电网电能质量的分析及监测

1、电网电能质量的分析及谐波治理姓名： 孙士云 学号：08B3060151研究的意义 良好的电能质量是保证电力设施和用电设备安全、可靠、高效运行的基础。随着生产和技术的发展，用电负荷日益增长，各种基于微处理器的控制系统和基于半导体功率器件的电力电子设备的应用迅速增加，节能和环保要求也不断提高，与此密切相关的电能质量问题日益受到更多的关注。对电能质量实施有效控制，已逐渐成为提高设备运行质量和节能降耗的重要方面。譬如油田配电网具有用电容量大、设备分散、配电线路长等特点，对配电网电能质量实施有效的监测控制更为重要。对配电网电能质量状况进行系统的检测与分析，是进行电能质量问题治理实现电能质量有效控制的基础

2、。2电能质量及其分析与评价准则2 .1电能质量问题的背景一个理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz或60Hz)和正弦的波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差120。的对称状态。因此，在输配电系统中常用频率、有效值、波形质量和三相电压的对称度来描述其运行状态的优劣。由于系统运行状态的变化、电网规划的不恰当、电力负荷本身存在的各种问题以及其他不可预见的电力系统故障等原因，理想状态在实际运行当中并不存在，因此就提出了电能质量的概念。电能质量问题的提出由来已久，可以说基本上同电力系统自身的发展同步，并随着电力系统的发展而不断增添新的内容。在

3、电力系统发展的早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压 偏移两种。进入上世纪 80年代以来，电能质量问题逐渐引起电力公司和电力用户 的广泛关注，其原 因是多方面的，归纳起来主要有以下四点：(1) 现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高，许多新的电器和装置都带有基于微处理器的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感。(2) 对电力系统运行总效率的重视程度不断加强，特别在用电设备方面表现突出。例如，高效率电机变频驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器，以及用户大量的电子

4、设备等。但这些设备的使用又会导致电网谐波污染，更广义的称为电气环境污染，致使供电电压干扰水平加重，对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。(3) 电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解诸如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高科技生产流程的需要，维护用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签定供电合同和质量协议的方式以获得保证。(4) 电力网的各个部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何一个局部的故障或事 件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免遭受用电设备

5、产生的电力干扰，维护电网安全运行。因此电能质量已经成为一项系统工程问题。2 .2电能质量的定义 对于电能质量的定义，电力公司、电力设备生产厂家和电力用户各有各的观点。电力公司常将 电能质量定义为供电可靠性并用统计数据来表示。显然，这个定义仅仅考虑了电力公司对用户保持持续供电的能力，而忽略了系统运行条件对用户设备性能的影响。电力设备生产厂家则将电能质国量定义为能使设备正常运行的供电特征，因此不同的设备制造商往往存在不同的电能质量标准。电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电，将电能质量问题定义为导致用户设备性能降低、失效或误动作的电压、电流或频率偏移等任何电能问题。由此可以看出，电能

6、质量实际是对可能引起电气设备电能质量问题的各种类型电力系统干扰问题的总称。就其本质来讲，电能质量其实是电压质量，主要描述输配电电压偏离其理想状态的程度，内容涉及频率偏移、长期电压偏移、短期电压偏移、电磁暂态、三相不平衡、波形失真、电压波动和闪变等共七类电磁现象。2 3 电能质量问题的具体内容及其危害(1) 频率偏移 频率偏移是电能质量的一个重要指标，它定义为电力系统基波频率偏离额定频率的程度。大 容 量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。在电网中如果发生较大频率偏 移可能导 致电网瓦解和安全方面的严重后果， 因此电网中均具备对运行频率的严格监测与控制措施； 同时，电压频率

7、决 定于发电机的结构和转速，在电力的输送和分配过程中不会发生变化，易于集中 控制；因此，在大电网中有害频 率偏移发生的概率极低。但在小水电、中小型柴油发电机等供电时 较易发生频率偏移。对电力用户而言，频率偏 移会直接影响电机转速和效率，进而影响系统正常运 行或产品质量；频率降低引起异步电机和变压器激磁电流增 加，所消耗的无功功率增加，恶化了电 力系统的电压水平；对于以供电频率作为时间基准的设备会产生较大的影 响；严重频率偏移可导致 设备工作异常甚至损坏；频率的变化还可能引起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的 无功功率变 化。(2) 长期电压偏移 当超过规定限值的电压偏移持续时间超过 1min

8、时可以定义为长期电压偏移。 可分为持 续中断、 欠电 压( 电压降低到标称值的 80%? 90%)和过电压 (电压有效值上升到标称值的II 0%? 1 20 %)三种情况。长期电压偏移的产生通常与输、配电系统中的故障、电压调节不当或功率因数补偿不当等因素 有关，也与负 荷及功率因数变化导致的线路压降变化等因素有关。长时电压偏移过大会对电力系统 的正常运行产生不利影响， 主要表现在以下几个方面：各种电力及用电设备均是按照其标称工作电压设计的， 长期电压偏移必将会导致设备性能下降、 失常甚至 损坏。例如：电压降低引起异步电动机的转矩减小、转速降低，电压减小10 %；电动机轴端负荷恒定时，滑差增大约

9、 06%；若转速不变，则转速转矩下降约 20 % ；负荷率为 85%的电动 机，电压降低 10%? 15%时则可能失去稳定性。电压降低引起照明设备的效率降低，使对电网电压 敏感的电子 设备不能正常工作；对于有恒定功率需求的设备，欠电压往往会导致电流增加而使铜损 增加，损耗与温升增加， 效率降低。电压过低还会引起补偿电容器组输出无功减少，严重时可能引 起连锁反应而导致全网性的电压崩溃。 电压升高损害电气设备的绝缘，使变压器、电动机等以电磁 感应为基础的电工设备激磁电流增加甚至工作在饱和 状态，致使设备过热甚至烧毁并产生有害的谐 波电流；电压过高还会增加电力电子设备、功率电子器件、电容器 等的电压

10、应力，严重时导致器件 击穿损坏。(5) 短期电压偏移这是另一类电压质量问题， 只是与长期电压偏移相比， 其持续时间相对较短， 最长不超过 Imin 。 它包 括三种情况：供电间断、电压凹陷和电压突起。 供电间断供电间断是指供电电压或电流降到标称值的1 0 %以下，持续时间不超过 Imin 的电能质量问题。 产生供电间断的原因既有可能是由于雷击输电线或配电线、树木倾倒、刮风等原因而造成的电力系 统瞬时 I 生故障，也 有可能是因为设备失效或控制装置的误动作而引起的不正常工作状态，但以前 者居多。供电间断的恢复时间因安 装的保护装置的性质而异，但一般在 30s 以内。由于控制装置误 动作或断线引起

11、的供电间断，持续时间无规律可循，也有可能发展为长期供电中断。 电压凹陷电压凹陷是指工频电压降低到标称值的10%? 90%之间，持续时间在 0.5 个工频周期到 Irain之间的电压质量问题。瞬时性电压故障往往也以电压凹陷开始。大电力负荷的投入、大容量电容器 的切除、大电 机或多个电机的同时启动都有可能引起邻近负荷的电压凹陷。变电站内某条配电线路 的单相接地故障也有可能引 起邻近馈电线路的电压凹陷。单相接地故障引起的电压凹陷，持续时间 一般在 3U30 个工频周期之间，这主要 依赖于断路器的切除时间。大容量电动机启动时，启动电流 数倍于电动机的额定电流，产生的后果类似于电力系 统故障，电压凹陷的

12、持续时间与电动机启动 时间有关，约在数秒以内。 电压突起电压突起是指工频电压有效值上升到标称值的 II0 %? 1 80 %之间，持续时间在 0. 5工频周期 到 Irain 之 间的电压质量问题。单相接地故障会引起非故障相的电压突起，另外，大电力负荷的切 除或电容器柜的充电也会 导致类似的电压质量问题。它的持续时间与电压凹陷基本类似。对于短期电压偏移问题的重视是近十几年来的事情，主要原因在于计算机控制系统的大规模应用和自动化控制系统的不断精细化。对于一个计算中心来说， 2s 的供电间断或电压凹陷会造成计算 机系统的工作紊乱，使处理了几个小时的数据损坏，或者使成千上万元的业务作废。解决短期电压

13、偏移问题，既可以在负荷侧进行，也可以通过改造配电网来达到目的，但目前主要集中在负荷侧。 为了降低这些电能质量问题 对生产和生活的影响，用户不得不架设双路配电线和装设备用电源、不 间断电源、稳压器等各类电气装置。提高 配电网的自动化程度、改造配电网的结构会在某种程度上 解决短期电压偏移问题，而用户电力技术的发展则为在 系统侧解决短期电压偏移问题提供了新的手 段，即在馈电线上装设动态电压恢复器。动态电压恢复器由换流器、 储能设备 （ 电容器或蓄电池组 ） 以及串联在馈电线路上的串联变压器组成。当出现电压凹陷或间断时，它会通过串联变压器向馈电 线叠加一个精 确的补偿电压以消除短期电压偏移的 影响。（

14、 4） 电磁暂态 电磁暂态是指电力系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，电压或电流数值的暂时 性非 工频变化，它没有方向性，既有可能为正值，也有可能为负值。产生电磁暂态的主要原因有雷电波 冲击和 电力系统故障等，可分为冲击暂态和振荡暂态两类。 冲击暂态 冲击暂态定义为电压或电流在稳态下突然的非工频变化，变化是单方向的，通常表现为电压 尖 峰、电涌或瞬态过电压，常用其幅值、上升时间和延迟时间来描述。产生冲击暂态的主要途径就是 雷电。冲 击暂态常常导致电气设备因为过电压而损害，还有可能激发电力系统的自然振荡而导致振 荡暂态。为此，电力线 路等重要的电力设备都采取各种有效的避雷措施。 振荡暂态

15、振荡暂态定义为电压或电流在稳态下突然的非 工频变化，变化是双向的，通常表现为短时衰减 震荡，常用频谱成分 （ 主导频率 ）、持续时间和幅值进行描 述。根据其频谱范围，振荡暂态可分为高、 中、低三种情况。高频振荡暂态的主导频率一般在 0. 5? 5MHz 之 间，持续时间约为几个微秒，它往 往是受当地的冲击暂态激发而引起的。中频振荡暂态的主导频率在 5? 500kHz 之间，持续时间约为 几十个毫秒。背靠背电容器的充电、电缆线路的投切以及冲击暂态的激发都会产生主导频率为几十千赫的振荡暂态。主导频率低于 5kHz, 持续时间在 0. 3? 50ms 之间的暂态称为低频振荡暂态。低 圈频振荡暂态在输

16、配电系统中经常遇到，很多情况都可能导致低频振荡暂态。电容器柜的充电会产生主导频率在300 900Hz 之间，峰值约为 2 倍正常电压的低频振荡暂态。配电网中存在的主导频率 低于 300Hz 的低频振荡 暂态，主要同配电网中的铁磁谐振现象和变压器充电而产生的励磁涌流有关。 电磁暂态的主要危害为破坏电气设 备的绝缘、电压击穿半导体器件和其他电子器件、烧毁电路板； 导致额外损耗、设备绝缘和零部件提前老化、设 备性能劣化、寿命缩短；干扰电子设备和电力电子 器件的正常工作、导致设备误操作或功能失常；造成数据处理 程序出错、数据文件部分破坏、数据 传输错误、通讯干扰等。（5） 三相不平衡 三相不平衡定义为

17、相电压或相电流对于三相电压或电流平均值偏移的最大值。在三相电力 系统 中，三相不平衡的程度常用负序和零序分量与正序分量有效值之比来表征。三相电压或电流不平衡 的产生 既有设计方面的原因，如单相电气设备三相分布的严重不对称，也有大容量单相负荷存在的 客观条件，如单相电 气机车，电弧炉等；另外，运行故障也会导致三相不平衡的产生。三相电压不平衡对旋转电机的危害最大， 会导致 5? 7 倍电流不平衡，负序电流流入同步电机或 异步电机，会使电机因产生附加损耗而过热、产生附加转矩而增加电机震动，导致效率降低、寿命缩短甚至过热烧毁；额定转矩的电动机，如长期在负序电压含量大于2的状态下运行，由于发热，其绝缘寿

18、命缩短约一半，如果某相电压高于额定值，则其寿命缩短更严重；凸极式同步电机对负序分量存在很强的谐波变换效应，三相不平衡会导致同步电机产生电力谐波，污染电力系统的运行环 境。对三相整流系统的晶闸 管而言，三相电压不平衡不仅会增加控制的困难，还会导致非特征谐波 的产生。零序电流的存在会对邻近的通信 线路产生很强的干扰。解决三相不平衡问题要从系统设计 和补偿两个环节人手：一方面尽量对称分布单相负荷， 并对大容量单相负荷装设相应的补偿装置； 另一方面可以考虑安装专门的电压或电流平衡装置。（6）波形失真 波形失真定义为理想工频正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量来描述。波形失真主要包括五个 方面的内容：直流偏

19、移、谐波、间谐波、陷波和噪声。 直流偏移交流电网中如果存在直流电压或电流，则称为直流偏移。产生直流偏移的主要原因是由于地磁 暴产生的电 磁干扰和电网中半波整流设备的存在。直流电流流过电力变压器会引起电力变压器的直 流偏磁，产生附加损耗而 过热并降低其使用寿命。直流电流还会导致接地体或其他联接器具的电化 腐蚀。 谐波 谐波定义为具有供电系统基波整数倍频率的正弦电压或电流。导致波形失真的原因是非线性负 荷的存在。 谐波失真水平可以用每个单一谐波成分的幅值和相位描述， 也可以用某一个特定的参数， 如谐波失真度来描述。谐波失真度或畸变率 （THD）是评价电力系统中谐波含量的主要指标，它定义为各次谐波分

20、量总有效值与基波分量有效值之比。然而，这一参数往往会使人们产生误解。例如，当调速电机轻载时，尽管谐波失真度很高，但谐波电流的幅值却很小，对电力系统的危害也不严重。为了统一描述谐波电流的危害水平，于是人们又提出了需量失真度仃DD）的概念，它定义为各次谐波分量的总有效值与额定负载电流的有效值之比。谐波污染对电力设备的危害是严重的，主要表现在如下几个方面：谐波电流在旋转电机绕组中流通，使电机产生附加功率损耗而过热，产生脉动转矩和噪声；引起无功补偿电容器组谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成过负荷或过电压而损坏；增加电力设施负荷，特别由于集肤效应和邻近效应的存 在

21、，使输电线路、变压器等因产生附加损耗而过热； 电压或电流波形的畸变改变了电压或电流的变 化率，增加介质应力和过电压，影响断路器的断路容量，对晶闸管 的使用寿命产生严重影响；对继 电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动；使计量仪表，特别是感应式 电能表产生计量误 差；造成通信干扰。对电力系统谐波的研究近年来主要集中于分析和治理两个方面。对于前者，目前已经提出了基于牛顿一拉夫逊迭代的谐波潮流理论、基于研究网络注入电流响应的谐波扩散理论和基于状态估计和同步量测技术的谐波状态估计理论。谐波治理一般从两个方面人手，一方面限制用户向系统注入的谐波电流水平，另一方面应设法消除电网中的谐波成分。对于前者

22、，主要通过在电力电子设备中 采用新技术，限制谐波电流的注入量，如选择性谐波 消隐技术和功率因数校正技术。对于后者，主 要通过在电网中装设滤波器来实现。 间谐波 间谐波定义为具有供电系统基波频率非整数倍频率的正弦电压或电流，它常表现为离散频率或宽带频谱。间谐波广泛存在于各级电网中，产生的主要原因是静止频率变换器、变频器、感应电机和电弧设备等。 电力线路上的载波信号也可以认为是间谐波。 间谐波会引起同谐波干扰同样的危害， 还会干扰载波信号和 引起 CRT 等显示设备的闪烁干扰。 陷波 陷波是由于换流器换相而产生的周期性电压干扰，它也可以利用傅立叶变换分解成一系列谐波 级数。由于谐波次数普遍较高且谐

23、波幅值不大，所以一般不予考虑。 噪声噪声是指叠加在每相电压或电流、中性线或信号线之上的，频率超过20kHz 的不希望的电气信号。电力电子设备、控制电路、电弧装置、固态整流器以及供电系统的投切都会产生电磁噪声。噪声会影响微机和可编程控制器的正常工作，装设滤波器和隔离变压器会有效降低电磁噪声的影响（7）电压波动和闪变 电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期变化，常以其相邻的方均根值（或峰值 ）的极值之差相对于额定值的百分数表示，其变化范围通常在额定值的±10之内。电弧炉和轧钢机等大容量冲击性负荷的存在是引起电压波动和闪变的根本原因。电压波动的主要影响就是引起白炽灯等照明设备、电视机

24、等电器设备的闪烁现象。为了降低电压波动和闪变的影响，人们采用两种方法：一是尽量降低冲击负荷接入点的系统阻抗；二是装设电压波动补偿装置。24 电能质量问题的起因与责任电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门向电力用户提供的一种特殊产品，它同样具有产品的若干特征，如可被测量、预估、保证或改善。如今，“电能”作 为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。然而与其它产品不同的是，提供优质电能是由发电、供电、用电三方共同保证的。实际上，发、 供电系统 只能够控制电压的高低和频率，而不能控制某一负载汲取电流的大小和波形。系统在实际 运行时，电压与电流之 间总是存在着不

25、可分割的紧密联系，尽管发电机提供了几乎纯正弦的电压， 但通过系统阻抗的电流可能造成对公 共连接 （PC C） 电压的扰动而使之变化，如：短路电流可能引起 电压的跌落，或者完全消失；雷电电流注入系统引起冲击电压，造成频繁的绝缘闪络，还可能导致 如短路故障等 其他现象的产生； 谐波源负荷注入的畸变电流流经系统阻抗时也使母线电压发生畸变， 该母线上的其它电力用户 将承受非正弦波电压等等。因此，大多数电能质量问题并不是源于电能的 生产过程，而是源于电能的输送、分配 和使用过程。除自然因素和配电操作导致的问题以外，电力 用户也是导致各种电能质量问题的重要因素。因此关 于电能质量问题一直存在许多分歧和争论

26、，主 要表现在园电能质量问题发生的原因与责任上，供用电双方从认识 和看法上往往存在很大的不同。 例如，为适应用户负载功率因数的变化，配电系统中经常需要进行电容器投切操 作，有可能引起暂 态过电压而损坏用户设备， 也可能造成用户设备掉电， 此时用电方会简单地抱怨供电质量太差， 以 至于投诉； 当电网某处发生短路故障， 很可能在一些负荷公共连接点出现不同程度的短时电压凹陷， 其结果 造成某工厂的变频驱动装置掉电，而供电方可能会认为对该工厂的电力供应是正常的；电压 的波形畸变往往是由 于电力用户负载向电网注入大量谐波电流引起的； 三相电压的不平衡往往与电 力用户负载三相电流的不平衡有关； 由于电力用

27、户电气设备硬件老化、软件不成熟或者控制系统不 可预知的错误动作，可能引起故障而使电能质量受 到影响等等。因此，在更广泛的意义上讲，电能质量还应包括电力用户对电能的使用质量，其本质是用户电 力负荷从电网 汲取电流的质量。很多情况下，用户设备导致的电能质量问题，对配电设施、其它用 户以及用户自身都造成了不 良影响。对电能质量的评价与控制应包括电压和电流两个方面，也正因 如此，国际国内关于电能质量限制标准几 乎无一例外地包含对这两个方面的限制。现代电网与负荷 构成的发展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并获得更大的经济效 益。同时，采用高效电力负荷设备可大量节约能源、延缓用

28、电需求， 从而节省电力建设所需的大量 投资。因此提高供电质量、满足生产发展的需求已经成为供用双方共同的愿望。深 入分析和研究电 能质量问题，探寻在一定条件下发生电能质量问题的因果关系，明确责任和义务，也是电力工业 适 应市场竞争和可持续发展所必需的。2. 5 关于电能质量的国家标准及评价准则（ 1） 关于电能质量的国家标准目前我国关于电网电能质量的国家标准有以下 5 个：GB/T 15945 1995 电能质量电力系统频率允许偏差 GB/T 12325 90 电能质量供电电压允许偏差GB 12326-2000 电能质量电压允许波动和闪变GB/ T 15543 1 995 电能质量三相电压允许不

29、平衡度GB/T 14549 93 电能质量公用电网谐波（ 2） 国家标准对电能质量的要求以上国家标准将对电能质量各项指标限制要点归纳如下： 供电频率允许偏差电力系统正常频率偏差允许值为土 0. 2Hz 。当系统容量较小时偏差值可以放宽到土 0. 5Hz 。 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过土 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。 供电电压允许偏差35kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称系统电压的10 %。注：如供电电压上10kV及以下三相供电电压允许偏下偏差同号（均为正

30、或负）时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。+7%, -10 %对供电电差为标称系统电压的士7% 220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的压允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议确定。 电压允许波动和闪变 （见表1、表2） 三相电压允许不平衡度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%电气设备额定工况GB755 （旋转电机基本1. 3%,根据的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定，例如旋转电机按 技术要求规定。接于公共接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为 连接点的负荷状况，邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，可作适当变动，但必须满

31、足 谐波（见表3、表4）电帀变初限0r,L MVHV43LO<1032*52*l？11 noo1.252矗2書la电历下朗闪亜LVMVHV尸？1.00加4)0.80.80.7(0.80.6*3卧用亀网甘进观圧羅值电轉标协电汗 kV电压暑谐渡0.38S-04.02Q&4.03卫1用10阳J.O-2.41.1661101.01.60.8験4注入处義连襪血的it遽电斑咒R但谐渡次敦用誥谧也乘葩许債.AMVA2i4567B10Ll1213心詔107Btil抻6136丽1921O划610043强213424.n2147 J1310I0U加13曲IJ氐R54*.3札37,A23015127.

32、712九】8.8J-84/1愛15.61-C4J轴1613一139.34/1435,92.79JJH0750126.0金逋4.0&a3.02.44-52.03.7杯恿kV?容MVA曲菽岀散扯隋菠电嵐允许册/1415161718w2C21222324冷O.3810H129.7IV毗167,?8?.14Z1261(X16,16.85x3104.19.04.34占父97b43.6f-.fl101003,74. JS.26.02.EI2.62A2.34.32A-1433抄1.22.SLQJ.61.7k51.81*42KTLJJ-566500J.UL85.41-9I-RLr42忑L10乃0l?T

33、n.9LJ2.S|32.SL2L.iKi2.11.0(3) 关于电能质量的评价准则国家标准提供了电能质量评价的基本准则，但不是唯一的准则。国家标准主要是针对公用电网，强调的是公共连接点(CCP)的电能质量，主要是为供电方和用电方提供一个评价电能质量的共同准贝V。一方面对供电方在公共连接点提供的电压质量提出了要求，另一方面对用电方接人在公共连接点的用电线路电流质量进行了限定。在实际运行的系统中，由于具体情况的多变性往往不能简单地套用国家标准的规定。例如旋转电机按GB755旋转电机基本技术要求规定”。再如关于电能质量的国家标准并没有对电力用户负载的功率因数提出要求，然而如果用户负载的功率因数较低或

34、波动较大，可能会引起用户内部配电网和公共连接点的电压偏离或波动，同时过低的功率因数还会大量占用用户自身及公用电网的线路和电力设施容量，并导致线损增加、电能浪费，还可能招致供电部门的罚款。同时，公共连接点的电能质量并不能完全反映电力用户内部配电系统的电能质量。国家标准没有也很难对电力用户内部配电系统的电能质量做出规定或给出推荐值。电力用户对其内部配电系统的电能质量的评价准则，应当以电能质量是否满足系统内电力设备和用电设备正常运行的需求、是否会导致电能质量问题或问题的严重程度是否可以接受为主要依据确定。这在很大程度上 决定于系统内的线路状况、设备的特性与额定值、设备对各种电能质量问题的敏感程度以及

35、用户 对系统和设备运行质量的要求等因素。另一方面，各种标准对电能质量的要求往往以给出对各种相关指标的明确限定值方式加以规定，这对于判定电能质量是否符合标准规定是方便的，但是对于评价电能质量问题所造成的影响而言是不确切的。由于各种电能质量指标的偏离所导致的问题一般是随偏离程度的增加而渐变的，例如谐波电流所导致的附加损耗一般与谐波电流强度的平方成正比，因而在客观上并不存在一个允许与不允许的清晰界限。对于电力用户系统内的电能质量评价而言，通过实际检测，对各种电能质量问题的严重程度及其影响做出客观的评价，以确定是否需要采取治理 措施，要比简单地划定一个合格与不合格的界限作为评价的标准更为合理3 电力谐

36、波问题及其治理技术理想的电力系统是以单一而固定的频率、规定固定幅值的电压，以及完整的正弦波形供应电能 的，但是实 际上这些条件没有一个能满足。电压和频率偏移问题以及如何使它们处于控制之下的方 法，是常规的电力系统分 析与控制的课题。波形畸变 ( 即谐波 ) 问题在电力系统中原来是不具体探讨 的，但随着社会的发展和科技的进 步，一方面谐波污染随着非线性负载的数量和容量日益增加而日 趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用 户方及其用电设备对电能质量的要求越来越高，因 此人们对这个问题也越来越重视。如何有效地治理谐波，将谐 波控制在允许限值以下，是具有重要 实意义的课题。3 1 谐波问题研究概述

37、“谐波” 这一名词起源于声学， 在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基波频率的倍数频率振 动。电气 信号也是如此，谐波被定义为一个信号，该信号的频率是实际系统频率 ( 即电网额定频率 ) 的整数倍。在国际电工标准 ( ic555-2) 与国际大电网会议 ( CIGRE) 的文献中定义：“谐波分量为周期 量的傅立 叶级数中大于 1 的 h 次分量”。 IEEE 标准 519 1981 中定义为：“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” 。早在 18 世纪和 19 世纪，几位数学家，特别是 Fourier J . B. J., 为谐波计算奠定了基础。电 力系统的波形畸变也并不

38、是个新现象， 从交流电的出现在 21 世纪的今天， 如何将其限制在可以接受 的范围内 一直是电力工程师所关心的问题。 在 20 世纪 20 年代和 30 年代的德国， 研究者由静止变流 器引起的波形畸 变提出了电力系统谐波的概念。当时最有影响的是 Rissik H. 所著的 (The MercuryArc Current Converter)，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是Read J . C.在1945年发表的 (The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics，至今仍被研究者广泛引用。上世

39、纪 50 年代和 60 年代在高压直流输电方面促进了变流器谐波的研究。在这 一时期发表 了大量的论文。Kimbark E . W 在其著作 (Direct Current Transmission中对此进行了总结，该书包括了电力系统谐波方面 60 篇以上的参考文献。上世纪 70 年代以后，国际上召开了多 次有关谐波 问题的学术会议，其中从1984 年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议(ICHPS) , 极大地推动了谐波领域的研究和交流。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等

40、 l988 年出版的电力系统谐波一书是我国有关谐 波问题早期 较有影响的著作。随后，许克明等也于 l991 年出版了电力系统高次谐波 ，张一中等 1992 年出版了电力 谐波 ，夏道止等 1994 年出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波 ，林 海雪等 1998 年出版了电力 网中的谐波 ，这些著作都对人们认识和研究谐波做出了很大的贡献。 此外，唐统一等和容健纲等分别于 1991 年和 1994 年独立翻译了 Arrflaga J ?等的电力系统谐波， 也在国内有较大的影响。 1998 年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿是国内迄今为止较 为全面的介 绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中

41、关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。因此可以说，我国对谐波问题的研究起步于上世纪80 年代，在90 年代有了长足的发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。谐波问题的研究可以分为以下四个方面：(1) 与谐波有关的功率理论的研究；(2) 谐波标准的研究；(3) 谐波测量和分析；(4) 谐波治理。 当电网电压或电流中含有谐波时，如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满解决的问 题。这 是一个关系到电量计量、分析及控制的重要问题。如何使定义科学严谨，又能满足各种工程和管理 的需 要，还有

42、许多问题需要研究。传统的平均功率理论在系统存在谐波时是不完全适用的，容易造 成诸如电能计量偏 差等问题。针对有源滤波器 APF 而提出的瞬时无功功率理论，目前是解决谐波相 关问题使用得最为广泛的功率理论，当然该理论也并不是放之天下皆准的，也存在一定问题。近年来，这方面的工作主要集中在将传统功率理论与瞬时无功功率理论进行统一，这是一条研究问题的 较好的途径。为了保证电网和用电设备安全、经济、稳定的运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，其中较有影响的是 IEEE519 1992 和 IEC555 2。我国水利电力部早 在 1984 年就颁发 了 电力系统谐波管理暂行

43、规定 (SD126 84) ，到 1 994 年，国家标准 GB T14549-93 电能质量公用电网谐 波 正式颁布。虽然各个谐波标准不尽相同，但都是大同小异，且所有标准都基于以下三个目的：(1) 将电力系统电流和电压波形的畸变控制到 系统及其所接设备能够允许的水平；(2) 以符合用户需要的电压波形向用户供电；(3) 不干扰其它系统 ( 如通讯系统 )的正常工作。 谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析 谐波问题的出发点和主要依据。利用谐 波测量装置来监视和测量电网的谐波干扰状况，已是保证电网安全运行必 不可少的措施。为此，世 界各国都生产、研制和改进了一系列的谐波测量设备，如失真

44、度计、谐波电压表和谐波 电流表、谐 波功率流向计、波形分析仪、频谱分析仪以及磁带记录仪等，近年来由于数字技术的发展，基于软 件算法和微处理器的谐波分析仪开始采用。由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对 谐波进行准 确测量，为此许多学者对谐波分析问题进行了广泛研究。谐波分析算法中使用最为广泛 的是快速傅立叶变换 (FFT) 方法及其改进算法，基于自适应理论、基于小波 (Wavelet) 变换和基于神 经网络的方法近年来也受到了较大关注，但是在有源滤波器中应用最为普遍的是基于瞬时无功功率 理论的谐波测 量方法，而且该理论也可以分离出各次谐波用于谐波分析。

45、近几年来，国内外有关谐 波问题的研究论文和成果大 量涌现，该领域的研究呈现出欣欣向荣的景象，足见人们对谐波问题的 重视程度和渴望治理谐波的迫切要求。 3 2 谐波治理的措施 谐波治理的措施主要有三种：一是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高 它们 抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的 谐波； 三是被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流人负载端。受端治理的措施主要有以下几种：(1) 选择合理的供电方式。 将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电，可以减小 谐波对系统和其它用电设备的影响

46、，这必须在电网规划和设计阶段考虑。(2) 避免电容器对谐波的放大。 改变电容器的串联电抗器， 或将电容器组的某些支路改为滤波器， 或限 定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。(3) 提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作，当然这是有一 定限度 的，谐波较大时用电设备仍将受到严重影响。(4) 改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。主动治理谐波的措施主要有以下几种：(1) 增加变流装置的相数或脉冲数。 改造变流装置或利用相互问有一定移相角的换

47、流变压器， 可 有效减 小谐波含量，其中包括多脉波整流和准多脉波整流技术，但是装置更加复杂。(2) 改变谐波源的配置或工作方式。 具有谐波互补性的装置应集中， 否则应适当分散或交替使用， 适当 限制会大量产生谐波的工作方式。(3) 采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率 较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高(4) 谐波叠加注入。 利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源， 把谐波电流加到产生的矩 形波形 上，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。缺点是必须保证三次倍数的谐波源与系统的同 步，且谐波发生器的 功率消耗常常高达整流器直流功率的10 。(5) 采用 PWM 技术。采用脉宽调制 PWM 技术，使变流器产生的谐波频