电能质量分析与案例(电力节能公司)

电能质量概述与节能案例分析于景定高级工程师/高级能源管理师青海电力节能服务有限责任公司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。电能质量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（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。（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。电能质量三要素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。电能质量特征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。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，强化环境保护意识与提高信息管理水平已经势在必行。3）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。负荷类型第一种负荷分为三类：普通负荷、敏感负荷和重要（要求严格的）负荷。第二种负荷可分为：感性负荷、纯阻性负荷、容性负荷和磁性负荷。电能质量起因电能质量定义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合格电力。电能质量类型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）。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。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。电能质量表现形式瞬变现象短时间电压变动长时间电压变动电压不平衡波形畸变电压波动工频变化一、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。瞬变现象两种普遍类型——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。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。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。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。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。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未频率变化。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。大规模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。电能质量的数学分析方法电能质量主要的分析方法可以分为时域、频域和基于数学变换的分析方法三种。时域仿真方法在电能质量分析中应用最为广泛。频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题。基于数学变换的方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、矢量变换方法以及小波变换方法和人工神经网络分析方法。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。电压偏差定义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。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%。供电电压正常运行方式电压偏差的限值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%。(3)220V单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。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。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。电力系统的无功功率平衡线路的输送距离和输送容量电压偏差过大的危害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。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2、对电网的危害电能质量治理两种技术途径无功补偿谐波治理无功补偿（按电压分类）高压补偿，6kV以上；低压低压补偿，0.4kV以下；对于铁合金行业来说，还存在中压补偿（10kV）的概念。无功补偿（按补偿接入点）集中补偿（解决力调电费的办法）分散补偿（小系统的无功优化）就地补偿（无功就地平衡途径）无功补偿（按补偿装置的特性）静态无功补偿装置（如FC，接触器投切）动态无功补偿装置（SVC，SVG）TSC：晶闸管投切电容器组；TCR：晶闸管投切电容器电抗器组；SVG：静止无功发生器；谐波分类谐波分为：低次、高次；谐波分为：奇次、偶次；谐波分为：谐波电压、谐波电流；如采用双向晶闸管（可控硅）锻造加热炉，就产生偶次谐波，不常见。）谐波治理无源滤波装置（针对产生谐波的次数进行滤波，采用的是LC结构，治理率60%，主要用于高压谐波治理）有源滤波装置（检测电网存在的谐波次数及波形，发射一种与之相反的波形，进行相互抵消，治理率90%以上，主要用于低压系统。）电能质量综合治理APF（电力有源滤波器）电能质量综合治理是指低压系统，既有不规则谐波的发生，有存在大量无功需求，治理时需要双重考虑，就需要采用APF。谐波与无功补偿的关系电容是谐波的放大源之一。无功补偿与谐波治理的目的提高功率因数，减少系统无功损耗；提升电能质量，提高用电安全；节约电量，节约电力建设；主要是强调节约电量与节约电力建设节约电力建设的体现功率因数可理解为电能的使用效率；提高功率因数，减少无功损耗，就是增加了供电设备、线路的余量，间接给了设备与线路进行了增容。节约电量力调电费的问题降低无功损耗（各种损耗的降低）降低有功损耗无功经济当量降低有功损耗功率因数下降值0.950.90.850.80.750.70.65有功损耗增加（%）1123385678104136功率因数提高值0.60.650.70.750.80.850.90有功损耗降（%）60534638292010功率因数提高到0.95对降低有功功率损耗的影响见下表功率因数从0.95降低到下表值功率损耗增加的百分数之间的关系见下表无功经济当量发电厂直配线供电时0.03二级变压供电时0.06三级变压供电时0.09例如：由发电厂直配线供电的工厂企业在进行技术经济比较时，无功补偿减少100kvar无功功率，可折算成减少有功功率3kW;若是二级变压供电的工厂，可以折算成6kW有功损失；三级变压供电时，折算成9kW有功损失。案例一海南州某矿业公司存在的主要问题1、现场调查阶段，10kV母线电压只有9.2kV，低压侧在365V，电压值明显偏低；2、二期高压电机启动，会造成由变频控制的电机由于系统欠压跳机；3、二期只能一条生产运行，两条生产线同时运行时，10kV母线电压只有7kV，严重偏低，导致不能正常生产。总体分析：系统无功损耗过大，需要进行系统性动态无功补偿配置，减少线路压降，提高供电质量，节省电费支出。导致原因1、贵单位采用的无功补偿为普通型，不是高海拔型，设备运行的稳定与电气参数会产生一定的影响；2、一期的系统无功基本上通过0.4kV的集中补偿得到了解决，但考虑到系统电能质量的稳定与提升，还是需要从负荷端进行处理，减少低压系统的无功，整体的提升供电质量；3、二期的问题主要体现在以下三点：1）两台475kW的高压球磨机没有补偿，通过现场运行数据的计算，该负荷的功率因数在0.70，无功太大；2）1600kVA变压器的电容补偿配置偏小，只有480kvar，对于1200kW的负荷来说，补偿量设计明显偏小，需要系统性增加一部分；3）需要从负荷端进行处理，减少低压系统的无功，整体的提升供电质量