電能質(zhì)量高峰論壇第2版課件

電能質(zhì)量問題分析與治理

任丕德（教授）副總經(jīng)理2023年3月14日

中電普瑞科技有限公司，是國家電網(wǎng)公司中國電力科學研究院全資組建的高新技術(shù)企業(yè)，同時掛靠有國家發(fā)改委批準成立的輸配電及節(jié)電技術(shù)國家工程研究中心。公司擁有世界先進的研發(fā)、試驗及生產(chǎn)設(shè)備和手段，歷經(jīng)十余年的發(fā)展，已成為目前中國最大的電力電子技術(shù)研發(fā)、設(shè)備制造和系統(tǒng)集成基地，成為中國電力電子行業(yè)的旗幟與標桿。

普瑞科技致力于靈活交流輸電、電能質(zhì)量監(jiān)測治理、可關(guān)斷電力電子器件應(yīng)用、新能源接入等技術(shù)領(lǐng)域，提供集研發(fā)、試驗、制造、工程實施為一體的全套解決方案，不斷為輸電網(wǎng)和工業(yè)配電客戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品與服務(wù)。亞洲最大、世界領(lǐng)先的電力系統(tǒng)電力電子實驗室國際一流的特高壓試驗基地世界領(lǐng)先的電力系統(tǒng)仿真實驗室2008年，“輸電系統(tǒng)中靈活交流輸電（可控串補）關(guān)建技術(shù)和推廣應(yīng)用”獲國家科技進步一等獎2006年，“靜止無功補償器核心技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用”獲國家科技進步二等獎迄今為止，普瑞科技榮獲國家級獎、省部級獎、國家電網(wǎng)公司科技獎等獎項共50余項，國家火炬項目1項。普瑞科技共獲得授權(quán)專利60余項，其中發(fā)明專利20余項；2009年，“一種可控串聯(lián)補償晶閘管的電子觸發(fā)系統(tǒng)”獲第十一屆中國專利獎金獎。

黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人以及國家電網(wǎng)公司領(lǐng)導(dǎo)十分關(guān)注普瑞科技的發(fā)展，對普瑞科技的自主創(chuàng)新最新成果給予了充分肯定和鼓勵。電能質(zhì)量問題的由來

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，用電負荷日趨復(fù)雜化和多樣化，大量具有非線性、沖擊性和不平衡特性的負荷造成電網(wǎng)電能質(zhì)量的惡化；同時，現(xiàn)代工商業(yè)大量使用的計算機系統(tǒng)、快速發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對電能質(zhì)量的要求卻越來越高，尤其是一些電能質(zhì)量敏感企業(yè)一旦發(fā)生問題，會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟損失。電能質(zhì)量涉及國民經(jīng)濟各行各業(yè)和人民生活用電，優(yōu)質(zhì)的電力可以提高用電設(shè)備效率，增加使用壽命，減少電能損耗和生產(chǎn)損失，電能質(zhì)量關(guān)系到電力可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到國民經(jīng)濟總體效益，是實現(xiàn)節(jié)約型社會的必要條件之一。電能質(zhì)量基本概念電能質(zhì)量基本概念電能質(zhì)量定義

PowerQuality——電能質(zhì)量，是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。圍繞電能質(zhì)量的含義，從不同角度理解通常包括：（1）電壓質(zhì)量：是以實際電壓與理想電壓的偏差，反映供電企業(yè)向用戶供應(yīng)的電能是否合格的概念。這個定義能包括大多數(shù)電能質(zhì)量問題。（2）電流質(zhì)量：反映了與電壓質(zhì)量有密切關(guān)系的電流的變化，是電力用戶除對交流電源有恒定頻率、正弦波形的要求外，還要求電流波形與供電電壓同相位以保證高功率因素運行。這個定義有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善和降低線損。（3）供電質(zhì)量：其技術(shù)含義是指電壓質(zhì)量和供電可靠性，非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量。包括供電企業(yè)對用戶投訴的反映速度以及電價組成的合理性、透明度等。（4）用電質(zhì)量：包括電流質(zhì)量與反映供用電雙方相互作用和影響中的用電方的權(quán)利、責任和義務(wù)，也包括電力用戶是否按期、如數(shù)交納電費等。電能質(zhì)量基本概念電力系統(tǒng)常見電磁現(xiàn)象

一個良好的電能應(yīng)該是連續(xù)的，電源的電壓和頻率總是保持在允許范圍內(nèi)，且電壓和電流具有純正的正弦波曲線。以下是電力系統(tǒng)中常見的電磁現(xiàn)象。

電能質(zhì)量問題的危害

電能質(zhì)量問題主要有諧波、電壓波動和閃變、電壓三相不平衡和低功率因數(shù)等，這些電能質(zhì)量問題嚴重危害電氣設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)。主要表現(xiàn)在：(一)諧波的電氣設(shè)備的危害（1）諧波對旋轉(zhuǎn)電機的影響

電動機吸收諧波電流會引起附加損耗，產(chǎn)生機械振動和噪聲，引起諧波過電壓；（2）諧波對變壓器的影響

較大的諧波電流穿過變壓器形成的諧波磁場會引起變壓器附件的發(fā)熱，并導(dǎo)致局部過熱，諧波會使變壓器的噪音增大；（3）諧波對輸電電纜的影響

由于電纜的分布電容對諧波有放大作用，在電網(wǎng)低谷、電網(wǎng)電壓升高時使諧波電壓升高，造成電纜局部放電、介損和溫升增大，易導(dǎo)致電纜故障；（4）諧波對通訊的干擾和影響

諧波通過電容耦合、電磁感應(yīng)和電氣傳導(dǎo)等構(gòu)成對通信線路的干擾；電能質(zhì)量問題的危害電能質(zhì)量問題的危害（5）諧波對電度計量的影響

對于采用感應(yīng)系機構(gòu)的電度表，諧波會引起電度計量的誤差，其結(jié)果將導(dǎo)致：產(chǎn)生大量諧波的用戶少付電費，而線性用戶反而多付電費；（6）諧波對繼電保護、自動裝置等的影響

在諧波和負序的共同作用下，電力系統(tǒng)中以負序濾過器為啟動元件的多種保護和自動裝置會產(chǎn)生誤動。電能質(zhì)量問題的危害（三）負序?qū)?dǎo)致如下不良影響

（1）當電動機承受三相不平衡電壓時，負序電壓將產(chǎn)生與正序相反的旋轉(zhuǎn)磁場，引起定轉(zhuǎn)子的附加損耗和附加振動，減少使用壽命；（2）三相電壓不平衡和負序電流將引起以負序分量啟動的多種繼電保護裝置的誤動；（3）三相電壓不平衡使整流和換流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流（非特征諧波）；（4）電壓不平衡使發(fā)電機的容量利用率下降；電能質(zhì)量問題的危害（四）低功率因數(shù)將產(chǎn)生如下影響（1）根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》的規(guī)定，高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負荷調(diào)整電壓裝置的電力用戶，功率因數(shù)應(yīng)大于0.9以上，否則，用戶將遭受低功率因數(shù)罰款，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。（2）低功率因數(shù)負載從系統(tǒng)吸收大量無功功率，增加了線損和變壓器的損耗。（3）由于供電變壓器同時通過有功功率和大量的無功功率，降低了變壓器的供電能力。1.電能質(zhì)量基本概念2.電能質(zhì)量國家標準簡介4.電能質(zhì)量工程治理典型案例一、電能質(zhì)量基本概念三、電能質(zhì)量治理典型案例二、產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的負荷

交流電弧爐(EAF)電能質(zhì)量分析

電弧爐煉鋼是以廢鋼為主要原料，以三相交流電作電源，利用電流通過石墨電極與金屬料之間產(chǎn)生電弧的高溫，來加熱、熔化爐料。交流電弧爐屬于典型的非線性沖擊負荷，生產(chǎn)時會對電網(wǎng)造成諧波、電壓閃變、電壓波動、三相電壓及電流不平衡、功率因數(shù)低等不利影響，大大超過電能質(zhì)量各項國家標準，威脅供電系統(tǒng)及設(shè)備自身的安全穩(wěn)定運行。

(1)諧波由于電爐的電弧電流處于不規(guī)則的急劇變化狀態(tài)及弧阻的非線性，電壓和電流波形呈不對稱的非正弦波形，它可以分解成2次以上的各次諧波電流，主要是2～7次諧波電流。運行時，諧波電流將會引起電氣設(shè)備發(fā)熱、震動、增加損耗、縮短壽命，會使PLC及繼電保護裝置誤動作造成嚴重后果。產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷交流電弧爐諧波特性：

*電弧的電阻值不恒定，并且在交流電弧的半個周期中電弧電阻也在變動，這造成電弧電流的非正弦畸變；*交流電的正負半周換相，石墨電極和鋼交替作陰極和陽極，因不同材料的發(fā)射電子能力不一樣，故使電流的正負兩個半周的波形不對稱，造成偶次諧波；*三相電弧不均衡，導(dǎo)致三次諧波。交流電弧爐電壓/電流曲線及諧波含量：產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷

國標推薦的交流電弧爐電壓波動和閃變估算方法：

交流電弧爐在運行過程中，特別是在熔化期，隨機且大幅度波動的無功功率會引起供電母線嚴重的電壓波動和閃變。電弧爐在熔化期電極和爐料（或熔化后鋼水）接觸可以有開路和短路兩種極端狀態(tài)，當相繼出現(xiàn)這兩種狀態(tài)時，其最大無功功率變動量ΔQmax就等于短路容量Sd。電弧爐在PCC點引起的最大電壓波動和閃變可以按下面公式進行估算。產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷2.1直流軋機電能質(zhì)量分析

小型軋機如棒材和線材軋機，一般采用直流傳動，其供電電壓一般為10kV，無功功率沖擊不大，三相電壓不平衡度很小，主要電能質(zhì)量問題是諧波電流和功率因數(shù)。正常負荷時的功率因數(shù)約為0.72，低負荷或空載時的功率因數(shù)低于0.4。諧波含量以整流器特征諧波為主，如下圖所示。產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷2.2交-交變頻軋機電能質(zhì)量分析

交交變頻軋機在低速大功率軋機領(lǐng)域應(yīng)用較廣,具有能量裝換效率高（無直流環(huán)節(jié)），輸出頻率低，帶載能力強等優(yōu)點，但是諧波含量大，除特征諧波和直流分量外，還存在一定的間諧波（旁頻成分），即輸入電流和輸出電流之和或差。產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷3.電解鋁負荷

電解鋁是直流電解冶煉，交流電經(jīng)過整流變壓器轉(zhuǎn)換為直流電。目前，許多電解鋁均采用多臺整流機組通過移相形成48脈、60脈、72脈整流甚至更高，以降低諧波含量。單套整流機組一般由兩個6脈動換流器通過分別采用Yy(或Dd)和Yd11聯(lián)結(jié)的整流變壓器組合而成。

產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷增加電解整流裝置的脈動數(shù)可以減少特征諧波的組成成分，并提高最低次諧波的次數(shù)，從而達到抑制諧波的目的。30°移相角可以借助常規(guī)的星-三角變壓器實現(xiàn)，而其他移相角必須采用曲折變壓器才能實現(xiàn)。而采用曲折變壓器除了變壓器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜外，也使得系統(tǒng)的接線變得十分復(fù)雜。曲折變壓器比普通變壓器要多用15%左右的導(dǎo)體，導(dǎo)致體積和成本的增加。另外，隨著諧波次數(shù)的增加，諧波消除的效率極劇下降。所以，等效脈波數(shù)不能無限制增加。電解整流負荷特性概括如下：①多臺整流機組通過不同的移相角，低次諧波相互抵消，整體對外表現(xiàn)的諧波電流含量不大；②電解鋁屬于對稱平穩(wěn)負荷，引起的電壓波動和三相電壓不平衡度均不大；③功率因數(shù)較高，基本在0.85以上。產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷4.電氣化鐵路

電鐵牽引負荷具有多變性、隨機性、移動性，對電網(wǎng)的干擾程度在不同時段內(nèi)具有不確定性，這構(gòu)成對電網(wǎng)干擾的復(fù)雜性。對于三相對稱的供電系統(tǒng)來說，電氣化鐵路牽引負荷具有非線性，不對稱和沖擊性等特點，將產(chǎn)生三相不平衡的諧波電流和基波負序電流注入系統(tǒng)，并造成電壓波動。產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷5.風電

風電場電能質(zhì)量問題主要是電壓波動和諧波電流問題。引起風電場電壓波動的因素有很多。風電機組在變動的風速作用下（如陣風、漸變風、隨即噪聲風、塔影效應(yīng)、風剪切、偏航誤差等），其功率輸出具有變動的特性，可能引起所接入系統(tǒng)的某些節(jié)點（如并網(wǎng)點）的電壓波動。風電機組并網(wǎng)時可能引起較大的沖擊電流，造成并網(wǎng)點的電壓波動，風電機組啟動、脫網(wǎng)及發(fā)電機組切換也會引起電網(wǎng)電壓波動。風電場的諧波電流主要是由于風電場采用了大量電力電子器件如晶閘管、IGBT等的原因。同步發(fā)電機的交直交變流裝置以及雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁變流裝置都是風電場諧波電流源，諧波電流主要是3次、5次、7次，其中5次諧波電流最大，7次諧波電流次之。風電場示意圖雙饋式風力發(fā)電機直驅(qū)式風力發(fā)電機產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的工業(yè)負荷1.電能質(zhì)量基本概念2.電能質(zhì)量國家標準簡介一、電能質(zhì)量基本概念三、電能質(zhì)量治理典型案例二、產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的負荷1.電能質(zhì)量治理設(shè)備簡介

序號設(shè)備名稱作用備注1FC吸收諧波，補償無功無功輸出不可調(diào)節(jié)，容易返送2SVC吸收諧波，補償無功，穩(wěn)定電壓，抑制電壓波動和閃變，平衡三相負荷技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛3STATCOM同SVC采用可關(guān)斷器件，響應(yīng)速度快，占地面積小，是發(fā)展趨勢4APF吸收諧波為主5DVR防止電壓跌落2.典型工程案例

靜止型動態(tài)無功補償裝置（SVC）在電爐電能質(zhì)量治理領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛，下面以某工程100噸電弧爐負荷為例，介紹電能質(zhì)量治理工程案例。

（一）系統(tǒng)收資

收集詳盡，準確的系統(tǒng)資料是進行電能質(zhì)量治理工程的第一步，也是非常重要的一項工作。收集的系統(tǒng)參數(shù)主要有當?shù)刈匀画h(huán)境條件，供電系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)運行方式，電能質(zhì)量考核點，系統(tǒng)短路容量，負荷參數(shù)以及運行工況等。用戶提供的系統(tǒng)參數(shù)如下：供電系統(tǒng)參數(shù)電能質(zhì)量考核點：系統(tǒng)電源進線220kV母線最小短路容量:6370MVA

100噸EAF變壓器的技術(shù)參數(shù)額定容量：100MVA額定電壓比：950~1050V（常用950~980V）阻抗電壓：8%短網(wǎng)參數(shù)2.5mΩ串抗參數(shù)4Ω（5檔）從諧波（二）電能質(zhì)量指標計算

根據(jù)用戶提供的系統(tǒng)和負荷數(shù)據(jù)進行仿真、分析計算，掌握各項電能質(zhì)量指標。針對LF爐負荷的電能質(zhì)量特性，本工程需要計算的電能質(zhì)量指標為：考核點諧波電壓和諧波電流畸變率負荷無功沖擊引起的考核點電壓波動和閃變考核點三相電壓不平衡度進線側(cè)功率因數(shù)從諧波電能質(zhì)量指標計算結(jié)果序號內(nèi)容電能質(zhì)量指標值國標限值備注1諧波電流//3次超標，2次、4次5次接近限值2諧波電壓畸變率(%)1.282.0未超標3電壓波動d(%)2.522.5超標4閃變Plt1.261.0超標5三相不平衡度（%）0.