第三讲 电能质量基本概念、标准和要求

第三讲电能质量的基本概念、定义和标准3.1电能质量的特点及其标准3.2频率质量和频率调整3.3电压质量和电压调整3.3.1电压值的偏差3.3.2电压值的波动和电压闪变3.3.3电压骤降或下陷3.3.4电压突升和电压裂痕3.4波形质量和抑制谐波的措施3.5三相电压、电流的不平衡度3.6与风电场有关的电能质量3.6.1风电场的电压闪变3.6.2谐波3.6.3.联网风力机电能质量的量测和评估3.1电能质量的特点及其标准电能是特殊的商品。生产、消费、储存（仓库）、损耗、选择性、价格理想的三相交流电系统：①恒定的频率（50/60Hz）(全网统一)②规定的电压等级(分层分布)③完好的正弦电压波形完好的电压和电流波形：幅值相等，相位差120°的平衡状态。④连续的向负荷供电。电能质量一般用频率、电压、波形和三相电压、电流的不平衡度来衡量。电气设备的额定工况与合格电能质量电能质量的特点电能质量在空间上和时间上均处于动态变化之中，对于不同的供（或用）电点在不同的供（或用）电时刻，标志电能质量的参数是不同的。电能质量的标准是对一般、大多数用户的，特殊用户对电能质量有特殊的要求电能质量的内容和标准将随着各个国家经济水平和技术的发展而不同。电能质量的控制需要相当的投入（包括电网结构的改进，有功功率和无功功率的平衡，各种调频、调压、滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运行技术管理等），而且控制技术也在不断发展和完善之中。电能的质量不完全取决于电力生产部门，电能从生产到消耗是一个整体，电力系统的发、供、用始终处于动态平衡之中，其中任何一个环节都会对电能质量产生影响。保证电能质量水平需要多方面的配合不合格的电能质量不仅危害用户，而且危害电力生道者。电能质量越出规定的危害电流发热与电动力；电压与绝缘；电能转化成其它能量形式；——负荷率为85%的电动机，当电压下降10%～15%时则可能失去稳定；——谐波会造成功率的附加损耗及缩短设备的电气绝缘寿命（设备寿命）；——一些对电能质量敏感的设备，例如电压的一次突然凹陷可能使精密芯片的生产线上的产品报废，也可能使计算机上几十小时处理的数据丢失——加拿大的电工协会研究后指出，包括电压凹陷/振荡等瞬时突变现象和谐波在内的电能质量问题，每年会让加拿大生产损失12亿美元影响电能质量的主要因素①自然现象和灾难，如雷击；②电力设备及装置故障或保护误动作；③终端用户非线性、冲击性负荷的大量使用；④电力电子设备在发输电系统中的大量应用；⑤设备制造；⑥人为事故。电能质量的标准从20世纪80年代初开始，我国国家技术监督局将制订国家电能质量系列标准列为重点项目。迄今已颁布了五个国家标准：GB12325-90《供电电压允许偏差》；GB12326-90《电压允许波动和闪变》；GB/T14549-93《公用电网谐波》；GB/T15543-95《三相电压允许不平衡度》；GB/T15945-95《电力系统频率允许偏差》。在这些标准中给定了术语和符号的定义，对允许值、测量的仪器和方法、计算方法等都做了明确的规定。这些标准是我国当前衡量电能质量优劣的依据。3．2频率质量和频率调整电力系统的频率是电力系统中同步发电机产生的交流正弦基波电压的频率。在稳态条件下，整个电力系统中的发电机同步运行，频率相等。频率是一个全系统一致的运行参数。电力系统的额定频率为50Hz或60Hz，中国及欧洲地区采用50Hz，美洲地区多采用60Hz1995年我国颁布的《电力系统频率允许偏差》国家标准中规定：“电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差允许值可以放宽到±0.5Hz”，“用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.5Hz”（轧钢厂限制）。一些工业发达国家规定的频率偏差允许值不大于±0.1Hz。系统频率变化对用户的不利影响主要影响：①频率变化将引起异步电动机转速的变化，由这些电动机驱动的纺织、制纸等机械的产品质量将受到影响，甚至出现残、次品；②系统频率降低将使电动机的转速和功率降低，导致传动机械的出力降低；③工业和国防部门使用的测量、控制等电子设备将受系统频率的波动而影响其准确性和工作性能，频率过低时甚至无法工作。④电路参数（X=ωL，B=ωC）发生变化频率降低对发电厂和电网的影响①频率下降时，汽轮机叶片的振动变大，影响使用寿命，甚至产生断裂；②频率降低时，由异步电动机驱动的火电厂厂用机械（如风机、水泵及磨煤机等）的出力降低，导致发电机出力下降，使系统的频率进一步下降；③特别是频率下降到46~47Hz以下时，可能在几分钟内使火电厂的正常运行受到破坏，系统功率缺额更为严重，使频率更快下降，从而发生频率崩溃现象；④系统频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，所消耗的无功功率增大，结果引起电压下降；⑤当频率下降到45~46Hz时，各发电机及励磁机的转速均显著下降，致使各发电机的电动势下降，全系统的电压水平大为降低。如果系统原来的电压水平偏低，还可能引起电压不断下降，出现电压崩溃现象。发生频率或电压崩溃，会使整个系统瓦解，造成大面积停电。fwu44.4电力系统频率调整措施负荷时刻变化，频率跟着变化，发电机及时调节各的出力，维持系统频率在规定范围。频率调整主要与有功功率的调节和控制有关。原动机转速调整器（简称调速器）实现频率的一次调整，是最基本的调频措施。调速器均做成有差调节特性。当系统负荷变化幅度大时，频率变化范围会超过规定的范围，需辅以二次频率调整，即由手动或自动装置移动调速系统特性曲线的位置，进行频率的调整。二次频率调整工作由主要频率调整厂和辅助频率调整厂完成。大电力系统之间的互联是电力系统发展的必然趋势。互联电力系统的频率调整比较复杂，可采取不同的调频方式：按频率的调整方式、按联络线交换功率的调整方式和按频率及交换功率偏移的调整方式，采用复杂调频方式的调频工作须通过调度自动化系统来完成。自动发电控制（AGC）系统和负荷的频率特性系统频率变化时，引起发电机输出功率变化，这是发电系统的频率特性或称之为发电频率调节效应；系统频率变化时，引起负荷消耗的功率变化，这是负荷系统的频率特性或称之为负荷频率调节效应；系统频率变化时，还会引起电网电压的变化，而电压变化又将引起发电功率和负荷功率的变化。整个电力系统的频率特性是发电频率特性、负荷频率特性及电压影响的综合结果，它表示电力系统功率不平衡时系统频率变化的特性。电力系统静态频率特性用系统频率调节系数表示：00//ffPPKS3．3电压质量和电压调整电压质量包括：电压值的偏差、电压值的波动和闪变，以及交流电压的波形等。电能质量主要是电压质量。3.3.1电压值的偏差电压值的偏差是指运行电压值对额定值的偏移，常用百分数表示：%100%额定电压值额定电压值节点实测电压值u《供电电压允许偏差》电压分层、分区分布的特点1990年我国颁布的《供电电压允许偏差》国家标准中规定：—35千伏及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。如供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。—10千伏及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；—220伏单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。电压质量与电压崩溃电压调整电压调整与无功功率分布。无功平衡；电力系统的无功电源主要有：——同步发电机——并联电容器——同步调相机——静止补偿器（SVC、STATCOM等）——线路充电功率电压调整的方法：调整发电机和同步调相机的励磁；调整调压变压器（包括带负荷调压变压器）的分接头；投切并联电容器和电抗器；利用静止无功补偿器自动调压，动态电压恢复器(DVR)。电力系统中枢点的电压调整对维持整个系统电压质量极为重要。无功和电压优化与网络经济运行。3.3.2电压值的波动和电压闪变电压值的波动和电压闪变是电压质量的另一个重要的技术指标。电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为电压均方根值的两个极值和之差，常以其对额定电压的百分数表示：电压波动的波形v是电压u的均方根值U或峰值的包络线。电压波动为正弦波时，电压波动v对工频电压U的峰值进行调制。%100%100(%)minmaxNNUUUUUVmaxUminUUNU电压值的波动图3-1波动电压V对工频电压峰值的调制(a)电网电压u(t)；(b)调幅电压v(t)1—50Hz工频载波；2—10Hz正弦调幅波电压闪变电压闪变（Flicker）是指人眼对由一定频率的电压波动所引起的照明异常而产生的直观视觉感受，闪变的低频调制信号一般认为从1Hz到10Hz，也是人眼视觉最为敏感的频率范围。根据扰动原因不同，电压闪变可分为周期性和非周期性之分。对电压闪变目前没有精确的计算指标，通常以白炽灯的光通量作为判断指标之一，此外使用较多的指标有：短期觉察度（Pst）、长期觉察度（Plt）、累积概率函数曲线（CPF,CumulativeProbabilityFunctionCurves）和闪变觉察曲线（PFC,PerceptibleFunctionCurves）。Pst是在一种基于人眼因灯光闪烁受到损害的算法思想得出的，一般每10分钟周期评估一次。Pst在一定范围内关于电压变化幅值呈线性关系，且一般与频率大小直接相关。严格地说，Pst的计算较为复杂，需要运用到概率分布、均值以及n阶矩的知识，所以往往也从统计意义上并且考虑了测量的不确切性得出的Pst值，表示在一定置信度范围内的结果。短期觉察度(Pst)与长期觉察度(Plt)短时间闪变值Pst和长时间闪变值Plt是反映电压波动的统计特征量，其计算公式为：式中，P0.1，P1，P3，P10，P50分别是10min内闪变视感度S(t)超过0.1%,1%,3%,10%,50%时间的觉察单位值。瞬时闪变视感度S是电压波动引起照度波动对人的主观视觉反应，通常以闪变觉察率50%作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即定为S=1觉察单位。#(4)国际上的一种指标我国闪变的一种指标根据闪变是人对照度波动的主观视感，主要决定因素为供电电压波动的幅值和频率，以及人对闪变的主观视感。人对频率为10Hz的电压波动最为敏感，可以将其他频率f的电压波动通过视感度系数作加权，等值为频率为10Hz的电压波动值，作为电压闪变的量度指标频率为f的电压波动的视感度系数210)(ffVaVfa电压波动的视感度系数$电压允许波动和闪变》国家标准13.3.3电压骤降或下陷IEEE给出电压骤降或下陷（Sag）的一种定义是供电系统中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的10%-90%，并在随后的10毫秒到1分钟的短暂持续期后恢复正常。IEC的有关标准与IEEE的一个较大的区别在于电压骤降的电压幅值规定为正常值的1%-90%。图3-3给出了一个简单的电压骤降的波形示意图不同原因引发的电压骤降（在公共连接点PCC观察到）1电压骤降或下陷的评估(1)基本的阈值指标。指电压骤降的持续时间、电压幅值(2)统计指标.电压有效值变化平均指标，累计发生次数、累计持续时间、平均持续时间、累计跌落深度、平均跌落深度、累计电压时间面积(3)面积、能量型指标电压缺失是指电压骤降过程中跌落电压积分电压骤降面积方法损失能量指标指电压骤降中系统未能传输给负荷的能量多少3.3.4电压突升和电压裂痕电压突升（Swell）是指工频电压的暂态升高，其典型的幅值波形如图3-5所示，电压突升一般由故障或开关动作引发。常常发生在中性点不接地系统中，如当发生瞬时单相接地故障时，其余两相对地电压会突升至额定电压的倍3电压裂痕（Notches，又称电压凹陷、电压缺口等）电压裂痕（Notches，又称电压凹陷、电压缺口等）是指一种持续时间短于半个周波，起始时刻与原波形极性相反的工频电压开关性（或其它的）扰动。因为进行相反，故与正常波形相比总使得扰动电压的峰值降低，如图3-6所示。持续时间短于半个周波的电压跌落和完全失压也可以划分为电压裂痕。•三相整流设备在换相过程有非常