1、電能質量問題的研究一電能質量問題的新特點電能是一種清潔，高效， 易使用的能源形式， 是社會經濟快速發展的重要物質保證，是 各種高新技術尤其是信息技術有效應用的根本前提。近年來，各電力用戶對電能質量的要求也越來越高，對電能應用過程中出現的各種質量問題越來越重視。這是因為：一方面， 現代化生產過程中所使用的各種先進設備對供電質量敏感度不斷增加。傳統的許多機電設備在供電電壓幅值相對較大的變化范圍內也確實都能正常地工作。但現代社會生產中廣泛應用的各種自動化生產線，以微處理器為核心構成的各種電氣設備，精密加工工業，機器人等先進技術，它們的正常運行取決于高質量的供電。一旦出現電能質量問題，輕則造成設備故障

2、，重 則造成整個系統的損壞，由此帶來的損失是難以估量的。另一方面，大量以提高生產效率， 減小環境污染而采用電力電子技術的現代化設備正成為主要的電能質量問題的來源。以電氣化鐵路牽引式負荷為例， 它屬于整流負荷，是典型的諧波源；采用工頻單相式交流供電，是典型的負序源；同時又具有波動性和不確定性，是典型的波動源和閃變源。 另外普通用戶中集中大量使用的開關式電源， 公共照明系統中熒光照明負荷正逐漸成為配電系統中主要的諧 波源和波動源。可以說，在這些新技術成功解決實際生活環境中“看得見”的污染問題的同時，造成了電力系統中“看不見”的污染問題。污染問題不是得到根本解決，而是進行了形 式上的轉換。第三，隨著

3、市場經濟在我國的逐步建立，人們認識到電能也是一種商品，而商品質量決定了商品在生產交換中的價值因素，為了提高競爭力，適應電力市場發展的要求， 提供高質量的電能是必然趨勢。隨著對電能質量問題研究的不斷深入，人們發現電能質量問題正呈現如下幾個新的特占：八、1 電能質量問題的主要來源發生了較大的變動以前的電能質量問題主要來源于系統側，包括系統正常運行狀態改變，如電源投入，有計劃的無功補償電容器組的投入 /切除，大型電動機啟動等；非正常的系統狀態改變如系統 元件故障，人員誤操作等將給系統帶來較大的沖擊；自然環境中的雷擊， 大風和雨雪天氣也會造成相應的電能質量問題。 而近年來，用戶端大量非線性負荷的應用正

4、成為電能質量惡化 的重要因素。例如低壓小容量家用電器到高壓大容量的工業交直流變換裝置中存在的各種靜 止變流器，它是以開關方式工作的，會引起電網電流、電壓波形的畸變。大型電弧式設備， 如電弧熔爐，弧焊設備等，也成為重要的沖擊源和諧波源。一個值得注意的問題是為了減少重要設備對電能質量問題的敏感度，設備制造商努力進行設備的升級和改進，用戶則采用各種保護性裝置，而這些改進措施和保護裝置通常將對電能質量造成更大的危害。可以說用戶2.電能質量問題的形式發生了較大的改變圖1幾種動態電能質量問題的示意圖波形負荷正成為電能質量問題尤其是各種新的電能質量問題的主要來源。通常的電能質量問題如諧波，三相 不對稱等繼續

5、存在，而且嚴重性正在增 加。值得注意的是近年來人們逐步將傳 統的如供電中斷，電壓長時間偏高或偏 低等歸入供電質量問題，從狹義上講已 不屬于電能質量問題。現在人們更多關 注的是所謂動態電能質量問題，如持續 時間為周波級的動態電壓升高(Swells),脈沖（Impulses）,電壓跌落（Sags）和瞬時供電中斷（Momentary Interruptions ）等。幾種 常見的動態電能質量問題波形見圖1。這些都是近年來隨著社會信息化的日益廣泛而逐漸暴露出來的新的電能質量問題形式。而且這些電能質量問題出現的次數已經超過了供電質量問題，一項針對蘇格蘭某地區用戶反映的供電質量和電能質量問題所作的統計如圖

6、2所示。該圖表明了電壓跌落出現的次數在所有因素中處于第三位，僅次于供電中斷，而在電能質量問題中處于第一位。對這些動態電能質量問題的研究還剛剛開始，如何界定這些問題，用什么樣的特征進行描述，如何制定相應指標進行評估都還沒有成熟的方法。這些都值得相關人員的進一步深入研究。菜統可靠也日翹電帝質呈苑題圖2供電質量和電能質量問題岀現次數（相對比例）3.電能質量問題造成的危害越來越大電能質量問題造成的危害是多方面的。電能質量問題給電力系統的安全穩定運行造成很大的影響，例如電鐵牽引負荷產生的諧波和負序分量造成相差高頻保護和負序電流保護裝置 誤動作，引起系統解列運行， 造成無功補償電容器組不能安全投入運行，其

7、波動性造成的小容量電網頻率波動范圍異常，都降低了系統運行穩定性。各種新出現的電能質量問題也給用 戶帶來巨大經濟損失，電壓跌落和瞬時供電中斷已被認知是影響許多用電設備正常、安全運行的最嚴重動態電能質量問題。諧波問題造成的變壓器，感應電機等重要設備壽命的縮短， 三相電流不對稱造成的中線燒毀而導致用戶設備損壞的事件也時有報道。在現代工業中，由于任一設備的作業中斷都將可能導致整個流水線、甚至全廠作業的中斷，造成的損失非常巨大，因此工業用戶對供電質量的要求比其中單個敏感用電設備更高。在競爭日益激烈的市場經濟中，因意外的作業中斷而不能按期交貨導致商家的信譽度下降無疑也是巨大的隱形損 失，因此電壓質量問題所

8、造成的實際經濟損失遠大于所能計算出的直接損失。因此動態電能質量問題已成為目前影響供電可靠性的主要干擾，這是信息化社會供電質量問題不同于以往任何時代的主要特征。如何改善動態電能質量問題將是提高供電質量至一個全新水平的問題 關鍵。二.各種電能質量問題造成的危害分析根據對各種情況的綜合分析，IEEE列出了 11種主要的電能質量問題：斷電（Interruptions ）:在一定時間內，一相或多相完全失去電壓（低于；暫時斷電-3s至60s;持續斷電-60s。頻率偏差(Frequency Deviations )各國均已作出具體規定。電壓下跌(Sags):持續時間為0.5周波1min，幅值為，系統頻率仍為

9、標稱值。電壓上升(Swells)：電壓(或電流)暫時性超過標稱值10%者稱為電壓上升。系統頻率仍為標稱值。持續時間為0.5周波1min，幅值為瞬時脈沖或突波(Transients):瞬時脈沖表示了在兩個連續穩態之間的一種在極短時間內發生的現象或數量變化。瞬時脈沖可以是任一極性的單方向脈沖，也可以是發生在任一極性的阻尼振蕩波第一個尖峰。電壓波動(Voltage Fluctuations):電壓波動是在包絡線內的電壓的有規則變動，或是幅值通常不超出電壓切痕 (Notches):電壓切痕是一種持續時間小于0.5周波的周期性電壓擾動。電壓切痕主要由于電力電子裝置在有關兩相間發生瞬時短路時電流從一相轉換

10、到另一相而產 生的。電壓切痕的頻率會非常高，因此用常規的諧波分析設備是很難測量出電壓切痕的。這就是過去從未有過此項電壓擾動內容，直到最近才正式列入的原因。諧波(Harmonics):含有基波整倍數頻率的正弦波電壓或電流稱為諧波。產生畸變 后的波形可分解為基波和許多諧波之和。諧波是由于電力系統和電力負荷中設備的非線性特性造成的。諧波有奇次(又可分為 3的倍數和非3的倍數)和偶次之分。隨著用電裝置對諧 波敏感性的日益增加，高次諧波越來越受到注意并規定了限額。間諧波 (Interharmonics):含有基波的非整倍數頻率的電壓或電流稱為間諧波。小于基波頻率的分數諧波 (fractional har

11、monics)亦屬于此類。過電壓 (Overvoltages):過電壓是指電壓幅值超過標稱電壓且持續時間大于1min。過電壓的幅值為欠電壓 (Undervoltages):欠電壓是指電壓幅值小于標稱電壓且持續時間大于1min。欠電壓的幅值為以下是對一些危害較大的動態電能質量問題進行危害分析。1.電壓跌落和瞬時供電中斷雷擊引起的絕緣子閃絡或線路對地放電是造成系統電壓跌落或供電中斷的主要原因之一。由于電力系統暴露在大自然中，在雷雨季節的多雷地區，極易受到雷擊干擾。據文獻介紹，因雷擊而引起的電壓跌落次數有的約占總次數的60%，并且持續時間一般超過5個周波，所以在方圓幾千平方公里內的任意處的雷擊都將會

12、影響該區域內的任一敏感負荷的正 常、安全運行。系統故障是引起電壓跌落和供電中斷的又一主要原因之一。目前配電系統中的線路主保護是電流保護，該保護最大的缺陷是線路中相當大部分區域上的故障不能無延時地予以切 除；此外即使無延時保護，從監測到故障到斷路器開斷故障，目前最快也需要 36個周波【7,因此在故障期間，當在故障線路及其附近線路上接有敏感負荷時，將會因電壓跌落而被跳閘退出工作。另外，當保護動作后伴隨著重合閘時，由此而引起的電壓跌落次數將成倍數增加，并且規定時間間隔的連續跳閘是造成瞬時供電中斷的主要因素之一。表1是在某工廠供電端測得的1年內所發生的電壓跌落統計結果。可知大部分的電壓跌落幅值都低于(

13、20%30%)的額定值。表1電壓跌落幅值及其發生概率(以額定電壓=100%為標準)電壓跌落幅值0% 10%10%20%20%30%30%40%40%50%50%發生的概率44%34%10%10%2%0%電壓跌落對現代社會應用較廣泛的電子類設備的影響的各種結果匯總于表2。表2電壓跌落對一些設備的影響（以電壓額定值=100%為標準）設備名電壓跌落造成的影響結果制冷電子控 制器當電壓低于80%時，控制器動作將制冷電機切除，導致巨大生產損失。某公司芯片測試儀當電壓低于85%時，芯片被毀，測試儀停止工作，其內部電子電路主板故障。可編程控制器（PLC）早期的產品，當電壓低于10%時，仍能持續工作15個周波

14、；新版產品，當電壓低于（50 60）%時，PLC停止工作；而2年后的另一篇文獻8介紹，當電壓低于81%時，PLC停 止工作；一些I/O設備，當電壓低于 90%、持續時間僅幾個周波，就會被切除。精密機械工具/、由機器人控制對金屬部件進行鉆、切割等精密加工的機械工具，為保證產品質量和安全， 工作電壓檻值一般設為 90%，當電壓低于此值、持續時間超過23個周波時，被跳閘。直流電機當電壓低于80%時，直流電機被跳閘，每次損失數量級達1萬美元。調速電機（VSD）當電壓低于70%，持續時間超過 6個周波時，VSD被切除。而對于一些精細加工業中 的電機，當電壓低于 90%、持續時間超過3個周波時，電機就會被

15、跳閘而退出運行。交流接觸器有的研究表明當電壓低于 50%、持續時間超過1個周波，接觸器就會脫扣， 而有的研究表明當電壓低于 70%、甚至更高，接觸器就會脫扣。計算機當電壓低于60%，持續時間超過12個周波時，計算工作將受到影響，如數據丟失。由此可知，電壓跌落已成為影響許多設備、尤其是電子類設備正常工作的嚴重干擾，而 且不同類型、甚至同類型但不同品牌的用電設備對電壓跌落的敏感度差異很大，這表明電壓跌落所造成的危害與設備自身的特性以及用戶的要求密切相關，因此如何消除或抑制電壓跌落的影響，需要供電方、設備制造方以及用戶的協力合作，共同解決。圖3表明了瞬時供電中斷對 UPS輸出造成的影響。其中左圖為輸

16、入電壓，右圖為 UPS的 輸出電壓。圖3瞬時供電中斷對UPS輸出造成的影響表3是就電壓跌落對幾家大型敏感工業用戶造成危害的調查結果。表3電壓跌落對大型敏感工業用戶造成的危害（以電壓額定值=100%為標準）事例名主要的敏感工序跌落幅值持續時間發生頻次原因造成的危害Orian Rugs Company,USA拉絲制紗、 自動紡織40 % , 30 個周波左 右約每月2次系統干擾當電壓低于 90 %時，工廠的饋線跳 閘，造成作業中斷BonlacFoods,Australia制奶粉工序每年20 27次系統故障電壓低于90%時，催干電機被跳閘。 每次啟動需很長時間，導致未來得及 處理的鮮牛奶變質。Cal

17、edonianPaper, UK由23臺調速電 機共同完成的 造紙工序60 % ,約200ms每年約30次雷擊電壓低于90%，電機被跳閘，每次作 業中斷，光生產損失就超過 140,000 英鎊。由此可知，當電壓低于 90%時，各用戶作業都將中斷。另外，電壓跌落對信息業的影響 也很大，據估計80%服務器出現癱瘓以及用戶端 45%左右數據丟失和“出錯”均與此有關。 圖4是電壓跌落對各行業造成的損失數量等級圖，圖中$M=1百萬美元。此外，據介紹，因電壓跌落而引起的事故次數大約是因完全供電中斷而引起的事故次數 的10倍。目前比較有效的抑制電壓跌落和瞬時供電中斷的措施是安裝動態電壓恢復器(DVR )和不

18、間斷電源(UPS)。轉體制昶二$1K|MK$10DK$1M1DM每次電壓聯落頑成的損失數題圖4每次電壓跌落對不同用戶造成的損失數量級2 間諧波與諧波諧波主要是由于用電設備的非線性特性所造成。例如各種電力電子設備，IT行業和辦公設備中大量使用的開關式電源(SMPS),電弧式負荷包括電弧熔爐，弧焊設備。公共照明系統中大量使用的熒光燈負荷等等。圖5為典型的計算機負荷的負荷特性。可見該類設備呈現出非常明顯的非線性特性，電流畸變情況非常嚴重，包含了大量的諧波成份。將畸變的非正弦信號分解為各諧波成份的工具是傅立葉變換。通常的分析表明各諧波成份呈現如下特 性：偶次諧波，如2, 4次諧波等。將造成畸變的波形在

19、正負半周內波形不對稱。奇次諧波，如5, 7次諧波等不改變畸變波形在正負半周內的對稱性。通常的線電流中不包括 3, 9次等3的倍數次諧波。但在有中線的系統中中線流過大 量這類諧波。諧波通常造成很高的波形因數(crest factors )。波形因數是波形峰值與有效值的比值。過高的波形因數將造成變壓器必須以低于額定容量的方式工作。JHT 90UITH BLOTK1(DWtiE.Of1ri C* U 2 電M u IWt f 呼 n r U 4*n neH 劉片Emjf1! tM. g弼廿1/心叫凱皿冷稲儀甲常一也電一呼ETF 4；眄川Mm 対3和円近年來，由于靜止變頻器(staticfreque

20、ncyconverter)、循環換流器(cycloconverter)、感應電動機和電弧發生裝置的使用，產生了所謂次諧 波和間諧波現象，這兩類諧波也會對各種設備的 安全穩定運行很大的威脅，但目前對這方面的機理分析還不夠。文獻對感應式電動機使用壽命縮短的原因 進行了調查分析。調查的對象是額定電壓460V，L-Ri-fc.-ir C7 - N “ 11 P M- 4 MHz5? 冷出.勒4 fcAjnlif 伸*Zg額定工作頻率60HZ，四極，絕緣等級為 F,預 計使用壽命為20年的鼠籠式感應電動機。額定 容量分別為2，10，30, 100和200馬力(hp), 工作情況為在環境溫度30C，帶75

21、%額定負荷的連續運行。圖6表明了 100馬力的電動機因諧 波和電壓不平衡所造成的使用壽命減小的情況。 其中P表示正序，N表示負序。由圖可以看出， 次諧波對電動機造成的損害遠遠大于通常的3,5次諧波，當0.1次間諧波的含量僅為0.25%時，圖5計算機負荷的負荷特性電動機使用壽命將降低17%，而5次諧波含量為6%時也將會造成同樣的果。同樣還可以看出， 同次的正序和負序諧波對使用壽命造成的影響大致相同，正序諧波的影響略大于負序諧波。圖6間諧波和諧波對電動機使用壽命造成的影響理繪-s直在進行經濟分析的基礎上得出了因電壓不平衡和諧波所造成的電動機壽命縮短帶來的 經濟損失，如圖7所示。通過對全美國使用電動

22、機容量和數量的統計以及結合上述分析，得出結論是在電壓不平衡率小于2%,總諧波畸變率最高為 5%時，因電動機使用壽命縮短而給全美國帶來的經濟損失每年約為1.8億美元。在現代化的建筑中， 計算機設備，辦公設備，各種家用電器的大量使用所造成的諧波問 題越來越嚴重，因而引起了一系列安全性方面的問題。引起了供電部門， 建筑商和普通用戶高度的重視。表4是記錄到的某建筑負荷三相以及中線電流，該建筑使用1200KVA的變壓器供電。中線電流遠遠超過了三相電流。表5是由于諧波問題可能對現代化建筑造成的影響的一個匯總。囁)TFCM%)圖7電動機因電壓不平衡與諧波造成的經濟損失表4某建筑三相和中線電流以及各次諧波含量

23、1200KVA變壓器A相電流1084AB相電流1131AC相電流947A中線電流1408A奇次諧波含量%偶次諧波含量%01100021.80360.8043.00533.7062.40716.9081.2總諧波畸變率：63.6%表5現代化建筑中諧波問題可能造成的影響影響對象后果分析波形因數波形因數能夠達到5以上，造成斷路器誤動作電壓波峰使電壓波形的峰值處變平，使依賴電壓峰值工作的設備失效中線電流中線電流增大，使得中性點對地電壓升高造成共模電壓噪聲；負荷處電壓下降；中線線電抗損壞；循環電流流經變壓器升壓母線系統大量三次諧波電流流經升壓母線系統的中線電抗，引起連接處和電纜端接處振動松 脫；中線斷開

24、會使設備因過電壓而損壞供電變壓器銅耗增加；渦流損耗增加；變壓器降容量使用保護系統造成剩余型接地短路保護誤動作；保險絲不正確熔斷電纜由于“趨膚效應”和“臨近效應”必須使用更大額定值的電纜功率因數功率因數降低，必須增大供電變壓器容量計算機屏幕閃爍，損壞視力和人體健康其它安裝各種改善設備而占用建筑空間目前，諧波問題已經成為出現范圍最廣，危害非常嚴重的電能質量問題，同時在解決方面存在一定的復雜性， 因諧波問題大多是由用戶負荷所造成的，如何在處理過程中平衡各方面的投入，如何更有效地實施諧波抑制標準還沒有一個有效的方法。目前抑制諧波最常用的設備是有源電力濾波器（APF），傳統的LC濾波器也在一定范圍內發揮

25、作用。3 電壓波動與閃變波動與閃變的出現是供電系統的特性所造成的，任何負荷的改變都會引起電壓波動。波動與閃變主要是由于負荷在0.01S到數十秒的時間內重復變動，或者是由于偶然的暫態過程，如電動機啟動所造成的。 如果這類負荷容量較大將足以通過公共阻抗引起同一公共連接 點（PCC）處的電壓波動與閃變。大型煉鋼廠的電弧熔爐，大型采礦轉繞電動機，其工作具 有不確定性和重復性， 是主要的波動與閃變來源。 用戶負荷的如空調， 熱力泵等的反復啟停 也會帶來相應影響。波動與閃變的主要危害是損害人體的健康和感觀功能。因波動和閃變造成的白熾燈發光的不穩定，計算機顯示屏閃爍將對人體視力造成的影響。高保真音響在電壓波

26、動和閃變時會對人體聽覺產生損害。通常人對照明變化需要有一定的視覺暫留時間，高于或低于某一段頻率的照明變化，普通人便察覺不到。圖8為人視覺的敏感度曲線。圖8人體視覺敏感度曲線由此可知，人體能感覺到的照明燈光變化頻率在125HZ范圍內（閥值為1）,最敏感的頻率為10HZ左右。交流系統中的諧振和系統諧振與系統諧波之間的拍頻現象會引起上述 范圍內的頻率波動。如系統諧振產生的265HZ的間諧波會與系統中的 5次諧波（250HZ ）發生拍頻，從而產生 15HZ的頻率波動。電壓閃變與電壓波動有著直接的關系，但由于引起閃變的某些量值難以量化，而且它還需要對電壓波動（調幅波）頻譜分析度進行統計，因此對閃變的計算

27、遠遠比計算電壓波動要 復雜得多。到目前為止還沒有準確計算閃變的公式，對閃變造成的危害還涉及人腦和眼睛對閃變的響應特性分析。這方面還需要進行更深入的研究。三電能質量問題研究的主要領域電能質量控制是一個復雜的系統工程，主要涉及電力系統、電工理論、電力電子技術、 自動控制理論等學科，也包括電源畸變、不平衡的功率理論，電能質量的實時檢測與控制等 技術，還與國家政策和管理機制相關。1 .電能質量標準制定的研究由于電能質量問題越來越嚴重以及造成的損失越來越大，各國政府和國際化組織對電能質量問題越來越重視， 相繼制定頒布了一系列標準。 包括了從電能質量的定義， 所適用的功率理論的擴展，到電能質量評價指標體系

28、的建立，從全國性的電能質量普查，監測到用戶終端電氣環境的定義。同時對電能質量的主要擾動形式，以及解決電能質量問題的規定步驟等都做了詳細的規定。國際電工委員會（IEC），國際大電網會議（CIGER），電氣和電子工程師協會（IEEE ）等國際組織都有專門的工作組在不斷研究和完善電能質量標準。并公布了 一些研究成果。如IEC第77委員會的61000系列標準。1992年7月歐洲電工標準化委員 會（CENEL EC ）正式頒布公用配電系統供電特性 文件（CENEL EC CLC/BTTF6 8 - 6 （ sec） 15）,作為歐洲共同市場對電能質量的統一標準，并已為國際電工委員會（IEC）采用。在我國

29、，自八十年代初開始，國家技術監督局將制定國家電能質量系列標準列為重點項目，至今共制定并頒布了五個有關的系列標準，表6介紹了一些有關國標的內容。表6電能質量國家標準摘要標準編號標準名稱允許限值簡要說明GB12325 - 90供電電壓允許偏差 35kV及以上為正負偏差絕對值之和不超過10%; 10kV及以下三相供電為土 7%; 220V單相供電為+7%, - 10%。衡量點為供用電產權分界處 或電能計量點。GB12326 - 90電壓允許波動和閃變電壓波動 10kV及以下2.5%; 35 110kV 2%; 220kV及以上1.6%o閃變 V1 0 要求較高的照明0.4%（推薦值）； 一般照明負荷

30、0.6%（推薦值）o 衡量點為電網公共連接點（PCC）,取實測95%概率值； 給出閃變電壓限值和頻度 的關系曲線，可以根據電壓波 動曲線查得允許值，并給岀算 例。 對測量方法和測量儀器作 出基本規定。GB/T14549 - 93公用電網諧波各級電網諧波電壓限值（%）電壓（kV） 總畸變率奇次偶次0. 3854.02.06、1043.21.635、6632.41.211021.60.8（220kV電網參照110kV執行） 衡量點為PCC,取實測95% 概率值； 對用戶允許產生的諧波電流提供計算方法； 對測量方法和測量儀器作出基本規定; 對同次諧波隨機性合成提供算法。GB/T15543 - 95三

31、相電壓允許不平衡度 正常允許2%,短時不超過4%; 每個用戶一般不得超過 1.3%o 各級電壓要求一樣； 衡量點為 PCC,取實測95% 概率值或日累計超標不超過72min，且每30min中超標不超過5min; 對測量方法和測量儀器作 出基本規定; 提供不平衡度算法。GB/T159459 - 5電力系統 頻率允許 偏差 正常允許土 0.2Hz，根據系統容量可以 放寬到土 0.5Hz; 用戶沖擊引起的頻率變動一般不得超過土 0.2Hz o對測量儀器提岀了基本要求我國還根據IEC的相關第二，三類技術報告，于 2000年發布了五項電磁兼容性方面的標準，它們是作為標準指導性技術文件（ GB/Z ）發布

32、的。對于標準的制定方面有幾個問題值得重視： 電能質量問題調查統計及未來發展的應對措施 標準的制定應該建立在對目前問題的分析的基礎上，首先應該進行對電能質量問題造 成危害的統計調查。目前對各種電能質量問題造成的危害還沒有非常確切的統計數據，雖 然國外已經給出了部分的統計數據，但仍然很不完全，只是少部分的事例，而我國對于電 能質量問題造成的危害的統計數據基本上沒有，雖然人們憑感覺知道有的事故是因電能質 量問題引起但缺乏詳實的數據，只能憑臆測。為了獲得電能質量問題的第一手數據，需要 研究工作者與供電部門和重要的電力用戶緊密配合，加強電能質量的監測記錄和分析。其 次對電能質量可能引起的問題沒有正確的估

33、計和預測，對電能質量問題可能造成的危害沒 有正確的認識。同樣的電能質量問題，對不同性質的負荷造成的危害是不一樣的，因此研 究電能質量問題造成危害的第一步應該是研究負荷的特性及對各種電能質量問題的敏感程 度。可以根據一定的標準將不同用戶分為普通用戶，敏感負荷和要求嚴格的負荷等分別加 以研究。應該調查分析我國目前各種負荷的特性及所占比例，例如計算機負荷的性質及對 電能質量的要求及所占的比例，各種電動機負荷的性質及對電能質量的要求及所占的比例， 照明負荷的性質及對電能質量的要求與所占的比例等等。標準的制定應該具有一定的前瞻 性，這是建立在對未來負荷特性的發展正確認識的基礎上的。應該加強對我國負荷性質

34、的 變化趨勢及各種性質負荷所占比重的變化趨勢的調查統計。例如近年來開關電源負荷迅速 增加，對于開關電源負荷對電力系統電壓質量的要求及開關電源性質負荷的電流特性與電 流質量的研究還沒有獲得充分的研究。 目前標準存在的問題 目前標準的制定還是基于傳統的傅立葉分析和統計分析， 而傅立葉分析存在一些不足之 處：只適用于穩態分析， 不能適用于非穩態分析； 它是某一頻率分量一個平均意義上的量度， 由整體波形決定，對于時域波形某一特定時刻的性態是無法反映的。因此目前只是對諧波， 不平衡， 波動和閃變等進行了標準的制定， 而對于動態電能質量問題中的電壓跌落， 電壓脈 沖等都還沒有相應規定。 對次諧波（即非基波

35、整數次的諧波） 沒有明確的定義，對波形中出 現的能量很小的尖刺也沒有很好的描述。不同標準之間存在的“標準縫隙”也是一個值得關注的問題。EMC標準中給出了抗擾水平，抗擾限值， 兼容水平， 發射限制和發射水平等幾個規定值， 其目的是協調干擾發射者和 承受者之間的關系， 使其能夠兼容，各個規定值是配套使用的。因此， 不能將EMC標準直接 當作電能質量標準限值來使用。不同的標準使得在實際應用中也出現了一些問題，例如EMC標準中的 EN61000- 3系列中涵蓋了設備制造商所必須遵從的各種電磁兼容性標準，而 EN50160則描述了配電系統供電的電壓特性，因此，為滿足前者制造的設備將會受到符合后 者要求的

36、供電電能的影響。制定電能質量的標準應該兼顧到電力部門， 設備制造商和用戶三方面的利益， 權衡各方 面的投入比重， 全面考慮各方的優勢和劣勢， 研究電能質量問題終究是由電力用戶的生產需 求驅動的， 應該將用戶的衡量標準放在優先的位置進行考慮， 而目前實施的標準大多是由電 力部門從自身角度出發制定的， 在調動用戶執行標準的積極性方面考慮不夠， 今后標準的制 定應重視這一點。2電能質量指標的評價體系科學的電能指標體系至少應滿足以下要求： 能反映干擾源的位置； 電能計費系統應能考 慮電能質量因素； 指標應能隨著電能質量惡化的加劇而單調變化； 能作為明確各方責任的科 學依據；指標應實用且準確。電能質量指

37、標評價體系可以分為如下幾個部分：技術性指標 ：它是在分析研究對象特征的基礎上提出來的評價指標。 通常使用的幾種定 量評價指標有總諧波畸變率，功率因素， 不平衡率等。但當波形為非周期信號，頻率為分數 次諧波頻率時， 這些指標就有不協調的地方， 這涉及到畸變和不平衡狀態下的功率定義和處 理問題， 目前在這方面提出了不少的功率成份定義方法， 比較有影響的是赤木泰文等人提出 來的瞬時無功功率理論， 它解決了諧波和無功功率的瞬時檢測和不用儲能元件實現諧波和無 功補償等問題， 但其物理意義比較模糊， 與傳統理論關系不明確。 總的看來目前的各種定義 方法在數學表達， 物理意義和實際應用方面各有所長， 但距理

38、論和實踐上統一， 能為電力部 門，設備制造商和用戶廣泛接受還有相當差距。針對電壓下陷，電壓沖擊等現象， 有文獻提 出用諸如陷落深度，陷落面積，上升率，相位移，能量強度等進行描述，但這些都還只是上 述現象的特征和屬性， 還無法作為質量指標直接應用。 另外， 對不同的供用電地點和不同的 供用電時刻， 電能質量的指標往往是不同的， 也即電能質量指標在空間和時間上都處于動態 過程中， 因此電能質量指標易用概率統計結果來衡量， 并且需指明監測點， 這些都給制定電 能質量的技術性指標評價體系帶來很大的復雜性。經濟性指標 ：經濟性指標主要用于評估電能質量問題可能帶來的經濟方面的損失， 以及 采用各種改進電能

39、質量的措施帶來的經濟效益， 從而為經濟方面采用最合理的措施提供評價 標準。 進行經濟性評估要涉及到相當復雜的經濟學知識， 它與受到影響的設備， 生產類型相 關，還與當前市場因素，利率，通貨膨脹等因素相關，因此只能進行一定程度的估計。服務性指標 ：它反映電力部門開展需求側管理的狀況，電力需求側管理（ DSM ）是 80 年代以來西方國家電力公司倡導和推行的一項節電環保系統工程， 后來被廣泛采用。 其含義 是：電力供應方通過對市場調查和進行技術經濟評價而采取的各種激勵及誘導措施， 指導和 鼓勵用戶采取高效用電技術以提高效率， 調整用電方式， 在保持用電服務的前提下， 有效地 減少電力和電量消耗，促

40、進電力合理利用與效率的提高， 減少大氣污染，保護環境，并節省 用電開支。從用戶角度看， DSM 相當于電能商品的一種售后服務，電力供應部門通過 DSM 向用戶介紹、 推薦使用節能設備， 引導用戶改變用電方式， 使用戶在不損失用電服務的前提 下節省了電費， 這是用戶歡迎的， 因而將 DSM 做為電能質量的服務性指標來考核是合理的。3電能質量的監測進行電能質量監測的目的主要有為問題分析提供數據； 保證標準或合約得到執行； 確定 預防性措施以及建立預防性基準等。對電能質量進行檢測是獲得電能質量信息的直接途徑， 但該問題存在以下難點： 持續 時間短， 如一些動態電能質量問題持續時間只有幾個毫秒； 干擾

41、發生的隨機性強， 如雷擊、 系統故障、一些非線性負荷的投切等；電壓、電流波形均發生畸變；需要實時監測，因 為敏感負荷、引起電能質量惡化的負荷數量、種類都越來越多。傳統的檢測技術是建立在有效值理論的基礎上，采用的是傅立葉變換或加窗變換技術。 而一些動態電能質量問題如電壓沖擊， 其畸變部分的能量強度可能很小， 整個檢測周期中波 形的有效值可能在符合要求的范圍內， 傳統方法無法正確進行檢測。 同時檢測信號的任何突 變，其頻譜將散布于整個頻域，傳統方法無法提取對象的特征。近年來， 以專家系統， 人工神經網絡， 模糊邏輯和遺傳算法為代表的人工智能技術和小 波變換技術正在電能質量監測方面得到越來越廣泛的應

42、用。 例如， 從記錄數據中進行電能質 量擾動類型的辨識，進行檢測數據的壓縮與預處理，開發電能質量問題的自動處理過程， 自動故障分析與定位，進行電能質量相關人員的培訓等等。值得注意的是， 它們各自的領域內都有不少針對各自缺陷的改進技術， 特別是幾種智能 技術之間的融合正成為趨勢， 例如， 模糊邏輯與神經網絡技術協作系統， 基于模糊邏輯的專 家系統等等。 人工智能技術還可以應用到電能質量研究的其它方面， 應該時刻關注這方面新 技術的進展。硬件技術的進步促進了電能質量的監測技術的發展。目前 A/D 轉換器的采樣頻率可達 1280 點/ 周期，數據位數可達 20 位，可以滿足采樣速率和精度的要求。海量

43、硬盤以及各種 數據庫技術使得數據存儲不存在困難。高達 400Mb/s 的通訊速率也能滿足數據傳送的要求， 利用GPS的精確定時功能能夠實現數據采集的同時性。4電能質量的分析與計算進行分析計算是電能質量問題研究中的核心部分。 包括了分析諧波在網絡中的傳播， 進 行諧波源定位， 分析各種擾動源引起的波形畸變情況， 分析各種電能質量改善裝置的作用等， 它為解決電能質量問題提供了事實依據和理論基礎。以下幾個方面是值得重點研究的內容： 小波變換技術的應用傳統的信號分析方法有傅立葉變換，它具有正交，完備等許多優點，而且有象FFT這樣的快速算法，已經在電能質量分析領域得到廣泛應用，但在運用FFT 時，要滿足

44、兩個條件：滿足采樣定理的要求， 采樣頻率必須高于所要考慮的最高次信號頻率的兩倍； 被分析的波形 必須是穩態的， 隨時間周期變換的， 因此只適用于穩態分析， 不能適用于非穩態分析； 對于 時域波形某一特定時刻的性態是無法反映的。 還有一種加窗的短時傅立葉變換方法 （STFT）， 但其時頻窗口是固定不變的， 只適合于分析特征尺度大致相同的過程， 對于多尺度過程和突 變過程則無能為力。小波變換由于具有時頻局部化的特點，克服了上述FFT和STFT的缺點，特別適合于突變信號和不平穩信號的分析。 小波變換作為一種新的數字技術被引入工程界后， 已在圖象處 理、數據壓縮和信號分析等領域得到廣泛應用。 由于小波

45、函數本身衰減很快， 也屬一種暫態 波形，將其用于電能質量分析領域，尤其是動態過程分析領域將具有 FFT STFT所無法比擬 的優點。 近年來， 小波變換方法已經在電能質量評估、 電磁暫態波形分析和電力系統擾動建 模等電能質量問題研究領域得到應用。常用的小波基函數有：Daubechies小波、B-樣條小波、Morlet小波；常用的算法有 Mallat在多分辨分析（MRA基礎上提出的塔式快速小波算法一 Mallat 算法。目前，小波變換方法在電能質量研究領域的應用還處于起步階段，隨著小波 變換技術的進一步發展和性能更好的小波基函數的出現， 小波變換技術必將在電能質量研究 中得到更廣泛的應用。 元件

46、模型的建立建立元件在電能質量擾動情況下的模型是非常復雜的過程，系統元件在不同的電能質量擾動形式下有不同的響應特性， 因此有不同的元件模型， 系統元件主要包括架空線， 地下電 纜，變壓器，旋轉機械，電力電子設備，集體負荷以及外部系統等。這其中需要重點研究的 是各種電力電子設備的模型，既要考慮它在出現各種電能質量擾動時表現出來的負荷特性， 也要考慮其非線性特性而作為擾動源的特性。以電力電子裝置中最常用的前端部分整流器為例， 通常考慮的是其諧波特性。 建立模型 時考慮的因素有觸發角， 換相重疊角， 輸出電流波形， 儲能元件以及負載特性以及多個整流 器同時工作等等。 根據需要可建立各種不同的模型。 例

47、如， 不考慮系統電壓畸變情況下的電 流源模型，考慮直流電流含有諧波時的變壓器模型，不考慮出現間諧波時的諧波域模型等。 時域仿真軟件的使用利用仿真程序可以節省研究成本， 加快對各種解決方案作用的分析。 仿真軟件在電能質 量問題尤其是各種暫態現象的分析中越來越大的作用。 目前較通用的時域仿真程序可以分為 兩類：系統暫態仿真程序 EMTP 、 HARMFLO 、 NETOMAC 等和電力電子仿真程序 SPICE、PSPICE、 SABER 等兩大類。系統暫態仿真程序的核心的算法有常規諧波潮流計算， 系統導納矩陣法和混和諧波潮流 計算方法。 其具體應用包括有分析電容器投切造成的暫態現象； 分析可控換流

48、器換流造成的 電壓波形下陷；分析電弧爐造成的電壓閃變；分析不正常接地引起的電能質量問題等等；電力電子仿真程序則是利用各種建立好的電力電子器件模型進行整個裝置運行狀態的 模擬分析。 器件模型庫是其最核心的部分， 同時還提供有根據需要由用戶自行建立模型的功 能。其具有應用包括分析各種電力電子裝置的內部運行狀態， 分析各種控制策略的效果， 進 行器件失效分析等等。這些將是仿真程序在電能質量分析中最有發展前途的領域。四 DFACTS 技術在解決電能質量問題方面的新進展作為 FACTS （柔性交流輸電系統）技術在配電系統應用的延伸DFACTS 技術（又稱Customer Power 技術） 已成為改善電

49、能質量尤其是解決動態電能質量問題的有力工具。 目前 主要的 DFACTS 裝置有：有源濾波器（ APF ），動態電壓恢復器（ DVR ），配電系統用靜止 無功補償器（D_STATCOM ）,固態斷路器（SSTS）等。1 新型電力電子器件的開發與應用是DFACTS 技術發展的重要保證目前 DFACTS 技術采用的核心器件 IGBT 的開發與應用已經進入成熟穩定的階段， IGBT 比 GTO 具有更快的開關頻率，具有更快的響應特性，驅動簡單，輸出特性飽和壓降 小，并且關斷容量已達 MVA 級。同時 ABB 公司為解決高壓大容量應用方面的各種難點， 開發了一種新型的功率開關器件 GCT（ 集成門極換

50、相晶閘管 ），在 4硅片上已經做出 3KA/6KA （帶/不帶吸收電路） ，耐額定電壓高達 6KV 的器件， 其最高開關頻率高于 25KHZ ， 脈寬僅受累積功耗的限制。引入了緩沖層的結構， 通態壓降低，關斷損耗小。門控單元功率 半導體化（ IGCT ）降低了系統的開發成本，縮短了新產品的開發周期，被認為是應用于高 電壓特大功率的最理想器件。清華大學柔性交流輸電研究所（以下簡稱清華柔輸所）時刻關注電力電子器件方面的最 新研究成果， 在相關系統開發中積極應用新型的功率開關器件。 目前正在進行 IGCT 應用實 驗研究工作，已完成了 IGCT 開關工作特性測試， IGCT 串聯應用特性測試等大量相

51、關基礎 性研究，取得了大量重要的實驗數據，為將來 IGCT 的進入實際應用階段打下了堅實基礎。2先進控制手段與器件的應用提高了DFACTS 裝置的應用范圍與解決能力傳統的電能質量改善裝置多采用相控方式進行逆變橋的控制策略，輸出波形脈動大，諧 波含量高， 不得不采用諸如輸出變壓器多重化聯結等解決方法， 相應增加了系統成本， 引起 了變壓器飽和等問題。 而PWM （脈寬調制）控制技術在實用化方面的突破解決了上述問題。 它使得輸出電壓的諧波含量極大地減少， 特別是可以減小和消除某些較低次數的諧波， 可以 實現快速的電壓和電流控制， 只受到開關器件工作頻率的限制。 目前應用較多的 PWM 控制 方式有

52、SPWM （正弦脈寬調制），特定諧波消去PWM，以諧波損耗最小為目標的優化PWM等。目前出現了一種基于變換的空間矢量控制技術在理論上也逐步成熟，開始應用于實際控制。數字信號處理器（DSP ）的運算功能越來越強大，其運算速度MAC （次乘法和一次加法）時間已經從 400NS降低到10NS以下，有的DSP芯片還有適用于 FFT，數字濾波， 卷積等特殊設計，完全能夠滿足各種 DFACTS 設備復雜控制策略的運算速度要求。現場可 編程邏輯器件（FPGA）的出現解決了傳統裝置中觸發脈沖精度不高，系統適應性差的弱點。采用 FPGA 芯片替代某些單片機構成的觸發脈沖發生系統，在 5KHZ 的開關頻率下可以將

53、 觸發脈沖精度從0.15提高到0.018,同時通過在系統編程（ISP）技術，可以將不同控制 目標的脈沖發生程序現場寫入芯片， 在不改動任何硬件結構的情況下， 使同一控制系統能使 用于不同的 DFACTS 裝置,大大節省了開發成本與開發周期。3 積極開發各種裝置解決電能質量問題靜止同步補償器（STATCOM ）目前我國常用的無功調節設備為機械式并聯電抗器、投切電容器，這些靜止型調壓手段，因調節不連續、響應速度慢，很難滿足系統運行方式快速變化時的需求。而另一種調壓裝置SVC,響應速度很快，但由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時，無法提供所需的無功支持， 因此應付突發事件的能力較弱，并且為了消除裝置所產

54、生的諧波，必須裝設濾波器，占地面積較大，此外，過多的 SVC裝置容易引發系統振蕩。相比之下，STATCOM則是較為有效的調壓手段，它的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內恒定，在電壓低時仍能提供較強的無功支撐，并且可在從感性到容性全范圍內連續調節，使得其無功輸出相當于同容量SVC的1.42.0倍，據專家估計，當容量超過 lOOMvar時，STATCOM的性價比與SVC相當。另 外因STATCOM的靈活調壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數，從而減少分接頭 故障次數。除了具有上述諸多優點之外，STATCOM還可以抑制電壓閃變和波動，提高系統暫穩水平，并且其可靠性已得到很大提高。清華柔輸所和河南

55、省電力局聯合研制的我國最大的20MVAR靜止無功發生器已于 99年 3月在洛陽朝陽變電站投入試運行，并安全運行至今。該裝置在提高河南省西部向東部輸電的暫穩極限，提高華中電網電壓穩定方面發揮了重要作用。該裝置的結構原理圖如圖 9所示。限洗電我器VS圖9 200MVAR靜止無功發生器結構原理圖圖10是該裝置的動態響應特性，其響應時間小于30ms。圖10 20MVAR靜止無功發生器動態響應特性該裝置是我國第一個獨立研發，具有完全自主知識產權的大容量實用化STATCOM。它的出現填補了國內該領域研究的空白，也使我國在STATCOM的研發和應用方面躋身世界先進行列。根據研究表明，目前我國電網普遍存在電壓穩定性差，長距離輸電受暫態穩定極限的限制無法提高輸電容量的弱點，隨著西電東送政策的實施，三峽水電站發電機組的逐步投產發電，這方面的問題將會越來越突出，系統發生穩定性破