电能质量分析与控制

关于电能质量分析与控制目录电能质量概述传统电能质量分析与改善措施电压波动与闪变第2页,共195页，2024年2月25日，星期天第一章电能质量概论

电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。第3页,共195页，2024年2月25日，星期天第一节概述

人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称值的多少作为检验电能质量的主要指标。如何深入理解现代电能质量问题，如何把提高电能质量与增强竞争意识、电力市场占有率联系起来，如何从技术、经济和运行管理等方面加大力度，保证优质供电，以最小程度减少对现代工业企业和重要电力用户的影响，既是电力用户需求和电力系统运行给我们提出的新任务，也是信息时代给我们提出的新挑战。第4页,共195页，2024年2月25日，星期天一、供电系统运行与电能质量的关系

1.电能质量的基本要求为保证电能安全经济地输送、分配和使用，理想供电系统的运行应具有如下基本特性：（1）以单一恒定的电网标称频率（50Hz或60Hz，我国采用50Hz）、规定的若干电压等级（如配电系统一般为110kV,35kV,10kV,380V/220V）和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电，并且这些运行参数不受用电负荷特性的影响。第5页,共195页，2024年2月25日，星期天

（2）始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡。用电设备汲取电能应当保证最大传输效率，即达到单位功率因数，同时各用电负荷之间互不干扰。（3）电能的供应充足，即向电力用户的供电不中断，始终保证电气设备的正常工作与运转，并且每时每刻系统中的功率供需都是平衡的。

一、供电系统运行与电能质量的关系第6页,共195页，2024年2月25日，星期天一、供电系统运行与电能质量的关系

上述理想供电系统的基本特性构成了供电运行对电能质量的基本要求，如果将其概括描述可如图1-1所示。上图中三个基本集合的交集之内确定了合格电能质量的指标要求，是我们将要阐述的供电系统电能质量的三个基本要素。图1-1示意性地表明，这三项质量指标相互间存在着紧密的依存和制约关系。第7页,共195页，2024年2月25日，星期天一、供电系统运行与电能质量的关系

2.电能质量的特征电能，或称之为电产品，除了具有其他工业产品的基本特征之外，由于其产品形式单一，而且其生产、输送与消耗的全过程独具特色，因此在引起电能质量问题的原因上、在劣质电能的影响与评价等方面与一般产品的质量问题不同，具有以下显著特点：第8页,共195页，2024年2月25日，星期天一、供电系统运行与电能质量的关系（1）电力系统的电能质量始终处在动态变化中。（2）电力系统是一个整体,其电能质量状况相互影响。电能不易储存，其生产、输送、分配和转换直至消耗几乎是同时进行的。（3）电能质量扰动具有潜在危害性与广泛传播性。（4）有些情况下用户是保证电能质量的主体部分。（5）对电力系统的电能质量指标进行综合评估非常困难。（6）控制和管理电力系统电能质量是一项系统工程。第9页,共195页，2024年2月25日，星期天二、当代电力系统对电能质量的要求

随着时代进步与科技的飞速发展，现代电网与负荷构成出现了新的变化趋势，由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。电网与负荷构成出现的变化趋势主要表现在：

第10页,共195页，2024年2月25日，星期天二、当代电力系统对电能质量的要求（1）电力系统扩张与联网逐渐形成，系统运行的安全稳定性和可靠性要求不断提高。（2）在保证电力系统一定的自然垄断特性的条件下，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。（3）当代电力系统与计算机技术和通信技术的结合更加紧密，采用高新技术（如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow）以提高电力传输能力第11页,共195页，2024年2月25日，星期天二、当代电力系统对电能质量的要求

和实现配电自动化的趋势方兴未艾。（4）电力用户为满足其对产品的个性化、多样性生产的需求，从最大经济利益出发，在大功率冲击性、非线性负荷容量迅速增长的同时，更大规模地采用科技含量高的器件、设备与技术。

第12页,共195页，2024年2月25日，星期天二、当代电力系统对电能质量的要求

负荷敏感度：是指负荷对电能质量问题的敏感程度，即提供给负荷的电能质量不良时负荷能承受干扰仍正常工作的能力。

一般可将负荷分为三类：普通负荷（CommonLoad）、敏感负荷（SensitiveLoad）和重要（要求严格的）负荷（CriticalLoad）。第13页,共195页，2024年2月25日，星期天二、当代电力系统对电能质量的要求

电力系统的各个部分都是相互联系的，使用电双方的相互影响越来越紧密。因此，综合协调处理电能质量问题至关重要。另外需要注意到，由于看问题的角度不同，在导致电能质量下降的原因与责任上，供用电双方往往存在很大的分歧。第14页,共195页，2024年2月25日，星期天

美国乔治动力公司曾组织和实施了一项对电力部门和电力用户关于电能质量问题起因的调查，其结果如图1-2所示。据分析，虽然对电力市场的质量调查还存在分类方法上的不同，但是调查报告清楚地表明，电力公司和电力用户对引发电能质量问题的原因的看法往往有很大的分歧，尽管双方都把2/3的事件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。第15页,共195页，2024年2月25日，星期天二、当代电力系统对电能质量的要求第16页,共195页，2024年2月25日，星期天二、当代电力系统对电能质量的要求

综上所述，现代电力系统结构与负荷构成的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和获得更大的经济效益；同时通过采用高效的电力负荷设备，大量节约电能和延缓用电的需求，从而节省电力建设所需的大量投资。第17页,共195页，2024年2月25日，星期天三、改善电能质量的意义

电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。时至今日，电力工业面向市场经济，引进竞争机制，以求最小成本与最大效益，电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。第18页,共195页，2024年2月25日，星期天第二节电能质量概念、定义及分类

电能质量术语:国际电气电子工程室师协会（IEEE）标准化协调委员会已正式通过采用“PowerQuality”（电能质量）术语的决定。我国国家标准中已正式更名采用国际通用的英文名称。第19页,共195页，2024年2月25日，星期天一基本概念与定义

电能质量：从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。电力部门可能把电能质量定义为电压、频率的合格率以及连续供电的年小时数，并且用统计数字来说明电力系统是安全可靠运行的。电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向设备提供了电力。第20页,共195页，2024年2月25日，星期天一基本概念与定义

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。

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合格。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、电压波动与闪变、电压暂降（暂升）与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。第21页,共195页，2024年2月25日，星期天一基本概念与定义

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。

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透明度等）两部分。

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。第22页,共195页，2024年2月25日，星期天二电能质量的分类1.电能质量的基本分类对于电能质量现象可以根据不同基础来分类。以下介绍了近几年国际上在电能质量现象分类和特性描述等方面取得的研究成果。其中，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，如表1-1所示。第23页,共195页，2024年2月25日，星期天二电能质量的分类

第24页,共195页，2024年2月25日，星期天

表1-2给出了IEEE制定的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。第25页,共195页，2024年2月25日，星期天第26页,共195页，2024年2月25日，星期天2.变化型和事件型分类按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征——变化的连续性和事件的突发性为基础分成两类。连续型（连续出现）事件型（突然发生）图1-3、图1-4所示为供电电压幅值的概率密度函数曲线和概率分布函数曲线。第27页,共195页，2024年2月25日，星期天第28页,共195页，2024年2月25日，星期天第29页,共195页，2024年2月25日，星期天第三节电能质量现象描述

本节中我们重点对表1-2中的七类现象作进一步描述，以便读者对电能质量涵盖的内容有一个整体的了解。第30页,共195页，2024年2月25日，星期天一、瞬变现象

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。第31页,共195页，2024年2月25日，星期天瞬变现象的两种普遍类型——冲击和振荡1.冲击性瞬变现象冲击性瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流非工频的、单极性的突然变化现象。最常见引发其的原因是雷电。如图1-5示。第32页,共195页，2024年2月25日，星期天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，如表1-2所示。高频振荡现象中频振荡现象低频振荡现象第33页,共195页，2024年2月25日，星期天

图1-6为背靠背电容器增能引起的几千赫电流振荡波形。

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低频振荡现象出现在辅助输配电系统，最常见的是电容器组冲能。电压振荡频率为300~900赫，峰值可达到2.0p.u.。一般其典型值为1.3~1.5p.u.，持续时间在0.5~3周波，具体情况要根据系统的阻尼程度来确定（参见图1-7）。第35页,共195页，2024年2月25日，星期天

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，如图1-8所示。第36页,共195页，2024年2月25日，星期天二、短时间电压变动

包括电压暂降和短时间电压中断现象。造成电压变动的主要原因是系统故障、大容量负荷启动或电网松散连接的间歇性负荷运作。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。第37页,共195页，2024年2月25日，星期天二、短时间电压变动1.电压中断当电压降到0.1p.u.以下，且持续时间不超过1min时，则认为出现了电压中断现象。造成电压中断的现象。造成电压中断的原因可能是可能是系统故障、用电设备故障或控制失灵等。电压中断往往是以其幅值总是低于额定值百分数的持续时间来量度的。第38页,共195页，2024年2月25日，星期天

对于有些由于系统故障造成的电压中断，在其出现之前，既在故障发生至保护动作期间，可能先出现电压暂降，之后进入短期中断，如图1-9（a）所示。第39页,共195页，2024年2月25日，星期天2.电压暂降“暂降”是指工频条件均发根值减小到0.1~0.9p.u.之间、持续时间为0.5周波至1min的短时间电压变动现象。暂降和骤降可以互相替换图1-10为发生短路故障引起的单相电压暂降的变化波形。第40页,共195页，2024年2月25日，星期天

图1-11为大型电机启动对电压的影响。在启动期间，感应电机将汲取6-10倍的额定电流。第41页,共195页，2024年2月25日，星期天3.电压暂升“暂升”的含义是指在工频条件下，电压均方根值上升到1.1～1.8p.u.之间、持续时间为0.5周波到1min的电压变动现象。例如，当单相对地发生故障，非故障相的电压可能会短时上升。图1－12给出可该情况下引起的电压暂升的波形。第42页,共195页，2024年2月25日，星期天三长时间电压变动

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。过电压欠电压持续中断第43页,共195页，2024年2月25日，星期天四电压不平衡

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。图1－13给出了采用上述两种比值表示的某一民用溃电网一周内电压不平衡趋势。第44页,共195页，2024年2月25日，星期天第45页,共195页，2024年2月25日，星期天五波形畸变

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，即直流偏置、谐波、间谐波、陷波、噪声。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。图1－14给出了典型变速驱动输入电流波形和频谱图。第46页,共195页，2024年2月25日，星期天第47页,共195页，2024年2月25日，星期天

图1－15给出了连续直流式三相换流器的电压陷波例子。第48页,共195页，2024年2月25日，星期天

六电压波动

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ANSIC84.1－1995《电力系统与设备电压等级》规定的0.9－1.1p.u.范围。IEC1000－3－3－1994《低压供电系统电压波形和闪变限值（额定电流<16A的设备）》则定义了多种类型的电压波动。第49页,共195页，2024年2月25日，星期天六电压波动由电压波动产生闪变现象的例子示于图1－16。第50页,共195页，2024年2月25日，星期天七工频变化把电力系统基波频率偏离规定正常值的现象定义为频率变化。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。第51页,共195页，2024年2月25日，星期天第四节电能质量标准简介

从20世纪80年代初到2001年，国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量国家标准。如表1－3所示：第52页,共195页，2024年2月25日，星期天第53页,共195页，2024年2月25日，星期天第54页,共195页，2024年2月25日，星期天第三章传统电能质量分析与改善措施20世纪70年代以前，电力系统中使用电子计算机进行控制的设备和电子装置的数量不多，非线性负荷和冲击性负荷占系统总负荷的比例很小，电力工作者关心的电能质量问题主要局限在电压、频率和连续供电方面。因此，电压偏差、频率偏差、电压三相不平衡和供电可靠性构成了传统电能质量的主要内容。第55页,共195页，2024年2月25日，星期天第一节概述电力系统中的电气设备是按额定电压和额定频率设计、制造的。在额定电压和额定频率下运行时，电气设备的运行性能最优、效率最高。反之，电气设备的运行性能会减弱，效率下降，严重时可能使设备无法正常工作，甚至导致设备绝缘损坏、烧毁或爆炸等，从而间接或直接危害设备、人身及系统的安全。第56页,共195页，2024年2月25日，星期天第一节概述由此可见，系统电压质量、频率质量以及供电可靠性的好坏对电气设备的安全运行与使用寿命有着重要的影响，同时也直接关系到电力系统自身的安全稳定和经济运行。保证系统频率和各点电压偏差在允许的范围之内，保证电压

三相平衡以及提高系统的供电可靠性是电力系统运行的调整的基本任务。第57页,共195页，2024年2月25日，星期天第一节概述本章主要介绍了电压偏差、频率偏差、电压三相不平衡和供电可靠性的概念、产生的原因、相关的国家标准以及改善这些电能质量指标的常规方法。第58页,共195页，2024年2月25日，星期天第二节供电电压偏差

电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。第59页,共195页，2024年2月25日，星期天一、电压偏差的定义

供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压(通常，电力系统的额定电压采用标称电压去描述，对电气设备则采用额定电压的术语)之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为

(3-1)式中——电压偏差；

——实际电压，kV；

——系统标称电压，kV。第60页,共195页，2024年2月25日，星期天一、电压偏差的定义供电电压正常运行方式是指系统中所有电气元件均按预定工况运行。供电系统在正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常改变，系统中各节点的电压随之发生改变，会偏离系统电压额定值。电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率小于额定电压的

1%。第61页,共195页，2024年2月25日，星期天一、电压偏差的定义由第一章可知，电压的均方根值偏离额定值的现象称为电压变动，所以电压偏差属于电压变动的范畴。与同属电压变动范畴的过电压和欠电压相比，电压偏差仅仅针对电力系统正常运行状态而言。过电压和欠电压既可能出现在电力系统正常运行方式，也可能出现在电力系统非正常运行方式，如故障状态等。电力系统不大于标称电压的10%。系统在非正常运行方式下，由于故障所引发的系统电压变动与故障点距离的远近有很大关系。

第62页,共195页，2024年2月25日，星期天一、电压偏差的定义此时，系统实际电压可能严重偏离标称值，也可能偏离标称值的幅度并不大。距离越近，电压低于标称值越多。反之，距离越远，电压低于标称值越少。此时，电压偏差强调的是实际电压偏离系统标称电压的数值，与偏差持续的时间无关。而过电压和欠电压强调实际电压严重偏离标称电压，分别为高于标称电压的110%和维持在标称电压的10%~90%，并且持续时间超过1min。

第63页,共195页，2024年2月25日，星期天二、电压偏差的限值一般而言,35kV以上供电电压无直接用电设备,用电设备大多通过降压变压器接入供电系统,合理选择降压变压器的分接头位置可以起到一定的调压作用。因此,目前我国对35kV及以下供电电压规定了允许电压偏差,具体情况如下：(1)35kV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%。如供电电压上下偏差同号时(均为正或负),按较大的偏差绝对值作为衡量依据。(2)10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的-7%、+7%。(3)220V单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。第64页,共195页，2024年2月25日，星期天二、电压偏差的限值我国的国家标准GB12325—1990《电能质量供电电压允许偏差》对电压偏差做出了详尽规定。第65页,共195页，2024年2月25日，星期天三、电压偏差产生的原因

电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。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。

第66页,共195页，2024年2月25日，星期天三、电压偏差产生的原因电力系统的无功功率平衡是指：在系统运行中的任何时刻，无功电源供给的无功功率与系统需求的无功功率相等。系统无功功率不平衡意味着将有大量的无功功率流经供电线路和变压器，由于线路和变压器中存在阻抗，造成线路和变压器首末端电压出现差值。以供电线路为例来说明无功功率与电压损失的关系。图3-1(a)是当不计线路分布电容影响时一条供电线路的等值电路。

第67页,共195页，2024年2月25日，星期天三、电压偏差产生的原因第68页,共195页，2024年2月25日，星期天三、电压偏差产生的原因设，负载的复功率为

(3-2)

所以(3-3)第69页,共195页，2024年2月25日，星期天三、电压偏差产生的原因线路首末端电压的相量差，即线路的电压降为(3-4)将公式(3-3)代入式(3-4)，得

(3-5)

记为(3-6)第70页,共195页，2024年2月25日，星期天三、电压偏差产生的原因其中，和分别是电压降的纵分量和横分量。其表达式分别为

(3-7)(3-8)规定电压损失为线路首末端电压的均方根值之差，即电压损失为

(3-9)第71页,共195页，2024年2月25日，星期天

一般，线路两端电压的相差角较小，电压降横分量对电压损失的影响可以忽略不计，把电压降纵分量近似看作电压损失，即（3-10）

在110KV及以上电压等级的输电线路中，由式（3-10）可知无功功率Q对电压损失的影响远大于有功功率P对电压损失的影响。设图3-1中母线1的电压为标称电压，在图示参考方向下，当无功功率Q>0时，则意味着母线2的无功功率不足，需要从系统吸收无功功率Q。三、电压偏差产生的原因第72页,共195页，2024年2月25日，星期天由式（3-10）可知三、电压偏差产生的原因无功功率不平衡越严重，电压偏差越大。电压偏差为负；电压偏差为正。第73页,共195页，2024年2月25日，星期天

供配电网络结构的不合理也能导致电压偏差。供配电线路输送距离过长，输送容量过大，导致截面过小等因素都会加大线路的电压损失，从而产生电压偏差。从此，我国对不同电压等级的供配线路规定了合理的输送距离和输送容量，见表3-1。三、电压偏差产生的原因第74页,共195页，2024年2月25日，星期天表3-1线路的输送距离和输送容量第75页,共195页，2024年2月25日，星期天四、电压偏差过大的危害

电压偏差过大对广大用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会产生极大的危害。

1、对用电设备的危害所有用户的用电设备都是按照设备的额定电压进行设计和制造的。当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，不仅运行效率低，很可能会由于过电压或过电流而损坏。第76页,共195页，2024年2月25日，星期天

2、对电网的危害

输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。

系统运行电压偏低时缺乏无功电源时频率稳定和电压稳定破坏时系统运行电压过高造成系统解列导致电压崩溃也会威胁系统的安全运行给生产生活到来损失四、电压偏差过大的危害第77页,共195页，2024年2月25日，星期天五、改善电压偏差的措施

电力系统分布广，节点数目多。系统运行时，电压随节点位置、负荷水平不断发生变化。可以说，电压水平的控制既有局域性，又有全局性；既于网络规划有关，又与运行控制密不可分。保证电力系统各节点电压正常水平的充分必要条件是系统具备充足的无功功率电源，同时采取必要的调压手段。第78页,共195页，2024年2月25日，星期天

现以图3-2为例，说明各种调压措施所依据的基本原理。为简化起见，忽略系统各元件的对地电容，网络阻抗已归算至高压侧。

五、改善电压偏差的措施第79页,共195页，2024年2月25日，星期天负荷接入点电压可表示为

(3-11)

式中——归算至高压侧网络的电压损失kV；

——高压侧网络标称电压，kV。五、改善电压偏差的措施第80页,共195页，2024年2月25日，星期天五、改善电压偏差的措施

公式（3-11）表明:改变以下各量即可调整负荷接入节点的电压UL。

（1）改变系统无功功率的分布；（2）改变发电机端电压US；（3）改变变压器变比K1，K2。（4）改变输电网络的参数X。下面从电力系统无功功率电源和调压手段两方面对电压偏差的改善措施作详细的介绍。第81页,共195页，2024年2月25日，星期天（一）配置充足的无功功率电源

电力系统中的无功功率损耗很大一部分是线路和变压器中的无功功率损耗。由于高压线路和变压器的等值电抗远大于等值电阻，变压器的无功损耗也比有功损耗大得多，从而导致整个系统的无功损耗远大于有功损耗。系统运行时仅靠发电机提供的无功功率远远不能满足系统对无功功率的需要，因此必须装设大量的无功补偿设备。电力系统的无功功率电源有同步发电机，同步调相机，电容器，电抗器和静止无功补偿装置（SVC）等。五、改善电压偏差的措施第82页,共195页，2024年2月25日，星期天

1、同步发电机发电机是电力系统中唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率电源。发电机调节无功功率的速度快且不需要额外投资，所以充分利用发电机改善系统无功功率的平衡是一种十分经济实用的调节手段，其缺点是调节能力不大。

五、改善电压偏差的措施第83页,共195页，2024年2月25日，星期天2、同步调相机同步调相机实质上是不带机械负载的同步电动机。改变同步调相机的励磁，可以使同步调相机工作在过励磁或欠励磁状态，从而发出或吸收无功功率。它是最早采用的无功调节设备之一。同步调相机的优点：有电压支撑的作用、可迅速提高无功功率、可吸收多余的无功功率。缺点：本身设备的有功功率损耗大、维护复杂、投资大。所以它不是主要的无功功率调节设备。五、改善电压偏差的措施第84页,共195页，2024年2月25日，星期天3、电容器

作为无功功率补偿用的电容器以并联的方式接入系统，其接线方式如图3-3所示。

电容器只能输出无功功率。其产生无功功率的大小可表示成

(3-12)

式中，为电力系统角频率；C为电容器的电容值。五、改善电压偏差的措施第85页,共195页，2024年2月25日，星期天

电容器具有有功功率损耗小、设计简单、容量组合灵活、安全可靠、运行维护方便、投资省等优点。所以长期以来电容器一直是电力系统优先采用的无功功率补偿设备。但当系统电压下降时，会导致电压进一步降低；当系统电压偏高时，系统电压进一步升高。这种正反馈的电压调节特性不利于系统电压的稳定，这是电容器调压的缺点。五、改善电压偏差的措施第86页,共195页，2024年2月25日，星期天

此外，这种调压是不连续的。常规电容器采用分组投切的形式，每投入或切除一组电容器，可分别使系统电压跳变式升高或降低。因此，应综合考虑系统容量、电压等级、负荷大小等因素，合理地选择电容器的分组数及每组容量。五、改善电压偏差的措施第87页,共195页，2024年2月25日，星期天4、电抗器

线路的分布电容所产生的无功功率，与电压的平方成正比，同时与线路的长度成正比。因此，长距离、高电压等级的线路产生的充电功率不容忽视。图3-4是线路形等值电路。五、改善电压偏差的措施第88页,共195页，2024年2月25日，星期天

图中电容代表线路的分布电容，每个电容的电纳为整个线路等效电纳B的一半，即为。每个电容产生的充电功率为线路总充电功率的一半，即等于。当线路轻载或空载运行时，线路电抗X中的无功损耗很小，其数值可能等于或小于线路的充电功率。这种情况下线路总的无功损耗为零，甚至变负。五、改善电压偏差的措施第89页,共195页，2024年2月25日，星期天高压线路在轻载时，将会存在大量过剩的充电功率，从而使电压升高。从表3-2可见，高压线路轻载时电压搜升高现象十分严重，其升高幅度已经大大超出了国家的有关规定。这对系统的安全运行和用户的正常生产构成了极大的威胁。五、改善电压偏差的措施第90页,共195页，2024年2月25日，星期天5、静止无功补偿装置和静止无功发生装置

基于电力电子半控器件无功补偿装置（SVC）和基于电力电子全控器件的静止无功发生装置（SVG）具有动态无功功率补偿特性。与同步调相机一样，它们既可以向系统输出无功功率，也可吸收系统的无功功率。其动态特性好，调压速度快，调压平滑，而且可实现分相无功补偿，有功功率损耗也比较小。由于他们由静止开关元件构成，所以运行维护方便、可靠性较高。但这类设备价格普遍较高，运行经验较欠缺。五、改善电压偏差的措施第91页,共195页，2024年2月25日，星期天（二）系统调压手段

电力系统是个庞大的系统，其中的负荷难以计数，无法对其中每个节点的电压进行监视和调整。通常的做法是选择一些关键性的母线作为电压监视点。如果将这些母线的电压偏差控制在允许范围内，系统中的其他节点的电压及负荷电压就能基本满足要求。这些电压监视点称为电压中枢点。一般选择系统内装机容量较大的发电厂高压母线，容量较大的变电所低压母线，以及有大量地方负荷的发电机母线作为电压中枢点。五、改善电压偏差的措施第92页,共195页，2024年2月25日，星期天1、电压偏差的调整方式中枢点的调压方式分为三种：

逆调压顺调压恒调压目前中枢点常用的调压方式是逆调压。第93页,共195页，2024年2月25日，星期天2、电压偏差的调整手段用发电机调压：调节自动调节励磁装置改变变压器变比调压：即调节变比K

(3-13)

普通电力变压器除分接头外，还有2-4个附加分接头。通过选择分接头，可使变压器的变比发生改变。第94页,共195页，2024年2月25日，星期天改变线路参数调压

1）采用分裂导线。第95页,共195页，2024年2月25日，星期天2）串联电容器。接线图见图3-6.根据公式3-10线路的电压损失为：第96页,共195页，2024年2月25日，星期天串联电容补偿线路电抗的程度可用补偿度Kc来表示：

(3-14)

式中XL——线路电抗，；

XC——线路串联电容容抗，。叫过补偿，整个线路的等值阻抗呈现容性；叫欠补偿，整个线路的等值阻抗呈现感性；叫完全补偿，整个线路的等值阻抗呈现阻性；第97页,共195页，2024年2月25日，星期天

与装设并联电容器相比，串联电容器补偿法的调压效果显著，特别适合于电压波动频繁、负荷功率因数低的场合。但采用串联电容也会带来一些新问题。串联电容与感应电动机有可能发生共振。串联电容与变压器也可能发生共振。第98页,共195页，2024年2月25日，星期天六、电压偏差的监测与考核

电压偏差的监测与考核是评价电力系统电压质量的重要方法，其结果也是修定无功功率和电压曲线、制定电网规划和技术改造计划的依据。电压监测点的设置原则是：（1）与主网（220KV及以上电力系统）直接连接的发电厂高压母线。（2）各级调度“界面”处的330KV及以上变电所的一、二次母线，220KV变电所的二次母线或一次母线。第99页,共195页，2024年2月25日，星期天（3）所有变电所的10KV母线。（4）具有一定代表性的用户电压监测点宜采用这样的选取原则：所有110KV及以上供电的用户；所有35KV专线供电的用户；其他35KV用户和10KV用户；低压0.4KV用户。第100页,共195页，2024年2月25日，星期天

电压监测的方法是在电压监测点安装具有自动记录和统计功能的“电压监测仪”。它能直接监测电压的偏差，并能统计电压合格率和电压超限率。

(3-15)

(3-16)第101页,共195页，2024年2月25日，星期天

我国电力行业对电压偏差的考核是指各供电企业的以下五类指标是否满足供电企业安全文明生产达标和创一流标准。（1）A类电压合格率——城市变电所10ＫＶ母线电压合格率；（2）B类电压合格率——110KV及以上供电或35（63）KV专线供电用户的电压合格率；（3）C类电压合格率——其他高压用户的电压合格率第102页,共195页，2024年2月25日，星期天（4）D类电压合格率——0.4KV用户的电压合格率比；（5）供电综合电压合格率计算式为

(3-17)

式中Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ分别代表Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ类电压合格率。第103页,共195页，2024年2月25日，星期天表3-4我国某大城市电网2002年供电电压合格率统计表第104页,共195页，2024年2月25日，星期天第三节电力系统频率偏差

频率是电能质量最重要的指标之一。系统负荷特别是发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率，使系统的频率偏差控制在允许的范围内。允许频率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低，同时反映了一个国家工业发达的程度。第105页,共195页，2024年2月25日，星期天一、频率偏差的定义

根据工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频率，用f表示，单位为Hz。交变一次所需的时间称为周期，用T表示，单位为s。频率和周期互为倒数，即

f=1/T（3-18）交流电力系统是以单一恒定的标称频率、规定的几种电压等级和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电。交流电力系统的标称频率分为50Hz和60Hz两种，我国采用50Hz标称频率（工频）。第106页,共195页，2024年2月25日，星期天

不同标称频率的系统要实现互联，必须通过变频调速装置才能实现并网。一个常蓄结合式抽水蓄能电站的原理接线图如图3-7所示。图中，G代表常规发电机组，其额定频率为50Hz；G/M代表抽水蓄能机组，其工作频率为30-80Hz。一、频率偏差的定义第107页,共195页，2024年2月25日，星期天图3-7常蓄结合式抽水蓄能电站的原理接线第108页,共195页，2024年2月25日，星期天

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，用公示表示为（3-19）式中——频率偏差，Hz；

fre——实际频率，Hz；

fN——系统标称频率，Hz。频率偏差属于频率变化范畴。电力系统的频率变化是指基波频率偏离规定正常值的现象。

一、频率偏差的定义第109页,共195页，2024年2月25日，星期天二、频率偏差限值

我国国家标准GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》规定：系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。系统容量较小时，可放宽到0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz

一些经济发达国家允许的系统频率偏差为0.1Hz。日本为0.08Hz。预计经济发达国家的系统频率允许偏差将达到0.05Hz第110页,共195页，2024年2月25日，星期天三、频率偏差产生的原因

当系统负荷功率总需求(包括电能传输环节的损耗)与系统电源的总供给相平衡时，才能维持所以发电机组转速的恒定。但是，电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时都在变化。当发电机与负荷间出现有功功率不平衡时，系统频率就会产生变动，出现频率偏差。系统频率上升，频率偏差为正；反之亦成立。只有在发电机的总输出有功功率等于系统负荷对有功功率总需求的时候，频率偏差为零。

系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因第111页,共195页，2024年2月25日，星期天四、频率偏差的危害1.系统频率偏差过大对用电负荷的危害（1）产品质量没有保障。（工业企业）（2）降低劳动生产率。（影响所传动机械的出力）（3）使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。2.系统频率偏差过大对电力系统的危害（1）降低发电机组效率，引起频率或电压崩溃。（2）汽轮机在低频下运行时易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。第112页,共195页，2024年2月25日，星期天（3）处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流会随之增加，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，造成调压困难。（4）无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。（5）频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。四、频率偏差的危害第113页,共195页，2024年2月25日，星期天五、电力系统频率调整和控制

电力系统在正常运行方式下，通过改变发电机的输出功率使系统的频率变动保持在允许偏差范围内的过程，称为频率调整。分为：一次调整、二次调整。一次调整：利用发电机组的调速器，针对变化幅度小(0.1%~0.5%)，变动周期短(10s)的频率偏差。二次调整：利用发电机组的调频器，针对变化幅度大(0.5%~1.5%)，变动周期长(10s~30s)的频率偏差。第114页,共195页，2024年2月25日，星期天自动发电控制装的调频方式主要分为三类：恒定频率控制（FFC）恒交换功率控制（FTC）联络线功率频率偏差控制（TBC）2.电力系统频率控制电力系统在以下情况下可能出现频率异常：（1）故障后系统失去大量电源，或系统解列（2）气候变化或意外灾害使负荷发生突变（3）在电力供应不足的系统中缺乏有效的控制负荷手段。五、电力系统频率调整和控制第115页,共195页，2024年2月25日，星期天（4）高峰和低峰负荷期间，发电机出力的增减速度与负荷的增减速度不一致。（5）大型冲击负荷造成的频率波动。系统频率异常时一般采取以下频率控制措施：（1）应具备足够的负荷备用和事故备用容量；（2）在调度所或变电所装设直接控制用户负荷的装置（3）在系统内安装自动切除发电机等。五、电力系统频率调整和控制第116页,共195页，2024年2月25日，星期天频率调整和电压调整的差异：（1）全系统频率相同，而系统中各节点的电压却不同（2）系统频率质量主要由系统有功功率平衡状况决定，而系统电压质量则主要由系统无功功率平衡状况决定。（3）调整频率只有改变发电机组原动机功率这一唯一的措施，而调整电压的措施却很多。五、电力系统频率调整和控制第117页,共195页，2024年2月25日，星期天第四节电压三相不平衡一、三相对称与三相不平衡的概念设三相系统的电流和电压分别为（3-20）（3-21）第118页,共195页，2024年2月25日，星期天

三相系统可分为对称三相系统和不对称三相系统。对称三相系统是指三相电量数值相等、频率相同、相位互差120度的系统。不同时满足这三个条件的三相系统是不对称三相系统。第四节电压三相不平衡第119页,共195页，2024年2月25日，星期天换言之，式（3-20）和（3-21）所表示的系统如果同时满足以下条件

(3-22）（3-23）那么该系统是对称的，反之则是不对称的。第四节电压三相不平衡第120页,共195页，2024年2月25日，星期天

将式（3-22）、（3-23）代人式（3-20）和（3-21）同时选取A相电流为参考量，记及A相电压超前于电流电角度，即令，则对称三相系统可表示为

（3-24）（3-25）第四节电压三相不平衡第121页,共195页，2024年2月25日，星期天

三相系统的对称性还表现为：在任意时刻，三相电量的瞬时值之和为零，用数学公式表示就（3-26）和（3-27）

三相系统又可分为平衡三相系统和不平衡三相系统。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。第四节电压三相不平衡第122页,共195页，2024年2月25日，星期天

根据电工理论，系统在某一时间t吸收的总瞬时功率为三相瞬时功率之和，每一相的瞬时功率为同一时刻同相电压和电流的乘积，即（3-28）式中——总瞬时功率，MVA.PA、PB、PC——A、B、C三相瞬时功率，MVA。第四节电压三相不平衡第123页,共195页，2024年2月25日，星期天将式（3-20）和（3-21）代人式（3-28），经整理后得（3-28）上式中第二个方括号与时间有关，一般来说，它不等于零。对于对称三相系统，将式（3-22）和（3-23）代入（3-28），并计及得（3-29）第四节电压三相不平衡第124页,共195页，2024年2月25日，星期天

式（3-29）说明对称三相系统在任意时刻的总瞬时功率是常数，也就是说对称三相系统一定也是平衡三相系统。对于三相系统，系统的不对称直接导致不平衡，所以不对称三相系统和不平衡三相系统在使用上不作严格区分。三相电压不平衡度是电能质量的重要指标之一。第125页,共195页，2024年2月25日，星期天二、三相不平衡度的定义

根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分量三个对称分量。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

（3-30）

（3-31）第126页,共195页，2024年2月25日，星期天式中——三相电压不平衡度和三相电流不平衡度

——电压正序、负序分量均方根值，ＫＶ；

——电流正序、负序分量均方根值，ＫＡ。由式（3-30）和（3-31）可见，要计算三相系统的不平衡度，必须首先计算三相系统的正序和负序分量。但在实际工作中，往往只知道三相电量的数值。在不含零序分量的三相系统中，只要知道三相电量a、b、c，即可由下式求出三相不平衡度：二、三相不平衡度的定义第127页,共195页，2024年2月25日，星期天工程上为了估算某个不对称负荷的公共连接点上造成的三相电压不平衡度，可用公式（3-33）进行近似计算。二、三相不平衡度的定义（3-32）式中第128页,共195页，2024年2月25日，星期天(3-33)式中——负荷电流的负序分量，A；

——公共连接点的线电压均方根值，KV；

——公共连接点的三相短路容量，MVA。式（3-33）只能用于距离发电厂以及大型电机电气距离较远的公共连接点处三相电压不平衡度的近似计算。二、三相不平衡度的定义第129页,共195页，2024年2月25日，星期天

在三相对称系统中，由于在某一相上增设了单相负荷而引起的三相电压不平衡度也可按下式估算（3-34）式中——单相负荷容量，MVA；

——计算点的三相短路容量，MVA。二、三相不平衡度的定义第130页,共195页，2024年2月25日，星期天三、三相不平衡度的限值

我国国家标准GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》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%；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。第131页,共195页，2024年2月25日，星期天四、三相不平衡产生的原因

电力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。事故性不平衡由系统中各种非对称性故障引起。电力系统在正常运行方式下，供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都将导致电力系统三相不平衡。而供电系统的不平衡主要来自于供电线路的不平衡。第132页,共195页，2024年2月25日，星期天五、三相不平衡的危害系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大量负序分量。由于负序分量的存在，三相不平衡对电气设备产生不良影响，具体表现如下：（1）感应电动机。（2）变压器。（3）换流器（图3-8）。（4）继电保护和自动装置。（5）线损。（6）计算机。第133页,共195页，2024年2月25日，星期天六、改善三相不平衡的措施P1=5MW，减小系统三相不平衡的常用方法有如下几种：（1）将不对称负荷合理分布于三相中，使各相负荷尽可能平衡。设5个容量不等的单相负荷分别是P1=5MW，S2=15+j7MVA，S3=10+j2MVA，S4=20+j9MVA和S5=25+j8MVA。采用图3-9（a）的接线方式时，三相负荷的有功功率均为25MVA，A、B两相的无功功率同是9Mvar，与C相8Mvar的无功功率相差不大。在图3-9（b）中，A相负荷为20+j7MVA，B相负荷为30＋j11MVA，C相负荷为25＋j8MVA。第134页,共195页，2024年2月25日，星期天显然，采用图3-9（a）所示的负荷分配方式采用图3-9（b）所示的负荷分配方式更有利于系统三相平衡。六、改善三相不平衡的措施P1=5MW，S2=15+j7MVA，S3=10+j2MVA，S4=20+j9MVA,S5=25+j8MVA。第135页,共195页，2024年2月25日，星期天（2）将不对称负荷分散接于不同的供电点，减小集中连接造成的不平衡度过大。（3）将不对称负荷接于高一级电压供电。（4）将不对称负荷采用单独的变压器供电。（5）采用特殊接线的平衡变压器供电。（6）加装三相平衡装置。实现三相平衡的原理如图3-10所示。设ab间接有单相用电负载，见图3-10（a），其导纳。首先在该负载上并联电纳，使ab相等效负载呈电阻性，其等效导纳。六、改善三相不平衡的措施第136页,共195页，2024年2月25日，星期天然后在bc间接入容性电纳，在ca间接入感性电纳，如图3-10（b）所示。

六、改善三相不平衡的措施第137页,共195页，2024年2月25日，星期天此时各相电流为可见，三相负荷达到平衡。六、改善三相不平衡的措施第138页,共195页，2024年2月25日，星期天例3-1额定电压为380V的3台单相负荷，其参数如下：负荷1：7.6KVA，负荷2：7.6KVA，负荷3：7.6KVA，试求方式1的接线时的三相电流不平衡度。六、改善三相不平衡的措施第139页,共195页，2024年2月25日，星期天例3-1额定电压为380V的3台单相负荷，其参数如下：负荷1：7.6KVA，负荷2：7.6KVA，负荷3：7.6KVA，试求不同接线方式时的三相电流不平衡度。解：3个单相负荷共有6种不同的接线方式，如表3-5所示。以方式1为例，计算。方式1的接线示意图见图3-11。

六、改善三相不平衡的措施第140页,共195页，2024年2月25日，星期天

3个负荷的等效阻抗分别为：六、改善三相不平衡的措施第141页,共195页，2024年2月25日，星期天设为参考相量，