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1、第一章电能质量概论 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 第一节概述 人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称值的多少作为检验电能质量的主要指标 如何深入理解现代电能质量问题 如何把提高电能质量与增强竞争意识 电力市场占有率联系起来 如何从技术 经济和运行管理等方面加大力度 保证优质供电 以最小程度减少对现代工业企业和重要电力用户的影响 既是电力用户需求和电力系统运行给我们提出的新任务 也是信息时代给我们提出的新挑战 一 供电系统运行与电能质量的关系 1 电能质量的基本要求为保证电能安全经济地输
2、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 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
3、如果将其概括描述可如图1 1所示 上图中三个基本集合的交集之内确定了合格电能质量的指标要求 是我们将要阐述的供电系统电能质量的三个基本要素 图1 1示意性地表明 这三项质量指标相互间存在着紧密的依存和制约关系 2 电能质量的特征电能 或称之为电产品 除了具有其他工业产品的基本特征之外 由于其产品形式单一 而且其生产 输送与消耗的全过程独具特色 因此在引起电能质量问题的原因上 在劣质电能的影响与评价等方面与一般产品的质量问题不同 具有以下显著特点 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
4、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 二 当代电力系统对电能质量的要求 随着时代进步与科技的飞速发展 现代电网与负荷构成出现了新的变化趋势 由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视 电网与负荷构成出现的变化趋势主要表现在 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 引进竞争机制 实施电力市场化营运 强化环境保护意识与提高信息管理水平已经势在必行 3 当
5、代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 负荷敏感度 是指负荷对电能质量问题的敏感程度 即提供给负荷的电能质量不良时负荷能承受干扰仍正常工作的能力 一般可将负荷分为三类 普通负荷 CommonLoad 敏感负荷 SensitiveLoad 和重要 要求严格的 负荷 CriticalLoad 电力系统的各个部分都是
6、相互联系的 使用电双方的相互影响越来越紧密 因此 综合协调处理电能质量问题至关重要 另外需要注意到 由于看问题的角度不同 在导致电能质量下降的原因与责任上 供用电双方往往存在很大的分歧 美国乔治动力公司曾组织和实施了一项对电力部门和电力用户关于电能质量问题起因的调查 其结果如图1 2所示 据分析 虽然对电力市场的质量调查还存在分类方法上的不同 但是调查报告清楚地表明 电力公司和电力用户对引发电能质量问题的原因的看法往往有很大的分歧 尽管双方都把2 3的事件起因归咎于自然因素 如雷电等 但用户仍然认为电力部门在这方面的责任要比自我测评结果大得多 综上所述 现代电力系统结构与负荷构成的变化是工业生
7、产不断发展的必然结果 有利于电力用户提高生产率和获得更大的经济效益 同时通过采用高效的电力负荷设备 大量节约电能和延缓用电的需求 从而节省电力建设所需的大量投资 三 改善电能质量的意义 电能作为人们广泛使用的能源 其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一 时至今日 电力工业面向市场经济 引进竞争机制 以求最小成本与最大效益 电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志 控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件 第二节电能质量概念 定义及分类 电能质量术语 国际电气电子工程室师协会 IEEE 标准化协调委员会已正式通过采用 PowerQuality 电
8、能质量 术语的决定 我国国家标准中已正式更名采用国际通用的英文名称 一基本概念与定义 电能质量 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电力 从工程实用角度出发 将电能质量概念进一步具体分解并给出解释 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 电流质量
9、 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 两部分 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 二电能质量的分类 1 电能质量的基本分类对于电能质量现象可以根据不同基础来分类 以下介绍了近几年国际上在电能质量现象分类和特性描述等方面取得的研究成果 其中 在国际电工界有影响的IEC以电磁现象及互干扰的途径和频率特性为基础 引出了广义的电磁扰动的基本想象分类 如表1 1所示 表1 2给出了IEEE制定的
10、电力系统电磁现象的特性参数及分类 它为我们提供了一个清晰描述电能质量及电磁干扰现象的实用工具 2 变化型和事件型分类按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征 变化的连续性和事件的突发性为基础分成两类 连续型 连续出现 事件型 突然发生 图1 3 图1 4所示为供电电压幅值的概率密度函数曲线和概率分布函数曲线 第三节电能质量现象描述 本节中我们重点对表1 2中的七类现象作进一步描述 以便读者对电能质量涵盖的内容有一个整体的了解 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
11、过程中该变化逐渐消失的现象 瞬变现象的两种普遍类型 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 图1 6为背靠背电容器增能引起的几千赫电流振荡波形 低频振荡现象出现在辅助输配电系统 最常见的是电容器组冲能 电压振荡频率为300 900赫 峰值可达到2 0p u 一般其典型值为1 3
12、1 5p u 持续时间在0 5 3周波 具体情况要根据系统的阻尼程度来确定 参见图1 7 主频低于300赫的振荡在配电系统中也时有发生 通常是由铁磁谐振和变压器增能引起的 如图1 8所示 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 1 电压中断当电压降到0 1p u 以下 且持续时间不超过1min时 则认为出现了电压中断现象 造成电压中断的现象 造成电压中断的原因可能是可能是系统故障 用电设备故障或控制失灵等 电压中断往往
13、是以其幅值总是低于额定值百分数的持续时间来量度的 对于有些由于系统故障造成的电压中断 在其出现之前 既在故障发生至保护动作期间 可能先出现电压暂降 之后进入短期中断 如图1 9 a 所示 2 电压暂降 暂降 是指工频条件均发根值减小到0 1 0 9p u 之间 持续时间为0 5周波至1min的短时间电压变动现象 暂降和骤降可以互相替换图1 10为发生短路故障引起的单相电压暂降的变化波形 图1 11为大型电机启动对电压的影响 在启动期间 感应电机将汲取6 10倍的额定电流 3 电压暂升 暂升 的含义是指在工频条件下 电压均方根值上升到1 1 1 8p u 之间 持续时间为0 5周波到1min的电
14、压变动现象 例如 当单相对地发生故障 非故障相的电压可能会短时上升 图1 12给出可该情况下引起的电压暂升的波形 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
15、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 图1 15给出了连续直流式三相换流器的电压陷波例子 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 由电压波动产生闪变
16、现象的例子示于图1 16 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 现代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 第四节电能质量标准简介 从20世纪80年代初到2001年 国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量国家标准 如表1 3所示 第二章电能质量的数学分析方法第一节概述 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 第二节傅立叶变换与波形的数学分析方法 一 非正弦周期信号分解为傅立叶三角级数周期性电压和电流等信号都可用一个周期函数表示为f t f t kT k 0 1 2 2 1 其中 T 基本周期非正弦周期函数满足狄里赫利条件时可分解为傅立叶级数 而在电气工程中所处理的光滑函数通常都能满足这个条件 傅立叶的三角级数形式为 2 2 也可写成 2 3 式中 周
