态断路器 SSCB 1 原理利用了晶闸管动作速度快和无触点的特点 实现组合开关的快速无电弧投切 在稳态导通过程中 它又充分利用了电气触点接触电阻小的优点 不仅提高了效率 而且省去了复杂的散热装置 2 适用场合可有效抑制电网电压的跌落和大故障电流带来的一系列危险后果 用GTO清除非常大的故障电流是不经济的 所以 SSCB在配电系统中的配置需要与常规的机械断路配合使用 以节约投资 SSCB示意图 4 3 4统一电能质量控制器 UPQC 1 原理UPQC的主电路由一串联逆变器和一并联逆变器组成 两者通过电容耦合 并联逆变器采用PWM电流控制技术 进行非线性负载谐波电流及无功补偿 并起调节电容直流电压作用 串联逆变器采用PWM电压控制技术 通过控制其输出电压达到抑制电源电压谐波 减少电源电压波动对敏感负荷的影响 2 特点该装置综合了串联和并联补偿器的优点 是一种综合电能质量补偿器 能解决绝大多数的短时与暂态电能质量问题 4 3 5超导磁能 SMES 1 原理将电网交流电源转换成直流后 利用超导线圈以磁能的形式储存起来 在需要时 再将储存的磁能转变为电能送回电网 其返回效率极高 可达90 95 2 特点SMES通过大功率电力电子设备和电网连接 响应速度极快 能适应高电能质量的要求 3 适用场合SM