电能质量概述与节能案例分析

1、电能质量概述与节能案例分析 于景定 高级工程师/高级能源管理师 青海电力节能服务有限责任公司电能质量量概论电能既是是一种经经济实用用、清洁洁方便且且容易传传输、控控制和转转换的能能源形式式，又是是一种由由电力部部门向电电力用户户提供，并由供供、用双双方共同同保证质质量的特特殊产品品。电能质量量基本要要求为保证电电能安全全经济地地输送、分配和和使用，理想供供电系统统的运行行应具有有如下基基本特性性：（1）以单一一恒定的的电网标标称频（50Hz或60Hz，我国采采用50Hz）、规定定的若干干电压等等级（如如配电系系统一般般为110kV,35kV,10kV,380V/220V）和以正正弦函数数波形变

2、变化的交交流电向向用户供供电，并并且这些些运行参参数不受受用电负负荷特性性的影响响。（2）始终保保持三相相交流电电压和负负荷电流流的平衡衡。用电电设备汲汲取电能能应当保保证最大大传输效效率，即即达到单单位功率率因数，同时各各用电负负荷之间间互不干干扰。（3）电能的的供应充充足，即即向电力力用户的的供电不不中断，始终保保证电气气设备的的正常工工作与运运转，并并且每时时每刻系系统中的的功率供供需都是是平衡的的。 电能质量量三要素素上述理想想供电系系统的基基本特性性构成了了供电运运行对电电能质量量的基本本要求，如果将将其概括括描述可可如图1-1所示。电能质量量特征1、电力系系统的电电能质量量始终处处

3、在动态态变化中中。2、电力系系统是一一个整体体,其电能质质量状况况相互影影响。电电能不易易储存，其生产产、输送送、分配配和转换换直至消消耗几乎乎是同时时进行的的。3、电能质质量扰动动具有潜潜在危害害性与广广泛传播播性。4、有些情情况下用用户是保保证电能能质量的的主体部部分。5、对电力力系统的的电能质质量指标标进行综综合评估估非常困困难。6、控制和和管理电电力系统统电能质质量是一一项系统统工程。电力系统统对电能能质量的的要求1）电力系系统扩张张与联网网逐渐形形成，系系统运行行的安全全稳定性性和可靠靠性要求求不断提提高。2）在保证证电力系系统一定定的自然然垄断特特性的条条件下，强化环环境保护护意识

4、与与提高信信息管理理水平已已经势在在必行。3）电力系系统与计计算机技技术和通通信技术术的结合合更加紧紧密，采采用高新新技术（如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow）以提高高电力传传输能力力和实现现配电自自动化的的趋势方方兴未艾艾。4）电力用用户为满满足其对对产品的的个性化化、多样样性生产产的需求求，从最最大经济济利益出出发，在在大功率率冲击性性、非线线性负荷荷容量迅迅速增长长的同时时，更大大规模地地采用科科技含量量高的器器件、设设备与技技术。负荷类型型第一种负负荷分为为三类：普通负负荷、敏敏感负荷荷和重要要（要求求严格的的）负荷荷。第二种负负荷可分分为：感感性负荷荷、纯阻阻性负荷荷、

5、容性性负荷和和磁性负负荷。电能质量量起因电能质量量定义从普遍意意义上讲讲，电能能质量是是指优质质供电。电力部门门可能把把电能质质量定义义为电压压、频率率的合格格率以及及连续供供电的年年小时数数，并且且用统计计数字来来说明电电力系统统是安全全可靠运运行的。电力用户户则可能能把电能能质量简简单定义义为是否否向设备备提供了了合格电电力。电能质量量类型电流质量量：电流流质量与与电压质质量密切切相关。电流质质量包括括电流谐谐波、间间谐波或或次谐波波、电流流相位超超前或滞滞后、噪噪声等。供电质量量：它包包括技术术含义（电压质质量和供供电可靠靠性）和和非技术术含义（供电部部门对用用户投诉诉与抱怨怨的反应应速

6、度和和电力价价目的透透明度等等）。用电质量量：它包包括电流流质量和和非技术术含义等等，如用用户是否否按时，如数缴缴纳电费费等。电压质量量：给出出实际电电压与理理想电压压间的偏偏差，以以反映供供电部门门向用户户分配的的电力是是否合格格。电压压质量通通常包括括电压偏偏差、电电压频率率偏差、电压不不平衡、电压瞬瞬变现象象、电压压波动与与闪变、电压暂暂降（暂暂升）与与中断、电压谐谐波、电电压陷波波、欠电电压、过过电压等等。电能质量量表现形形式瞬变现象象短时间电电压变动动长时间电电压变动动电压不平平衡波形畸变变电压波动动工频变化化一、瞬变变现象关于瞬变变现象，IEEEStd100-1992电气与电电子标

7、准准术语词词典有一个含含义更宽宽、描述述更简单单的定义义：变量量的部分分变化，且从一一种稳态态状态过过渡到另另一种稳稳定状态态的过程程中该变变化逐渐渐消失的的现象。瞬变现象象两种普普遍类型型冲击和振振荡1、冲击性性瞬变现现象冲击性瞬瞬变是一一种在稳稳态条件件下，电电压、电电流非工工频的、单极性性的突然然变化现现象。最常见引引发其的的原因是雷电。如图1-5示。2.振荡瞬变变现象振荡瞬变变是一种种在稳态态条件下下，电压压、电流流的非工工频、有有正负极极性的突突然变化化现象。常用频频谱成分分、持续续时间、和幅值值大小来来描述其其特性。其频谱谱分为高高、中、低频，如表1-2所示。高频振荡荡现象中频振荡

8、荡现象低频振荡荡现象二、短短时间电电压变动动包括电压压暂降和和短时间间电压中中断现象象。造成电压压变动的的主要原原因是系系统故障障、大容容量负荷荷启动或或电网松松散连接接的间歇歇性负荷荷运作。根据所所在系统统条件和和故障位位置的不不同，可可能引起起暂时过过电压或或电压跌跌落，甚甚至使电电压完全全损失。三、长时时间电压压变动长时间电电压变动动是指，在工频频条件下下电压均均方根值值偏离额额定值，并且持持续时间间超过1min的电压变变动现象象。长时间电电压变动动可能时时过电压压也可能能欠电压压。过电压欠电压持续中断断四、电压压不平衡衡 电压不平平衡，时时常定义义为与三三相电压压（或电电流）的的平均值

9、值的最大大偏差，并且用用该偏差差与平均均值的百百分比表表示。电电压不平平衡也可可利用对对称分量量法来定定义，即即用幅负负序或零零序分量量与正序序分量的的百分比比加以衡衡量。图图113给出了采采用上述述两种比比值表示示的某一一民用溃溃电网一一周内电电压不平平衡趋势势。五、波形形畸变波形畸变变，是指指电压或或电流波波形偏离离稳态工工频正弦弦波形的的现象，可以用用偏移频频谱描述述其特征征。波形形畸变有有五种主主要类型型，即直直流偏置置、谐波波、间谐谐波、陷陷波、噪噪声。谐波畸变变水平的的描述方方法，通通常用具具有各次次谐波分分量幅值值和和相相位角的的频谱表表示。图图114给出了典典型变速速驱动输输入

10、电流流波形和和频谱图图。六、电压压波动电压波动动是指电电压包络络线有规规则的变变化或一一系列随随机电压压变动。通常，其幅值值并未超超过ANSI C84.11995电力系统统与设备备电压等等级规定的0.91.1p.u.范围。IEC1000331994低压供电电系统电电压波形形和闪变变限值（额定电电流16A的设备）则定义了了多种类类型的电电压波动动。七、工频频变化把电力系系统基波波频率偏偏离规定定正常值值的现象象定义未未频率变变化。工工频频率率的值与与向系统统供应电电能的发发电机的的转子速速度直接接相关。大规模互互联电力力系统极极少出现现频率大大的波动动。有时人们们会把陷陷波和频频率偏差差弄错。电

11、能质量量的数学学分析方方法电能质量量主要的的分析方方法可以以分为时时域、频频域和基基于数学学变换的的分析方方法三三种。时域仿真真方法在在电能质质量分析析中应用用最为广广泛。频域分析析方法主主要用于于电能质质量中谐谐波问题题。基于数学学变换的的方法主主要指傅傅立叶变变换方法法、短时时傅立叶叶变换方方法、矢矢量变换换方法以以及小波波变换方方法和人人工神经经网络分分析方法法。供电电压压偏差电压是电电能质量量的重要要指标之之一，其其中电压压偏差是衡量量供电系系统正常常运行与与否的一一项主要要指标。电压偏差差定义供电系统统在正常常运行方方式下，某一节节点的实实际电压压与系统统标称电电压(通常，电电力系统

12、统的额定定电压采采用标称称电压去去描述，对电气气设备则则采用额额定电压压的术语语)之差对系系统标称称电压的的百分数数称为该该节点的的电压偏偏差。供电电压压正常运运行方式式是指系系统中所所有电气气元件均均按预定定工况运运行。供供电系统统在正常常运行时时，负荷荷时刻发发生着变变化，系系统的运运行方式式也经常常改变，系统中中各节点点的电压压随之发发生改变变，会偏偏离系统统电压额额定值。电压的的这种变变化是缓缓慢的，其每秒秒电压变变化率小小于额定定电压的的1%。供电电压压正常运运行方式式电压偏差差的限值值35kV及以上供供电电压压的正、负偏差差的绝对对值之和和不超过过标称电电压的10%。如供电电电压上

13、上下偏差差同号时时(均为正或或负),按较大的的偏差绝绝对值作作为衡量量依据。(2)10kV及以下三三相供电电电压允允许偏差差为标称称电压的的7%。(3)220V单相供电电电压允允许偏差差为标称称电压的的+7%、-10%。电压偏差差产生的的原因电力系统统中的负负荷以及及发电机机组的出出力随时时发生变变化，网网络结构构随着运运行方式式的改变变而改变变，系统统故障等等因素都都将引起起电力系系统功率率的不平平衡。系系统无功功功率不不平衡是是引起系系统电压压偏离标标称值的的根本原原因。在系统运运行中的的任何时时刻，无无功电源源供给的的无功功功率与系系统需求求的无功功功率相相等。系系统无功功功率不不平衡意

14、意味着将将有大量量的无功功功率流流经供电电线路和和变压器器，由于于线路和和变压器器中存在在阻抗，造成线线路和变变压器首首末端电电压出现现差值。以供电电线路为为例来说说明无功功功率与与电压损损失的关关系。电力系统统的无功功功率平平衡线路的输输送距离离和输送送容量电压偏差差过大的的危害1、对用电电设备的的危害所有用户户的用电电设备都都是按照照设备的的额定电电压进行行设计和和制造的的。当电电压偏离离额定电电压较大大时，用用电设备备的运行行性能恶恶化，不不仅运行行效率低低，很可可能会由由于过电电压或过过电流而而损坏。输电线路路的输送送功率受受功率稳稳定极限限的限制制，而线线路的静静态稳定定功率极极限近

15、似似与线路路的电压压平方成成正比。系统运行行电压偏偏低时缺乏无功功电源时时频率稳定定和电压压稳定破破坏时系统运行行电压过过高造成系统统解列导致电压压崩溃也会威胁胁系统的的安全运运行给生产生生活到来来损失2、对电网网的危害害电能质量量治理两两种技术术途径无功补偿偿谐波治理理无功补偿偿（按电电压分类类）高压补偿偿，6kV以上；低压低压压补偿，0.4kV以下；对于铁合合金行业业来说，还存在在中压补补偿（10kV）的概念念。无功补偿偿（按补补偿接入入点）集中补偿偿（解决决力调电电费的办办法）分散补偿偿（小系系统的无无功优化化）就地补偿偿（无功功就地平平衡途径径）无功补偿偿（按补补偿装置置的特性性）静态

16、无功功补偿装装置（如如FC，接触器器投切）动态无功功补偿装装置（SVC，SVG）TSC：晶闸管管投切电电容器组组；TCR：晶闸管管投切电电容器电电抗器组组；SVG：静止无无功发生生器；谐波分类类谐波分为为：低次次、高次次；谐波分为为：奇次次、偶次次；谐波分为为：谐波波电压、谐波电电流；如采用双双向晶闸闸管（可可控硅）锻造加加热炉，就产生生偶次谐谐波，不不常见。）谐波治理理无源滤波波装置（针对产产生谐波波的次数数进行滤滤波，采采用的是是LC结构，治治理率60%，主要用用于高压压谐波治治理）有源滤波波装置（检测电电网存在在的谐波波次数及及波形，发射一一种与之之相反的的波形，进行相相互抵消消，治理理

17、率90%以上，主主要用于于低压系系统。）电能质量量综合治治理APF（电力有有源滤波波器）电能质量量综合治治理是指指低压系系统，既既有不规规则谐波波的发生生，有存存在大量量无功需需求，治治理时需需要双重重考虑，就需要要采用APF。谐波与无无功补偿偿的关系系电容是谐谐波的放放大源之之一。无功补偿偿与谐波波治理的的目的提高功率率因数，减少系系统无功功损耗；提升电能能质量，提高用用电安全全；节约电量量，节约约电力建建设；主要是强强调节约约电量与与节约电电力建设设节约电力力建设的的体现功率因数数可理解解为电能能的使用用效率；提高功率率因数，减少无无功损耗耗，就是是增加了了供电设设备、线线路的余余量，间间

18、接给了了设备与与线路进进行了增增容。节约电量量力调电费费的问题题降低无功功损耗（各种损损耗的降降低）降低有功功损耗无功经济济当量降低有功功损耗功率因数下降值0.950.90.850.80.750.70.65有功损耗增加（%）1123385678104136功率因数提高值0.60.650.70.750.80.850.90有功损耗降（%）60534638292010功率因数数提高到到0.95对降低有有功功率率损耗的的影响见见下表功率因数数从0.95降低到下下表值功功率损耗耗增加的的百分数数之间的的关系见见下表无功经济济当量发电厂直配线供电时0.03二级变压供电时0.06三级变压供电时0.09例如：

19、由由发电厂厂直配线线供电的的工厂企企业在进进行技术术经济比比较时，无功补补偿减少少100kvar无功功率率，可折折算成减减少有功功功率3kW;若是二级级变压供供电的工工厂，可可以折算算成6kW有功损失失；三级级变压供供电时，折算成成9kW有功损失失。案例一海海南南州某矿矿业公司司存在的主主要问题题1、现场调调查阶段段，10kV母线电压压只有9.2kV，低压侧侧在365V，电压值值明显偏偏低；2、二期高高压电机机启动，会造成成由变频频控制的的电机由由于系统统欠压跳跳机；3、二期只只能一条条生产运运行，两两条生产产线同时时运行时时，10kV母线电压压只有7kV，严重偏偏低，导导致不能能正常生生产。

20、总体分析析：系统统无功损损耗过大大，需要要进行系系统性动动态无功功补偿配配置，减减少线路路压降，提高供供电质量量，节省省电费支支出。导致原因因1、贵单位位采用的的无功补补偿为普普通型，不是高高海拔型型，设备备运行的的稳定与与电气参参数会产产生一定定的影响响；2、一期的的系统无无功基本本上通过过0.4kV的集中补补偿得到到了解决决，但考考虑到系系统电能能质量的的稳定与与提升，还是需需要从负负荷端进进行处理理，减少少低压系系统的无无功，整整体的提提升供电电质量；3、二期的的问题主主要体现现在以下下三点：1）两台475kW的高压球球磨机没没有补偿偿，通过过现场运运行数据据的计算算，该负负荷的功功率因

21、数数在0.70，无功太太大；2）1600kVA变压器的的电容补补偿配置置偏小，只有480kvar，对于1200kW的负荷来来说，补补偿量设设计明显显偏小，需要系系统性增增加一部部分；3）需要从从负荷端端进行处处理，减减少低压压系统的的无功，整体的的提升供供电质量量。解决方案案对两台475kW的高压电电机及10kV电网进行行无功补补偿；对全厂37kW及其以上上的电机机进行就就地补偿偿，使得得无功就就地平衡衡，不发发生到电电网上（变频控控制除外外）；对二期1600kVA变压器增增加一组组320kvar高海拨低低压动态态电容补补偿装置置。经济效益益分析（55kW水泵就地地补偿为为例）一台55kW循环

22、水泵泵，年运运行时间间8000小时，现现场测得得数据如如下：有有功P=48.7kW，电压U=372V，电流I=100.78A，功率因因数0.75，将功率率因数补补偿到0.95，求补偿偿容量？年节约约电量？补偿容量量Qc=aP(tg1-tg2)=26kvara负荷系数数；tg1补偿前功功率因数数角正切切；tg2补偿后功功率因数数角正切切值。选择电容容配置（10+20）kvar的智能型型就地无无功优化化装置节约电量量计算：根据无功功经济当当量系数数表K值取0.09，55kW电机每小小时减少少的无功功损耗为为26kvar，补偿系数数为0.85，年节约约的电量量为：26kvar*0.09*0.85*8

23、000=15912kWh案例二某某钾钾肥厂110kV专线，线线路距离离150公里以上上；一边生产产，一边边建设，由于线线路过长长，受自自然灾害害影响，会出现现负荷波波动，以以及低负负荷运行行的状态态；110kV变电站采采用三绕绕组变压压器，110kV进线，出出线35kV/10kV，35kV/10kV都有负荷荷，无功功补偿在在10kV侧；无功配置置为2M电抗，6M电容（分分三组），手动动投切。0.4kV侧的无功功补偿基基本配置置到位，但由于于质量原原因均没没有正常常使用。存在的主主要问题题存在力调调电费问问题；0.4低压侧功功率因数数低于0.60；解决方案案在10kV侧增设一一台4M的SVG(动

24、态无功功补偿)或MCR（磁控电电抗器），将原原先FC运行纳入入SVG控制范畴畴；将0.4kV低压侧的的无功补补偿重新新、合理理配置，正常投投入运行行使用。案例三某某矿矿业公司司供配电系系统为110kV/6kV，动力负负荷占90%以上；由于公司司建设得得比较早早，所以以供用电电设备老老旧，部部分设备备进入了了国家强强制性淘淘汰目录录；公司整体体的配电电网络来来看，哪哪里需要要用电就就从哪里里接，缺缺少足够够的规划划，导致致变压器器的配置置不合理理；0.4kV侧变压器器无功补补偿配置置不到位位；由于公司司没有二二级或三三级计量量，所有有没有办办法对整整个供配配电系统统的线路路及变压压器的损损耗进行行统计分分析；解决方案案对需要淘淘汰的设设备进行行合理性性淘汰；对0.4kV侧变压器器的负荷荷进行统统计与分分析，加加装无功功补偿装装置，减减少低压压侧无功功损耗；对0.4kV侧变压器器及6kV主要设备备按照计计量装置置。备注：通通过二级级或三级级计量的的数据统统计，分分析出整整个系统统的线路路损耗和和变压器器损耗，然后根根据分析析的结果果，制定定出合理理的改造造方案。节能概念念节约能源源简称“节能”。所谓“节能”，是指加加强用能能管理，采取技术术上可行行、经济济上合理理以及环环境和社社会可以以承受的的措施，减少从从能源生生产到消消费各个个环节中中的损失失和浪费费，更加