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電能質量控制技術交流

第一節：電能質量基礎電能質量的現狀電能質量問題可分為電壓質量和電流質量兩個方面：電壓質量問題指會影響用戶設備正常運行的不理想的系統電壓，包括電壓的閃變(Flick)、瞬時過電壓(Swell)、諧波畸變(Harmonics)、各相電壓不平衡(Unbalance)等情況；電流質量問題指電力電子設備等非線性負荷給電網帶來的電流畸變，包括流入電網的諧波電流，以及無功、不平衡負荷電流、低頻負荷變化造成的電流閃變等。目前電能質量問題主要由負荷方面引起。例如沖擊性無功負載會使電網電壓產生劇烈波動，降低供電質量。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，使絕緣老化，壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波還會引起電力系統局部發生并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量被放大，致使電容器等設備損壞。電能質量的主要問題電能質量的定義

合格的電能質量是指：提供給敏感設備的電力和設置的接地系統均適合于該設備正常工作；造成用電設備故障或誤動作的任何電力問題都是電能質量問題，其表現為電壓、電流或頻率的偏差；電能質量就是電壓質量，合格的電能質量應當是恒定頻率和恒定幅值的正弦波形電壓與連續供電。據統計，一次電能質量的不穩定擾動（電壓驟降低壓90％，持續時間超過35ms），可能造成半導體芯片工廠約100萬美元的損失。電壓驟降對電能質量敏感企業,如含自動化生產線企業,芯片生產廠的影響較為嚴重.一般來說,較敏感的可編程控制器,在電壓低于10％時,只能持續工作300ms；芯片測試儀,在電壓低于85％時,測試儀停止工作，芯片主板燒毀;工業機器人在電壓低于90％時,持續時間超過60ms時將跳閘。由于電壓質量不可靠，投資商搬家的現象在國內已屢見不鮮。因此供電企業和用戶必須高度重視電能質量，及時監測、分析和改善電能質量。電能質量問題的分類按照變化的連續性和事件的突發性分類：1.變化型：指連續出現的電能質量擾動現象。表現為電壓、電流的幅值、頻率、相位差等在時間軸上的任一時刻總是在發生小的變化。如：電壓幅值變化、頻率變化、電壓與電流間的相位變化、電壓不平衡、電壓波動、諧波電壓和電流畸變、電壓陷波、主網載波信號干擾等。質量評估通常采用概率統計方法來處理。電能質量問題的分類2.事件型：指突然發生的電能質量擾動現象。表現為電壓或電流短時嚴重偏離其額定值或理想波形。如：電壓暫降、電壓短時間中斷、欠電壓、瞬態過電壓、階梯型電壓變化、相位跳變等。評估時通常采用其特征量如幅值偏離了多少、事件持續時間長短以及發生的頻率來描述。用概率論和數理統計以及可靠性計算來處理。電能質量的主要問題

——短時電壓波動(<1min)電壓暫升指工頻條件下電壓均方根值上升到110%~180%之間，持續時間為10ms~1min的短時間電壓變動現象。原因：單相對地故障會引起非故障相的電壓短時上升、大容量甩負荷、大容量電容器組投入等。可以用暫升幅度大小和持續時間來描述此現象。電能質量的主要問題

——長時電壓波動（>1min）過電壓工頻下電壓均方根值超出額定值的10%，持續時間>1min的電壓波動現象。欠電壓工頻下電壓均方根值小于額定值的９0%，持續時間>1min的電壓波動現象。持續中斷指供電電壓迅速下降為０，持續時間>1min的現象。電能質量的主要問題

——電壓不平衡電壓不平衡定義為一相電壓（流）與三相電壓（流）平均值的最大偏差，用該偏差與平均值的百分比表示。（也可以用負序或零序分量與正序分量的百分比表示）原因：三相之間負荷不平衡電能質量的主要問題

——波形畸變波形畸變指電壓或電流波形偏離工頻正弦波形的現象。一般用偏離頻譜描述其特征。５種類型：

直流偏移、諧波、間諧波、陷波、噪聲。電能質量的主要問題

——波形畸變直流偏離交流系統中出現直流電壓或電流的現象。原因：地磁干擾或半波整流。危害：會使交流變壓器偏磁，發生磁飽和，引起變壓器鐵芯附加發熱，縮短壽命。會引起接地極與其他電氣連接設備的電解腐蝕。電能質量的主要問題

——波形畸變諧波把含有供電系統運行設計頻率（工頻）整數倍頻率的電壓或電流定義為諧波。電力系統中的非線性負荷是造成波形畸變的源頭。可以用各次諧波分量的幅值和相角來表示。也可以用總諧波畸變率（THD）來度量。電能質量的主要問題

——波形畸變間諧波把含有供電系統運行設計頻率（工頻）非整數倍頻率的電壓或電流定義為間諧波。表現為離散頻譜或寬帶頻譜。間諧波源：靜止頻率變流器、循環換流器、感應電機和電弧設備等。電能質量的主要問題

——波形畸變陷波電力電子裝置正常工作時，交流輸入電流從一相切換到另一相時產生的周期性電壓擾動。可以用電壓頻譜來表述，但由于陷波的相關頻率相當高，很難用習慣的測量手段來反映其特征，多數情況下按特殊情況處理。陷波的大小與系統阻抗密切相關電能質量的主要問題

——波形畸變噪聲指帶有<200kHz寬帶頻譜，混疊在電力系統的相線、中性線或信號線中的有害干擾信號。原因：電力電子裝置、控制器、電弧設備、整流負載以及供電電源的投切等都會產生噪聲。由于接地線配置不當，未能將噪聲抑制。危害：對電子設備如微機、PLC等正常工作造成危害。抑制：用濾波器、隔離變壓器和電力線調節器等減緩其影響。電能質量的主要問題

——電壓波動電壓波動指電壓包絡線有規則的變化或一系列隨機電壓波動。（但通常其幅值并未超出規定的90%~110%額定）負荷電流的大小呈現快速變化時，可能會引起電壓閃變。一般用其均方根值來描述。電能質量的主要問題

——頻率變化頻率變化：電力系統基波頻率偏離規定正常值的現象。原因：負荷與發電機間出現動態平衡變化。頻率變化大小與持續時間：取決于負荷特性和發電控制系統對負荷變化的響應時間。頻率變化現象如何引起？輸配電系統的大面積故障（大面積甩負荷、大容量發電設備脫機）電能質量問題的危害與影響1/3電壓偏差過大的危害用電設備運行性能惡化，運行效率降低，引起過電壓（流）而損壞；運行電壓偏低時，輸電線路的功率極限大幅度降低，產生頻率不穩定現象，導致頻率崩潰和低電壓解列；運行電壓過高時，絕緣受損、帶鐵芯設備磁化飽和（產生諧波），引發鐵磁諧振，系統附加損耗加大，同時超高壓電網的電暈損耗加大，供電成本增加。電能質量問題的危害與影響2/3電壓波動與閃變的危害引起照明閃爍，使人易視覺疲勞，降低工作效率和生活質量；電動機轉速不穩定影響產品質量和設備安全運行；電視機亮度頻繁變化以及水平和垂直幅度擺動；影響檢測設備正確測試（光電比色儀）；電子儀器和設備、計算機系統、自動化生產線、辦公自動化設備工作不正常；使以電壓相位角為控制指令的控制系統功能紊亂（換相失敗）。產生諧波，帶來負序分量，影響三相平衡。電能質量問題的危害與影響3/3諧波（主要表現在對電力與通訊信號的干擾）電力方面：旋轉電機等設備的附加諧波損耗增加與發熱，縮短使用壽命；諧振過電壓造成電氣元件及設備的故障與損壞；電能計量錯誤。信號干擾方面：對通訊系統產生電磁干擾，使電信質量下降；影響自動控制，保護裝置不正確動作；危害功率處理器自身的安全運行。第二節電能質量控制技術６.1電能質量控制技術的分類1/3穩態電能質量問題穩態過電壓、欠電壓和電壓波動閃變三相不對稱諧波缺口暫態電能質量問題電壓幅值凹陷、凸升短時中斷暫態脈沖、暫態振蕩源頭確定時間持續源頭不明時間不定源頭附近就地補償重點用戶單獨保護設置于系統統一補償6.1電能質量控制技術的分類2/3電能質量控制技術輸電系統柔性交流輸電（FACTS)采用高壓直流輸電技術進行電網互聯配電系統用戶電力技術（CustomPower）用戶端用戶設備改造各種補償裝置6.1電能質量控制技術的分類3/3用戶端電能質量控制技術無功功率補償穩定電壓。補償無功。抑制電壓波動和閃變。諧波抑制解決電壓、電流波形畸變問題。動態電壓恢復補償短時電壓跌落。儲能裝置削峰填谷，平衡有功，穩定頻率。6.2電力電子技術與電力系統、電能質量控制的關系1/4

電力電子技術的飛速發展使得在電力系統中實現響應快速的控制元件，或者在電力系統中實現響應快速、功率適宜、能產生任意波形的受控電源成為可能。電力電子技術在電力系統中應用用電配電發電輸電電能質量控制6.2電力電子技術與電力系統、電能質量控制的關系2/4可解決的問題穩態過電壓、欠電壓電壓波動閃變三相不對稱晶閘管投切電容器（TSC）晶閘管控制電抗器（TCR）TCR+TSC靜止無功發生器（SVG，ASVC，STATCOM）無功功率補償裝置6.2電力電子技術與電力系統、電能質量控制的關系3/4可解決的問題諧波(缺口)穩態過電壓、欠電壓(電壓波動)閃變三相不對稱有源電力濾波器（APF）6.2電力電子技術與電力系統、電能質量控制的關系4/4可解決的問題電壓幅度凹陷電壓幅度凸升(短時中斷)動態電壓恢復器（DVR）電能質量控制（1/17）電能質量控制措施解決矛盾的兩個方面提高發電、輸電、配電系統的電能質量。提高用戶終端設備容許干擾的能力。提高電能質量，應該是用戶、電力部門、電氣設備制造商三方面共同的責任。電能質量控制（2/17）電能質量控制技術輸電系統柔性交流輸電（FACTS)采用高壓直流輸電技術進行電網互聯配電系統用戶電力技術（CustomPower）用戶端用戶設備改造各種補償裝置電能質量控制（3/17）電力系統中的有功功率與無功功率電力系統中有功功率與頻率的關系：有功功率平衡時：電力系統內所有電源輸出的有功功率=所有負荷消耗的有功功率+輸配電網損耗的有功功率有功功率不平衡時：如有功功率電源不足或負荷增大，會引起頻率下降，反之頻率會升高電能質量控制（5/17）用戶端電能質量控制技術無功功率補償穩定電壓抑制電壓波動和閃變諧波抑制解決電壓、電流波形畸變問題動態電壓恢復補償短時電壓跌落儲能裝置削峰填谷，平衡有功，穩定頻率電能質量控制（6/17）無功功率補償同步調相機并聯電容器靜止無功補償裝置(SVC)晶閘管控制電抗器(TCR)晶閘管投切電容器(TSC)飽和電抗器靜止無功發生器(SVG)電能質量控制（7/17）并聯電容器提供固定容量的超前無功補償電能質量控制（8/17）晶閘管控制電抗器通常與固定電容器配合。電容器提供超前的無功。TCR提供滯后的無功，大小連續可調。總體上既可提供超前的無功，也可提供滯后的無功。可連續動態調節。電能質量控制（9/17）晶閘管投切電容器提供超前的無功。動態投切補償。分級調節補償。電能質量控制（10/17）靜止無功發生器調節逆變器交流側輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側電流。可使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流。動態補償。連續可調。電能質量控制（11/17）諧波抑制LC無源濾波器單調諧濾波器高通濾波器雙調諧濾波器有源電力濾波器并聯型串聯型與無源濾波器混合統一電能質量調節器——并聯型和串聯型混合電能質量控制（12/17）LC無源濾波器單調諧濾波器高通濾波器雙調諧濾波器

單調諧濾波器對某一頻率的諧波呈現低阻抗，與電網阻抗形成分流的關系，使大部分該頻率的諧波流入濾波器。電能質量控制（13/17）有源電力濾波器——并聯型電能質量控制（14/17）有源電力濾波器——串聯型通常用于補償電壓型的諧波源。可等效為一個諧波電壓源。解決電壓波形問題電能質量控制（15/17）混合型——有源濾波器和無源濾波器混合電能質量控制（16/17）統一電能質量調節器并聯型有源濾波器和串聯型有源濾波器的組合。同時解決電壓、電流的波形問題。電能質量控制（17/17）動態電壓恢復器(DVR)補償電壓跌落。需要提供一定的有功功率。第三節電力電子與電能質量1.1電力電子與電能質量1.2兩大分支1.3與相關學科