第一讲 电能质量及其控制 四川大学电气信息学院 智能电网四川省重点实验室 肖先勇 教授 电能质量与电磁环境学省重点实验室
个人简介 1968年 10月生于四川宜宾，男，教授； 1986年 9月—— 1990年 7月，就读于成都科大学电力系并留校 作至今； 作以后，先后在职攻读硕士、博士学位； IEEE会员； 四川省电机 程学会理事； 四川省电 技术学会理事； 四川省电机 程学会学术 作委员会委员兼秘书长； 四川省电机 程学会川大分会副主任委员； 四川省电 技术学会电力电子专业委员会秘书长； 智能电网四川省重点实验室常务副主任； 四川大学电能质量与电磁环境学省级重点实验室常务副主任； 四川大学电气信息学院院长助理。
主要成果 1、承担和参加国家自然科学基金项目 4项、省部级项目６项； 2、承担和参加企业委托科研项目 100多项； 3、在IEEE Transactions on Power Delivery、International Journal of Electrical Power and Energy Systems等SCI检索刊物上以第一或通信作 者发表论文4篇； 4、在《中国电机电机 程学报》上一第一或通信作者身份发表论文10篇； 5、在《电网技术》等其他国内EI核心期刊和国际EI检索学术会议上发表论 文60余篇； 6、出版普通高校“十五规划”教材 2部；国家级“十一五规划”教材 1部； 7、翻译出版《智能电网促进节能与需求响应》译著 1部。
本讲提纲 1 电能质量的基本概念 2 系统中电能质量实例 3 电能质量的预防维护 4 问与答
您遇到过以下问题吗？ 停电 大量电力干扰信号 白炽灯闪烁 精密仪器受损 设备停运
1. 1 什么是电能质量 v 电能质量是指优质供电，合格电能质量的概念 是指提供给敏感设备的电力和相应的接地系统 是适合该设备正常 作的。 v 电能质量 = 频率 + 供电质量 v 供电质量 = 供电可靠性 + 电压质量 v 电能质量问题又以各种稳态的或暂态的电磁现 象表现出来，根据电磁现象的持续时间，电压 幅值变化和典型频谱分量。
1. 1 什么是电能质量 v 将电压质量作为评估电能质量的一个重要指标， 围绕电压幅值、持续变化时间、频谱分量来评 估。
1. 1 什么是电能质量 v 电能质量的IEEE定义： v 导致用电设备故障或不能正常 作的电压、电 流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏 差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相 不平衡以及电压波动、闪变等。 v 可见电能质量的概念非常广泛，对电能质量的 认识正在进一步加深。
1. 2 对电能质量认识过程 v 80年代以来，电力电子装置的整流器及变频装 置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负 荷的迅速发展。 v 针对一些典型的 业用户通过安装无源滤波器、 SVC（Static Var Compensator，静止无功补 偿器）等装置，进行谐波甚至谐波、电压波动、 三相不平衡及功率因数的综合治理与补偿。
1. 2 对电能质量认识过程 v 90年代以来，计算机、信息技术迅速发展，对 电能质量的要求越来越高。 v 电压凹陷（Sag、Dip）问题已经成为当前电能 质量中最突出的问题。 相关行业发生单次暂 降造成的经济损失数 量级图
1. 3 改善电能质量的意义 v 必须重视电能质量的几个原因： 1、计算机系统的控制设备和电子装置等对电 能质量非常敏感； 2、负荷结构的变化使半导体、晶闸管、变频 调整、电弧炉、铁路电气化、家用电器等非 线性用电设备或装置增多； 3、在电力市场运营模式下，电力企业销售的 不仅是电力本身，而且包括电能质量和相关 的附加服务。
1. 3 改善电能质量的意义 v 电能质量关系到国民经济的总体效益。 v 从技术角度讲，提供优质电能质量是由供用电 双方共同保证的。 v 提高电能质量是实现电力可持续发展的重要基 础。 v 提高电能质量有许多 作要做。
授课提纲 1 电能质量的基本概念 2 系统中电能质量实例 3 电能质量的预防维护 4 问与答
案例1 1、2011年 2月24日, 甘肃中电酒泉风电公司桥西第一风电场 35 B 开关间隔C相电缆头故障绝缘击穿，造成三相短路，导致包 括桥西第一风电场在内的10座风电场中 274台风电机组因无 低压穿越能力在系统电压暂降时脱网。风机脱网后，风电场 无功补偿装置不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅 速升高，引起 300台风电机组电压保护动作。事故过程中还 有24台风机因频率越限保护动作。本次事故脱网风电机组 598台，损失出力 840. 43 MW，占事故前酒泉地区风电出力 的54. 4％，造成西北电网主网频率由事故前的50. 034 Hz降至 最低49. 854 Hz。
事件的产生与危害 阶段 1 有功 不足 阶段 2 频率 偏差 阶段 3 系统 崩溃
安全注意事项 1、电气设备及其连接部件隐患的排查治理； 2、并网运行风电场应满足接入系统的技术规定，风电机 组必须具备低电压穿越能力，不具备低电压穿越能力的 要尽快制定切实可行的低电压穿越能力改造计划； 3、无功容量配置和参数整定应满足系统电压调节需要； 4、开展涉网保护定值（电压、频率保护）的核查和备案 作，指导风电场按电网要求进行涉网保护定值整定。
频率偏差的理论知识 Ø 频率的含义：交流电在 1 s内正弦参量交变的次数， 单位为赫兹（Hz）。 Ø 当系统在受到某种原因的干扰而失去均衡的过程 中，频率的有效性便难以维系。 Ø 交流电的频率是和发电机转速直接对应的电频率： f=pn/60 Ø 式中 p——发电机极对数 Ø n——机组每分钟转数
频率偏差的理论知识 v 电力系统的标称频率 v 交流电力系统的标称频率有50 Hz和60 Hz两种。 我国采用 50 Hz。50 Hz和60 Hz频率的系统若要 并联运行，需通过背靠背直流换流站或变频机 组转换频率。 v 发电机组和用电设备铭牌上均有标称频率，即 标明该设备应在该频率的电力系统中使用。
系统频率&机组频率&负荷频率 v 电力系统稳定运行时，全系统频率相同。实际系统每 时每刻都在变动，实际上“系统频率”是指与该系统中 起着关键作用的大容量机组的转速相对应的电频率。 v 在系统动态过程中，机组频率取决于自身原动机能量 输入和其他机组同步力矩对它的牵制及负荷的分布。 和其他节点的频率差异，在系统失步过程中尤为明显， 危害也很大。 v 负荷节点频率实际上取决于系统内各电源等值电动势 相对运动，传递到该节点的电压向量在时间轴上的运 动轨迹。
频率偏差对电力系统的影响 v 电力系统低频率运行的影响 v 1）对发电厂的影响 v 蒸汽驱使的火电厂锅炉给力泵出力随转速减低而减小，发 电机出力下降。 v 一般燃气轮机组运行在额定转速附近，总是出力的减低近 似地与速度减低成正比——低频率运行导致效率下降。 v 对于核燃料汽轮发电机组，允许运行频率在较宽的范围内 变动，有较强的承受低频率的能力 v 但对于水电厂而言，在电力系统及其负荷容许的低频率运 行范围内，不受限制。
频率偏差对电力系统的影响 v 电力系统低频率运行的影响 v 2）对负荷的影响 v 电力系统中大量的负荷是由电动机驱使的，计及负荷 阻力特性后，供电频率对电动机（同步和异步）的影 响，才是对负荷实际影响。 v 到本世纪 70~80年代，电动机调速的根本性变革，eg： 通过快递检测电流实现PWM控制的变频技术，以及具 有很强抗干扰能力的变结构控制系统等。基本上消除 电动机转速受电源频率偏离的影响。
频率偏差对电力系统的影响 v 电力系统低频率运行的影响 v 3）对输配电系统的影响 v 变压器：若频率偏离标准值，变压器的铁芯损耗、漏 磁通和噪声的影响，与相反方向的电压偏离导致的影 响类似。 v 配电变压器的激磁电流随运行频率的下降而非线性增 加，在地区内无功补偿不足或调压措施不完善时，导 致地区电压下降。 v 电容器：运行频率下降时，电容器的无功出力和额定 电流将直接按频率的降低成比例地下降。
频率偏差对电力系统的影响 v 电力系统低频率运行的影响 v 3）对输配电系统的影响 v 线路串联补偿用电容器：若运行频率下降，则线路感 抗随之下降的同时，增大了电容器的容抗，导致线路 补偿度的增加，使线路传输能力得到提高。 v 无功补偿用并联电抗器：其感抗随频率的降低而线性 地下降，同时导致无功电流的增加。
电力系统频率的控制方法 v 频率瞬时偏差的调整 v 当系统中负荷发生微小变化时，发电机组调整器可自 动调节，利用发动机组调速器有差特性调频，称为“一 次调节”。 v 当电力系统负荷有较大和较长时间变化，改变调速器 的 作点增减发电机组出力以保持系统频率，称为“二 次调整”，又可经运行人员手动操作或依靠自动装置完 成，称为手动调频和自动调频。
电力系统频率异常的控制 v 在电力系统中一般采取下列措施，防止频率的异常： 1、系统保有负荷备用和事故备用容量；电力供应不足时， 必须事先限制一部分用户负荷，除使发电出力与负荷平 衡外，留有裕度。 2、调度所或变电所直接控制用户负荷装置，并备有事故拉 闸序列表。 3、系统内安装按频率降低自动减负荷装置和可能被解列而 功率过剩的地区装设按频率升高切除发电机等装置。
案例2 v 在家里出现白炽灯一直闪烁的时候
闪变觉察和瞬时闪变视觉度 Ø 电压波动对计算机和控制设备不需要特别关心， 因为其容量小并且能够在相对耗资不大的条件下 加设抗干扰设施。 Ø 日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感度远远 低于白炽灯，而几乎所有建筑的照明都装有大量 的白炽灯，如果电压波动的大小不足以引起白炽 灯闪变（Flick），则可以肯定不会使电视机和日 光灯等 况异常。因此，白炽灯的 况可以作为 判断电压波动值是否可以接受的依据。
闪变的主要决定因素 Ø 供电电压波动的幅值、频率和波形； Ø 照明装置，以白炽灯的照度波动影响最大，而且与 白炽灯的瓦数和额定电压等有关； Ø 人对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需要 观察者的闪变视觉感作抽样调查。
电压波动和闪变的发生和危害 v 电压波动一般由波动负荷所引起的，主要波动性负荷有： 1、炼钢电弧炉； 2、电动机频繁启动的负荷，如轧钢机和绞车 3、间歇通电的负荷，如电阻焊机和电弧焊机 v 危害有： 1、电照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳； 2、电机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化 3、电动机转速不均匀，影响产品质量甚至损坏 4、电子计算机、监测和控制设备 作不正常。
闪变的评定与改善措施 一、评定： 1、当发生闪变干扰的波动负荷（尤其注意电弧炉） 存在时，首先考虑用闪变仪测出闪变值； 2、对不同设备导致的闪变值做出预测。规划出供电 系统能够接受闪变干扰负荷容量，并选择合适的公 共供电点进行补救。 二、改善措施 1、波动性负荷补偿的技术措施 2、静止无功补偿器（SVC）
案例3 v 1、微波炉启动导致电脑重启 v 2、系统中一旦出现了故障或变压器激磁或感 应电机启动，在它附近的母线上的电压幅值迅 速下降，甚至短时供电中断现象。
v 3、川内某电业局，2011年实测结果 v 在出现短时中断时记录的数据 出现了超过标准十几倍的短路电流
案例分析： 1、回顾当天是否有树枝掉落、生长，导致相间故障情况； 2、排查周边的用户有没有冲击性负荷，或者大容量电机； 3、确定出现短时中断的原因并作出现场考察； 4、提出合理的改善建议，整治该电压暂降、中断问题。
改善措施： 1、经常修理树枝，打扫线路所经过路线的清洁度； 2、在经常出现雷暴的露天和高危地点，加装避雷器， 减少雷暴造成的短路影响； 3、组织营销部门积极走访用户，收集用户的大型用 电设备，并作出记录和统一的管理。
电压暂降的理论分析 v 电压暂降：又称电压跌落，是指电压幅值（有效 值）的暂时下降，随后又恢复正常特征。电压暂 降在电力系统的频繁出现将引起许多电能质量问 题。最近十几年来，由于敏感负荷的增加，由电 压暂降造成的经济损失也迅速增加。
Ø 电压暂降主要由起始时间、暂降幅值和持续时间界 定。 Ø IEEE定义暂降幅值在 10%~90%之间，IEC定义的幅 值为 1%~90%，持续时间在 0. 5个周期（我国 10 ms） ~1分钟。 Ø 典型的电压暂降事件持续时间在 0. 5~30个周期，暂降 深度取决于距离故障点的位置和电网结构。
影响电压暂降涉及大量随机因素： （1）短路类型。 （2）故障位置。 （3）保护装置性能。 （4）大气层放电。 （5）冲击性负荷启动的不确定性。
短期中断的理论分析 v 短时电压中断（Interruption）： v 指短期（3秒以内）电压值下降到额定值的10%以 下的一种异常现象。 电压暂降影响 大 电 压 中 断 影 响 中 小 大 印刷、造纸、 精加 、化 、 玻璃、汽车制 塑料制造 造 冶金、水泥交 通运输、食品 生产、电弧炉 小 轧钢、铝加 金属加 、 业煤气、化纤 电解、粉碎机 械
电压暂降和短时中断的控制方法 Ø 电压中断和暂降主要是在系统内发生的，由负荷 用电引起的电压暂降和电压中断占少数。因此控 制电压凹陷和电压中断先应从系统内寻求缓解其 影响的措施，然后再根据实际需要安装专门的控 制设备。
1、不间断电源UPS Ø UPS装置串联接入供电线路，在正常供电中，通过UPS 的交流-直流-交流变换（PWM 1 -PWM 2）向负荷供电。 由于经过交流到直流的转换，消除了电压波动的影响。 Ø 在电压暂降期间由电网交流电源Us平稳移动到装置DG 供电而解决电压稳定问题，效率达到了92~97%
2、动态电压恢复器DVR Ø DVR串联接入要补偿的支路。当系统电压正常 时，DVR不输出电压（VDVR=0）, 这时Vload=Vs， 负荷由系统供电；当系统出现暂降故障时，Vs比 正常运行时减低△V。DVR检测到这一变化时， 通过控制算法提供相应的控制量，使脉宽调制的 逆变器输出一个对应补偿分量，VDVR= -△V。 这样，敏感负荷端电压，维持故障前电压不变。 DVR补偿原理示意图
定制电力技术 3、基于UPQC类型的QCC 普通 优质 特级 电压偏差 A A A 电压暂降 B B A 电压上升 B B A 功率因数 C C A 闪变 C C A 电压中断 B A A 不平衡 C C A 谐波 C C A A：完全补偿B：部分补偿 C：不补偿
案例4 Ø 当接入某些负荷后，电容器发生爆炸事故或投入 不了？ Ø 当电力变压器毁坏或感应电机过热时？ Ø 某些大型 业负荷投运后，电容器出现严重过负 荷，噪音异常，个别电容器投运不久就发生鼓肚 现象？ 这是什么原因？我们 应该怎么办？
Ø 原因分析： 1、谐振过电压 2、高次谐波电流的放大作用，危害及其严重
实际中谐波整治步骤 谐波的治理： 1、改变整流变压器接线，使谐波电流含量较高的 5、 7 次谐波被基本消除，当然需要增加平衡电抗器。 与此同时，需要核算改后变压器容量是否能够满足 负荷要求，如容量不存在问题，改变变压器一次绕 组接线不失为一种较好的方案。 2、取消高压侧普通并联电容器，因为其对整流装置的 导通情况产生影响并对高次谐波电流产生放大作用， 其危害太大，需要拆除以消除其影响
3、装设滤波装置。需要根据整流装置产生的高次谐 波次数及高次谐波电流值和无功功率平衡等条件 确定。 4、滤波器在设计中需要考虑： 1）系统阻抗（高频阻抗）及其变化范围 2）谐波源产生的谐波量 3）谐波限制标准
电力谐波的理论知识 v 谐波的产生 v 在理想的交流供电系统中，三相交流电压是平 衡的，其均方根值和频率都应该是恒量，电压 和电流的波形为纯正弦的。电压为正弦波形的 瞬时值表达式可以写成： v 式中 为电压的均方根值，电压的幅值为 为初相角； ， 和T：分别为角频率、 频 频率和周期。
Ø 在电路中线性无源元件上 电流和电压的关系是线性 关系。 Ø 理论上任何周期性波形都 可分解成傅里叶级数，称 为谐波分析或频域分析。 谐波分析是计算周期性畸 变波形的基波和谐波的幅 值和相角的基本方法。 用一组正弦波叠加来近似表示方波
Ø 国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气 量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。” 因此谐波次数必须为整数。 Ø 实际上的畸变波形所含各次谐波分量的幅值，是 时变的、不规则的，而且还可能是随机变化的。 国际大电网会议 作组建议，在测量和计算各次 谐波时，应当给出它在 3秒内平均的均方根值。这 样，便可以对暂态现象和谐波加以区别。
谐波源分类 Ø 系统中主要的谐波源可以分为两大类： （1）传统的非线性设备，包括变压器、旋转电机、 电弧设备等。 （2）现代电力电子非线性设备，包括使用电力电子 开关或晶闸管的控制设备。的整流器、逆变器、 变频器和高压直流输电的变流器等。
谐波的危害 Ø 谐波的危害主要通过谐波环境下的热效应、谐波畸变后的 过电压以及信号干扰表现出来。大致可包含为 （1）谐振放大引起的过电压过电流引起设备故障或损坏； （2）旋转电机、变压器、电缆附加谐波损耗发热、引起故障 甚至损坏； （3）电容器因谐波电流过载、谐波过电压击穿、谐波下的介 质损耗增加而发热缩短寿命； 对继电保护、自动装置、测量设备和通信电路的干扰问题。
谐波的测量 国际标准61000 -5 -7提出对各类谐波测试仪器的要求，包括频 域仪器和时域仪器。 谐波特征确定了仪表的类型和测量方法。根据IEC 6100 -5 -7, 谐波分类如下: (1)准稳态(quasi-stationary)谐波，即变化缓慢的一类谐波，如 恒定负载的整流装置、调光灯等产生的谐波。 （2）波动（flactuating）谐波，如电机变频调速与换相、电子 调节类家电所产生的谐波 （3）快速变化（rapidly changing）谐波，如冲击性非线性负 荷（电弧炉、电力机车）等产生的谐波。
谐波国标限值的基本要求 v 公用电网谐波电压限值 电网 标 称电 压 (k. V) 电压总谐 波 畸变率 (%) 0. 38 5. 0 各次谐波电压 含有率 (%) 奇次 偶次 4. 0 2. 0 电网 标 称电 压 (%) 电压总谐 波 畸变率 (%) 各次谐波电压 含有率 (%) 2. 4 1. 2 2. 0 1. 6 0. 8 35 66 4. 0 10 偶次 3. 0 6 奇次 3. 2 1. 6 110
电力谐波的治理方法 谐波问题的解决方法可分为预防性和补救性两类。预防性方 法是在电气设备的设计与制造的过程中采取措施来减小谐 波的产生。如： （1）整流装置中采用移相与相位抵消来减小谐波 （2）特别设计变压器、旋转电机结构，改变变压器的接线 方式，合理设计补偿电容器的串联电抗器； 补救性的解决方法是采用附加的谐波治理设备或改变系统结 构来减小系统已有的谐波。如 （1）采用馈线重构或改变电容器组安装位置来克服谐振； (2)使用滤波器。
案例5 v 发电机发生不对称运行； § 转子的附加损耗及发热 § 附加力矩及振动 v 变压器不对称运行； v 继电保护和自动装置的误动作； v 对计算机系统进行干扰； v 输电线路损耗的增加。 一个稳态、持续产生危害的过程
v 检测判断： v 以发电机为例，需要测量电机电流。如果电机载荷均 衡：从每相获得的电流大体相同（如下所测，差别低 于百分之十）。如果失衡，则可能是电机内部原因（ 如定子绝缘恶化），或者是电压失衡造成的。 v 三相不平衡
三相不平衡的理论知识 v 基本概念 v 所谓对称的m相系统，是指各相电量（电动势、电 压或电流）大小相等而彼此之间的相位移均等于 。 v 多相系统又可分为平衡与不平衡的，前者功率瞬时 值与时间无关，而后者功率瞬时值随时间而变。 v 可以证明，相数 的对称系统一定是平衡的。
v 一个多相系统的不对称性并不表明它一定是不 平衡的。 v 单相系统可算是不平衡系统的典型例子，其功 率在 和 中P代表系统的有功功率。 之间波动，其
不平衡度的计算 v 在三相三线制供电系统中，三相相量大小相等、 频率相同、相位依次相差 120度时，称为三相 对称，否则称为三相不对称，此时，三相相量 中有正序分量和负序分量。我们把负序分量有 效值与正序分量有效值之比称为不对称度或不 平衡度，用符号 表示，即 v 电压不平衡度 v 电流不平衡度
v 根据电 原理，任何不对称的三相相量均可用 对称分量法分解为三组对称的正序、负序和零 序分量，在三相三线制中，若三相为 则 v 正序分量 v 负序分量 v 零序分量 v 式中 ——旋转算子 v 显然，要用这公式计算正（负）序分量，必须 测出各相量的大小及相位，运算繁琐。
三相不平衡的干扰负荷 1、电气化铁路 2、交流电弧炉
改善三相不平衡的措施 Ø 可采用下面的解决方案： 1、将不对称负荷分散接到不同的供电点，以减小集中连 接所造成的不平衡度超标问题； 2、使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化； 3、将不对称负荷连接到更高电压等级上供电，以使其连 接点的短路容量足够大（例如：对于单相负荷，短路 容量大于50倍负荷容量时，就能保证连接点的电压不 平衡度小于2%）； 4、采用平衡装置。
授课提纲 1 电能质量的基本概念 2 系统中电能质量实例 3 电能质量的预防维护 4 问与答
电能质量问题的排查 1、排查的意义： Ø 对于用户侧：可以防止未经计划的停产、生产遭受破 坏、不必要高的电能开支甚至因“污染”上游供电而 受到的罚款，从而节省大量时间和资金。 Ø 对于电力公司：对于维持整个系统内的电能效率和优 质服务一致性具有绝对重要的意义。
2、识别问题征兆 Ø 典型征兆包括闪烁的灯光、不良的计算机性能、死机 和数据损失、断路器和变速驱动器的恼人脱扣以及电 机和变压器等设备的过热。 Ø 生产中断也可能使部分完 的产品受到损坏，从而使 材料报废。电力部门对电能中断所做出的响应还会占 用系统内部的维护资源。
3、对电能质量故障进行排查 一线故障排查： 在屏幕上快速诊断问题，以使设备恢复正常运行。 预测性维护： 在电能质量问题引起停产之前来检测并防止发生电能质量问题。 电能质量符合性： 在电力进线口处验证进线电能质量，并按照当地标准评估电压质量。 长期分析： 随时间推移而发现难于发现的问题或间歇性问题。 负载研究： 确定是否现有配电系统是否可以处理新的负载，对功率因数进行跟 踪，并对能量消耗进行定量。
v 电能质量记录 具可设置并保留更长时间（如一个星 期），以捕获间歇电气干扰。它们用于在电力进线口 处来检查电能质量。随后，可使用软件对所捕获的电 力事件和趋势数据进行分析并创建事故分析报告。
电能质量问题的治理 控制和治理电能质量是一项系统 程，包括许多相应的措施， 如 （1）通过电网调度自动化、无功优化、负荷控制及一些相关 的调频、调压装置减小频率和电压偏差； （2）通过电网改造和扩容，增加电网抗干扰能力； （3）利用无源滤波器、静止无功补偿器等装置抑制谐波、降 低电压波动与闪变； （4）利用柔性输电技术提高系统稳定性和电压支撑能力； （5）利用柔性配电技术控制电压暂降、电压中断，实现优质、 可靠的智能供电。
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