电能质量技术讲座01

1电能质量技术讲座中国电力科学研究院教授国家电能质量标准主要起草人林海雪电气设计标准专家系列讲座部门–姓名–日期2电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响电能质量的治理措施与监控电能质量标准解析部门–姓名–日期3电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响电能质量定义PowerQuality——电能质量（电源质量、电力质量、电力品质）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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都适合于该设备正常工作的在电力系统中某一指定点上电的特性，这些特性可根据预定的基准技术参数来评价电压质量、电流质量、供电质量、用电质量实际上电能质量就是供电电压特性，即关系到用电设备工作（或运行）的供电电压各种指标偏离理想值（额定值或标称值）的程度部门–姓名–日期4电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响电能质量问题的由来随电力工业诞生而存在的一个传统问题现代用电负荷结构发生了质的变化。电力电子技术广泛应用，家用电器普及，炼钢电弧炉和轧机的发展等，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性引起电能质量的恶化计算机的普及、IT产业的发展、微电子控制技术应用导致对电能质量要求越来越高例如：一个计算中心失电2s就可能破坏几十个小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失1～2周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上百万美元损失据统计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿美元最近由国际铜业协会（中国）的一次“中国电能质量行业现状与用户行为调研报告”中，调查了32个行业，共92个企业中有49个企业，因电能质量问题，在经济上损失2.5～3.5亿元RMB，每个企业年经济损失约10万～100万RMB（其中有四家年损失1000万元以上）部门–姓名–日期5电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响电力系统中的电磁现象与不良电能质量有关的几个最重要的波形畸变部门–姓名–日期6电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响电能质量指标电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降、波形缺口、……电能质量指标特点空间上、时间上不断变化需要供、用电双方共同合作维护部门–姓名–日期7电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响超标的危害谐波降低电力设备的利用率，使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器）以及导线（如低压中性线、电缆、母排等）过载运行（发热、振动、异常声响等），缩短使用寿命、增加线损；降低断路器遮断容量.例如，馈供给整流负荷的普通电力变压器，其出力应相应的降低。降低值和变压器的杂损比（即附加损耗与基本损耗之比）有关，如表3所列干扰继电保护、自动装置和计算机系统；使电子设备工作不正常；使测量和计量仪器（感应式电度表）、仪表误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统；增加电力网中谐振可能性，诱发过电压或过电流的危害；减少白炽灯使用寿命杂损比整流器脉动数3340452024281.01.56120.5馈供整流负荷时变压器容量降低（%）部门–姓名–日期8电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响超标的危害电压波动和闪变照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；电视机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化；电动机转速不均匀、振动、异响，影响产品质量；电子计算机、监测和控制设备等工作不正常（见图4）图4某些用电设备允许电压波动与其允许波动频度的关系1区—调节设备用的泵、剧院照明、喷油器等；2区—独立升降机、提升机、桥式起重机、X光设备等；3区—电弧炉、手动点焊、落锤、电弧焊、锯、成组升降机等；4区—活塞泵、空压机、自动点焊机等图4照明允许电压波动与其允许波动频度之间的关系曲线部门–姓名–日期9电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响超标的危害暂时过电压和瞬态过电压使设备绝缘破坏，引发事故电压暂降（包括短时中断）引起变速驱动装置（ASD）跳闸、程序逻辑控制器（PLC）损坏、各种数字式自动控制装置误动、计算机系统失常，数据丢失；导致相关加工生产线（例如塑料、玻璃、石化、纺织、造纸、半导体以及橡胶等）停顿，大型场所照明失电（例如镝灯，灯灭后需冷却好几分钟后才能启动）等等。图6为国外统计的一次电压暂降对不同行业可能造成的经济损失。表5为电压暂降对一些设备的危害部门–姓名–日期10电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响案例上海某高层大厦一台变压器设计为全部带空调负荷，但投运后由于大量谐波的存在，使得变压器根本就没有办法正常运行90年亚运会期间网球中心电压暂降造成照明失电10余分钟（照明灯为镝灯，需冷却启动），使场内照明黑了一半，这次事故在国际上造成了非常不好的影响某商厦工程大量采用日光灯，全部采用电子镇流器，正常情况下，零线中产生很大电流，造成电缆发热，变压器温升过高（典型的谐波问题）某证券公司由于谐波使得网络速度变慢、数据出错，实时交易的动态信息显示屏幕出现大片空白，数据刷新和交易的速度都极慢，且经常中断，根本无法进行交易某宽带运营商由于突然断电造成宽带网络客户不能正常上网，客户索赔几百万元部门–姓名–日期11电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响结论电能质量涉及国民经济各行各业和人民生活用电，优质电力可以提高用电设备效率，增加使用寿命，减少电能损耗和生产损失，电能质量关系到电力可持续发展，也关系到国民经济总体效益，是实现节约型社会的必要条件之一部门–姓名–日期12电气设计标准专家系列讲座电能质量基本概念与影响电能质量的治理措施与监控电能质量标准解析部门–姓名–日期13电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控概述电能质量的治理应优先对干扰源本身或在其附近采取适当的技术措施。主要措施见表1序号名称内容评价1电力系统中频率和电压的控制和调整维持有功功率的平衡以保证频率稳定；维持系统无功功率分区、分层平衡，采用励磁调节、电容器电抗器投切、有载调压变压器调节及其他补偿调节技术，保证电压水平和功率因数是维持电力系统正常运行，节能降耗,保证电能质量的基础，贯穿在电网建设、运行和管理的全过程以及各个环节中2增加换流装置的相数或脉动数改造换流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器可用效地减小谐波量；换流装置容量应相等；使装置复杂化3加装交流滤波装置在谐波源附近装若干单调谐及高通滤波支路，以吸收谐波电流可有效地减小谐波量；应同时考虑功率因数补偿和电压调整效应；装置运行维护简单，但需专门设计4改变干扰源的配置或工作方式具有干扰互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制干扰量大的工作方式可以减小干扰的影响；对装置的配置和工作方式有一定的要求5加装静止无功补偿器（或称动态无功补偿器）有TCR，MCR和TSC（或TSF）,MSC等类型，采用TCR、MCR型静补器时，其容性部分设计成滤波器，感性部分用晶闸管实现快速跟踪连续调节可有效地减小波动干扰源的干扰量；有抑制电压波动、闪变、谐波、三相不平衡和补偿功率因数的功能，具有综合的技术经济效益；需专门设计6增加系统承受干扰能力将干扰源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电可以减小干扰的影响；在规划和设计阶段考虑7避免电容器对谐波的放大改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量（组数）可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行；需专门设计8提高设备抗干扰能力，改善保护性能改进设备性能，对干扰敏感设备采用灵敏的干扰保护装置适用于对干扰（特别是暂态过程）较敏感的设备；需专门研究9采用有源滤波器、静止无功发生器等新型的装置逐步推广应用性能好，体积小，造价较高，有的还处于开发阶段部门–姓名–日期14电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控电容器无功补偿及谐波放大原理电容器无功补偿作用：提高功率因数（力率）、节能降耗、改善电压部门–姓名–日期15电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控电容器无功补偿及谐波放大原理谐波放大原理非线性负荷产生谐波电流，一般称为谐波源电网中主要谐波源一般可以视为恒流源图13谐波电流放大的分析电路（a）电路图（b）等效电路(/)/(/)schhsLcLcshhsLchxIIhxhxxhhxxhIIhxhxxh21(50Hz)sscLxωLωπfxfωCxωL图中：Ih、Ish、Ich分别为谐波源、系统、电容器回路h次谐波电流部门–姓名–日期16电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控电容器无功补偿及谐波放大原理谐波放大原理采用纯电容补偿，L=0，xL=0当时，此时，工程近似估计公式：，——母线短路容量；——电容器容量。一般，所以谐振只可能发生在高次谐波。/0schxxh//chhshhIIII谐振0csxhhx2hchchUIx0kCShQkSCQkCSQ部门–姓名–日期17电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控防止电容器谐波放大的措施在电容器回路加串联电抗器，就能改变谐振频率，从而避免谐波放大部门–姓名–日期18电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控防止电容器谐波放大的措施因此，电容器上加串联电抗器，可以防止电容器对特定次数谐波的放大作用（注意：凡是高于特定次数的谐波，也不会放大）IUULUCUULUCLC图14串联电抗器对电容器电压的影响部门–姓名–日期19电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控有源电力滤波器随着电力电子技术的发展，以及对于非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是基于坐标变换原理的瞬时无功功率和瞬时无功电流理论的提出，为有源电力滤波器（ActivePowerFilter，缩写为APF）的实用化提供了必要的条件有源电力滤波器（APF）根据与补偿对象连接的方式不同而分为并联型和串联型两种，实际应用中多为并联型。并联型APF是一种向电网注入补偿谐波电流，以抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置，其主电路由静态功率变流器（逆变器）构成，故具有半导体功率变流器的高可控性和快速响应性。对于APF，为了能与交流侧交流能量，以达到补偿的目的，逆变器的直流侧必须具有储能元件，该元件既可以是直流电容也可以是电感。因此APF的主电路也就分为直流侧采用电容的电压型[图15(a)]和直流侧采用电感的电流型[图15（b）]两种。图16为APF补偿原理说明。图17所示是一个典型的电流波形补偿例子。由于电压型APF在输出功率容量较小时，其自身损耗较小，效率较高，故目前国内外大多数APF采用了电压型结构部门–姓名–日期20电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控有源电力滤波器两种类型的有源电力滤波器APF补偿原理接线（a）电压型（b）电流型部门–姓名–日期21电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控有源电力滤波器谐波电流的补偿（a）负荷电流；（b）高次谐波分量；（c）APF产生的电流；（d）补偿后的电流部门–姓名–日期22电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控有源电力滤波器为了实现上述功能，APF应由高次谐波电流的检测、调节和控制器、脉宽调制（PWM）的逆变器和直流电源等主要环节组成，其原理结构如图18所示APF特点滤波效果不受系统方式的影响可以专门完成滤波功能，不受制于功率因数建立在时域补偿基础上，响应快，对多次谐波、间谐波同时起补偿（滤波）作用占地小图18有源电力滤波器结构图部门–姓名–日期23电气设计标准专家系列讲座电能质量的治理措施与监控电能质量的监控根据电力生产和供应的特点，随着生产的发展和科技水平的不断提高，电力成本以及和电力相关的运营成本所占的比重正大幅度增加。同时电能质量问题给生产生活带来的影响日趋严重，已受到供电企业和广大用电用户的广泛关注。为了提高效率、减少损失、缩小运营成本，供电企业和用户对电能质量和电力系