电能质量分析与控制概论

1、电能质量分析及林顺富上海电力学院 电气Tel: shunfulin参考， 电能质量分析与，2010.2，中国电力n，电能质量监测与分析，科学社，2012.6n Roger C. Dugan, Power Systems Quality, Second Edition, McGraw Hill.n Wilsun Xu, Understanding Power Quality & Harmonics, Alberta University & Alberta Power Industry Consortium.n第一章 电能质量概论电能既是一种实用、清洁方便且容易传输、和转换的能源

2、形式，又是一种由电力部门向电力用户提供，并由供、方共同保证质量的特殊。输电线220500kV原发电机升压变压器配电线10110kV用户配电变压器降压变压器0.38kV有功功率平衡无功功率平衡功率平衡各种干扰：负荷变化；运行操作；故障；雷击1.1电能质量是什么？1.1.1 电能质量的由来l 随着电力工业的诞生而存在的一个传统问题；l 现代电力负荷结构发生了质的变化。电力电子技术（TCSC、FACTs、HVDC、ASD等）的应用、家用 电器的普及、炼钢电弧炉的发展等，由于其非线性、冲击性及不平衡用电特性引起电能质量的；l 计算机的普及、IT产业的发展、微电子器及电力电子设备应用对电能质量的要求越来

3、越高；l 新能源和分布式发电的应用将引起一系列的电能质量评估和问题；第1节 电能质量是什么？l 终端用户日注电能质量问题，电力企业持续提升供电质量的和；l 电力系统的扩展与联网逐渐形成，系统内 的故障都可能引起严重的后果，系统运行的定性和可靠性要求不断提高；l 在保证电力系统一定性的条件下，引进竞争机制，实施电力市场化营运，强化环境保护意识与提高信息管理水平已经势在必行。第1节 电能质量是什么？例如：一个计算中心失电2s就可能破坏几十个小时数据处理结果，n导致几十万产值损失；12 百万供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上损失；n据统计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿；n20

4、05年由国际铜业（中国）主持的一次“中国电能质量n行业现状与用户行为调研报告”中，了32个行业，共92个企业中有49个企业，因电能质量问题，在上损失2.53.5亿元，每个企业年损失约10万100万（其中有四家年损失1000万元以上）。1.1电能质量是什么？1.1.2 电能质量(Power Quality)的定义由于看问题的角度不不同的定义。能质量具有完全电力公司可能定义为电压、频率用统计数字说明电力系统是安全可靠的。，且设备生产企业可能将电能质量定义为使设备能正常工作的供电性能。1.1电能质量是什么？美国Georgia Power Co.关于电能质量的市场结果电力公司和电力用户对电能质量问题的

5、的看法往往有很大的，尽管双方都把2/3的起因归咎于自然因素（如雷电等），但用户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。1.1电能质量是什么？根本上来说，电能质量是受用户驱动的议题， 因此我们定义电能质量为：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。1.1电能质量是什么？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。Ø 电压质量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。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、电压暂降（暂升）与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。1.1电能质量

6、是什么？Ø 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。Ø 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两部分。等）Ø 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。电能质量问题评估基本步骤1.2电能质量的分类1.2.1IEC分类对于电能质量现象可以根据不同基础来分类。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，如下表所示。1.2.1 IEC分类1.

7、2.1 IEC分类1.2.2 IEEE分类IEEE制定了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，如下表所示。PropertyClassfication of PQ disturbances中文TransientsOscillatory振荡暂态Impulse脉冲暂态Interruption短时断电Votage sag (dip)电压骤降Voltage swell电压骤升Steady-stateSustained interruption长时持续停电Long duration undervoltage长电压Long duration overv

8、oltage长时过电压Power frequency variations电源频率波动Voltage fluctuation and flicker电压波动和Voltage imbalance电压不平衡DC offset直流偏移Harmonic谐波Interharmonic间谐波Notching陷波（刻痕）Noise噪声1) 瞬变现象(Transients)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。在电能质量里， 瞬变主要指冲击(impulse)和震荡(

9、Oscillatory)。1) 瞬变现象(Transients)Ø 冲击性瞬变是一种在稳态条1.冲击性瞬变现象件下，电压、电流非工频的、单极性的突然变化现象。Ø 特征参数：上升时间和衰减时间。例如：1.2X50-s 2000V冲击瞬变Ø 最常见其的是雷电Ø 冲击瞬变一般在电力系统中距离不是很远，且中波形变化很大雷电引起的电流冲击现象1) 瞬变现象(Transients)2. 振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。Ø 高频振荡现

10、象Ø 中频振荡现象Ø 低频振荡现象Ø 高频振荡现象高频震荡频率一般高于500kHz，周期微秒量级。一般是本地系统对冲击瞬变的响应。Ø 中频振荡现象中频震荡 微秒量级。频率一般介于5500kHz，周期几十背靠背电容器切换引起的几十千赫兹高频震荡现象Ø 低频振荡现象低频震荡频率一般小于5kHz，周期一般介于0.350ms。一般发生在中压输电和配电网络中，常由电容器组冲能引起。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，具体情况要根据系统的阻尼程度来确定

11、。电容器组冲能切换引起的低频震荡现象Ø 低频振荡现象主频低于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。2)短时电压变动(Short Duration Variations)包括电压暂降 (sags) 短时间电压中断 (short interruptions)现象。周期介于0.5 cycle1minute。造成电压变动的主要：l 系统故障（多为单相接地故障）l 电机启动或大容量变压器冲能l 大容量负荷启动或切除l 电网松散连接的间歇性负荷。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。2) 短时电压变动(Short

12、Duration Variations)0.10.9pu注意区分电能质量和电压可靠性:l 如果中断时间小于1.11.8pu15分钟，属于电能质量问题l 如果中断时间大于15分钟，属于电压可靠性问题<0.1pu2)短时电压变动(Short Duration Variations)由故障和重合闸操作引起的三相短时中断rms电压波形2)短时电压变动(Short Duration Variations)2)短时电压变动(Short Duration Variations)幅值：sag(0.10.9pu)，swell(1.11.8pu), interruption (<0.1pu)周期：0.

13、5cycles1minute3)长时电压变动(Long Duration Variations)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。l 过电压 (amplitude >1.1pu)l 欠电压 (amplitude <0.9pu)l 持续中断 (amplitude=0.0pu)造成长时间电压变动的Ø 系统设计或运行不当Ø 馈电线过负荷：4)电压不平衡(Voltage Imbalance)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

14、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。4)电压不平衡(Voltage Imbalance)造成电压不平衡的：Ø 不平衡负荷（例如：单相铁路负荷、配电系统负荷）Ø 不平衡输电线路（如不换位输电线路）5)波形畸变(Voltage Distortion)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象，可以用偏移频谱描述其特征。波形畸变有五种主要类型:l 谐波&简谐波 (harmonics & interharmonics)l 直流偏置 (dc offset)l 陷波 (notch)l 噪声 (n

15、oise)l 谐波 (Harmonics)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l 间谐波(Interharmonics)简谐波是指电压或电流含有的非工频（50Hz或60Hz） 整数倍的频率成分。简谐波的主要来源有静态变频器(static frequency converters)、循环变流器(cycloconverters)、感应炉(induction furnaces)、电弧设备(arcing devices)等。电力线载波信号也被认为是简谐波。l 直流偏置(DC offset)交流电力系统内存在的直流电压称谓直流偏置，主要由地磁扰动和电力电子变流器的非对称

16、性所引起。交流电力系统中的直流偏置的存在具有影响，如引起电力变压器铁心偏置而造成正常运行时饱和，出现发热问题并缩短变压器。直流偏置也会引起接地电极和连接端子的电解侵蚀。l 陷波(Notching)陷波是电力电子装置在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另外一相时所引起的周期性干扰信号。不用谐波分析说明它的影响，一般用陷波的深度和面积描述。三相换流器的电压陷波l 噪声(Noise)噪声是低于200KHz带宽频谱范围内，叠加在电力系统的相线、中性线或信号线的无用信号。电力系统中的噪声由电力电子装置、电路、电弧装置、含固态整流器负荷、开关电源等引起。不当接地会电力系统噪声问题。噪声会干扰微机和可

17、编程器的，可通过滤波器、变压器和线路调节器降低噪声。6)电压波动(Voltage Fluctuation)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 C84.1 1995电力系统与设备电压等级规定的0.91.1p.u. 范围。IEC61000-2-1定义了多种类型的电压波动，这里， 将电压波动定义限制为IEC 61000-2-1 Type(d)，即指一系列随机或连续的电压波动。电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应成为。6)电压波动(Voltage Fluctuation)电弧炉引起的电压波动7)工频变化(Power Frequency Variat

18、ions)把电力系统频率偏离规定正常值的现象定义未频率变化。工频频率的值与向系统供应电能的发电机的转子速度直接相关。现代互联电力系统极少出现频率大的波动。有时人们会把陷波和频率偏差弄错。1.3电能质量的影响1.3.1供电电压偏差Ø 照明设备的发光和；Ø 电 量；的力矩、转速、发热、工效以及质Ø 变压器的发热、损耗；Ø 并联电容器无功出力、Ø 家用电器如电视机的视感、；Ø 电子计算机和设备不正常；1.3.1供电电压偏差1.3.1供电电压偏差电压偏差与电解铝生产工况的统计表工业设备（如电解、电热）效率降低；电力系统稳定性降低，线损增加。1

19、.3.2电力系统频率偏差Ø 电Ø 传转速变化，影响纺织、造纸等械出力变化，影响生产效率；质量；Ø 对测量、和计时等电子设备精度和性能影响；Ø 使感应式电能表计量误差加大；Ø 影响发电机和电力系统安全；Ø 冲击负荷对近区电网的危害。1.3.3谐波Ø 降低电力设备的利用率，使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器）以及导线（如低压中性线、电缆、等）过载运行（发热、振动、异常声响等），缩短使用、增加线损；Ø 降低断路器遮断容量；Ø 干扰继电保护、自动装置和计算Ø 使电子设备工作不正常；Ø 使测

20、量和计量仪器（感应式电度表）、仪表误差加大；1.3.3谐波Ø 降低信号传输质量，干扰通信系统；Ø 增加电力网中谐振可能性，诱发过电压或过电流的危害；Ø 减少白炽灯使用。1.3.4电压波动和Ø 照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；Ø 电视机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化；Ø 电转速不均匀、振动、，影响质量；Ø 电子计算机、监测和设备等工作不正常1.3.5三相不平衡Ø 电机附加发热，并引起二倍频的附加振动力矩使电机负载能力降低Ø 引起以负序分量为启动元件的多种保护误动作；Ø 换流设备产生附加的谐波电流

21、（非特征谐波）；Ø 变压器负载能力下降；在低压配电线路中，引起照明灯的荷等；缩短或烧损、电视机损坏、中性线过负Ø 引起线损及线路电压损失增大；Ø 影响正常通信质量。1.3.6暂时过电压和瞬态过电压Ø 使设备绝缘破坏，事故。1.3.7电压暂降Ø 引起变速驱动装置（ASD）跳闸、程序逻辑器（PLC）损坏、各种数字式自动装置误动、计算失常，数据丢失；Ø 导致相关生产线（例如、纺织、造纸、半导体以及橡胶等）停顿，大型场所照明失电（例如，灯灭后需冷却好几分钟后才能启动）等等使设备绝缘破坏，事故。1.3.7电压暂降电压暂降对一些设备的危害1.3.

22、7电压暂降电压暂降对一些设备的危害（续）1.3.8美国及欧盟电能质量结果LPQI（Leonardo Power Quality Initiative）在对欧盟8国的1400个监测点的电能质量认为，谐波畸变、电压、供电可靠性、电压暂降和电磁分析与核算看，电压暂降造成兼容是欧洲电能质量的主要问题。但从的损失最大。1.3.8美国及欧盟电能质量结果2001-2003EPRI的DPQ-II项目对美国电能质量进行了广泛，产生的结论是：电压暂降、暂升瞬时过电压和短时中断是美国电网中普遍存在的电能质量问题。谐波问题并没有排在第一。1.3.8美国及欧盟电能质量结果1.4电能质量标准简介标准1.4.1n 电能质量

23、指标标准从20世纪80年代初至今， 了七项电能质量指标技术标准：先后组织制定并颁布Ø 供电电压Ø 电压波动和偏差（GB/T 12325）（GB 12326）Ø 公用电网谐波（GB/T 14549）Ø 三相电压不平衡度（GB/T 15543）Ø 电力系统频率偏差（GB/T 15945）Ø 简谐波（GB/T 24337）Ø 暂时过电压和瞬态过电压（GB/T 18481）1.4.1标准n 电能质量测量标准Ø 供电系统及相连设备的谐波、谐间波的测量和测量仪器导则（GB/T 17626.71998）Ø 电能质量监测

24、设备通用要求（GB/T 198622005）1.4.1标准标准相关的设备n低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流16A）（GB 17625.11998）对额定电流不大于16A设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（GB 17625.21999）对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（GB/Z 17625.32000）半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则（GB/T 102362007）中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估（GB/Z 17625.4-2000）ØØØØØ1.4.1标准n

25、 电能质量治理设备（装置）标准Ø 输配电系统的电力电子技术静止无功补偿装置用晶闸管阀的试验（GB/T20995-2007）Ø 静止型无功功率补偿装置（SVC）功能特性（GB/T 202982006）Ø 静止型无功功率补偿装置（SVC）现场试验（GB/T 202972006）1.4.1标准标准相关的设备n低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流16A）（GB 17625.11998）对额定电流不大于16A设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（GB 17625.21999）对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（G

26、B/Z 17625.32000）半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则（GB/T 102362007）中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估（GB/Z 17625.4-2000）ØØØØØ1.4.2 国外标准n 欧盟1995年欧盟（欧共体）颁布了公用配电系统供电电压特性（EN50160），包括5大类13个指标：p 频率Ø 互联电网：（50±0.5）HzØ 孤立电网：（50±1）Hzn 欧盟n 电压幅值Ø 慢速电压变化：±10%UNØ 电压波动：低压系统5%UN；中压系统：4%UN：Plt=1.0ØØ 电压暂降：每年可能发生几十至一千次，大部分持续时间小于1s,增幅不大于60%UN。Ø 短时断电：每年可发生几十次至几百次，约70%的短时断电小于1sØ 长时断电：超过3分钟的长时断电，每年在10次以内或不超过50次Ø 暂时工频过电压：低压系统一般不超过1.5倍相电压，中压系统不超过1.7-2.0倍相电压（和中性点接地情况有关）Ø 瞬态过电压：低压系统一