现代电能质量分析及控制

1、2022-5-21现代电能质量分析与控制主要内容1 电能质量基本概念2 传统电能质量分析与改进措施3 电网谐波分析与抑制4 电压波动与闪变5 电压暂降与短时间中断2022-5-221电能质量基本概念1.1电能质量问题的由来电能质量问题的由来v随电力工业诞生而存在的一个传统问题。v现代用电负荷结构发生了质的变化。电力电子技术广泛应用，家用电器普及，炼钢电弧炉的发展等，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性引起电能质量的恶化。v计算机的普及、IT产业的发展、微电子控制技术应用导致对电能质量要求越来越高。2022-5-23v如：12周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上百万美元损失。据统

2、计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿美元。v2005年由国际铜业协会（中国）主持的一次“中国电能质量行业现状与用户行为调研报告”中，调查了32个行业，共92个企业中有49个企业，因电能质量问题，在经济上损失2.53.5亿元（人民币），每个企业年经济损失约10万100万（人民币）（其中有四家年损失1000万元以上）。v因此，电能质量问题日渐成为电力部门和许多用户所关心的一个重要问题，已成为当前电气工程领域的前沿课题。 2022-5-24 导致电能质量下降的原因和责任-供用电双方往往存在很大的分歧：下图美国乔治动力公司调查结果2022-5-251.2电能质量基本定义电能质量基本定义v电能

3、质量可以定义为（Power Quality)：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。v电压质量：电压、频率偏差、不平衡、波动等v电流质量：电流谐波、间谐波等v供电质量：电压质量、供电可靠性等v用电质量：电流质量 后两项包括技术含义和非技术含义 2022-5-261.3电能质量现象描述电能质量现象描述2022-5-271.4电能质量国家标准电能质量国家标准v电能质量指标国家标准1.供电电压允许偏差（GB 123251990）2.电压波动和闪变（GB 123

4、262000）3.公用电网谐波（GB/T 145491993）4.三相电压允许不平衡度（GB/T 155431995）5.电力系统频率允许偏差（GB/T 159451995）6.暂时过电压和瞬态过电压（GB/T 184812001）2022-5-28v电能质量国外标准简介 美国：美国的标准相当全面和丰富，基本由美国国家 标准局（ANSI）和各个协会（例如IEEE）制定。 计算机和商用设备制造商协会（Computer and Business Equipment Manufacturers Association,即CBEMA）出于大型计算机及其控制装置对电能质量要求，提出了电压容限曲线（称为C

5、BEMA曲线）。该协会后改称为信息技术工业协会（Information Technology Industry Council,即ITIC），并将电压容限曲线作了一定改进，如下图所示。2022-5-29 2022-5-2102传统电能质量分析与改进措施v主要指标：电压偏差 频率偏差 电压三相不平衡 供电中断与可靠性2.1电压偏差1. 定义： 线路： 可见：系统无功功率不平衡是引起系统电压偏离标称值的根本原因。 %100NNreUUUU 2UQXPRU 2022-5-2112电压偏差的限值电压偏差的限值 35kv及以上及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。如供电电压上下偏

6、差同号时（均为正或负），按较大的偏差绝对值作为衡量依据。 10kv及以上及以上三相供电电压允许偏差为标称电压的7%。 220v单相单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。 2022-5-2123电压偏差过大的危害（1）对用电设备的危害： 照明设备的发光和寿命（图a白炽灯；图b日光灯）2022-5-213电动机的力矩、转速、发热、工效以及产品质量下图为不同端电压时异步电动机的转矩转差特性1U=100%UN；2U=90% UN3U=80%UN；4U=70% UN2022-5-214 变压器的发热、温升、损耗；并联电容器无功出力、寿命；家用电器如电视机的视感、寿命；电子计算机和控制设备不正

7、常。（2）对电网的危害： 影响系统的稳定运行：静态稳定功率极限 影响系统的经济运行：RUQPRUSRIP222223332022-5-2154 改善电压偏差的措施（1）配置充足的无功功率电源同步发电机、调相机、电容器、电抗器、静止无功补偿装置（SVC：TCR+TSC混合型SVC的电路结构 )2022-5-216静止无功发生装置（SVG：采用电压型桥式电路的SVG )静补装置：动态特性好、速度快、运行维护方便、可靠性高。SVC、SVG不但用于补偿无功，还同时能够滤除谐波、抑制电压波动和闪变等。 ( 2 )系统调压手段发电机调压：改变变压器变比调压：改变线路参数调压：分裂导线、串联电容补偿。202

8、2-5-217v2.2频率偏差1.定义 ：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：规定：电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到0.5Hz。 系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因 。 Nrefff2022-5-2182频率偏差过大的危害（1）对用电负荷的危害产品质量没有保障；降低劳动生产率；使电子设备不能正常工作。（2）对系统危害电能表计量误差加大；汽轮机共振；降低发电机效率；严重时系统崩溃；3电力系统频率调整和控制调整：一次调整和二次调整、AGC控制：自动低频减载装置、自动高频切机装置。2022-5-2192.3电

9、压三相不平衡1定义： 对称三相系统是指三相电量（电动势、电压或电流）数值相等、频率相同、相位互差1200的系统。在任意时刻，三相电量的瞬时值之和为零。 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，这样的系统称为不平衡三相系统。 )cos(2)cos(2)cos(2uCCCuBBBuAAAtUutUutUu2022-5-220三相不平衡度：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 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%； 原因：电力

10、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。 cos3UIiuiuiuppppCCBBAACBA %10012UUU 2022-5-221 三相负荷不对称是系统三相不平衡的最主要因素。产生三相负荷不对称的主要原因是单相大容量负荷（如电气化铁路、电弧炉和电焊机等）在三相系统中的容量和电气位置分别不合理。 2 三相不平衡的危害：电动机产生制动转矩、过热；引起以负序分量为启动元件的多种保护误动作；换流设备产生附加的谐波电流（非特征谐波）；变压器负载能力下降；在低压配电线路中，引起照明灯的寿命缩短或烧损、电视机损坏、中性线过负荷等；引起线损及线路电压损失增大；影响正常通信质量。2022-5

11、-2223 改善三相不平衡的措施2.4供电中断与供电可靠性供电中断-指长时间供电中断5min(或1min)供电可靠性常用指标：提高供电可靠性的措施：计及电压暂降的供电可靠性：2022-5-2233电网谐波分析与抑制3.1概述2022-5-224v上图表明，任何周期性的畸变波形都可用正弦波形的和表示。也就是说，当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为基波频率整数倍的理想正弦波形的和来表示。其中，频率为基波整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅立叶级数。v国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍”。 )sin(2)(11hhMhth

12、Utu)sin(2)(11hhMhthUti2022-5-225v某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称为该次谐波的含有率，次谐波电流的含有率为v畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率表示。它等于各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比。电流总畸变率%1001IIHRhh%100122IITHDhMhI2022-5-226v谐波电压的含有率和电压总畸变率的计算相同3.2 谐波分析常用的数学方法1 傅里叶变换（DFT）与快速傅里叶变换（FFT)离散形式：0111( )(coshsinh)hhhf tcatbt001( )Tcf t

13、 dtT102( )coshThaf ttdtT102( )sinhThbf ttdtT10101,.,1 , 0,2sin21,.,1 , 0,2cos2NkkhNkkhNhkhNfNbNhkhNfNa2022-5-227v当N很大时，DFT的计算量是相当可观的。例如，若N=1024，则需要1048576次复数乘法，FFT使DFT的乘法计算量大为下降。以N=1024为例，计算量降为5120次，仅为原来的488。v在电能质量分析领域中，傅里叶变换得到了广泛应用。谐波分析仪、电能质量分析仪及在线测量等。v在运用FFT时，必须满足以下条件：满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的2倍以上

14、；被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。否则就会产生“频谱混叠”和“频谱泄漏”现象，给分析带来误差。 2022-5-2282 瞬时无功功率理论（基于矢量变换) 三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。目前，有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。3 小波变换：小波变换的一个重要特点是能表征函数的奇异性。目前，国内外已有许多学者开始应用小波变换对电能质量若干问题进行研究，其应用主要集中在对电能质量扰动进行检测和定位、电能质量扰动信号数据压缩、电能质量扰动识别以及暂态电能质量扰动建模与分析等方面。 2022-5-2293.

15、3电力系统谐波源v铁磁饱和型：各种铁芯设备,如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性。v电子开关型：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及PWM变频器等电力电子设备。v电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等。2022-5-2301 整流装置产生谐波的机理 中小容量整流装置中常采用的单相全控桥式整流电路，2022-5-231v假设直流侧电感足够大，稳态工作时为常数。在电源电压过零变正后的某一时刻，给V1和V2加上触发信号，V1和V2导通，有电流通过负载。当电源电压过零进入负半波时，V3和V4虽已承受正电压，但因未受触发控制仍关断，此时，电感上的感应电动势使V1和V2继续导通。在时，给

16、V3和V4加上触发信号，V3和V4导通，致使V1和V2关断。工作的电压、电流波形如上图所示。v三相整流装置： 特征谐波 : k -脉动数1 kph2022-5-232v2 电气化铁路2022-5-233v电气化铁路牵引供电系统如下图： 其中：SS代表牵引变电站，两个SS之间50KM左右；SP为分区所，运行时SS向两边供电至分区所终止，即SS的最远供电距离25KM，特殊情况允SP并联，供电距离达到50KM。 2022-5-234 由于电力机车的负荷是单相整流性质，故对电网影响主要是“负序”或“高次谐波”。 车上受电弓牵引变压器牵引整流器转向架牵引电机机车车辆27.5kv单相接触网交流直流机械能电

17、能2022-5-235v目前我国电力牵引绝大部分采用交-直电力机车，此类电力机车通过变压器降压，整流，供给直流牵引电动机。机车每个转向架的牵引电动机各由一套整流装置供电，整流装置为二段半控整流桥，交流侧分别由独立的牵引绕组供电，输出整流电压串联后经平波电抗器供给直流牵引电机。2022-5-236v电气化铁道的谐波特点v随机波动性，相控机车电流的波形随相控角的变化而改变，谐波电流随基波负荷剧烈波动，谐波含量取决于机车的运行工况。v高压渗透性，电气化铁道其任一次谐波都通过高压系统向全网渗透，不受变压器接线方向的阻碍。v稳态奇次性，单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在涌流中含有偶次谐波。国内

18、实测机车谐波电流为负荷电流的百分数：3次2025%，5次1013%，7次68%。2022-5-2373.4谐波的危害v在电力危害方面在电力危害方面： 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、母排等）过载运行（发热、振动、异常声响等），缩短使用寿命、增加线损；增加电力网中谐振可能性，诱发过电压或过电流的危害（谐波谐振与放大）。v在信号干扰方面在信号干扰方面：干扰继电保护、自动装置和计算机系统；使电子设备工作不正常；使测量和计量仪器（包括电能表）、仪表误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统。2022-5-2383.5谐波抑制技术可分为预防性和补

19、偿性措施；1 通过增加整流器的脉动数及采用可控整流（PWM)限制整流器的谐波。2 无源滤波器（LC滤波器)2022-5-239 其中图（a）所示单调谐滤波器、图（b）双调谐滤波器、图（c）高通滤波器。如：单调谐滤波器对应于谐振频率，有发生谐振的频率为 所消除的谐波的次数为111CLhLChXXh L hXXh Ch0112fhfLC0111fhfLC2022-5-240v对于大容量的谐波滤除工程，往往采用若干组单调谐滤波器与一组高通滤波器配合使用的方案。为与单调谐滤波器配合，高通滤波器的截止谐波次数应比单调谐滤波器滤除的最高滤波次数至少大1，以免高通滤波器过多地分流单调谐滤波器的谐波。 3 有

20、源电力滤波器 v基本原理 ：有源电力滤波器采用与交流滤波器完全不同的原理，通过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流，以使谐波不会流人公共供电回路。2022-5-241有源滤波器的连接1111112( )sincos(sinhcosh)( )( )hhhpqi tbtatbtatiti tfqii ， ( )( )( )( )sfpi ti ti ti t 2022-5-242v有源滤波器的结构（1）无功及谐波电流的检测部分：工程实际要求实时快速检测其瞬时值（瞬时无功功率理论）。（2）控制系统：（3）逆变电源：（4）输出部分：高频滤波器和变压器组成。 有源电力滤

21、波器采用高频脉宽调制及快速补偿技术，具有动态特性好、滤波效果不受系统参数影响、占地小等特点，已成为抑制电力系统谐波极具发展前景的措施。 目前国内外已有许多厂家生产，目前主要400V。2022-5-2434 电压波动与闪变v4.1电压波动基本概念 电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速变动电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。其变化周期大于工频周期。或连续改变的现象。其变化周期大于工频周期。 在配电系统运行中，这种电压波动现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的、不规则的，亦或是随机的。 可能出现的电压波动图形可整合为四种形式 2022-5-244 为检测出电压波动分量，通常将电压波

22、动看成以工频电压为载波，其电压的均方根值或峰值受到以电压波动分量作为调幅波的调制。对于任何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成。 为使分析简化而又不失一般性，我们可以分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制。调制波解析式的一般表达式为2022-5-245v 若调幅波电压为单一频率的正弦波形 ( )()cosmFNu tUvtt ( )1coscos1coscosmmFNmFNmVu tUttUmttU2022-5-2464.2闪变的基本概念 电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变。换言之，闪变反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响。 闪变不仅与电压波动大小有关，还

23、与电压波动的频谱分布和电压出现波动的次数（或称为发生率）以及照明灯具的类型等许多因素有关。v频谱分布：一般觉察频率范围：125Hz； 最大觉察频率范围 ：0.0535Hz; 敏感范围：612Hz；最大敏感频率：8 .8Hz。 2022-5-2474.3引起电压波动的主要原因波动性负荷是引起供电电压波动的主要原因 。（1）由于频繁启动和间歇通电时常引起电压按一定规律周期变动的负荷。例如，轧钢机和绞车、电动机、电焊机等。 （2）引起供电点出现连续的不规则的随机电压变动的负荷。例如，炼钢电弧炉等。 电弧炉运行周期： 2022-5-248v由于电弧炉炼钢在技术经济上的优越性，工业生产采用交流电弧炉已日

24、益增多（30%），其不利影响： 电弧炉有功功率和无功功率冲击性快速变化引起的电压波动和闪变，电弧电阻的非线性导致的电力谐波畸变，以及三相负荷不对称带来的供电系统动态不平衡干扰等。4.4电压波动与闪变的抑制技术1 改善用电设备的特性：改善电动机启动方式等2 提高供电能力：架设专用电源或线路、母线分段等。2022-5-2493装设静止无功补偿装置 静止无功补偿器SVC、静止无功发生器SVG（第二章）。 目前SVC大量采用。 需要指出：SVC、SVG不但用于补偿无功，还同时能够滤除谐波、抑制电压波动和闪变等。2022-5-2505电压暂降与短时间中断5.1基本概念 随着数字式自动控制技术在工业生产中

25、得到大规模应用，如变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用，对供电系统的电压质量提出了更高的要求。 统计，在欧洲和美国，电力部门与用户对电压暂降的关注程度比对其他有关电能质量问题的关注程度要强得多。这其中一个重要的因素是，在电能质量的诸多原因中，由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题投诉数量的80以上。 2022-5-251v电压暂降（电压骤降、电压凹陷Voltage sags)是指供电电压均方根值在短时间突然下降的事件，其典型持续时间为0.5-30周波。 IEC:90%-1% IEEE:90%-10% 短时中断：1min. v电压暂降的幅值、

26、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个特征量。 相位跳变：是由系统和线路的电抗与电阻的比值(即X/R)不同，或不平衡暂降向低压系统传递引起的。2022-5-2525.2电压暂降与中断的起因 当输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时，均可引起电压暂降。其中，短路故障、感应电机启动和雷击是引起电压暂降的最主要原因。 保护装置切除故障、误动以及运行人员误操作等均可引起供电中断。从下面的分析中可以看到，具有故障自动恢复装置(重合闸等)的断电为短时间中断，而需要手动才能恢复的断电则为长时间中断。 2022-5-253 实线-故障线路1、虚线-非故障线路2 A-故障切除时间、B-重合闸合闸所需时间v电压暂降对敏感设