第三章传统电能质量

1、传统电能质量分析与改善措施传统电能质量分析与改善措施定义（描述指标）、产生的原因、危害和改善措施定义（描述指标）、产生的原因、危害和改善措施供电电压偏差供电电压偏差100%reNNUUUU电压偏差产生的原因电压偏差产生的原因 2USZ1ULZ PCC P+jQ 图中图中 为供电系统的无限大电源母线电压，即开路电压；为供电系统的无限大电源母线电压，即开路电压；U2为公共连接点（为公共连接点（PCC）的母线电压；）的母线电压； 为为PCC的系统的系统阻抗，阻抗， 为负荷阻抗；为负荷阻抗；PjQ 为负荷的复功率。为负荷的复功率。0USZRjXLZZU1UU2UIHURUXURjX设设*2SPjQUI

2、220UU*22SPjQIUU负载的复功率为负载的复功率为所以线路中的电流相量为所以线路中的电流相量为线路首末端的相量差，即线路的电压降为线路首末端的相量差，即线路的电压降为12()UUUI RjX22ZHPRQXPXQRUjUjUUU ,ZHUU分别称为电压降分别称为电压降 的纵向和横向分量的纵向和横向分量U线路首末端电压有效值之差，即电压损失线路首末端电压有效值之差，即电压损失2PRQXUU12UUU一般来说线路两端电压的相角差很小，电压降的横向分量对一般来说线路两端电压的相角差很小，电压降的横向分量对电压损失影响不大，可将纵向分量近似看成电压损失，即电压损失影响不大，可将纵向分量近似看成

3、电压损失，即110kV及以上电压等级输电线路，其电抗远大于电阻，因及以上电压等级输电线路，其电抗远大于电阻，因此无功功率对电压损失的影响远大于有功功率，即此无功功率对电压损失的影响远大于有功功率，即2QXUU由以上分析可见：由以上分析可见：系统无功功率不平衡（无功电源不足或过剩、分配与分布系统无功功率不平衡（无功电源不足或过剩、分配与分布不合理，如负荷与出力变化、运行方式和网络结构变化等）不合理，如负荷与出力变化、运行方式和网络结构变化等）是造成电压偏移标称值的根本原因。是造成电压偏移标称值的根本原因。ULLjIIIsincosLLjIIIsincosLLjUIUIIUjQPSsincosLL

4、IjIIsincos)sinIRcosIX( jsinIXcosIRIZULSLSLSLSSXRUjURUXU090RUXULSLSsinIXcosIRUUPLcosIUQLsinIUQXPRUSS1002NSSUQXPR(%)d2(/)(%)100100SSSSNkR P XQRXPQdUS NUSRSXQ,P kSMVASSX/R100(%)kSQd电压波动与无功补偿容量的算例电压波动与无功补偿容量的算例当无功功率以当无功功率以Mvar为单位，短路容量用为单位，短路容量用MVA表示，则表示，则kSQd(%)例如，一个容量为例如，一个容量为200Mvar的电容器组投入运行，接入点短路容量为的

5、电容器组投入运行，接入点短路容量为10000MVA，则会引起，则会引起 2的电压波动。的电压波动。又如，一个母线的电压波动为又如，一个母线的电压波动为3，该点短路容量等于，该点短路容量等于5000MVA，则，则为此安装的抑制电压波动的无功补偿容量为：为此安装的抑制电压波动的无功补偿容量为： 150Mvar。注意到，上例中注意到，上例中150MVA说明感性无功和容性无功补偿的互补作用。说明感性无功和容性无功补偿的互补作用。还需注意到，电容补偿的固有缺点：其还需注意到，电容补偿的固有缺点：其补偿容量与接入点电压的平方成补偿容量与接入点电压的平方成正比。因此，系统大量依靠电容器补偿无功存在电压稳定的

6、脆弱性。正比。因此，系统大量依靠电容器补偿无功存在电压稳定的脆弱性。功率波动性负荷一般分类功率波动性负荷一般分类电压偏差超过允许范围的危害电压偏差超过允许范围的危害电压降低引起电力系统失稳电压降低引起电力系统失稳1 1）假定电动机机械负荷为恒功率负荷，）假定电动机机械负荷为恒功率负荷，端电压的降低导致电动机定子电流的端电压的降低导致电动机定子电流的增加增加; ;2 2）定子电流的增加增大了输电线上）定子电流的增加增大了输电线上的电压降落，迸一步降低了电动机的的电压降落，迸一步降低了电动机的端电压端电压3 3）端电压的下降引起线路电容充电无功功率的减小，使系统中无功更加短）端电压的下降引起线路电

7、容充电无功功率的减小，使系统中无功更加短缺缺; ;4 4）电动机定子电流增加导致发电机输出电流的增加，在发电机励磁电流已）电动机定子电流增加导致发电机输出电流的增加，在发电机励磁电流已达极限不能再增加后，由于电枢反应将引起气隙磁通的减少，导致发电达极限不能再增加后，由于电枢反应将引起气隙磁通的减少，导致发电机内电动势的减小，从而降低发电机端电压，同时也减少了发电机的无机内电动势的减小，从而降低发电机端电压，同时也减少了发电机的无功输出，使系统各节点电压进一步降低。功输出，使系统各节点电压进一步降低。如此形成恶性循环，引起电压的持续下降，直至电压崩溃。如此形成恶性循环，引起电压的持续下降，直至电

8、压崩溃。n对经济运行的影响对经济运行的影响当线路输送功率一定时，输电线路和变压器的运行电流与电压当线路输送功率一定时，输电线路和变压器的运行电流与电压成反比，低电压导致电流增大，系统的有功损耗、无功损耗、成反比，低电压导致电流增大，系统的有功损耗、无功损耗、电压损失都会增加。电压损失都会增加。当电压过高时电晕损耗大大增加，使系统运行成本明显增加。当电压过高时电晕损耗大大增加，使系统运行成本明显增加。改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施R+jX 1:K1 K2:1 P +jQ T2 T1 US L UL 以上图单机以上图单机- -单负荷两极变压器的简单电力系统为例，忽略对地电容，单负荷两极变压器

9、的简单电力系统为例，忽略对地电容，并将网络参数归算至高压侧，则并将网络参数归算至高压侧，则可见使可见使U UL L变化的措施：变化的措施：(1) (1) 调整调整U US S；(2) (2) 调整变比调整变比K K1 1、K K2 2；(3) (3) 改变功率分布改变功率分布( (以以Q Q为主为主) )；(4) (4) 改变网络参数改变网络参数R+jX(R+jX(以以X X为主为主) )。11221P1()()LssNRQXUU kUU kkUk方式：调节励磁电压方式：调节励磁电压适用于直接由发电机供电的小系统、线路不长；适用于直接由发电机供电的小系统、线路不长；易于实现逆调压易于实现逆调压

10、, , 实质上是调节系统中发电机的无功输出。实质上是调节系统中发电机的无功输出。缺点：缺点：发电机通过较长线路、多电压级输电发电机通过较长线路、多电压级输电, , 此时最大、最小负此时最大、最小负荷时电压损耗之差往往大于荷时电压损耗之差往往大于5%; 5%; 而发电机的机端负荷允许发电而发电机的机端负荷允许发电机的电压调整范围为机的电压调整范围为5%-0, 5%-0, 所以满足不了远方负荷的要求。所以满足不了远方负荷的要求。多机系统中多机系统中, , 实际上是改变发电机间无功分配实际上是改变发电机间无功分配, , 与无功备与无功备用、无功的经济分配有矛盾。用、无功的经济分配有矛盾。因此因此,

11、, 发电机调压仅作辅助措施发电机调压仅作辅助措施 改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施利用发电机调压利用发电机调压改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施改变变压器变比改变变压器变比u 普通变压器普通变压器u 有载调压变压器有载调压变压器条件条件: 从整个系统来看从整个系统来看, , 必须无功电源充足。变压器本身不是无必须无功电源充足。变压器本身不是无功电源功电源, , 当系统中无功电源不足时当系统中无功电源不足时, , 达不到调压要求达不到调压要求。特别注意：特别注意：当系统无功电源缺额较大时，系统电压水平偏低。如果此当系统无功电源缺额较大时，系统电压水平偏低。如果此时采用有载调压变压器进行调压

12、，使二次测电压升高则无功缺时采用有载调压变压器进行调压，使二次测电压升高则无功缺额将全部转嫁到主网上，使主网电压下降更加严重，甚至甚至额将全部转嫁到主网上，使主网电压下降更加严重，甚至甚至可能造成系统电压崩溃可能造成系统电压崩溃利用利用TVR装置改善复杂配电网电压偏差装置改善复杂配电网电压偏差 改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施无功补偿无功补偿u 同步调相机同步调相机优点：调节速度快；优点：调节速度快； 双向调节（即可发出感性无功，也可吸收感性无功）；双向调节（即可发出感性无功，也可吸收感性无功）； 连续平滑调节。连续平滑调节。缺点：旋转机械，维护复杂；投资较大缺点：旋转机械，维护复杂；投资

13、较大u 并联电容器并联电容器优点：设计简单；容量灵活；安全可靠；投资少；维护方便。优点：设计简单；容量灵活；安全可靠；投资少；维护方便。缺点：对系统有一定冲击；不能连续调节。缺点：对系统有一定冲击；不能连续调节。u 并联电抗器并联电抗器吸收线路充电功率，抑制过电压；有利单相重合闸。吸收线路充电功率，抑制过电压；有利单相重合闸。并联电容器并联电容器并联电抗器并联电抗器u静止无功补偿器静止无功补偿器（SVCSVC） 调节速度快；双向调节；连续平滑调节；静止器件，维护方便，调节速度快；双向调节；连续平滑调节；静止器件，维护方便，可靠性高。可靠性高。分裂导线数分裂导线数电抗值电抗值欧欧/Km充电无功充

14、电无功Mvar/Km波阻抗波阻抗欧欧/Km自然功率自然功率MW10.460.9836176220.351.29271101530.311.45241114240.281.582211246改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施改变线路参数改变线路参数采用分裂导线减小线路电抗采用分裂导线减小线路电抗线路中串联电容器线路中串联电容器2U1U R+jXL P+jQ -jXC 并并 补补串串 补补减少无功流动，直接减少线路有功损耗减少无功流动，直接减少线路有功损耗提高电压水平而减少有功损耗，提高电压水平而减少有功损耗，等容量下不如并补作用强等容量下不如并补作用强减少无功流动而减少电压损耗，不如串减少无功

15、流动而减少电压损耗，不如串补明显补明显由由X XC C上负电压损耗抵偿上负电压损耗抵偿X XL L上上的的电压损耗，适用于电压波动电压损耗，适用于电压波动频繁、功率因数低的场合频繁、功率因数低的场合优点：提高线路输送能力和系统的稳定性。优点：提高线路输送能力和系统的稳定性。缺点：可能引起铁磁谐振、次同步谐振。缺点：可能引起铁磁谐振、次同步谐振。补偿系数补偿系数 KC=XC/XL电压偏差的监测与考核电压偏差的监测与考核电压监测点的设置原则：电压监测点的设置原则：1 1）与主网（）与主网（220kV220kV及以上）直接连接的发电厂高压母线；及以上）直接连接的发电厂高压母线；2 2）各级调度界面处

16、）各级调度界面处330kV330kV及以上变电所的一、二次母线，及以上变电所的一、二次母线， 220kV220kV变电所的一次或二次母线；变电所的一次或二次母线；3 3）所有变电所的）所有变电所的10kV10kV母线；母线；4 4）具有一定代表性的用户电压监测点；）具有一定代表性的用户电压监测点；u 所有所有110kV110kV及以上供电的用户；及以上供电的用户；u 所有所有35kV35kV专线供电的用户；专线供电的用户；u 其它其它35kV35kV和和10kV10kV用户中每用户中每1 1万万kWkW负荷至少设一个监测点，重负荷至少设一个监测点，重要用户，代表性要用户，代表性10kV10kV

17、末端用户；末端用户；u 低压用户（低压用户（0.4kV0.4kV）每百台配变至少设一个监测点，并且应）每百台配变至少设一个监测点，并且应设置于重要用户及有代表性的配电网首末端用户。设置于重要用户及有代表性的配电网首末端用户。考核指标考核指标 ：电压合格率：电压合格率电压合格率电压合格率=（电压合格时间（电压合格时间/电压监测总时间）电压监测总时间）* * 100%100% = =（1-1-电压超限时间电压超限时间/ /电压监测总时间）电压监测总时间）* 100%电压超限率电压超限率=（电压超限时间（电压超限时间/电压监测总时间）电压监测总时间）* 100%A A类电压合格率：城市类电压合格率：

18、城市10kV10kVB B类电压合格率：类电压合格率：110kV110kV及及35kV35kV、63kV63kV专线供电专线供电C C类电压合格率类电压合格率: : 其它高压用户其它高压用户C C类电压合格率：类电压合格率：0.0.4kV4kV供电电压合格率供电电压合格率=0.5=0.5* *A+0.5A+0.5* *(B+C+D)/3(B+C+D)/3电力系统频率偏差电力系统频率偏差reNfffn频率频率 正弦量在单位时间内交变的次数称为频率。我国采正弦量在单位时间内交变的次数称为频率。我国采用用50Hz50Hz为标称频率。为标称频率。频率偏差产生的原因：频率偏差产生的原因：系统有功功率不平

19、衡是产生频率偏差的根本原因。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。在任意时刻，如果系统发电机的输出的总有功功在任意时刻，如果系统发电机的输出的总有功功率大于系统负荷的有功功率需求（包括输电环节率大于系统负荷的有功功率需求（包括输电环节的有功损耗）则频率上升。反之，频率下降。的有功损耗）则频率上升。反之，频率下降。频率偏差过大的危害频率偏差过大的危害2 2）汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成）汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。叶片疲劳损伤和断裂。（3 3）处于低频率系统中的异步电动机和变压器其主磁）处于低频率系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁

20、电流也就随之加大，系统所需无功功通会增加，励磁电流也就随之加大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难。整带来困难。（4 4）无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。当）无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。当系统频率下降时，电容器的无功出力成比例降低。此系统频率下降时，电容器的无功出力成比例降低。此时电容器对电压的支撑作用受到削弱，不利于系统电时电容器对电压的支撑作用受到削弱，不利于系统电压的调整。压的调整。（5 5）频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。频）频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。频率加大，感

21、应式电能表将少计电量。率加大，感应式电能表将少计电量。改善频率偏差的措施改善频率偏差的措施在正常运行方式下，进行频率调整：在正常运行方式下，进行频率调整：n一次调整：利用发电机组的调速器，对于变动幅度小（一次调整：利用发电机组的调速器，对于变动幅度小（0.10.10.50.5）、周期短（）、周期短（10s10s以内）的频率偏差所做的调整，以内）的频率偏差所做的调整， 投运的所有发电机组都自动参与频率的一次调整；投运的所有发电机组都自动参与频率的一次调整；n二次调整：利用发电机组的调频器。对于变动幅度较大二次调整：利用发电机组的调频器。对于变动幅度较大（0.50.51.51.5）、周期较长（）、

22、周期较长（10s10s30min30min）的频率偏差所）的频率偏差所做的调整。担任二次调整任务的发电厂称为调频厂，担任二做的调整。担任二次调整任务的发电厂称为调频厂，担任二次调整任务的发电机组称为调频机组。次调整任务的发电机组称为调频机组。频率的二次调整可经运行人员手动操作或依靠自动装置来完频率的二次调整可经运行人员手动操作或依靠自动装置来完成，分别称为手动调频和自动调频。成，分别称为手动调频和自动调频。在非正常运行方式下，进行频率控制：在非正常运行方式下，进行频率控制：可能引起频率异常的原因：可能引起频率异常的原因：n故障后系统失去大量电源或系统解裂后局部系统有功失去平衡；故障后系统失去大量电源或系统解裂后局部系统有功失去平衡；n气候变化或意外灾害引起负荷发生突变；气候变化或意外灾害引起负荷发生突变；n电力供应不足且缺乏负荷控制手段；电力供应不足且