电能质量与节能 技术

1、电能电能质量和质量和节能节能技术技术 我们的目标：创造安全、我们的目标：创造安全、 绿色、高效的供电系统。绿色、高效的供电系统。 高质量的供电系统高质量的供电系统 也是节能的。也是节能的。 现代供电系统电能形式 多样化- 火电、水电、核电、风电、光火电、水电、核电、风电、光 电、潮汐电电、潮汐电 更凸现提高电能质量 和节电的重要地位-智能电网智能电网 供电电能质量供电电能质量: 频率频率 电压波动电压波动 波形畸变波形畸变 电压闪变电压闪变 功率因数功率因数 三相系统不平衡三相系统不平衡 均已制订有响应的国家标准均已制订有响应的国家标准 供电现状供电现状 提高供电质量和节能的方向措施提高供电质

2、量和节能的方向措施 电力部门努力提高供电质量电力部门努力提高供电质量 现实电力市场有多因素干扰现实电力市场有多因素干扰 实际提高电能质量需求旺盛实际提高电能质量需求旺盛 一、频率一、频率 frequency 国标规定电网供电频率为国标规定电网供电频率为50 0.5Hz。 对频率敏感的仪器或设备影响大。如对频率敏感的仪器或设备影响大。如 同步机、电钟、调谐设备等。同步机、电钟、调谐设备等。 一般频率由供电系统确定一般频率由供电系统确定. 二、电压波动二、电压波动 magnitude of a voltage fluctuation 电压波动为电压最大和最小有效值之电压波动为电压最大和最小有效值之

3、 差与额定电压的百分数，即差与额定电压的百分数，即 电压波动常会引起许多电工设备不能正常工作。电压波动常会引起许多电工设备不能正常工作。 如轧钢机轧制的钢板出现花纹，影响钢板质量。如轧钢机轧制的钢板出现花纹，影响钢板质量。 100%100% MINMAX NN UU U UU V 国标规定了各个电压等级的电压国标规定了各个电压等级的电压 波动允许范围，波动允许范围， 额定电压额定电压kV 电压波动允许值电压波动允许值V t，% 10及以下及以下 2.5 35-110 2 220及以上及以上 1.6 引起电压波动的原因是系统内的引起电压波动的原因是系统内的 无功功率或无功电流变化。无功功率或无功

4、电流变化。 电压波动计算电压波动计算: U=Q / Smin 式中：式中： Smin为系统最小短路容量。为系统最小短路容量。 三、三相不平衡度三、三相不平衡度unbalance factor 由于长距离送电或大功率不对称的负荷由于长距离送电或大功率不对称的负荷 （如电气化铁路）的存在，会引起供电（如电气化铁路）的存在，会引起供电 系统三相不平衡现象。系统三相不平衡现象。 三相电力系统中三相不平衡的程度，用电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压或电流负序分量与正序分量的方均根 值百分比表示。值百分比表示。 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为电力系统公

5、共连接点正常电压不平衡度允许值为 2，短时不得超过，短时不得超过4。 100% b n m U U V 以上指标与节能的关系不太大，以上指标与节能的关系不太大， 但以下几项就有直接的关系。但以下几项就有直接的关系。 四、闪变四、闪变flicker 闪变是人对照度波动的主观视感。闪变是人对照度波动的主观视感。 引起闪变的设备主要有电弧炉、点焊机等。引起闪变的设备主要有电弧炉、点焊机等。 供电系统里伴随闪变会有大量的无功流，供电系统里伴随闪变会有大量的无功流， 虽然是瞬间发生，但这种无功电流的量虽然是瞬间发生，但这种无功电流的量 很大，所以造成的损耗就大。很大，所以造成的损耗就大。 容量小于容量小

6、于10MVA的电弧炉变压器常在的电弧炉变压器常在 高压侧装设电抗器，以降低短路电流和高压侧装设电抗器，以降低短路电流和 稳定电弧电流；而较大容量电弧炉的变稳定电弧电流；而较大容量电弧炉的变 压器，由于其本身漏抗已大不需再串电压器，由于其本身漏抗已大不需再串电 抗器。抗器。 电弧炉闪变可预测：电弧炉闪变可预测： 短路压降法（短路压降法（scvd） 最大无功功率变动量法最大无功功率变动量法 互降常数法互降常数法 节能计划节能计划: 1,供电系统的容量足够大时，也能减少闪供电系统的容量足够大时，也能减少闪 变的发生，因而减少损耗。变的发生，因而减少损耗。 2,直流电弧炉电流平稳，且三相对称，与直流电

7、弧炉电流平稳，且三相对称，与 同容量交流电弧炉比，电压波动和闪变同容量交流电弧炉比，电压波动和闪变 可降可降50%，因而节能，但投资较大，大，因而节能，但投资较大，大 约比交流电弧炉增加约比交流电弧炉增加30%以上。以上。 3,另解决方法是在发生闪变现象的供电系另解决方法是在发生闪变现象的供电系 统装设统装设SVC（静止无功补偿装置），可（静止无功补偿装置），可 以瞬间补偿大量的无功，从而达到节能以瞬间补偿大量的无功，从而达到节能 的目的。有关的目的。有关SVC,后面有介绍后面有介绍. 五、功率因数五、功率因数 power factor 供电系统的功率因数与节能增容有关。供电系统的功率因数与节

8、能增容有关。 P有功功率有功功率 kW Q无功功率无功功率 kVar S视在功率视在功率 kVA 功率因数功率因数 COS = P / S S Q P 222 QSp 供电管理部门对功率因数有要求供电管理部门对功率因数有要求,一般为一般为 COS 0.9 功率因数低时，较大的功率因数低时，较大的无功电流无功电流造成很造成很 大的供电系统大的供电系统有功损耗有功损耗，并会引起较大，并会引起较大 的的线路压降线路压降，使负荷端电压较低，影响，使负荷端电压较低，影响 用电质量用电质量设备欠压运行。动力设备设备欠压运行。动力设备 长期欠压运行的后果则是动力设备烧毁。长期欠压运行的后果则是动力设备烧毁。

9、 COS 较低时需进行无功补偿较低时需进行无功补偿电容电容 供电系统的无功补偿量供电系统的无功补偿量(即补偿电容容量即补偿电容容量) 可以计算可以计算 Q=P（tg -tg ） PP S Q Q S 1 2 损耗与供电电流的平方成正比损耗与供电电流的平方成正比。 供电系统供电电流如能降低供电系统供电电流如能降低20%,则则 在供电系统输电线上的有功损耗降在供电系统输电线上的有功损耗降 低低36%. 所以补偿功率因数减少供电系统的所以补偿功率因数减少供电系统的 线损有很大节能意义线损有很大节能意义. 对一配电变压器，其所需配对一配电变压器，其所需配 置的无功功率补偿量可以置的无功功率补偿量可以估

10、估 算算为配电变压器容量的为配电变压器容量的1/3。 如配电变压器容量为如配电变压器容量为1250 kVA， 则可估算电容器的补偿量约为则可估算电容器的补偿量约为 450 kVar。 就地补偿和集中补偿就地补偿和集中补偿 12500kVA 8% 10kV 负荷 集中 补偿 就地 补偿 原则是采用就地补偿方式原则是采用就地补偿方式 所以在条件满足时，所以在条件满足时， 应采用就地补偿应采用就地补偿 降低供电系统线损、降低供电系统线损、 增加变压器出力增加变压器出力 六六 、谐波、谐波harmornic 国际上公认的谐波定义为国际上公认的谐波定义为“谐波谐波 是一个周期电气量的正弦波分量是一个周期

11、电气量的正弦波分量, 其频率为基波频率的整数倍其频率为基波频率的整数倍“， 由于谐波的频率是基波频率的整由于谐波的频率是基波频率的整 数倍数倍,常称之为常称之为“高次谐波高次谐波”。 权威谐波定义: “谐波分量为周期量的傅立叶级数中谐波分量为周期量的傅立叶级数中 大于大于1的的h次分量次分量”.(IEV101-04-39) 对谐波对谐波h次的定义为次的定义为“以谐波频率和以谐波频率和 基波频率之比表达的整数基波频率之比表达的整数”.(IEV101-04- 40) “谐波为一周期波或量的正弦波分量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其频率为基波频率的整数倍”.(IEEE标标

12、 准准519-1981) 谐波谐波 现场实测到的谐波电压和电流波形 供电系统谐波产生主要有两类负荷：供电系统谐波产生主要有两类负荷： 1. 半导体非线性元件半导体非线性元件; 2. 含电弧和铁磁非线性设备含电弧和铁磁非线性设备. 半导体电力电子设备是由于电路中强迫换流而半导体电力电子设备是由于电路中强迫换流而 产生谐波，比如三相全波整流。这是应用最多产生谐波，比如三相全波整流。这是应用最多 产生谐波的电路。产生谐波的电路。 变压器设计不当和电弧炉也产生谐波。变压器设计不当和电弧炉也产生谐波。 冶金、钢铁、石油、半导体、电气化铁道、冶金、钢铁、石油、半导体、电气化铁道、 半导体等行业是谐波的产生

13、大户。半导体等行业是谐波的产生大户。 常用工业设备常用工业设备整流整流(直流直流)电源，变电源，变 频电源。如电解铝厂的电解槽设备，钢频电源。如电解铝厂的电解槽设备，钢 厂轧钢机、电弧炉，直流镀膜设备，半厂轧钢机、电弧炉，直流镀膜设备，半 导体材料生产设备，中频熔炼炉等都是导体材料生产设备，中频熔炼炉等都是 产生谐波的设备，其产生的谐波对供电产生谐波的设备，其产生的谐波对供电 系统有不可忽视的破坏作用。系统有不可忽视的破坏作用。 近年来近年来, ,电力电子技术的发展及其工电力电子技术的发展及其工 业和交通部门的供电系统中业和交通部门的供电系统中, ,广泛的应广泛的应 用用 ( (电气化铁道电气

14、化铁道, ,电弧炉炼钢等电弧炉炼钢等),),谐波的有谐波的有 害影响已十分严重害影响已十分严重. .世界许多国家世界许多国家, ,包括包括 我国，先后制订相应的国际标准和国家我国，先后制订相应的国际标准和国家 标准加以限制标准加以限制. . 当正弦基波电压施加于非线性负当正弦基波电压施加于非线性负 荷时荷时,负荷吸收的电流与施加的电压负荷吸收的电流与施加的电压 波形不同波形不同, 畸变的电流会影响电流回畸变的电流会影响电流回 路中的配电设施路中的配电设施,如变压器如变压器,开关设备开关设备 等等,产生畸变电压产生畸变电压,然后影响所有负荷然后影响所有负荷. 此谐波电流值实际上与此谐波电流值实际

15、上与50Hz的基波的基波 电压和供电网的阻抗无关电压和供电网的阻抗无关.因此大多因此大多 数的谐波源可视为数的谐波源可视为”恒流源恒流源”. 研究谐波问题的意义研究谐波问题的意义 供电谐波属于电力系统污染供电谐波属于电力系统污染,其影响其影响 比自然环境污染范围大比自然环境污染范围大,距离远。距离远。 谐波污染主要影响谐波污染主要影响: 1对旋转电机产生附加功率损耗和对旋转电机产生附加功率损耗和 发热，产生脉动转矩发热，产生脉动转矩, 降低出力；降低出力； 2对无功补偿电容器组引起谐振或对无功补偿电容器组引起谐振或 谐波电流放大，导致电容器因过谐波电流放大，导致电容器因过 负荷过电压而损坏；对

16、电力电缆负荷过电压而损坏；对电力电缆 也会造成过负荷或过电压击穿；也会造成过负荷或过电压击穿； 3对供电网和导线增加损耗对供电网和导线增加损耗,严严 重的甚至烧毁；重的甚至烧毁； 4电流波形的畸变明显影响电流波形的畸变明显影响 断路器的断路容量；断路器的断路容量； 熔断器是由于发热熔断器是由于发热, 熔片熔断的熔片熔断的. 熔断器由几个带状熔片组成，熔断器由几个带状熔片组成， 它们对谐波过流集肤效应引起的它们对谐波过流集肤效应引起的 发热很敏感；发热很敏感； 5 5变压器会增加附加发热变压器会增加附加发热, , 降低带负荷能力降低带负荷能力; ; 6 6调速驱动器调速驱动器(ASD)(ASD)

17、在谐波干扰下在谐波干扰下, , 影响其工作状态影响其工作状态; ; 7. 7. 电子设备的信号系统受干扰电子设备的信号系统受干扰 工作不正常工作不正常; ; 8. 照明设备寿命降低照明设备寿命降低; 9. 对继电保护和自控装置产生误动对继电保护和自控装置产生误动 作作 或拒动或拒动; 10.影响仪表电量计量准确或损坏影响仪表电量计量准确或损坏; 11.造成通讯干扰造成通讯干扰. 从以上内容可见，谐波导致系统损耗增从以上内容可见，谐波导致系统损耗增 加是明显而突出的后果，应有效消除供加是明显而突出的后果，应有效消除供 电系统的谐波。电系统的谐波。 对谐波的管理和监测对谐波的管理和监测 必须区别谐

18、波和暂态现象，根据傅立叶级必须区别谐波和暂态现象，根据傅立叶级 数的基本理论，被变换的波形必须是周期性数的基本理论，被变换的波形必须是周期性 的和不变的。的和不变的。 中华人民共和国国家标准中华人民共和国国家标准 电能质量电能质量 公用电网谐波公用电网谐波 GB/T1454993 一般变流装置的原理结构为一般变流装置的原理结构为 三相交三相交直整流、交直整流、交直直交变频交变频 和交和交交变频（较少应用）。交变频（较少应用）。 大量应用的为大量应用的为 交交直整流和交直整流和交直直交变频设备。交变频设备。 直 流 + inverter 中 频 这类设备在三相电源交流侧产这类设备在三相电源交流侧

19、产 生的特征谐波电流次数由整流脉波生的特征谐波电流次数由整流脉波 数决定：数决定： 六脉波整流：六脉波整流： h=6P1 P=1,2,3, 则可以确定，则可以确定， 供电系统产生的特征谐波主要为供电系统产生的特征谐波主要为5、7、11和和 13次谐波。次谐波。 谐波次数越高，谐波含量越小。谐波次数越高，谐波含量越小。 所以更高次的谐波可忽略。所以更高次的谐波可忽略。 Y 十二脉波整流十二脉波整流: h=12P1 P=1,2,3, 根据这个原理，可以设计制造高脉波整流设根据这个原理，可以设计制造高脉波整流设 备，以减少某些谐波含量，达到节能的目的。备，以减少某些谐波含量，达到节能的目的。 变流设

20、备在产生谐波的同时，使变流设备在产生谐波的同时，使 设备运行功率因数也比较低，影设备运行功率因数也比较低，影 响供电质量。响供电质量。 一般此类设备的功率因数在一般此类设备的功率因数在0.7-0.8 左右。（现有些整流变频设备应左右。（现有些整流变频设备应 用新技术后，其功率因数能达到用新技术后，其功率因数能达到 0.9以上）。以上）。 供电系统存在谐波就应该进行治理。供电系统存在谐波就应该进行治理。 一般采用装设无源滤波器（一般采用装设无源滤波器（FC）的）的 技术来达到滤波的目的。技术来达到滤波的目的。 装设滤波器的同时可以对供电系统装设滤波器的同时可以对供电系统 进行功率因数的补进行功率

21、因数的补 偿，一举两得。偿，一举两得。 高压（高压（10kV）滤波补偿装置）滤波补偿装置 低压低压 （400V） 滤波滤波 补偿装置补偿装置 常用滤波器（常用滤波器（FC）有多种结构，如下图所示。）有多种结构，如下图所示。 常用滤波补偿支路及其接线方式常用滤波补偿支路及其接线方式 (1)单调谐滤波支路单调谐滤波支路 (2)二阶减幅型滤波支路二阶减幅型滤波支路 (3)C型滤波支路型滤波支路 L C L R C L C1 C2 R （2） （3）（1） 单调谐滤波器由于其结构简单、维护单调谐滤波器由于其结构简单、维护 方便及价格较低而被广泛采用。方便及价格较低而被广泛采用。 由于大多生产负荷是在不

22、断变化的，由于大多生产负荷是在不断变化的， 所以滤波支路补偿量也要跟随发生变化，所以滤波支路补偿量也要跟随发生变化， 否则会出现过补偿现象否则会出现过补偿现象 （过补偿也会耗能）。（过补偿也会耗能）。 静止无功补偿装置静止无功补偿装置SVC 静止无功补偿装置有多种结构静止无功补偿装置有多种结构 TCT、TCR、TSC、SR。 TCRTSCSRTCT 静止无功补偿装置静止无功补偿装置(SVC)的多种结构简图的多种结构简图 实例 单晶炉 可投切单调谐滤波支路 400V 单晶炉装设可投切单调谐滤波支路后单晶炉装设可投切单调谐滤波支路后, , 功率因数从功率因数从0.70.7提高到提高到0.98,0.98, 实际工作电流从实际工作电流从190A190A降到降到150A,150A, 现代技术现代技术有源滤波器有源滤波器 Active Passion Filter 有源滤波简单理解就是波形补偿，因有源滤波简单理解就是波形补偿，因 为谐波是非线性负荷使供电波形发生畸为谐波是非线性负荷使供电波形发生畸 变，只