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1、第5章 电能质量指标5.1电能质量指标概述 电能质量问题涉及多学科不同的领域，主要和发生在电网中的电磁现象相关，因而与电磁兼容领域有着较大的知识交叉。关于电能质量，目前还没有一个被各方普遍接受的定义。美国电气电子工程师协会IEEE采用“Power quality”这一术语描述电能质量,定义为：合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设备的接地系统是均适合于该设备正常工作的。这一定义主要基于敏感设备进行的。 通俗地，可以这样认为：电能质量是与电力系统安全经济运行相关的、能够对用户正常生产工艺过程及产品质量产生影响的电力供应的综合技术指标描述。它涉及电压电流波形形状、幅值及其频率这三大基本要素
2、。电能质量指标的下降是继发电环节以后理想电能在输配供这一延续环节中被“污染”造成的。相当于在理想电能载体上所依附的其它“坏”信息，其主要影响因素包括电网结构缺陷、电气设备可靠性指标及维护缺陷、继电保护缺陷、环境气候及外来因素如雷电等因素、供电设备非线性特性、不同用户的负荷用电特性等。 一般来说，描述电能质量的技术参数位该具有明确的物理意义，要能够进行监测、评判，并能够根据相关理论研制出有效的控制产品。目前所认识的电能质量问题以电网运行方式而言可以粗略地分为稳态电能质量问题及暂态电能质量问题，但这两类问题在许多方面又相互交织在一起，因此应正确对待。 稳态电能质量参数刻划了电力系统稳态运行方式下的
3、运行状态，主要参数包括电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波电压电流、电压波动闪变等5类电能质量指标。稳态电能质量影响范围广，程度深，并且具有累积效应。目前，对稳态电能质量的研究已趋于深入IEC及我国均有严格的限值标准，针对稳态电能质量的监测方法、监测设备及其监测系统、专业的分析仿真软件、控制手段及其控制设备均较成熟，发挥着越来越重要的作用。所谓暂态电能质量即电力系统暂态事件或局部暂态事件所引起的运行参数的变化以有效值为出发点。目前，主要技术参数有电压暂降、电压暂升、电压短时中断等，值得关注的是，基于峰值的过电压指标也已经纳入电能质量的技术参数范畴。暂态电能质量问题其实质就是暂态电压质量问题，
4、往往伴随系统内部故障、雷电侵袭、操作冲击等现象发生。因而从广泛意义上而言，电力系统安伞、稳定、可靠性均属于广义的电能质量问题，随着研究的逐步深入将会有更广泛更具经济价值的物理指标被提出。虽然基于种种原因其监测、分析、控制手段在电能质量领域还不破重视阻伍传统的电力系统运行概念中过电压问题已经是一个相对老生常谈的问题类似于电压偏差顿率偏差一样很受重视其主要原因在于过电压的防护是维护电力系统安全稳定运行的基本要求.相信从电能质量分析的角度出发过电压的监测技术、控制手段的研究将会赋予新的含义，具有广阔的前景。5.2供电电压允许偏差（GB/T 123252003）5.2.1. 供电电压允许偏差概述及定义
5、电压偏差是电能质量的重要指标之一。电能系统及用电设备都是依据标准电压规划、设计、运行和管理的。电压偏差会给电力系统及用电负荷带来一系列影响。因此，电能质量相关标准中，电压偏差允许限值成为最基本的内容。电能质量 供电电压允许偏差（GB/T 123252003）对电压偏差定义如下:供电系统在正常运行条件下，某一节点的实测电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数成为改节点的电压的偏差。其数字表达式为：（51）式中 U是电压偏差；Ure、UN分别为运行电压和额定电压。 供电系统正常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
6、点的电阻随之发生改变，偏离系统电压标称值。电压的这种变化是缓慢的，因此，电压偏差电能质量标准属于电能质量问题的范畴，是针对电力系统正常运行方式下，机组或负荷的投切所引起的系统电压的偏差。通常，这一偏差的绝对值不大于标称电压的10%。5.2.2电压偏差产生的原因: 电压偏差问题属于基波无功的范畴，主要与电能传输的导线线径、供电距离、潮流分布、调压手段、无功补偿方式及其容量、负茼用电特性等因素有关。电压偏差产生的实质是电流流经传输网在其内阻抗上产生的压降所致。设供电系统由如图51所示的简化等效电路表示，为电源空载电势Zs=Rs+jXs为系统阻抗。电网给综合负荷S=P+jQ供电后其母线运行电压为v，
7、则负荷电流流经系统阻抗后产生的电压降落为=Vr+j Vx=+j, 图5-1 供电系统简化等效电路的作用在于使供电电压V相对于电源电压产生一相位偏移(即功角)电压幅值的偏差主要由Vr。决定。在满足RXs高压系统)情况下，电压偏差主要由传输的无功功率决定。同时考虑到有功消耗是所必须的因而电压偏差的控制主要从无功的角度进行。 5.2.3 电压偏差的主要控制措施 目前，电压偏差的主要控制措施有：优化电网结构、.采取有载调压措施、加装并联无功补偿装置例如电容器、电抗器、应用电力电子装置/采用柔性交流输电技术(及定制电力技术，例如SVS、STATCOM、可控串补等 电网分布广，节点数目多。系统运行时电网随
8、节点位置、负荷水平不断发生变化。可以说，电压水平的控制既有局域性，又有全局性；既与网络规划有关，又与运行控制密不可分。保证电力系统各节点电压在正常水平的充分必要条件是系统具备充足的无功功率电源，同时采取必要的调压手段。5.3频率允许偏差5.3.1频率允许偏差概述及定义 国家标准GBT 159451995电能质量 电力系统频率允许偏差对电力系统正常运行情况下的稳态频率偏差进行了规定，同时也规定了冲击负荷引起系统频率变化的允许偏差，标准还对频率测量仪器进行了规定。 频率偏差允许值规定如下： -电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量较小时偏差值可以放宽到0.5Hz。 -用户冲击负荷引起的
9、系统频率变动一般不得超过0.2Hz根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值但应保征近区电力网、发电机组和用户安全,稳定运行以及正常供电。测量仪表规定：用于频率偏差指标评定的测量，须用具有统计功能的数字式自动记录仪表，其绝对误差0.1Hz。 所谓频率偏差指标如下频率偏差=|实际值频率 标称值频率|5.3.2电力系统动态频率的定义电力系统在稳态运行时整个系统处于相对静止的状态，其电压与电流都近似标准的正弦，即为标准周期信号，而定义f=1/T (5-2)f为信号u(t)的频率。若按此方法，得出各个节点电压与各支路电流的频率就会发现测得的频率都相等，即此时电力系统具有统一的频率，而频率测量
10、的方法称为周期法即先测量信号的最小正周期，然后计算出信号的频率。但是实际的电力系统始终处于动态变化的过程中，特比是当电力系统受到较大的干扰时，系统处于较剧烈变化的动态过程中，此时，电压或电流信号已不满足周期信号的定义，因此也无法按照上述定义测量出频率。为此，我们一般采用下面的步骤来测量电压或电流的频率：测量电压或电流的瞬时值；对测量得到的数值进行滤波，通常情况下滤除信号中的高次谐波分量和直流分量；对滤波后的信号进行测量即测量信号连续两个正向或反向过零点之间的时间长度T，并认为该时间T为信号的周期，并计算得到数值f，认为f即电压或电流的频率。以上介绍的测量的方法实际上是一种近似的方法，因为每次测
11、量到信号连续两个正向或反向过零后（假定时间间隔为T），对信号进行了周期延拓,即认为将来的信号也会按照当前变化的规律周期变化，因此可以根据式5-1计算得到信号频率f。但是在动态过程中测得的信号，其连续两个正向或反向过零点之间的时间间隔T是变化的，因此按照式5-2计算得到信号频率f也是变化的。因此按照信号和频率的定义，上述测得的f严格意义上不能称之为信号的频率，因为信号不是周期的，没有频率的概念。但人们还是习惯将上述f称之为信号的频率，因为f是变化的，所以信号的频率也是在变化，因此理解动态过程中信号的频率时要特别注意。5.3.3频率偏差的产生及其控制频率偏差属于有功功率平衡问题(主要从有功角度进行
12、控制)，主要与系统有功储备、发电机调速手段有关。电力系统在以下情况下可能出现频率异常：1.故障后系统失去大量电源，或系统解列，且解列后的局部系统有功功率失去平衡；2气候变化或意外灾害使负荷发生突变；3在电力供应不足的系统中缺乏有效控制负荷的手段；4高峰负荷期间，发电出力的增长速度低于负荷的增长速度。低谷负荷期间，发电最小出力大于总负荷。电力系统频率一旦产生偏差，就应该加以控制。当系统频率异常时,一般采取以下频率控制措施：1电力系统应当具有足够的负荷备用和事故备用容量。一般分别按最大负荷的510和1015配备系统的负荷备用和事故备用容量。2在调度所或变电站装设直接控制用户负荷的装置，并备有事故拉
13、闸序位表。3在系统内安装按频率降低自动减负荷装置（又称自动低频减载装置）和在可能被解列而导致功率过剩的地区装设按频率升高自动切除发电机（又称自动高频切机）等装置。当系统出现事故引起系统频率降低到超出允许偏差值时，通常最有效的措施是按频率自动减负荷。5.4三相电压不平衡度5.4.1三相不平衡度概述及定义 电力系统即使正常运行时三相电压仍经常出现不平衡状态，这是由于构成三相电力系统的元件参数三相不对称所致，其中三相负荷的不对称是造成系统长时间三相不平衡的重要原因。系统处于三相不平衡运动时，其电压、电流含有大量负序分量，对电气设备产生不同程度影响，因此将三相不平衡度的允许值及其计算、测量和取值方法进
14、行了规定。三相不平衡度= 100%。5.4.2 三相不平衡度的产生及危害三相不平衡产生的原因及处理方法见表5-2。表5-2 产生三相不平衡的原因 原因分类 具体原因处理措施事故性不平衡系统中各种非对称性故障，比如单相接地短路、两相接地短路或两相相间短路等。保护装置切除故障元件，经故障处理后才能重新恢复系统运行。正常性不平衡 1三相负荷不对称，如单相大容量负荷在三相系统中的容量和电气位置分布不合理。2供电线路三相不平衡。三相不平衡就是在三相供电情况下，由各相负荷的不平衡用电特性所造成的。 一般说的三相不平衡度主要指电压不平衡度，需要时也可以分析三相电流不平衡度。对称分量法是理解与分析不平衡三相系
15、统的基础。若三相供电电压平衡(即只有正向电压)对于一个变化缓慢的三角形接线的三相不对称负荷(*接线可以等效成三角行)，理论上可将其变换为一个平衡的三相纯有功负荷，同时其电源与负荷的有功功率交换并不改变。系统处于三相不平衡运行时，三相电压电流含有大量负序分量。由于负序分量的存子会对各种电气设备产生不同方面的不良影响。步发电机：电动机在不对称运行时负荷电流在气隙中产转子生逆转的旋转磁场，增加了转子的损耗。这些损耗包括在励磁绕组里感应的二倍频电流所引起的附加损耗以及在转子表面由于感应的涡流所产生的附加表面损耗。这些损耗都属于铜损耗性质，从而造成转子温升的提高。至于温升（发热）的分布，与转子的结构有关。另外在不对称负荷时，由负荷电流产生的气隙旋转磁场与转子励磁磁势及由正序气隙旋转磁场与定子负序磁势所产生的二倍频交变电磁力矩，将同时作用在转子转轴以及定子机座上，引起二倍频振动。感应电动机：在不平衡电压作用下，负序电流产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，正反c磁场的相互作用，产生脉动转矩，肯能引起电动机的振动。由于电动机负序电抗很小，负序电压可能产生过大的负序电流
