电能质量及其控制基本技术概述

电能质量及其控制本讲提纲电能质量的基本概念1系统中电能质量实例2电能质量的预防维护3问与答4您遇到过以下问题吗？停电白炽灯闪烁设备停运大量电力干扰信号精密仪器受损电能质量不合格导致的！1.1什么是电能质量电能质量是指优质供电，合格电能质量的概念是指提供给敏感设备的电力和相应的接地系统是适合该设备正常工作的。电能质量=频率+供电质量供电质量=供电可靠性+电压质量电能质量问题又以各种稳态的或暂态的电磁现象表现出来，根据电磁现象的持续时间，电压幅值变化和典型频谱分量。将电压质量作为评估电能质量的一个重要指标，围绕电压幅值、持续变化时间、频谱分量来评估。1.1什么是电能质量电能质量的IEEE定义：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动、闪变等。可见电能质量的概念非常广泛，对电能质量的认识正在进一步加深。1.1什么是电能质量80年代以来，电力电子装置的整流器及变频装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷的迅速发展。针对一些典型的工业用户通过安装无源滤波器、SVC（StaticVarCompensator，静止无功补偿器）等装置，进行谐波甚至谐波、电压波动、三相不平衡及功率因数的综合治理与补偿。1.2对电能质量认识过程90年代以来，计算机、信息技术迅速发展，对电能质量的要求越来越高。电压凹陷（Sag、Dip）问题已经成为当前电能质量中最突出的问题。1.2对电能质量认识过程1000100001000001000000经济损失（英镑）行业类型纺织业塑料业玻璃业造纸业钢铁业半导体业10000000相关行业发生单次暂降造成的经济损失数量级图必须重视电能质量的几个原因：1、计算机系统的控制设备和电子装置等对电能质量非常敏感；2、负荷结构的变化使半导体、晶闸管、变频调整、电弧炉、铁路电气化、家用电器等非线性用电设备或装置增多；3、在电力市场运营模式下，电力企业销售的不仅是电力本身，而且包括电能质量和相关的附加服务。1.3改善电能质量的意义电能质量关系到国民经济的总体效益。从技术角度讲，提供优质电能质量是由供用电双方共同保证的。提高电能质量是实现电力可持续发展的重要基础。提高电能质量有许多工作要做。1.3改善电能质量的意义授课提纲电能质量的基本概念1系统中电能质量实例2电能质量的预防维护3问与答4案例11、2011年2月24日,甘肃中电酒泉风电公司桥西第一风电场35B开关间隔C相电缆头故障绝缘击穿，造成三相短路，导致包括桥西第一风电场在内的10座风电场中274台风电机组因无低压穿越能力在系统电压暂降时脱网。风机脱网后，风电场无功补偿装置不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起300台风电机组电压保护动作。事故过程中还有24台风机因频率越限保护动作。本次事故脱网风电机组598台，损失出力840.43MW，占事故前酒泉地区风电出力的54.4％，造成西北电网主网频率由事故前的50.034Hz降至最低49.854Hz。事件的产生与危害阶段1阶段2阶段3有功不足频率偏差系统崩溃安全注意事项1、电气设备及其连接部件隐患的排查治理；2、并网运行风电场应满足接入系统的技术规定，风电机组必须具备低电压穿越能力，不具备低电压穿越能力的要尽快制定切实可行的低电压穿越能力改造计划；3、无功容量配置和参数整定应满足系统电压调节需要；4、开展涉网保护定值（电压、频率保护）的核查和备案工作，指导风电场按电网要求进行涉网保护定值整定。频率的含义：交流电在1s内正弦参量交变的次数，单位为赫兹（Hz）。当系统在受到某种原因的干扰而失去均衡的过程中，频率的有效性便难以维系。交流电的频率是和发电机转速直接对应的电频率：f=pn/60式中p——发电机极对数n——机组每分钟转数频率偏差的理论知识电力系统的标称频率交流电力系统的标称频率有50Hz和60Hz两种。我国采用50Hz。50Hz和60Hz频率的系统若要并联运行，需通过背靠背直流换流站或变频机组转换频率。发电机组和用电设备铭牌上均有标称频率，即标明该设备应在该频率的电力系统中使用。频率偏差的理论知识系统频率&机组频率&负荷频率电力系统稳定运行时，全系统频率相同。实际系统每时每刻都在变动，实际上“系统频率”是指与该系统中起着关键作用的大容量机组的转速相对应的电频率。在系统动态过程中，机组频率取决于自身原动机能量输入和其他机组同步力矩对它的牵制及负荷的分布。和其他节点的频率差异，在系统失步过程中尤为明显，危害也很大。负荷节点频率实际上取决于系统内各电源等值电动势相对运动，传递到该节点的电压向量在时间轴上的运动轨迹。频率偏差对电力系统的影响电力系统低频率运行的影响1）对发电厂的影响蒸汽驱使的火电厂锅炉给力泵出力随转速减低而减小，发电机出力下降。一般燃气轮机组运行在额定转速附近，总是出力的减低近似地与速度减低成正比——低频率运行导致效率下降。对于核燃料汽轮发电机组，允许运行频率在较宽的范围内变动，有较强的承受低频率的能力但对于水电厂而言，在电力系统及其负荷容许的低频率运行范围内，不受限制。频率偏差对电力系统的影响电力系统低频率运行的影响2）对负荷的影响电力系统中大量的负荷是由电动机驱使的，计及负荷阻力特性后，供电频率对电动机（同步和异步）的影响，才是对负荷实际影响。到本世纪70~80年代，电动机调速的根本性变革，eg：通过快递检测电流实现PWM控制的变频技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等。基本上消除电动机转速受电源频率偏离的影响。频率偏差对电力系统的影响电力系统低频率运行的影响3）对输配电系统的影响变压器：若频率偏离标准值，变压器的铁芯损耗、漏磁通和噪声的影响，与相反方向的电压偏离导致的影响类似。配电变压器的激磁电流随运行频率的下降而非线性增加，在地区内无功补偿不足或调压措施不完善时，导致地区电压下降。电容器：运行频率下降时，电容器的无功出力和额定电流将直接按频率的降低成比例地下降。频率偏差对电力系统的影响电力系统低频率运行的影响3）对输配电系统的影响线路串联补偿用电容器：若运行频率下降，则线路感抗随之下降的同时，增大了电容器的容抗，导致线路补偿度的增加，使线路传输能力得到提高。无功补偿用并联电抗器：其感抗随频率的降低而线性地下降，同时导致无功电流的增加。电力系统频率的控制方法频率瞬时偏差的调整当系统中负荷发生微小变化时，发电机组调整器可自动调节，利用发动机组调速器有差特性调频，称为“一次调节”。当电力系统负荷有较大和较长时间变化，改变调速器的工作点增减发电机组出力以保持系统频率，称为“二次调整”，又可经运行人员手动操作或依靠自动装置完成，称为手动调频和自动调频。电力系统频率异常的控制在电力系统中一般采取下列措施，防止频率的异常：1、系统保有负荷备用和事故备用容量；电力供应不足时，必须事先限制一部分用户负荷，除使发电出力与负荷平衡外，留有裕度。2、调度所或变电所直接控制用户负荷装置，并备有事故拉闸序列表。3、系统内安装按频率降低自动减负荷装置和可能被解列而功率过剩的地区装设按频率升高切除发电机等装置。案例2在家里出现白炽灯一直闪烁的时候闪变觉察和瞬时闪变视觉度电压波动对计算机和控制设备不需要特别关心，因为其容量小并且能够在相对耗资不大的条件下加设抗干扰设施。日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感度远远低于白炽灯，而几乎所有建筑的照明都装有大量的白炽灯，如果电压波动的大小不足以引起白炽灯闪变（Flick），则可以肯定不会使电视机和日光灯等工况异常。因此，白炽灯的工况可以作为判断电压波动值是否可以接受的依据。闪变的主要决定因素供电电压波动的幅值、频率和波形；照明装置，以白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定电压等有关；人对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需要观察者的闪变视觉感作抽样调查。电压波动和闪变的发生和危害电压波动一般由波动负荷所引起的，主要波动性负荷有：1、炼钢电弧炉；2、电动机频繁启动的负荷，如轧钢机和绞车3、间歇通电的负荷，如电阻焊机和电弧焊机危害有：1、电照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；2、电机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化3、电动机转速不均匀，影响产品质量甚至损坏4、电子计算机、监测和控制设备工作不正常。闪变的评定与改善措施一、评定：1、当发生闪变干扰的波动负荷（尤其注意电弧炉）存在时，首先考虑用闪变仪测出闪变值；2、对不同设备导致的闪变值做出预测。规划出供电系统能够接受闪变干扰负荷容量，并选择合适的公共供电点进行补救。二、改善措施1、波动性负荷补偿的技术措施2、静止无功补偿器（SVC）案例31、微波炉启动导致电脑重启2、系统中一旦出现了故障或变压器激磁或感应电机启动，在它附近的母线上的电压幅值迅速下降，甚至短时供电中断现象。3、川内某电业局，2011年实测结果在出现短时中断时记录的数据出现了超过标准十几倍的短路电流案例分析：1、回顾当天是否有树枝掉落、生长，导致相间故障情况；2、排查周边的用户有没有冲击性负荷，或者大容量电机；3、确定出现短时中断的原因并作出现场考察；4、提出合理的改善建议，整治该电压暂降、中断问题。改善措施：1、经常修理树枝，打扫线路所经过路线的清洁度；2、在经常出现雷暴的露天和高危地点，加装避雷器，减少雷暴造成的短路影响；3、组织营销部门积极走访用户，收集用户的大型用电设备，并作出记录和统一的管理。电压暂降的理论分析电压暂降：又称电压跌落，是指电压幅值（有效值）的暂时下降，随后又恢复正常特征。电压暂降在电力系统的频繁出现将引起许多电能质量问题。最近十几年来，由于敏感负荷的增加，由电压暂降造成的经济损失也迅速增加。电压暂降主要由起始时间、暂降幅值和持续时间界定。IEEE定义暂降幅值在10%~90%之间，IEC定义的幅值为1%~90%，持续时间在0.5个周期（我国10ms）~1分钟。典型的电压暂降事件持续时间在0.5~30个周期，暂降深度取决于距离故障点的位置和电网结构。影响电压暂降涉及大量随机因素：（1）短路类型。（2）故障位置。（3）保护装置性能。（4）大气层放电。（5）冲击性负荷启动的不确定性。短期中断的理论分析短时电压中断（Interruption）：指短期（3秒以内）电压值下降到额定值的10%以下的一种异常现象。电压暂降影响大中小电压中断影响大精加工、化工、塑料制造印刷、造纸、玻璃、汽车制造冶金、水泥交通运输、食品生产、电弧炉小轧钢、铝加工金属加工、工业煤气、化纤电解、粉碎机械电压暂降和短时中断的控制方法电压中断和暂降主要是在系统内发生的，由负荷用电引起的电压暂降和电压中断占少数。因此控制电压凹陷和电压中断先应从系统内寻求缓解其影响的措施，然后再根据实际需要安装专门的控制设备。1、不间断电源UPSUPS装置串联接入供电线路，在正常供电中，通过UPS的交流-直流-交流变换（PWM1-PWM2）向负荷供电。由于经过交流到直流的转换，消除了电压波动的影响。在电压暂降期间由电网交流电源Us平稳移动到装置DG供电而解决电压稳定问题，效率达到了92~97%2、动态电压恢复器DVRDVR串联接入要补偿的支路。当系统电压正常时，DVR不输出电压（VDVR=0）,这时Vload=Vs，负荷由系统供电；当系统出现暂降故障时，Vs比正常运行时减低△V。DVR检测到这一变化时，通过控制算法提供相应的控制量，使脉宽调制的逆变器输出一个对应补偿分量，VDVR=-△V。这样，敏感负荷端电压，维持故障前电压不变。DVR补偿原理示意图定制电力技术3、基于UPQC类型的QCC普通优质特级电压偏差AAA电压暂降BBA电压上升BBA功率因数CCA闪变CCA电压中断BAA不平衡CCA谐波CCAA：完全补偿B：部分补偿C：不补偿案例4当接入某些负荷后，电容器发生爆炸事故或投入不了？当电力变压器毁坏或感应电机过热时？某些大型工业负荷投运后，电容器