電能質(zhì)量分析與案例(電力節(jié)能公司)

電能質(zhì)量概述與節(jié)能案例分析

于景定高級工程師/高級能源管理師

青海電力節(jié)能服務(wù)有限責(zé)任公司電能質(zhì)量概論

電能既是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式，又是一種由電力部門向電力用戶提供，并由供、用雙方共同保證質(zhì)量的特殊產(chǎn)品。電能質(zhì)量基本要求

為保證電能安全經(jīng)濟(jì)地輸送、分配和使用，理想供電系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)具有如下基本特性：（1）以單一恒定的電網(wǎng)標(biāo)稱頻（50Hz或60Hz，我國采用50Hz）、規(guī)定的若干電壓等級（如配電系統(tǒng)一般為110kV,35kV,10kV,380V/220V）和以正弦函數(shù)波形變化的交流電向用戶供電，并且這些運(yùn)行參數(shù)不受用電負(fù)荷特性的影響。（2）始終保持三相交流電壓和負(fù)荷電流的平衡。用電設(shè)備汲取電能應(yīng)當(dāng)保證最大傳輸效率，即達(dá)到單位功率因數(shù)，同時(shí)各用電負(fù)荷之間互不干擾。（3）電能的供應(yīng)充足，即向電力用戶的供電不中斷，始終保證電氣設(shè)備的正常工作與運(yùn)轉(zhuǎn)，并且每時(shí)每刻系統(tǒng)中的功率供需都是平衡的。

電能質(zhì)量三要素

上述理想供電系統(tǒng)的基本特性構(gòu)成了供電運(yùn)行對電能質(zhì)量的基本要求，如果將其概括描述可如圖1-1所示。電能質(zhì)量特征1、電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量始終處在動態(tài)變化中。2、電力系統(tǒng)是一個(gè)整體,其電能質(zhì)量狀況相互影響。電能不易儲存，其生產(chǎn)、輸送、分配和轉(zhuǎn)換直至消耗幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。3、電能質(zhì)量擾動具有潛在危害性與廣泛傳播性。4、有些情況下用戶是保證電能質(zhì)量的主體部分。5、對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評估非常困難。6、控制和管理電力系統(tǒng)電能質(zhì)量是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求1）電力系統(tǒng)擴(kuò)張與聯(lián)網(wǎng)逐漸形成，系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和可靠性要求不斷提高。2）在保證電力系統(tǒng)一定的自然壟斷特性的條件下，強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)意識與提高信息管理水平已經(jīng)勢在必行。3）電力系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合更加緊密，采用高新技術(shù)（如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow）以提高電力傳輸能力和實(shí)現(xiàn)配電自動化的趨勢方興未艾。4）電力用戶為滿足其對產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣性生產(chǎn)的需求，從最大經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，在大功率沖擊性、非線性負(fù)荷容量迅速增長的同時(shí)，更大規(guī)模地采用科技含量高的器件、設(shè)備與技術(shù)。負(fù)荷類型第一種負(fù)荷分為三類：普通負(fù)荷、敏感負(fù)荷和重要（要求嚴(yán)格的）負(fù)荷。第二種負(fù)荷可分為：感性負(fù)荷、純阻性負(fù)荷、容性負(fù)荷和磁性負(fù)荷。電能質(zhì)量起因電能質(zhì)量定義從普遍意義上講，電能質(zhì)量是指優(yōu)質(zhì)供電。電力部門可能把電能質(zhì)量定義為電壓、頻率的合格率以及連續(xù)供電的年小時(shí)數(shù)，并且用統(tǒng)計(jì)數(shù)字來說明電力系統(tǒng)是安全可靠運(yùn)行的。電力用戶則可能把電能質(zhì)量簡單定義為是否向設(shè)備提供了合格電力。電能質(zhì)量類型電流質(zhì)量：電流質(zhì)量與電壓質(zhì)量密切相關(guān)。電流質(zhì)量包括電流諧波、間諧波或次諧波、電流相位超前或滯后、噪聲等。供電質(zhì)量：它包括技術(shù)含義（電壓質(zhì)量和供電可靠性）和非技術(shù)含義（供電部門對用戶投訴與抱怨的反應(yīng)速度和電力價(jià)目的透明度等）。用電質(zhì)量：它包括電流質(zhì)量和非技術(shù)含義等，如用戶是否按時(shí)，如數(shù)繳納電費(fèi)等。電壓質(zhì)量：給出實(shí)際電壓與理想電壓間的偏差，以反映供電部門向用戶分配的電力是否合格。電壓質(zhì)量通常包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電壓瞬變現(xiàn)象、電壓波動與閃變、電壓暫降（暫升）與中斷、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過電壓等。電能質(zhì)量表現(xiàn)形式瞬變現(xiàn)象短時(shí)間電壓變動長時(shí)間電壓變動電壓不平衡波形畸變電壓波動工頻變化一、瞬變現(xiàn)象

關(guān)于瞬變現(xiàn)象，IEEEStd100-1992《電氣與電子標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語詞典》有一個(gè)含義更寬、描述更簡單的定義：變量的部分變化，且從一種穩(wěn)態(tài)狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中該變化逐漸消失的現(xiàn)象。瞬變現(xiàn)象兩種普遍類型——沖擊和振蕩1、沖擊性瞬變現(xiàn)象沖擊性瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流非工頻的、單極性的突然變化現(xiàn)象。最常見引發(fā)其的原因是雷電。如圖1-5示。2.

振蕩瞬變現(xiàn)象振蕩瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流的非工頻、有正負(fù)極性的突然變化現(xiàn)象。常用頻譜成分、持續(xù)時(shí)間、和幅值大小來描述其特性。其頻譜分為高、中、低頻，如表1-2所示。高頻振蕩現(xiàn)象中頻振蕩現(xiàn)象低頻振蕩現(xiàn)象二、短時(shí)間電壓變動

包括電壓暫降和短時(shí)間電壓中斷現(xiàn)象。造成電壓變動的主要原因是系統(tǒng)故障、大容量負(fù)荷啟動或電網(wǎng)松散連接的間歇性負(fù)荷運(yùn)作。根據(jù)所在系統(tǒng)條件和故障位置的不同，可能引起暫時(shí)過電壓或電壓跌落，甚至使電壓完全損失。三、長時(shí)間電壓變動

長時(shí)間電壓變動是指，在工頻條件下電壓均方根值偏離額定值，并且持續(xù)時(shí)間超過1min的電壓變動現(xiàn)象。長時(shí)間電壓變動可能時(shí)過電壓也可能欠電壓。過電壓欠電壓持續(xù)中斷四、電壓不平衡

電壓不平衡，時(shí)常定義為與三相電壓（或電流）的平均值的最大偏差，并且用該偏差與平均值的百分比表示。電壓不平衡也可利用對稱分量法來定義，即用幅負(fù)序或零序分量與正序分量的百分比加以衡量。圖1－13給出了采用上述兩種比值表示的某一民用潰電網(wǎng)一周內(nèi)電壓不平衡趨勢。五、波形畸變

波形畸變，是指電壓或電流波形偏離穩(wěn)態(tài)工頻正弦波形的現(xiàn)象，可以用偏移頻譜描述其特征。波形畸變有五種主要類型，即直流偏置、諧波、間諧波、陷波、噪聲。諧波畸變水平的描述方法，通常用具有各次諧波分量幅值和和相位角的頻譜表示。圖1－14給出了典型變速驅(qū)動輸入電流波形和頻譜圖。

六、電壓波動

電壓波動是指電壓包絡(luò)線有規(guī)則的變化或一系列隨機(jī)電壓變動。通常，其幅值并未超過ANSIC84.1－1995《電力系統(tǒng)與設(shè)備電壓等級》規(guī)定的0.9－1.1p.u.范圍。IEC1000－3－3－1994《低壓供電系統(tǒng)電壓波形和閃變限值（額定電流<16A的設(shè)備）》則定義了多種類型的電壓波動。七、工頻變化把電力系統(tǒng)基波頻率偏離規(guī)定正常值的現(xiàn)象定義未頻率變化。工頻頻率的值與向系統(tǒng)供應(yīng)電能的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度直接相關(guān)。大規(guī)模互聯(lián)電力系統(tǒng)極少出現(xiàn)頻率大的波動。有時(shí)人們會把陷波和頻率偏差弄錯(cuò)。電能質(zhì)量的數(shù)學(xué)分析方法

電能質(zhì)量主要的分析方法可以分為時(shí)域、頻域和基于數(shù)學(xué)變換的分析方法三種。時(shí)域仿真方法在電能質(zhì)量分析中應(yīng)用最為廣泛。頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量中諧波問題。基于數(shù)學(xué)變換的方法主要指傅立葉變換方法、短時(shí)傅立葉變換方法、矢量變換方法以及小波變換方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法。供電電壓偏差

電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其中電壓偏差是衡量供電系統(tǒng)正常運(yùn)行與否的一項(xiàng)主要指標(biāo)。電壓偏差定義

供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(通常，電力系統(tǒng)的額定電壓采用標(biāo)稱電壓去描述，對電氣設(shè)備則采用額定電壓的術(shù)語)之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。供電電壓正常運(yùn)行方式是指系統(tǒng)中所有電氣元件均按預(yù)定工況運(yùn)行。供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷時(shí)刻發(fā)生著變化，系統(tǒng)的運(yùn)行方式也經(jīng)常改變，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓隨之發(fā)生改變，會偏離系統(tǒng)電壓額定值。電壓的這種變化是緩慢的，其每秒電壓變化率小于額定電壓的1%。供電電壓正常運(yùn)行方式電壓偏差的限值35kV及以上供電電壓的正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號時(shí)(均為正或負(fù)),按較大的偏差絕對值作為衡量依據(jù)。(2)10kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。(3)220V單相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的+7%、-10%。電壓偏差產(chǎn)生的原因

電力系統(tǒng)中的負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)組的出力隨時(shí)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著運(yùn)行方式的改變而改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏離標(biāo)稱值的根本原因。

在系統(tǒng)運(yùn)行中的任何時(shí)刻，無功電源供給的無功功率與系統(tǒng)需求的無功功率相等。系統(tǒng)無功功率不平衡意味著將有大量的無功功率流經(jīng)供電線路和變壓器，由于線路和變壓器中存在阻抗，造成線路和變壓器首末端電壓出現(xiàn)差值。以供電線路為例來說明無功功率與電壓損失的關(guān)系。電力系統(tǒng)的無功功率平衡線路的輸送距離和輸送容量電壓偏差過大的危害1、對用電設(shè)備的危害所有用戶的用電設(shè)備都是按照設(shè)備的額定電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的。當(dāng)電壓偏離額定電壓較大時(shí)，用電設(shè)備的運(yùn)行性能惡化，不僅運(yùn)行效率低，很可能會由于過電壓或過電流而損壞。

輸電線路的輸送功率受功率穩(wěn)定極限的限制，而線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。

系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏低時(shí)缺乏無功電源時(shí)頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定破壞時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行電壓過高造成系統(tǒng)解列導(dǎo)致電壓崩潰也會威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行給生產(chǎn)生活到來損失2、對電網(wǎng)的危害電能質(zhì)量治理兩種技術(shù)途徑無功補(bǔ)償諧波治理無功補(bǔ)償（按電壓分類）高壓補(bǔ)償，6kV以上；低壓低壓補(bǔ)償，0.4kV以下；對于鐵合金行業(yè)來說，還存在中壓補(bǔ)償（10kV）的概念。無功補(bǔ)償（按補(bǔ)償接入點(diǎn)）集中補(bǔ)償（解決力調(diào)電費(fèi)的辦法）分散補(bǔ)償（小系統(tǒng)的無功優(yōu)化）就地補(bǔ)償（無功就地平衡途徑）無功補(bǔ)償（按補(bǔ)償裝置的特性）靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置（如FC，接觸器投切）動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC，SVG）TSC：晶閘管投切電容器組；TCR：晶閘管投切電容器電抗器組；SVG：靜止無功發(fā)生器；諧波分類諧波分為：低次、高次；諧波分為：奇次、偶次；諧波分為：諧波電壓、諧波電流；如采用雙向晶閘管（可控硅）鍛造加熱爐，就產(chǎn)生偶次諧波，不常見。）諧波治理無源濾波裝置（針對產(chǎn)生諧波的次數(shù)進(jìn)行濾波，采用的是LC結(jié)構(gòu)，治理率60%，主要用于高壓諧波治理）有源濾波裝置（檢測電網(wǎng)存在的諧波次數(shù)及波形，發(fā)射一種與之相反的波形，進(jìn)行相互抵消，治理率90%以上，主要用于低壓系統(tǒng)。）電能質(zhì)量綜合治理APF（電力有源濾波器）電能質(zhì)量綜合治理是指低壓系統(tǒng)，既有不規(guī)則諧波的發(fā)生，有存在大量無功需求，治理時(shí)需要雙重考慮，就需要采用APF。諧波與無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)系電容是諧波的放大源之一。無功補(bǔ)償與諧波治理的目的提高功率因數(shù)，減少系統(tǒng)無功損耗；提升電能質(zhì)量，提高用電安全；節(jié)約電量，節(jié)約電力建設(shè)；主要是強(qiáng)調(diào)節(jié)約電量與節(jié)約電力建設(shè)節(jié)約電力建設(shè)的體現(xiàn)功率因數(shù)可理解為電能的使用效率；提高功率因數(shù)，減少無功損耗，就是增加了供電設(shè)備、線路的余量，間接給了設(shè)備與線路進(jìn)行了增容。節(jié)約電量力調(diào)電費(fèi)的問題降低無功損耗（各種損耗