电能质量分析与控制内容完整详细

1、第一节第一节 概述概述 人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称值的多少 作为检验电能质量的主要指标。 如何深入理解现代电能质量问题，如何把提高电能质量与增 强竞争意识、电力市场占有率联系起来，如何从技术、经济和 运行管理等方面加大力度，保证优质供电，以最小程度减少对 现代工业企业和重要电力用户的影响，既是电力用户需求和电 力系统运行给我们提出的新任务，也是信息时代给我们提出的 新挑战。 一、供电系统运行与电能质量的关系一、供电系统运行与电能质量的关系 1.电能质量的基本要求 为保证电能安全经济地输送、分配和使用，理想供电系统的 运行应具有如下基本特性： （1）以单一恒定的电网标称频（50H

2、z或60Hz，我国采用 50Hz）、规定的若干电压等级（如配电系统一般为 110kV,35kV,10kV,380V/220V）和以正弦函数 波形变化的交流电向用户供电，并且这些运行参数不受用电负 荷特性的影响。 （2）始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡。用电设备汲 取电能应当保证最大传输效率，即达到单位功率因数，同时各 用电负荷之间互不干扰。 （3）电能的供应充足，即向电力用户的供电不中断，始终保 证电气设备的正常工作与运转，并且每时每刻系统中的功率供 需都是平衡的。 上述理想供电系统的基本特性构成了供电运行 对电能质量的基本要求，如果将其概括描述可如 图1-1所示。 上图中三个基本集合的交

3、集之内确定了合格电能质量的指标 要求，是我们将要阐述的供电系统电能质量的三个基本要素。 图1-1示意性地表明，这三项质量指标相互间存在着紧密的依存 和制约关系。 2.电能质量的特征 电能，或称之为电产品，除了具有其他工业产品的基本特征 之外，由于其产品形式单一，而且其生产、输送与消耗的全过 程独具特色，因此在引起电能质量问题的原因上、在劣质电能 的影响与评价等方面与一般产品的质量问题不同，具有以下显 著特点： （1）电力系统的电能质量始终处在动态变化中。 （2）电力系统是一个整体,其电能质量状况相互影响。电能 不易储存，其生产、输送、分配和转换直至消耗几乎是同时进 行的。 （3）电能质量扰动具

4、有潜在危害性与广泛传播性。 （4）有些情况下用户是保证电能质量的主体部分。 （5）对电力系统的电能质量指标进行综合评估非常困难。 （6）控制和管理电力系统电能质量是一项系统工程。 二、当代电力系统对电能质量的要求二、当代电力系统对电能质量的要求 随着时代进步与科技的飞速发展，现代电 网与负荷构成出现了新的变化趋势，由此带 来的电能质量问题越来越引起电力部门和电 力用户的高度重视。电网与负荷构成出现的 变化趋势主要表现在： （1）电力系统扩张与联网逐渐形成，系 统运行的安全稳定性和可靠性要求不断提高。 （2）在保证电力系统一定的自然垄断特性 的条件下，引进竞争机制，实施电力市场化 营运，强化环境

5、保护意识与提高信息管理水 平已经势在必行。 （3）当代电力系统与计算机技术和通信技 术的结合更加紧密，采用高新技术（如TCSC、 FACTS、HVDC、Cus-Pow）以提高电力传 输能力 和实现配电自动化的趋势方兴未艾。 （4）电力用户为满足其对产品的个性化、多样性生产的需求，从最大经济利益出发，在大功率冲击性、 非线性负荷容量迅速增长的同时，更大规模地采用科技含量高的器件、设备与技术。 负荷敏感度：是指负荷对电能质量问题的敏感程度，即提供给 负荷的电能质量不良时负荷能承受干扰仍正常工作的能力。 一般可将负荷分为三类：普通负荷（Common Load）、敏感负 荷（Sensitive Loa

6、d）和重要（要求严格的）负荷（Critical Load）。 电力系统的各个部分都是相互联系的，使用电双方的相互影 响越来越紧密。因此，综合协调处理电能质量问题至关重要。 另外需要注意到，由于看问题的角度不同，在导致电能质量下 降的原因与责任上，供用电双方往往存在很大的分歧。 美国乔治动力公司曾组织和实施了一项对电力部门和电力 用户关于电能质量问题起因的调查，其结果如图1-2所示。据分 析，虽然对电力市场的质量调查还存在分类方法上的不同，但 是调查报告清楚地表明，电力公司和电力用户对引发电能质量 问题的原因的看法往往有很大的分歧，尽管双方都把2/3的事件 起因归咎于自然因素（如雷电等），但用户

7、仍然认为电力部门 在这方面的责任要比自我测评结果大得多。 综上所述，现代电力系统结构与负荷构成的变化是工业生产 不断发展的必然结果，有利于电力用户提高生产率和获得更大 的经济效益；同时通过采用高效的电力负荷设备，大量节约电 能和延缓用电的需求，从而节省电力建设所需的大量投资。 三、改善电能质量的意义三、改善电能质量的意义 电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发 展水平和综合国力的主要标志之一。时至今日，电力工业面向 市场经济，引进竞争机制，以求最小成本与最大效益，电能质 量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志， 控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要

8、条件。 第二节第二节 电能质量概念、定义及分类电能质量概念、定义及分类 电能质量术语:国际电气电子工程室师协会（IEEE）标准化协 调委员会已正式通过采用“Power Quality”（电能质量）术语 的决定。我国国家标准中已正式更名采用国际通用的英文名称。 一一 基本概念与定义基本概念与定义 电能质量： 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。 电力部门可能把电能质量定义为电压、频率的合格率以及连续 供电的年小时数，并且用统计数字来说明电力系统是安全可靠 运行的。 电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向设备提供了电力。 从工程实用角度出发，将电能质量概念进一步具体分解并给出 解释。 电压质量

9、。 给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部 门向用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、 电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、 电压暂降（暂升）与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过 电压等。 电流质量。 电流质量与电压质量密切相关。电流质量包括电流 谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前或滞后、噪声等。 供电质量。 它包括技术含义（电压质量和供电可靠性）和非技 术含义（供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的 透明度等）两部分。 用电质量 。 它包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按 时，如数缴纳电费等。 二二 电能质量的分类电能质量的分类 1.电能质

10、量的基本分类 对于电能质量现象可以根据不同基础来分类。以下介绍了 近几年国际上在电能质量现象分类和特性描述等方面取得的研 究成果。其中，在国际电工界有影响的IEC以电磁现象及互干扰 的途径和频率特性为基础，引出了广义的电磁扰动的基本想象 分类，如表1-1所示。 表1-2给出了IEEE制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类。 它为我们提供了一个清晰描述电能质量及电磁干扰现象的实用 工具。 2.变化型和事件型分类 按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征变化的连续 性和事件的突发性为基础分成两类。 连续型 （连续出现） 事件型 （突然发生） 图1-3、图1-4所示为供电电压幅值的概率密度函数曲线和概

11、率分 布函数曲线。 第三节第三节 电能质量现象描述电能质量现象描述 本节中我们重点对表1-2中的七类现象作进一步描述，以便读者 对电能质量涵盖的内容有一个整体的了解。 一、瞬变现象一、瞬变现象 关于瞬变现象，IEEEStd100-1992电气与电子标准术语 词典有一个含义更宽、描述更简单的定义：变量的部分变化， 且从一种稳态状态过渡到另一种稳定状态的过程中该变化逐渐 消失的现象。 瞬变现象的两种普遍类型瞬变现象的两种普遍类型冲击和振荡冲击和振荡 1.冲击性瞬变现象 冲击性瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流非 工频的、单极性的突然变化现象。 最常见引发其的原因 是雷电。如图1-5 示。 2. 振

12、荡瞬变现象 振荡瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流的非工频、有正负 极性的突然变化现象。常用频谱成分、持续时间、和幅值大小 来描述其特性。其频谱分为高、中、低频，如表1-2所示。 高频振荡现象 中频振荡现象 低频振荡现象 图1-6为背靠背电容器增能引起的几千赫电流振荡波形。 低频振荡现象出现在辅助输 配电系统，最常见的是电容器组冲 能。电压振荡频率为300900赫， 峰值可达到2.0p.u.。一般其典型 值为1.31.5p.u.，持续时间在 0.53周波，具体情况要根据系统 的阻尼程度来确定（参见图1-7）。 主频低于300赫的振荡在配电系统中也时有发生， 通常是由铁磁谐振和变压器增能引起的，

13、如图1-8 所示。 二、二、 短时间电压变动短时间电压变动 包括电压暂降和短时间电压中断现象。 造成电压变动的主要原因是系统故障、大容量负荷启动或电网 松散连接的间歇性负荷运作。根据所在系统条件和故障位置的 不同，可能引起暂时过电压或电压跌落，甚至使电压完全损失。 1.电压中断 当电压降到0.1p.u.以下，且持续时间不超过1min时，则认为出 现了电压中断现象。造成电压中断的现象。造成电压中断的原 因可能是可能是系统故障、用电设备故障或控制失灵等。 电压中断往往是以其幅值总是低于额定值百分数的持续时间来 量度的。 对于有些由于系统 故障造成的电压中 断，在其出现之前， 既在故障发生至保 护动

14、作期间，可能 先出现电压暂降， 之后进入短期中断， 如图1-9（a）所示。 2.电压暂降 “暂降”是指工频条件均发根值减小到0.10.9p.u.之间、持续时 间为0.5周波至1min的短时间电压变动现象。 暂降和骤降可以互相替换 图1-10为发生短路故障引起的单相电压暂降的变化波形。 图1-11为大型电机启动对电压的影 响。 在启动期间，感应电机将汲取6- 10倍的额定电流。 3.电压暂升 “暂升”的含义是指在工频条件下， 电压均方根值上升到1.11.8p.u. 之间、持续时间为0.5周波到1min 的电压变动现象。例如，当单相对 地发生故障，非故障相的电压可能 会短时上升。图112给出可该情

15、 况下引起的电压暂升的波形。 三三 长时间电压变动长时间电压变动 长时间电压变动是指，在工频条件下电压均方根值偏离额定值， 并且持续时间超过1min的电压变动现象。 长时间电压变动可能时过电压也可能欠电压。 过电压 欠电压 持续中断 四四 电压不平衡电压不平衡 电压不平衡，时常定义为与三相电压（或电流）的平均值的最 大偏差，并且用该偏差与平均值的百分比表示。电压不平衡也 可利用对称分量法来定义，即用幅负序或零序分量与正序分量 的百分比加以衡量。图113给出了采用上述两种比值表示的某 一民用溃电网一周内电压不平衡趋势。 五五 波形畸变波形畸变 波形畸变，是指电压或电流波形偏离稳态工频正弦波形的现

16、象， 可以用偏移频谱描述其特征。波形畸变有五种主要类型，即直 流偏置、谐波、间谐波、陷波、噪声。 谐波畸变水平的描述方法，通常用具有各次谐波分量幅值和和 相位角的频谱表示。图114给出了典型变速驱动输入电流波形 和频谱图。 图115给出了连续直流式三相换流器的电压陷波例子。 六六 电压波动电压波动 电压波动是指电压包络线有规则的变化或一系列随机电压变动。 通常，其幅值并未超过ANSI C84.11995电力系统与设备 电压等级规定的0.91.1p.u.范围。IEC1000331994 低压供电系统电压波形和闪变限值（额定电流0时，则意味着母线2的无功功率不足，需要从系 统吸收无功功率Q。 XR

17、 2 PRQX U U 由式（3-10）可知， 电压偏差为负； 电压偏差为正。 无功功率不平衡越严重，电压偏差越大。 2 0 QX U U 211 UUUU 211 UUUU 2 0 QX U U 供配电网络结构的不合理也能导致电压偏差。 供配电线路输送距离过长，输送容量过大，导 致截面过小等因素都会加大线路的电压损失， 从而产生电压偏差。从此，我国对不同电压等 级的供配线路规定了合理的输送距离和输送容 量，见表 3-1 。 表表3-1 3-1 线路的输送距离和输送容量线路的输送距离和输送容量 四、电压偏差过大的危害四、电压偏差过大的危害 电压偏差过大对广大用电设备以及电网 的安全稳定和经济运

18、行都会产生极大的危害。 1、对用电设备的危害 所有用户的用电设备都是按照设备的额定电压 进行设计和制造的。当电压偏离额定电压较大 时，用电设备的运行性能恶化，不仅运行效率 低，很可能会由于过电压或过电流而损坏。 2、对电网的危害 输电线路的输送功率受功率稳定极限的限 制，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的 电压平方成正比。 系统运行电压偏低时 缺乏无功电源时 频率稳定和电压稳定破坏时 系统运行电压过高 造成系 统解列 导致电 压崩溃 也会威胁系统的 安全运行 给生产生活 到来损失 五、改善电压偏差的措施五、改善电压偏差的措施 电力系统分布广，节点数目多。系统运 行时，电压随节点位置、负荷水平

19、不断发生变 化。可以说，电压水平的控制既有局域性，又 有全局性；既于网络规划有关，又与运行控制 密不可分。保证电力系统各节点电压正常水平 的充分必要条件是系统具备充足的无功功率电 源，同时采取必要的调压手段。 现以图3-2为例，说明各种调压措施所依据 的基本原理。 为简化起见，忽略系统各元件的对地电容， 网络阻抗已归算至高压侧。 负荷接入点电压可表示为 (3-11) 式中 归算至高压侧网络的电压损失KV； 高压侧网络标称电压，KV。 U N U 11 22 11 ()() Lss N PRQX UU kUU k kUk 公式（3-11）表明:改变以下各量即可调整 负荷接入节点的电压UL。 （1

20、）改变系统无功功率的分布； （2）改变发电机端电压US； （3）改变变压器变比K1，K2。 （4）改变输电网络的参数X。 下面从电力系统无功功率电源和调压手段 两方面对电压偏差的改善措施作详细的介绍。 （一）配置充足的无功功率电源（一）配置充足的无功功率电源 电力系统中的无功功率损耗很大一部分是 线路和变压器中的无功功率损耗。由于高压线路 和变压器的等值电抗远大于等值电阻，变压器的 无功损耗也比有功损耗大得多，从而导致整个系 统的无功损耗远大于有功损耗。 系统运行时仅靠发电机提供的无功功率远远 不能满足系统对无功功率的需要，因此必须装设 大量的无功补偿设备。 电力系统的无功功率电源有同步发电机

21、，同 步调相机，电容器，电抗器和静止无功补偿装置 （SVC）等。 1、同步发电机 发电机是电力系统中唯一的有功功率电源， 同时也是最基本的无功功率电源。发电机调节 无功功率的速度快且不需要额外投资，所以充 分利用发电机改善系统无功功率的平衡是一种 十分经济实用的调节手段，其缺点是调节能力 不大。 2、同步调相机 同步调相机实质上是不带机械负载的同步 电 动机。改变同步调相机的励磁，可以使同步调 相机 工作在过励磁或欠励磁状态，从而发出或吸 收无功功率。它是最早采用的无功调节设备之一。 同步调相机的优点：有电压支撑的作用、可迅速 提高无功功率、可吸收多余的无功功率。 缺点：本身设备的有功功率损耗

22、大、维护复杂、 投资大。所以它不是主要的无功功率调节设备。 3 3、电容器、电容器 作为无功功率补偿用的电容器以并联的方式 接入系统，其接线方式如图3-3所示。 电容器只能输出无功功率。其产生无功功率 的大小可表示成 (3-12) 式中， 为电力系统角频率；C为电容器的电 容值。 2 2C QCU 电容器具有有功功率损耗小、设计简单、容 量组合灵活、安全可靠、运行维护方便、投资省 等优点。所以长期以来电容器一直是电力系统优 先采用的无功功率补偿设备。但当系统电压下降 时，会导致电压进一步降低；当系统电压偏高时， 系统电压进一步升高。这种正反馈的电压调节特 性不利于系统电压的稳定，这是电容器调压

23、的缺 点。 此外，这种调压是不连续的。常规电容器采用分 组投切的形式，每投入或切除一组电容器，可分别 使系统电压跳变式升高或降低。因此，应综合考虑 系统容量、电压等级、负荷大小等因素，合理地选 择电容器的分组数及每组容量。 4 4、电抗器、电抗器 线路的分布电容所产生的无功功率，与电压的 平方成正比，同时与线路的长度成正比。因此， 长距离、高电压等级的线路产生的充电功率不容 忽视。图3-4是线路 形等值电路。 图中电容代表线路的分布电容，每个电容的 电纳为整个线路等效电纳B的一半，即为 。 每个电容产生的充电功率为线路总充电功率 的一 半，即等于 。当线路轻载或空载运行 时，线路电抗X中的无功

24、损耗 很小，其数 值可能等于或小于线路的充电功率。这种情况下线 路总的无功损耗 为零，甚至变负。 22 BC 2 2 222 C QBCU U 2 3 X QI X XC QQQ C Q 高压线路在轻载时，将会存在大量过剩的充电功率，从而使电 压升高。从表3-2可见，高压线路轻载时电压搜升高现象十分严 重，其升高幅度已经大大超出了国家的有关规定。这对系统的 安全运行和用户的正常生产构成了极大的威胁。 5 5、静止无功补偿装置和静止无功发生装、静止无功补偿装置和静止无功发生装 置置 基于电力电子半控器件无功补偿装置（SVC） 和基于电力电子全控器件的静止无功发生装置 （SVG）具有动态无功功率补

25、偿特性。与同步调 相机一样，它们既可以向系统输出无功功率，也 可吸收系统的无功功率。其动态特性好，调压速 度快，调压平滑，而且可实现分相无功补偿，有 功功率损耗也比较小。由于他们由静止开关元件 构成，所以运行维护方便、可靠性较高。但这类 设备价格普遍较高，运行经验较欠缺。 （二）系统调压手段（二）系统调压手段 电力系统是个庞大的系统，其中的负荷难以 计数，无法对其中每个节点的电压进行监视和调 整。通常的做法是选择一些关键性的母线作为电 压监视点。如果将这些母线的电压偏差控制在允 许范围内，系统中的其他节点的电压及负荷电压 就能基本满足要求。这些电压监视点称为电压中 枢点。一般选择系统内装机容量

26、较大的发电厂高 压母线，容量较大的变电所低压母线，以及有大 量地方负荷的发电机母线作为电压中枢点。 1 1、电压偏差的调整方式、电压偏差的调整方式 中枢点的调压方式分为三种： 逆调压 顺调压 恒调压 目前中枢点常用的调压方式是逆调压。 2 2、电压偏差的调整手段、电压偏差的调整手段 用发电机调压：调节自动调节励磁装置 改变变压器变比调压：即调节变比K (3-13) 普通电力变压器除分接头外，还有2-4个附加分 接头。通过选择分接头，可使变压器的变比发生改 变。 22 11 NU k NU 改变线路参数调压 1）采用分裂导线。 2）串联电容器。接线图见图3-6. 根据公式3-10线路的电压损失为

27、： 22 () LCL PRQ XXPRQX U UU 串联电容补偿线路电抗的程度可用补偿度Kc来表示： (3-14) 式中 XL 线路电抗， ； XC 线路串联电容容抗， 。 叫过补偿，整个线路的等值阻抗呈现容性； 叫欠补偿，整个线路的等值阻抗呈现感性； 叫完全补偿，整个线路的等值阻抗呈现阻性； 1 c K , LL X C C L X K X 1 , C C X 1 c K 1 c K 与装设并联电容器相比，串联电容器补偿法 的调压效果显著，特别适合于电压波动频繁、负荷 功率因数低的场合。 但采用串联电容也会带来一些新问题。 串联电容与感应电动机有可能发生共振。 串联电容与变压器也可能发生

28、共振。 六、电压偏差的监测与考核六、电压偏差的监测与考核 电压偏差的监测与考核是评价电力系统电压 质量的重要方法，其结果也是修定无功功率和电压 曲线、制定电网规划和技术改造计划的依据。 电压监测点的设置原则是： （1）与主网（220KV及以上电力系统）直接连接 的发电厂高压母线。 （2）各级调度“界面”处的330KV及以上变电所 的一、二次母线，220KV变电所的二次母线或一次 母线。 （3）所有变电所的10KV母线。 （4）具有一定代表性的用户电压监测点宜采用这样 的选取原则： 所有110KV及以上供电的用户； 所有35KV专线供电的用户； 其他35KV用户和10KV用户； 低压0.4KV用

29、户。 电压监测的方法是在电压监测点安装具有自动 记录和统计功能的“电压监测仪”。它能直接监测 电压的偏差，并能统计电压合格率和电压超限率。 (3-15) (3-16) =100%= 1-100% 电 压 合 格 时 间电 压 超 限 时 间 电 压 合 格 率（） 电 压 监 测 总 时 间电 压 监 测 总 时 间 =100% 电压超限时间 电压超限时间 电压监测总时间 我国电力行业对电压偏差的考核是指各供电 企业的以下五类指标是否满足供电企业安全文明生 产达标和创一流标准。 （1）A类电压合格率城市变电所10母线电 压合格率； （2）B 类电压合格率110KV及以上供电或35 （63）KV

30、专线供电用户的电压合格率； （3）C类电压合格率其他高压用户的电压合格 率 （4）D类电压合格率0.4KV用户的电压合格率 比； （5）供电综合电压合格率计算式为 (3-17) 式中、和分别代表、和 类电压合格率。 B+C+D =0.5A+0.5 3 供电电压合格率（） 表表3-4 3-4 我国某大城市电网我国某大城市电网20022002年供电电压合格率统计年供电电压合格率统计 表表 第三节第三节 电力系统偏差电力系统偏差 频率是电能质量最重要的指标之一。系统负 荷特别是发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。 要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系 统频率，使系统的频率偏差控制在允许的范

31、围内。 允许频率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理 水平的高低，同时反映了一个国家工业发达的程度。 一、频率偏差的定义一、频率偏差的定义 根据工学理论，正弦量在单位时间内交变的 次数称为频率，用f表示，单位为Hz。交变一次所 需的时间称为周期，用T表示，单位为s。频率和周 期互为倒数，即 f=1/T （3-18） 交流电力系统是以单一恒定的标称频率、规定 的几种电压等级和以正弦函数波形变化的交流电向 用户供电。交流电力系统的标称频率分为50Hz和 60Hz两种，我国采用50Hz标称频率（工频）。 不同标称频率的系统要实现互联，必须通过 变频调速装置才能实现并网。 一个常蓄结合式抽水蓄能电站的

32、原理接线图 如图3-7所示。图中，G代表常规发电机组，其额定 频率为50Hz；G/M代表抽水蓄能机组，其工作频 率为30-80Hz。 图图3-73-7常蓄结合式抽水蓄能电站的原理接常蓄结合式抽水蓄能电站的原理接 线线 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际 值与标称值之差称为系统的频率偏差，用公示表示 为 （3-19） 式中 频率偏差，Hz； fre实际频率，Hz； fN系统标称频率，Hz。 频率偏差属于频率变化范畴。电力系统的频率 变化是指基波频率偏离规定正常值的现象。 reN fff f 二、频率偏差限值二、频率偏差限值 我国国家标准GB/T15945-1995电能质量 电 力系统频率允

33、许偏差规定： 系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。 系统容量较小时，可放宽到0.5Hz。 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0.2Hz 一些经济发达国家允许的系统频率偏差为0.1Hz。 日本为0.08Hz。 预计经济发达国家的系统频率允许偏差将达到 0.05Hz 三、频率偏差产生的原因三、频率偏差产生的原因 当系统负荷功率总需求(包括电脑传输环节的 损耗)与系统电源的总供给相平衡时，才能维持所以 发电机组转速的恒定。但是，电力系统中的负荷以 及发电机组的出力随时都在变化。当发电机与负荷 间出现有功功率不平衡时，系统频率就会产生变动， 出现频率偏差。 系统频率上升，频率偏差为正；反之亦

34、成立。 只有在发电机的总输出有功功率等于系统负荷对有 功功率总需求的时候，频率偏差为零。 系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原 因 四、频率偏差的危害四、频率偏差的危害 1.系统频率偏差过大对用电负荷的危害 （1）产品质量没有保障。（工业企业） （2）降低劳动生产率。（影响所传动机械的出力） （3）使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。 2.系统频率偏差过大对电力系统的危害 （1）降低发电机组效率，引起频率或电压崩溃。 （2）汽轮机在低频下运行时易产生叶片共振，造成 叶片疲劳损伤和断裂。 （3）处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器 其主磁通会增加，励磁电流会随之增加，系统所需 无功功率

35、大为增加，导致系统电压水平降低，造成 调压困难。 （4）无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。 （5）频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。 五、电力系统频率调整和控制五、电力系统频率调整和控制 电力系统在正常运行方式下，通过改变发电 机的输出功率使系统的频率变动保持在允许偏差范 围内的过程，称为频率调整。 一次调整 频率调整 二次调整 自动发电控制装的调频方式主要分为三类自动发电控制装的调频方式主要分为三类： 恒定频率控制（FFC） 恒交换功率控制（FTC） 联络线功率频率偏差控制（TBC） 2.电力系统频率控制 电力系统在以下情况下可能出现频率异常： （1）故障后系统失去大量电源，或系

36、统解列 （2）气候变化或意外灾害使负荷发生突变 （3）在电力供应不足的系统中缺乏有效的控制负荷 手段。 （4）高峰和低峰负荷期间，发电机出力的增减速度 与负荷的增减速度不一致。 （5）大型冲击负荷造成的频率波动。 系统频率异常时一般采取以下频率控制措施： （1）应具备足够的负荷备用和事故备用容量； （2）在调度所或变电所装设直接控制用户负荷的装 置 （3）在系统内安装自动切除发电机等。 频率调整和电压调整的差异：频率调整和电压调整的差异： （1）全系统频率相同，而系统中各节点的电压却不 同 （2）系统频率质量主要由系统有功功率平衡状况决 定，而系统电压质量则主要由系统无功功率平衡状 况决定。

37、（3）调整频率只有改变发电机组原动机功率这一唯 一的措施，而调整电压的措施却很多。 第四节第四节 电压三相不平衡电压三相不平衡 一、三相对称与三相不平衡的概念 设三相系统的电流和电压分别为 （3-21） 2cos() 2cos() 2cos() AiA BiB CiC iIt iIt iIt A B C 2cos() 2cos() 2cos() AuA BuB CuC uUt uUt uUt A B C （3-20） 式中，iA、iB 、 iC 和uA、uB 、 uC 分别为A、 B、C三相的瞬时电流和瞬时电压； A、B 、 C 和A、B 、 C 分别为三相电流均方根值 和电压均方根值；分别为

38、三 相电流和电压的初相位；为系统角频率。 三相系统可分为对称三相系统和不对称三相系 统。对称三相系统是指三相电量数值相等、频率相 同、相位互差120度的系统。不同时满足这三个条 件的三相系统是不对称三相系统。 BCuuBuCiAiiA 、和、 换言之，式（3-20）和（3-21）所表示的系统如果同 时满足以下条件 （3-22） （3-23） 那么该系统是对称的，反之则是不对称的。 2 3 2 3 ABC iBiA iCiA IIII 2 3 2 3 ABC uBuA uCuA UUUU 将式（3-22）、（3-23）代人式（3-20）和 （3-21）同时选取A相电流为参考量，记及A相电压 超前

39、于电流 电角度，即令 ，则对称 三相系统可表示为 （3-24） （3-25） 2 cos() 2 2 cos() 3 2 2 cos() 3 iIt iIt iIt A B C 2cos() 2 2cos() 3 2 2cos() 3 uA uUt uUt uUt A B C u =0-= iAAiA ， 三相系统的对称性还表现为：在任意时刻， 三相电量的瞬时值之和为零，用数学公式表示就 （3-26） 和 （3-27） 三相系统又可分为平衡三相系统和不平衡三 相系统。在任意时刻，三相瞬时总功率与时间无关， 这样的系统称为平衡三相系统；在任意时刻，三相 瞬时总功率是时间的函数，这样的系统称为平衡

40、三 相系统。 0 0 ABC ABC iii uuu 根据电工理论，系统在某一时间t吸收的总瞬时功率为三相瞬时功率之和，每一相 的瞬时功率为同一时刻同相电压和电流的乘积，即 （3-28） 式中 总瞬时功率，MVA. PA、 PB、 PCA、B、C三相瞬时功率，MVA。 P P ABCA AB BC C PPPu iu iu i u =0-= iAAiA ， 将式（3-20）和（3-21）代人式（3-28），经整理后 得 （3-28） 上式中第二个方括号与时间有关，一般来说，它不等 于零。对于对称三相系统，将式（3-22）和（3-23） 代入（3-28），并计及 得 （3- 29） Pcos()

41、cos() cos()cos(2) cos(2)cos(2) AAuAiABBuBiB CCuCiCAAuAiA BBuBiBCCuCiC U IU I U IU It U ItU It 2 P3coscos(2) cos(22) 3 2 cos(22)3cos 3 UIUItt tUI 式（3-29）说明对称三相系统在任意时刻的 总瞬时功率是常数，也就是说对称三相系统一定也 是平衡三相系统。对于三相系统，系统的不对称直 接导致不平衡，所以不对称三相系统和不平衡三相 系统在使用上不作严格区分。 三相电压不平衡度是电能质量的重要指标之一。 二、三相不平衡度的定义二、三相不平衡度的定义 根据对称分

42、量法，三相系统中的电量可分解 为正序分量、负序分量和零序分量三个对称分量。 电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方 根值与正序分量均方根值之比定义为该电量的三相 不平衡度，用符号 表示，即 （3-30） （3-31） 1 2 100% U U U 1 2 100% I I I 式中 三相电压不平衡度和三相电流不平衡 度 电压正序、负序分量均方根值，； 电流正序、负序分量均方根值，。 由式（3-30）和（3-31）可见，要计算三相系 统的不平衡度，必须首先计算三相系统的正序和负 序分量。但在实际工作中，往往只知道三相电量的 数值。在不含零序分量的三相系统中，只要知道三 相电量a、b、c，即

43、可由下式求出三相不平衡度： , UI 12 ,U U 12 ,I I （3-32） 式中 工程上为了估算某个不对称负荷的公共连接点上造 成的三相电压不平衡度，可用公式（3-33）进行近 似计算。 1 136 100% 136 L L 444 4222 () abc L abc (3-33) 式中 负荷电流的负序分量，A； 公共连接点的线电压均方根值，KV； 公共连接点的三相短路容量，MVA。 式（3-33）只能用于距离发电厂以及大型电机 电气距离较远的公共连接点处三相电压不平衡度的 近似计算。 2 3 100% 10 L U d I U S 2 I L U d S 在三相对称系统中，由于在某一

44、相上增设了 单相负荷而引起的三相电压不平衡度也可按下式估 算 （3-34） 式中 单相负荷容量，MVA； 计算点的三相短路容量，MVA。 100% L U d S S L S d S 三、三相不平衡度的限值三、三相不平衡度的限值 我国国家标准GB/T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度规定：电力系统公共连接 点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过 4%；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常 电压不平衡度允许值一般为1.3%。 四、三相不平衡产生的原因四、三相不平衡产生的原因 电力系统三相不平衡可以分为事故性不平衡 和正常性不平衡两大类。事故性不平衡由系统中各 种非对称性

45、故障引起。 电力系统在正常运行方式下，供电环节的不 平衡或用电环节的不平衡都将导致电力系统三相不 平衡。 而供电系统的不平衡主要来自于供电线路的 不平衡。 五、三相不平衡的危害五、三相不平衡的危害 系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大 量负序分量。由于负序分量的存在，三相不平衡对 电气设备产生不良影响，具体表现如下： （1）感应电动机。 （2）变压器。 （3）换流器（图3-8）。 （4）继电保护和自动装置。 （5）线损。 （6）计算机。 六、改善三相不平衡的措施六、改善三相不平衡的措施 减小系统三相不平衡的常用方法有如下几种： （1）将不对称负荷合理分布于三相中，使各相负荷 尽可能平衡

46、。 设5个容量不等的单相负荷分别是P1=5MW， S2=15+j7MVA，S3=10+j2MVA，S4=20+j9MVA和 S5=25+j8MVA。采用图3-9（a）的接线方式时，三 相负荷的有功功率均为25MVA，A、B两相的无功 功率同是9Mvar，与C相8Mvar的无功功率相差不大。 在图3-9（b）中，A相负荷为20+j7MVA，B相负荷 为30 j11MVA，C相负荷为25j8MVA。 显然，采用图3-9（a）所示的负荷分配方式采用图3-9 （b）所示的负荷分配方式更有利于系统三相平衡。 （2）将不对称负荷分散接于不同的供电点，减小集 中连接造成的不平衡度过大。 （3）将不对称负荷接

47、于高一级电压供电。 （4）将不对称负荷采用单独的变压器供电。 （5）采用特殊接线的平衡变压器供电。 （6）加装三相平衡装置。 实现三相平衡的原理如图3-10所示。设ab间接有单相 用电负载，见图3-10（a），其导纳 。首先 在该负载上并联电纳 ，使ab相等效负载呈电 阻性，其等效导纳 。 ababab YGjB abab BjB ,ab eqab YG 然后在bc间接入容性电纳 ，在ca间接入感性 电纳 ，如图3-10（b）所示。 3 ab bc G Bj 3 ab ca G Bj 此时各相电流为 可见，三相负荷达到平衡。 . . . . . . () 3 () 3 () 33 CA AAB

48、CAABA abcaabab BC BABBCABB abbcabab BCCA CBCCAC bccaabab U IG UB UGUjG U U IG UB UGUjG U UU IB UB UGjjG U 例3-1 额定电压为380V的3台单相负荷，其参数如下： 负荷1：7.6KVA， 负荷2：7.6KVA， 负荷3：7.6KVA， 试求不同接线方式时的三相电流不平衡度 。 解：3个单相负荷共有6种不同的接线方式，如表3-5 所示。以方式1为例，计算 。方式1的接线示意图 见图3-11。 1 cos1 cos0.866 cos0.707 3个负荷的等效阻抗分别为： 22 1 3 1 38

49、0 (cossin )(10)19( ) 7.6 10 N U Zjj S 设 为参考相量，即令 ， 则 每个负荷上流过的额定电流为 22 2 3 2 22 3 3 3 380 (cossin )(0.8660.5)( ) 7.6 10 380 (cossin )(0.7070.707)( ) 7.6 10 N N U Zjj S U Zjj S . ABU . 380 0 ABUV . 380120,380 120 BCCAUV UV . . 1 1 . . 2 2 . . 3 3 2 0(10 )() 2 0(0 .8 6 60 .5 )() 2 0(0 .2 5 90 .9 6 6 )(

50、) A B B C C A U IjA Z U IjA Z U IjA Z 根据基尔霍夫电流定律，线电流为 由对称分量法可求出线电流中正、负序分量分别为 其中， 。 . 13 . 21 . 32 20 (0.7410.966)( ) 20 ( 1.8660.5)( ) 20 (1.1251.466)( ) A B C IIIjA IIIjA IIIjA . 2 1 . 2 2 1 ()32.8255.14 ( ) 3 1 ()8.57 117.38 ( ) 3 ABC ABC IIaIa IA IIa IaIA 2 1 120 ,1120aa 于是，三相电流不平衡度为 同理，可计算出其余5种接

51、线方式下的 ，见表3-5可 以看出，采用方式5的接线方式时， 最小。 1 2 8.57 100%100%26.11% 32.82 I I I I I 表表3-5 63-5 6种不同接线方式下的种不同接线方式下的 第五节第五节 供电中断与中断可靠性供电中断与中断可靠性 一、供电可靠性的常用指标 供电系统供电可靠性用一系列指标加以衡量。这些供 电可靠性指标按不同电压等级分别计算，并分为主 要指标和参考指标两大类。 1、供电可靠性主要指标 （1）供电可靠率（RS-1）。 （3-35） = 1-100% 用户平均停电时间 供电可靠率 （） 统计期间时间 （2）用户平均停电时间（AIHC-1）。 （3-

52、36） （3）用户平均停电次数（AITC-1） （3-37） （4）用户平均故障停电次数（AFTC） （3-38） = （每次停电持续时间 每次停电用户数） 用户平均停电时间 总供电户数 = 每次停电用户数 用户平均停电次数 总用户数 = 每次故障停电用户数 用户平均故障停电次数 总用户数 2、供电可靠性参考指标 （1）用户平均故障停电时间 （3-39） （2）故障停电平均持续时间 （3- 40） = （每次故障停电时间 每次故障停电用户数） 用户平均故障停电时间 总用户数 = 故障停电时间 故障停电平均持续时间 故障停电次数 （3）平均停电次数 （3-41） （4）故障停电平均用户数 (3-

53、42） 供电可靠率与年平均停电时间的对应关系如表3-6所示。 = 每次停电用户数 平均停电用户数 停电次数 = 每次故障停电用户数 故障停电平均用户数 故障停电次数 表表3-6 3-6 供电可靠率和平均停电时间的关系供电可靠率和平均停电时间的关系 上述供电可靠性指标中的停电指长时间供电 中断，即供电电压幅值为零，且持续时间超过5min （或1min以上）的现象。 按照供电中断的性质划分，供电中断可以分为 两大类： 预安排供电中断 故障故障供电中断 详见图3-12。 图图3-12 3-12 （长时间）供电中断分类（长时间）供电中断分类 二、供电中断的危害 导致系统频率崩溃和电压崩溃 对国民经济其

54、他行业产生重大影响 三、供电中断产生的原因即提高供电可靠性的措施 （1）设备质量缺陷； （2）人员误操作； （3）自然灾害； （4）继电保护； （5）运行管理水平低。 除针对上述原因而采取的提高供电可靠性的措 施以外，以下措施也有利于改善系统的供电可靠性。 （1）加强网架结构，合理分布电源及无功补偿设备。 （2）采用自动化程度很高的系统。 （3）各负荷的供电方式应根据负荷对供电可靠性的 要求和地区供电条件确定。 1）一级负荷应由两个独立电源供电。 2）二级负荷应由两回线路供电。 3）三级负荷对供电方式无要求。 第四章第四章 电压波动与闪变电压波动与闪变 第一节 基本概念 一、均方根值电压的变动

55、特性 一个理想的供电系统其三相交流电源对称、电 压均方根值恒定，并且负荷特性与系统电压水平无 关。这就要求电力用户的负荷分配三相平衡，并以 恒定功率汲取电能，同时也要求公共连接电的短路 容量无穷大，系统的等值电抗为零。但实际的供电 电压时刻都在变化。因此，凡不保持电压均方根值 恒定不变的现象，实际电压偏离系统标称电压的现 象统称为电压变动。 在电学计算中，通常以电压整周期的均方根值来衡量 电压的大小。在工程上当电压均方根值出现变动情 况时，一般可取半个周期均方根值来计算电压。电 压均方根值的离散计算公式为 （4-1） 式中 N一个周期内的采样点数。 第k个点的电压瞬时值，V。 1 2 0 1

56、U N RMSk N u N k u 在这里特别强调“均方根值电压”是因为在 分析电压质量时，有时要与瞬时值电压超标的情况 区别开来。电压瞬时值的改变可以用以下表达式描 述 （4-2） 0 ( )( )cos m u tf t Ut 式中f (t)函数可能有各种各样的变化，由此引起的电压瞬时值的 多种改变。例如，在晶闸管换流器的换相过程中电源电压波形 会出现陷波，此时f (t)为工频一周期内分段出现的矩形波函数， 其结果使电压瞬时值等间隔发生缺口。对这种现象则以缺口的 深度和宽度来进行评估，而对于f (t)为短时脉冲函数时所造成的 电压幅值快速突变，一般不列入电压均方根值的变动范围。 均方根值

57、电压变动特性U(t)，是指沿基波半个周期及其整数倍 求取的电压均方根值随时间变化的函数关系，如图4-1所示。图 中U1,U2,Uk为等间隔记录的电压均方根值。现已电动机启动所 引起的电压均方根值典型变动曲线为例来说明变化关系。 从图4-1可见，在t1时刻由于电动机开始启动，连接电动机的端 电压开始下降，至t2时刻电压下降至最低点，此时刻电压的变动 值为电压变动 特性的最大变动值。随着电动机的转速加 快，从t2点端电压回升，至t3时刻电动机达 到额定转速，启动过程结束，供电端电压 进入持续稳定状态。 图4-1中电动机启动结束后的稳定电压均 方根值与额定电压之差的为稳态电压变动 值，启动过程中相邻

58、两点极致两点电压之 差为动态电压的变动值。均方根值电压变 动特性也可以用相对电压变动特性d(t)来 描述，图中纵坐标 在电能质量标准中，通常以标称电压的现 对百分数来表示电压变动值，即 12 NN UU d(t)=100%100% UU U (4-3a) N U(t) d(t)= U 同理，将式中电压变动量替换为上述定义的变动值，可以分别 给出相对稳态电压变动值 (4-3b) 相对动态电压变动值 (4-3c) 相对最大电压变动值 (4-3d) 均方根值电压的变动是系统运行中常出现的电压质量现象。为 此，国际电工委员会相关标准规定：在低压民用电力网中，相 对电压变动值 c N d1 0 0 %

59、U c U d N d100% U d U max max N d100% U U 应不超过3%；相对动态电压变动值 超过3%的持续时间不应超 过200ms；相对最大电压变动 应不超过4%。 由第三章分析可知，系统电压质量指标是与负荷特性密切相关 的。其中负荷的无功功率需求的变化是引起的电压变动的主要 因素，有统计分析表明，配电网系统中由于无功功率造成的电 压损失约占电压总损失的65%当代电力系统中，新型的功率冲击 性和波动性负荷越来越 d d max d 多，如炼钢用电弧炉，由可控硅整流供电的轧钢机，矿山卷扬 机电焊机，电力机车等，其功率高达几万千瓦甚至几十万千瓦， 由于这类干扰性负荷的功率

60、因数普遍较低且无功功率变化较大， 所以在其运行时将引起公共连接点的电压幅值大幅度快速变动， 严重时可能使同一电磁环境下的其他电气设备不能正常工作。 尽管电力系统规模在迅速扩大，然而这类负荷仍然会对配电系 统的局部地区或供电末端的电压质量造成不可忽视的影响。 除了上述波动性负荷引起电压变动这一常见原因外，电压变动 特性还与配电系统自身的无功功率补偿设备投切控制，开关操 作以及线路故障等许多因素有关。现代工业的发展和生产实践 已要求我们必须对电压均方根值的变动特点及其影响进行认真 的分析和深入的认识。 二 典型的电压变动现象 为了对电力系统运行过程中可能出现的各种典型电压变动分别 予以分析，通常还