现代电能质量的基本问题

现代电能质量的基本问题北极星电力网技术频道作者:电力论文32007-12-2418:44:06(阅831次)所属频道:电网关键词:变压器电能质量电能摘要：随着科学技术和国民经济的快速发展，电能的需求量也极大增长，同时电能质量越来越显示其重要性，电力部门和用户对电能质量的关注也日益增加。文章概述了现代电能质量的基本问题，首先论述电能质量的各种概念，然后综述电能质量受到关注的主要原因，最后总括了相关的几个问题，包括电能质量指标、电能质量恶化的危害、电能质量的检测、分析计算和改善的方法，以及标准和管理等。关键词：电能质量电力供应电力系统现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。本文对现代电能质量的一些基本问题作一全面概要的介绍，以期引起更为普遍的关注和深入探讨。1一个理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz)和正弦波形，按规定的电压水平(标称电压)对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位互差120°的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、线路等等)参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量(PowerQuality)从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术含义还存在着不同的认识，这一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力企业可能把电能质量简单地看成是电压(偏差)与频率(偏差)的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能99是符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供电；而设备制造厂家则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。另一方面，对电能质量什么是电能质量？这一研究领域的许多文献和报告中使用过的相关术语如下［1］：①电压质量(voltagequality)即用实际电压与理想电压间的偏差(应理解为广义偏差，即包含幅值，波形、相位等等)，反映供电企业向用户供给的电力是否合格。此定义虽然能包括大多数电能质量问题，但不能(或不宜)将频率造成的质量问题包含在内，同时不含用电(电流)对质量的影响。②电流质量(currentquality)即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题，而后者往往并不总是由用电造成的。③供电质量(qualityofsupply)应包含技术含义和非技术含义两部分：技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量(qualityofservice)(合理性、透明度)等。④用电质量(qualityofcomsumption)应包括电流质量和非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等，它须指出，在电工学中“Power”(电力、电功率等)的含义是指能量传输的速率，它与电压和电流的乘积成正比，因此不可能定义这一物理量的质量概念［3］。实际上，供电系统只能控制电压，而不能控制某一负载汲取电流。当然，系统在实际运行时，电压与电流之间总是存在着紧密联系，尽管发电机提供了几乎正弦的电压，但通过系统阻抗的电流可能造成对公共连接点(PCC)电压的扰动。此外系统的运行操作、故障和雷击等也是电压扰动的原因。从这方面讲，“Powerquality”不宜使用“电力质量”译名，宜译为“电能质量”。IEEE技术协调委员会已正式采用“Powerquality”这一术语，并且给出了相应的技术定义：“合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。这个定义的缺点是不够直接和简明。文献［2］采用的电能质量定义为：“导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差”。这个定义较简明，也概括了电能质量问题的成因和后果，但似乎将“用户设备”改为“用电设备”更全面一些。当然这里的“偏差”应广义理解，甚至应包括供电可靠性。2改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事，只不过早期对此认识比较简单，主要局限在保持电网频率和电压水平(即静态或平均偏差不过大)上。自20世纪80年代以来，随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高，电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。目前电能质量中某些问题已成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多高等院校、科研院所和一大批电力科技工作(1)为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用，这些装置对电能质量非常敏感。一个计算中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。当今自动化设备的连续精加工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自动化生产线，例如柔性制造系统(FMS)或计算机综合制造系统(CIMS)，它们对配电系统中的干扰和异常非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些用户对不合格电力的容许度可严格到1～2(2)现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变或引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量[FS:PAGE](3)电能作为商品在电力市场运行机制下不同的发电公司包括独立电能生产者在发电侧实行竞争，输配电系统(即电力公司)与发电分离独立经营管理，为发电公司和用户提供转送电能服务，用户侧也可以作为独立实体参加价格控制。这样一个开放和鼓励竞争的运行环境必然对电能质量提出越来越高的要求，并促使电能质量标准化的发展和不断完善。33.1电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义。参考国际电工委员会标准，从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如下[9](1)低频传导现象：谐波、间谐波、信号电压、电压波动、电压暂降与短时断电、电压不平衡、电网频率变化、低频感应电压、交流(2)(3)高频传导现象：感应连续波(CW)(4)高频辐射现象：磁场、电场、电磁场(连续波、瞬态)(5)静电放电(ESD)表1给出了美国电子电气工程师协会(IEEE)关于电力系统电磁现象的种类和特征，对表中列出的各种现象可进一步用数字特征加以描述：对于稳态现象可利用幅值、频率、频谱、调制、缺口深度和面积描述；对于非稳态现象可利用上升率、幅值、相位移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度等描述。根据电磁干扰现象的不同特点可以确定电能质量指标，指标的确定应有其确切的含义和物理特性，这是一个有待专门研究和完善的课题。表1电力系统电磁现象的种类和特征须指出，电能是一种特殊产品，同样具有产品的若干特征，如可被测量、其质量可以用各种指标加以描述等。电能质量与一般产品质量不同，有如下特点［5］：①不完全取决于电力生产企业，甚至有的质量指标(例如谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度)往往由用户的干扰决定；还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏(如雷击)引起的；②对于不同的供(或用)电点和不同的供(或用)电时刻，电能质量指标往往是不特点①说明，全面保障电能质量既是电力企业的责任，也是用户(干扰性负荷)应尽的义务。我国“电力法”第二十八条规定：“供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准。对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理”。第三十二条规定：“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”。特点②说明电能质量指标宜用概率统计结果来衡量，并且需指明监测点。国内外大多取95概率值作为衡量依据。这样一个指标特点也对用电设备性能提出了相应的要求，即电气设备不仅应能在规定的标准值之内3.2电能质量恶化的危害关于电能质量指标的恶化对电力系统(包括用户)的危害研究已有大量的成果，有的研究是针对某个指标(如谐波电压)对具体设备(如电机、变压器等)造成损失的估算，如文献［11］提出的谐波造成的功率附加损耗及电气设备绝缘寿命的缩短带来的每年等值电量损失(kWh)可由下式计算：式中T为年运行时间，kh；ΔPN为设备的额定损耗，kW；K为设备的费用,元(RMB)；Uh*为h次谐波电压标幺值；A、B为电气设备谐波等值损失常数，按不同设备和容量给出(略)文献［12］引用了法国学者(埃列和卡恩)关于频率和电压对额定值偏差引起的经济损失估算方法，认为在任意时间段T内因参数n(这里指频率或电压值)对额定值差Δn所引起的国民经济损失YT为N为参数平均值对额定值偏差的方均根值；σ为参数由式(3)可见，参数对额定值差可以分解为两个部分，即平均偏差ΔNp和标准偏差σ。显然，减小ΔNp可以用稳态补偿办法，而减小σ则应该用动态补偿措施。同时从式(2)可以看出，提高供电质量的实质就是减小当然，要利用式(2)计算实际经济损失YT必须先确定系数K，这是相当困难的，而且K是一个变化范围相当电能质量造成的损失不仅取决于指标偏差大小及其持续时间，还取决于电网结构、地理条件、运行维护管理水平以及用电负荷性质，要评估这方面的危害宜使用实测和统计方法。文献［4］收集了国外关于电压暂降对一些设备，其中包括对可编程控制器(PLC)、精密机械工具、调速电机、计算机等的影响以及若干次电压暂降对大型敏感工业用户造成危害的资料。文献［7］从法国输配电系统获得的数据(超过20000个事件)文献［1］引用了美国电力科学研究院JaneClemmensen的粗略估计，认为当今和电能质量相关的问题在美国每年造成的损失高达260搞清电能质量指标恶化造成的危害对于制定相关标准、开发和采用相应的技术措施是很重要的，有大量的[FS:PAGE]3.3对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径，虽然这方面的检测仪器已不少,但大多数只局限于持续性和稳定性指标的检测，而传统的基于有效值理论的监测技术由于时间窗太长，仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题，因此需发展满足以下要求的新监测技术［4］：①能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰的波形。因为许多瞬间扰动很难用个别参量(如有效值)来完整描述，同时随机性强，因此需要采用多种判据来启动量测装置,如幅值、波形畸变、幅值上升率等。②需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位；需要有足够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信息。③建立有效的分析和自动辨识系统，使随着电力的市场化和电能质量的法规化，供电质量将引起越来越广泛的重视，开发出考虑电能质量监测的新的SCADA系统是配电能量管理系统的新研究方向。这一领域的难点将是对电流、电压的同时持续测量，对质量指标的分类辨识和统计，数据量大，因此需要开发强大的数据库来进3.4电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要开发相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析，为改善电能质量提供指导。由于干扰源性质各异，电网元件在不同干扰作用下(从表1可见，干扰的频谱从0Hz到GHz的广宽范围内)呈现不同的性能，因此建立干扰源和电网元件(或局部电网)准确的数学模型有时困难很大，而分析计算的准确性不仅取决于数学模型和计算方法，还有赖于电网基础资料的可信度。近年来，基于数字技术的各种分析方法已在以下电能质量领域中得到应用［4，6］：①分析谐波在网络中的分布；②分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播；③分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用；④多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问目前所采用的方