电能质量

电能质量学习报告

前言

自20世纪80年代以来，随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高，高新技术产业的发展对电能质量提出了新的要求，电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。本报告阐述了电能质量的基本理论问题及其分析研究方法，介绍了电能质量的相关控制策略和技术，并对该领域的发展方向进行了初步探讨。

首先中国电能质量并不是很理想，存在很多方面的缺陷，和发达国家相比还是有很大的差距。在具体方面有很多不稳定因素，例如电网谐波污染、三相电压不平衡、电压波动和闪变，其结果是造成了电网的电能质量低劣，造成用户生产力下降，竞争力减弱，还影响到员工的就业，甚至影响到整个经济社会。

我国的对电能质量研究的进展主要分为三个阶段。第一阶段:20世纪80年代以前,电能质量研究的主要内容是电网的频率、供电电压和功率因数。供电企业普遍认为保证了电网的频率和供电电压在合适的范围之内,也就保证了电网的供电质量;同时,电力企业还把提高功率因数放在一个非常重要的位置。第二阶段:随着改革的不断深入和工业规模的不断发展,工业负荷大量增加人们对电能质量的要求越来越高。除用频率、电压等参数外,其他物理量如谐波、电压偏差、三相不平衡度、负序和电压波动及闪变等已经引起了人们的重视。第三阶段:最近几年,人们对电能质量的认识和要求又发展到一个新的阶段。暂态电能质量参数已经引起了人们的注意,并认为电力系统电能

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的传输不仅是能量的传递,而且同时也是一种信息的输送。可以预言,若干年后,暂态电能质量问题将引起人们的广泛关注。 对电能质量的研究经过数年发展,已取得很多成果。下面将对电能质量的几个主要研究范畴进行阐述,主要包括电能质量的定义、起因、分析方法、检测和监测、补偿和相关标准。

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目录

第一章 电能质量基本概念 1. 电能质量的定义 2. 电能质量问题起因 3. 电能质量研究意义 4. 电能质量特点 5. 电能质量标准 第二章 电能质量分析方法 1. 时域仿真法 2. 频域分析法 3. 基于变化的方法 第三章 电能质量主要指标 1． 电压允许偏差 2． 频率偏差 3． 谐波含量 4． 电压波动和闪变 5. 三相电压不平衡

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第四章 电能质量控制的发展方向

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第一章 电能质量基本概念 1．电能质量的定义 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。电能质量可用电网谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度等指标来表示。但是由于人们看问题的角度不同，所以迄今为止，对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定义 。 IEEE技术协调委员会给出的“power quality”的技术定义为：“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统适合该设备正常工作”。 IEC（1000-2-2/4）标准将电能质量定义为：供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。 以上是所谓合格电能质量，则存在不合格电能质量定义:导致用户设备故障或不能正常工作的电流、电压或频率偏差。最严重的电 能质量问题是电压跌落和电压完全中断。 针对过去对各种扰动引起的电能质量问题(干扰)的提法不一, IEEE第22标准统筹委员会(电能质量)和其他国际委员会推荐用如下术语表述几种主要的电能质量干扰。 (1)断电( interruption)。在一定的时间内,一相或多相完全失去电压(电压幅值低于0.1 p. u. )。断电按其持续时间可分为瞬时断电(momentary interruption)、暂时断电( temporary interruption)和持续断电( sustaining interruption)。 页 5 (2)电压凹陷( voltage sags)。持续时间为0. 5周波至60 s,电压幅值为0. 1～0. 9 p. u. , 系统频率仍为标称值。它也称为电压下跌或电压骤降。

(3)电压凸起( voltage swells)。持续时间为0. 5周波至60 s,电压幅值为1. 1～1. 8 p. u. , 系统频率仍为标称值。它也称为电压上升或电压骤升。电压凹陷和电压凸起按其持续时间可再分为瞬间电压凹陷/凸起( instantaneous sags/ swells) 、瞬时电压凹陷/凸起(momentary sags/swells)和暂时电压凹陷/凸起( temporary sags/ swells) 。

(4)瞬时脉冲( transients pulse) 。它表示两个连续稳态之间在极短时间内发生的一种突变现象或数量变化。可以是任一极性的单方向脉冲,或发生在任一极性阻尼振荡的第一尖峰。

(5)过电压(over voltage) 。电压为额定值的110 %～120 % ,持续时间> 1 min。

(6)欠电压( under voltage)。电压为额定值的80 %～90 % ,持续时间> 1 min。

(7) 谐波( harmonics) 。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。可以用傅里叶分解和统计分析方法求取。 (8) 间谐波( interharmonics) 。电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。间谐波主要由静止变频器、感应电动机和电弧设备等产生。另外,电力载波也可认为是一种间谐波。

(9) 电压切痕( voltage notches) 。持续时间小于0. 5周波的电压

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扰动。电压切痕主要是由于电力电子装置由一相换到另一相时,参与换相的电路瞬时短路而造成的。与电压切痕有关的频率分量非常高,采用常规的谐波分析仪对它进行测量是很困难的。

(10) 三相不平衡度( imbalance) 。它是指三相电力系统中三相不对称的程度。造成电力系统三相不对称的原因很多,主要有两类:一类是大容量不对称负荷的接入,如电力机车等;另一类是电 网中的谐波。

(11) 电压波动和闪变( voltage fluctuation and flicker) 。电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期变化。电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受,它通常以白炽灯的工况作为判断依据。电弧炉、轧钢机、电弧焊机和高速磁悬浮列车系统等波动性负荷,在运行过程中有功功率、无功功率会随机或周期性大 幅度变化,易引起系统的电压波动和闪变。

2. 电能质量问题起因

造成当前电能质量问题主要有以下三方面的原因:

(1)电力负荷构成的变化。目前,电力系统中存在大量非线性负荷,如大规模电力电子应用装置、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、电化工业设备及其他非线性负荷等。另外,还存在很多快速变化的冲击性负荷,如高层大楼的高速电梯、高速铁路、高速磁悬浮列车和地铁及其他快速变化负荷。

(2)大量谐波注入电网。含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在

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实现功率控制和处理的同时,都不可避免地产生非正弦波形电流,对电能质量造成干扰。

(3) 外部可能造成损害。雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线路切换等都可能干扰系统，造成断电或电压变动，甚至影响到相邻线路，导致有害影响蔓延。

3. 电能质量研究意义

在电能输送过程中,电力系统将受到各种因素的影响,到达用户的电能波形往往发生畸变。随着不对称负荷、冲击性负荷的容量和数量的不断增大,电网受到严重干扰,电能质量不断恶化。另外,电能质量不仅取决于发电、输电和供电系统本身,接入公用电网的半导体换流器和非线性负荷也将对电网产生明显的干扰,降低了配电网中的电能质量。电能质量的恶化将会给电力系统和用电设备带来严重危害。

谐波问题是电能质量中的一个重要问题。一直以来,电能质量研究也主要集中在与谐波相关的稳态电能质量研究上。在电力系统、电力电子、电动机、供配电等专业和所有涉及电力电子应用的工业部门中,都把谐波干扰及其分析处理作为重要技术课题。

以前,由于受各种条件的,对电压骤降和骤升、暂态扰动等各种暂态电能质量研究较少。暂态信号具有突变、非平稳、持续时间短等特性,只了解它们在时域或频域中的全局特性是不够的。暂态信号中的奇异点和不规则突变通常与系统的电气参数有着重要的联系。奇异点检测的目的就是对故障进行定位,抓住故障特征,进而采取适当

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的保护或控制措施。因此,暂态电能质量分析已成为研究热点。

4. 电能质量的特点

电能质量具有以下几个特点:

(1) 动态性。电能从发电生产到用户消耗是一个整体,其流动始终处于动态平衡中,并且随着电网结构和负荷的改变而不断变换。 (2) 相关性。电能不易大量存储,其生产、输送、分配和转换过程直至消耗几乎是同时进行的。当系统处在各种运行状态时,电能质量一旦不达标,相关的设备就会受到不同程度的影响。

(3) 传播性。电力系统是一个复杂的网络,为电能提供了最好的传输途径。电能传播速度快,电气污染波及面大,会大大降低相连系统的电 能质量。

(4) 潜在性。电能质量扰动复杂多变,事故诱发条件复杂,其质量的下降造成对系统用电设备的损害有时并不立即显现,为安全运行留下了 隐患。

(5) 复杂性。电能质量的多个指标作用于同一个系统时,综合给出电能质量的评判标准是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定量评估计算方法。

(6) 整体性。保证电能质量要靠多方努力。要求电力供应方、电力使用方、设备制造商等共同协作,制定统一和可操作的合适质量标准或单独的供电质量协议,或者按电力用户对电能质量的 不同要求实行分级控制和管理。

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5. 电能质量标准

CBEMA标准是由美国CBEMA在1978年制定的,作为商业计算机设备的电能质量标准,该标准主要规定了电压水平及其耐受时间。1996年,信息技术工业协会所属的第三技术委员会(Technical Committee 3, TC3)对其进行了修订,修订后的曲线(称作ITIC曲线,亦有人仍称其为CBEMA曲线)如图1所示。

ITIC曲线适用于所有类型设备的电压容限的幅值和持续时间

如图1所示,包络线内的电压为合格电压,而包络线外的为不合格电压。在包络线下面的电压会使负荷失电,而在包络线上面的电压会造成其他设备失灵和故障,如绝缘发生问题、过电压脱扣或过励磁等。

为了保护敏感设备免受电压下降的危害,SEM I ( Semiconductor Equipment Materials International)联盟为对电力供应的可靠性和电源品质有较高要求的半导造业制定了关于供电系统电压下降

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应变能力规范( SEM I F47-0200) ,供半导造设备商遵守。该标准规定,半导造业相关设备对于电压下降的耐受时间在电压为50 %标称值时为0. 05～0. 2 s,电压为70 %标称值时为0. 2～0. 5 s,电压为80 %标称值时为0. 5～1. 0 s。用SEM I F47曲线表示,如图2所示。

此外,韩国三星公司制定的Samsung Power Vaccine标准和美方采用的MIL-STD标准。中国技术监督局从1990年到2001年相继颁布了涉及电能质量的6个国家标准,这些标准分别规定了电压偏差、公用电网谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡、频率偏差、暂时过电压和瞬态过电压的监测标准、监测方法和监测设备的要求。这些标准的实施,使我国供电电能质量得到基本保证。

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第二章 电能质量的分析方法

电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态事件和暂态事件两大类。稳态电能质量以波形畸变为特征,主要包括谐波、间谐波、波形下陷及噪声等;暂态电能质量通常以频谱和暂态持续时间为特征,可分为脉冲暂态和振荡暂态两大类。电能质量的分析涉及到对各种干扰源和电力系统的数学描述,主要分析方法有以下三种。 1.时域仿真法。

在电能质量分析中,时域仿真法应用最为广泛,主要是利用各种时域仿真程序对电能质量问题的各种暂态现象进行研究。目前使用比较广泛的时域仿真程序主要有两类,一类是EMTP 、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真程序;另一类是SP ICE、PSP ICE等电力电子仿真程序。采用时域仿真方法的缺点是仿真步长的选取限定了可分析的最高频率范围。因此,必须事先知道待分析系统暂态过程的最高频率。另外,在仿真开关的开合过程中,还会引起数值振荡,必须采用相应技术以抑制这种数值振荡的发生。 2.频域分析法。

频域分析方法主要包括频率扫描，谐波潮流计算和混合谐波潮流计算等，该方法多用于电能质量中谐波问题的分析。率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，因此混合谐波潮流计算法在近些年中发展起来。其优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态特性。缺点是计算量大，求解过程复杂。

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3.基于变换的方法。

主要包括傅里叶变换法( FFT) 、短时傅里叶变换法( STFT) 、二次变换法和近年出现的小波变换法 。

①傅里叶变换法( FFT) 。傅里叶变换法不仅具有正交性的优点,而且具有傅里叶变换法快速算法,它在电能质量问题分析领域具有广泛的应用。但是采用傅里叶变换法时必须满足两个条件,即最高信号频率小于采样频率的1 /2,且被分析信号是稳态的。如果不满足上面两个条件,将发生频谱泄漏、旁瓣现象,导致分析误差。另外,傅里叶变换是在整个时间段的积分,时间信息没有得到充分利用,突变信号的频谱将散布整个频带,会产生较大误差,所以不适合那些不稳定 电能质量信号的分析和处理。

②短时傅里叶变换法( STFT) 。为解决傅里叶变换法中存在的上述问题, Gabor利用加窗,提出短时傅里叶变换法,即将不平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合,实现了将傅里叶变换法分析方法用于不平稳过程。但是,它要求各个分析特征尺度大致相同,因此不适合分析多尺度过程,而且它的离散形式没有正交展开,难以实现高效算法。

③小波变换法。小波变换法具有时频局部化的特点,克服FFT和STFT的缺点,实现了频率窗口的自适应变化,它特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。在电能质量分析尤其是暂态电能质量分析中,小波变换方法具有FFT、STFT无可比拟的优越性。常用的小波基函数有Dau2bechies小波、样条小波、Morlet小波、Meyer小波等;常用的算法为Mallat 在多分辨分析(Multi Resolution and Analysis,

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MRA) 基础上提出的塔式快速小波算法———Mallat算法。

④二次变换法。二次变换法是一种从能量角度来考虑的时频变换方法。一般认为,信号的能量分布总是时间与频率的双线性函数,它构成了时频二次变换的基础。文献提出了一种基于二次变换的信号处理方法,利用平滑假维格纳 维尔分布( Smoothed Pseudo Wigner-Ville Distribution)的能量分布与可分离的哈明(Hamming)时窗和哈明频窗结合起来进行电能质量分析。这种二次变换方法不仅可以准确地测量到基波和谐波分量的幅值,而且能够准确地检测到信号发生尖 锐变化的时刻。

⑤多刻度形态谱分析方法。多刻度运算是一种多层次描述和多层次处理方法。它采用不同尺寸的结构元素对图像进行变换,因而不同刻度的运算恰好就是对图像中不同尺寸结构的处理和分析,然后通过捕捉细节使分析越来越精确。多刻度形态谱分析方法的缺陷就是计算时间太长,目前未能在实时系统中应用,但用来做离线的数据分析确实是一个相当好的工具。由于电能质量中非线性负荷及干扰产生的不确定性,使得传统方法在适用范围和准确度上都有很多缺陷。近年来,随着数学及人工智能领域中一些新学科、新理论(如专家系统、模糊数学、人工神经网络技术等)的兴起,使得电能质量的研究向前大大迈进了一步,同时,也为电能质量的监测和改善提供了坚实的基础。

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第三章 电能质量主要指标

1、

电压允许偏差

电压是电能质量的重要指标之一，电压质量好坏对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有着重要的影响。电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件。电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时，电力系统供电实测电压对额定电压的偏差。其计算公式为：

电压偏差（％）＝（Umax-Umin）/UN×100％

2、

频率偏差

频率偏差是指电力系统的实际值与额定值之差。一般来讲，频率在额定值附近微小变动和偏离，短时不易察觉，但是其累计效果确实明显的。电力系统若长期处于低频下运行，电钟计时就会不准，电动机转速就会下降，实际负荷功率也讲降低，有些工厂可能出现次品；对于发电厂的汽轮机来说，当频率下降时叶片震动变大，甚至产生共振现象。某些形式的汽轮机若长时间在频率低于49～49.5Hz下运行，叶片容易断裂。当然，系统频率过高也是不行的。 3、

谐波含量

电网谐波是指对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整次倍分量。对谐波的测量一般包括：各次谐波量、各次谐波含有率、奇次谐波含有率、偶次谐波含有率、总谐波畸变率。

在电能质量的各项指标钟，受干扰负荷影响，谐波是最普遍的，

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这是因为非线性负荷在快速增长，电网的谐波水平在不断提高。由于谐波干扰导致电气设备异常合适固有逐年增加的趋势，因此公用电网谐波标准在控制谐波危害，保障电网和用户的安全、经济运行和正常生产上的重要作用。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置的误动，仪器指示和电度计量不准以及通讯受干扰等一系列问题。即使各级电网谐波在标准之内，由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损失电量也很可观，约为用电量的7％。如果电网钟谐波严重超标或发生谐波谐振，则损耗将大大增加。 4、

电压波动和闪变

电力网的瞬时值电压随时间作周期性变化，在工程上通常以电压整周期的方均根来衡量电压的大小。

1V rms k=N(Uk)k1N2

供电电压在两个相邻的，持续1s以上的电压方均根值U1和U2之间的差值，称为电压变动，通常多以标准电压Un的百分数来表示电压变动的相对百分值d，即

d=(U1-U2)/Un×100％

电压波动为一系列电压变动或连续的改变。电压波动值为相邻电压方均根值的两个极值Umax和Umin之差，常多以标准电压Un的百分数来表示电压波动的相对百分值d

d＝（Umax－Umin）/Un×100％

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电压波动常会使许多电工设备不能正常工作。一般说来，对电子计算机和控制设备不需要特别去关注，因为他们的容量小并能在相对耗资不大的条件下加设抗干扰设施。日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感程度远低于白炽灯，而几乎每个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，则可以肯定不会使电视机和日光灯等工况异常。为此，选白炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。

电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。它通常是以白炽灯的通光量作为判断。影响闪变的因素包括供电电压的波动、照明装置和人的视感度等。闪变可分为周期性和非周期性两种。前者主要是由于周期性的电压波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉灯，后者往往与随机性电压波动有关，如电焊机等。 5、

三相电压不平衡

在三相三线制供电系统中，各相的电压和电流应处于频率相同，幅度大小相等、相位互差120度，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。不平衡度即负序分量有效值U2与正序分量有效值U1之比

（％）＝U2100％U1

三相不平衡对发电机产生很大的危害。负序电流在气隙中产生逆转的磁场，它给转子带来了额外的损耗。这些损耗包括在励磁绕组里感应的100HZ电流所引起的附加损耗以及在转子表面由于感应的涡流所产生的附加表面损耗。如果同步发电机具有阻尼绕组，在阻尼绕

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组中也引起损耗，造成转子温升的提高。对水轮发电机，会产生附加振动，危及发电机的安全。

第四章 电能质量控制的发展方向

4.1研究电能质量分析控制领域的基础性工作

既要深入探索电能质量领域的基础性研究工作，包括电能质量的定义，评价标准与体系，电能质量问题的表现形式，影响因素，防治方法等。同时，积极研究电能质量控制的新方法，新技术和新策略，将更为先进，科学的控制理念和控制思想借鉴到电能质量管理领域。 4.2推广使用数字化电能质量控制技术

以DSP为基础的实时数字信号处理技术在控制领域得到广泛应用，其优点为：①可提高系统稳定性，可靠性和灵活性；②由程序控制，改变控制方法或算法时不必改变控制电路；③可重复性好，易调试和批量生产；④易实现并联运行和智能化控制。随着DSP性能的不断改善和价格的下降，电能质量控制装置将用DSP来实现实时信号处理从而取代模拟量控制。 4.3对电能质量检测技术的新要求

传统的检测仪器一般局限于持续性和稳定性指标的检测，而且仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题，因此需要发展新的监测技术。具体要求包括：①能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰的波形；②需要测量各次谐波以及间谐波的幅值，相位；③需要有足够

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高的采样速率，以便能和得相当高次谐波的信息。④建立有效的分析和自动辩识系统，反映各种电能质量指标的特征及其随时间的变化规律。

4.4大力发展应用新技术

电力电子技术的应用可以大大提高电网的电能质量，FACTS，CusPow等新技术更是为解决电能质量问题开拓了广阔的前景，同时一些非电力电子技术的发展也很迅猛，将这些技术融合发展，并合理使用，大力推广，必然会逐步满足电力负荷对电能质量日益提高的要求。

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