【正文】 電能質量分析與控制 目錄 ? 電能質量概述 ? 傳統(tǒng)電能質量分析與改善措施 ? 電壓波動與閃變 第一章 電能質量概論 電能既是一種經濟實用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉換的能源形式，又是一種由電力部門向電力用戶提供，并由供、用雙方共同保證質量的特殊產品。 第一節(jié) 概述 人們首先把電力系統(tǒng)運行中 電壓 和 頻率 偏離標稱值的多少作為檢驗電能質量的主要指標。 如何深入理解現(xiàn)代電能質量問題，如何把提高電能質量與增強競爭意識、電力市場占有率聯(lián)系起來，如何從技術、經濟和運行管理等方面加大力度，保證優(yōu)質供電，以最小程度減少對現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和重要電力用戶的影響，既是電力用戶需求和電力系統(tǒng)運行給我們提出的新任務，也是信息時代給我們提出的新挑戰(zhàn)。 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 為保證電能安全經濟地輸送、分配和使用，理想供電系統(tǒng)的運行應具有如下基本特性： （ 1）以 單一恒定的電網(wǎng)標稱頻率 （ 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，并且這些運行參數(shù)不受用電負荷特性的影響。 （ 2）始終保持 三相交流電壓和負荷電流的平衡 。用電設備汲取電能應當保證最大傳輸效率，即達到單位功率因數(shù)，同時各用電負荷之間互不干擾。 （ 3）電能的 供應充足 ，即向電力用戶的供電不中斷，始終保證電氣設備的正常工作與運轉，并且每時每刻系統(tǒng)中的功率供需都是平衡的。 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 上述理想供電系統(tǒng)的基本特性構成了供電運行對電能質量的基本要求，如果將其概括描述可如圖 11所示。 上圖中三個基本集合的交集之內確定了合格電能質量的指標要求，是我們將要闡述的供電系統(tǒng)電能質量的三個基本要素。圖 11示意性地表明，這三項質量指標相互間存在著緊密的依存和制約關系。 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 電能，或稱之為電產品，除了具有其他工業(yè)產品的基本特征之外，由于其產品形式單一，而且其生產、輸送與消耗的全過程獨具特色，因此在引起電能質量問題的原因上、在劣質電能的影響與評價等方面與一般產品的質量問題不同，具有以下顯著特點： 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 （ 1）電力系統(tǒng)的電能質量始終處在 動態(tài)變化 中。 （ 2）電力系統(tǒng)是一個整體 ,其電能質量狀況相互影響。電能不易儲存，其生產、輸送、分配和轉換直至消耗幾乎是同時進行的。 （ 3）電能質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量的主體部分。 （ 5）對電力系統(tǒng)的電能質量指標進行綜合評估非常困難。 （ 6）控制和管理電力系統(tǒng)電能質量是一項系統(tǒng)工程。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 隨著時代進步與科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)與負荷構成出現(xiàn)了新的變化趨勢，由此帶來的電能質量問題越來越引起電力部門和電力用戶的高度重視。電網(wǎng)與負荷構成出現(xiàn)的變化趨勢主要表現(xiàn)在： 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 （ 1）電力系統(tǒng)擴張與聯(lián)網(wǎng)逐漸形成，系統(tǒng)運行的安全穩(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，引進競爭機制，實施電力市場化營運，強化環(huán)境保護意識與提高信息管理水平已經勢在必行。 （ 3）當代電力系統(tǒng)與計算機技術和通信技術的結合更加緊密，采用高新技術（如 TCSC、FACTS、 HVDC、 CusPow）以提高電力傳輸能力 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 和實現(xiàn)配電自動化的趨勢方興未艾。 （ 4）電力用戶為滿足其對產品的個性化、多樣性生產的需求，從最大經濟利益出發(fā)，在大功率沖擊性、非線性負荷容量迅速增長的同時，更大規(guī)模地采用科技含量高的器件、設備與技術。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 負荷敏感度：是指負荷對電能質量問題的敏感程度，即提供給負荷的電能質量不良時負荷能承受干擾仍正常工作的能力。 一般可將負荷分為三類：普通負荷（ Common Load）、敏感負荷（ Sensitive Load）和重要（要求嚴格的）負荷（ Critical Load）。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 電力系統(tǒng)的各個部分都是相互聯(lián)系的，使用電雙方的相互影響越來越緊密。因此，綜合協(xié)調處理電能質量問題至關重要。另外需要注意到，由于看問題的角度不同，在導致電能質量下降的原因與責任上，供用電雙方往往存在很大的分歧。 美國喬治動力公司曾組織和實施了一項對電力部門和電力用戶關于電能質量問題起因的調查，其結果如圖 12所示。據(jù)分析，雖然對電力市場的質量調查還存在分類方法上的不同，但是調查報告清楚地表明，電力公司和電力用戶對引發(fā)電能質量問題的原因的看法往往有很大的分歧，盡管雙方都把 2/3的事件起因歸咎于自然因素（如雷電等），但用戶仍然認為電力部門在這方面的責任要比自我測評結果大得多。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 綜上所述，現(xiàn)代電力系統(tǒng)結構與負荷構成的變化是工業(yè)生產不斷發(fā)展的必然結果，有利于電力用戶提高生產率和獲得更大的經濟效益；同時通過采用高效的電力負荷設備，大量節(jié)約電能和延緩用電的需求，從而節(jié)省電力建設所需的大量投資。 三、改善電能質量的意義 電能作為人們廣泛使用的能源， 其應用程度是一個國家發(fā)展水平和綜合國力的主要標志之一。時至今日，電力工業(yè)面向市場經濟，引進競爭機制，以求最小成本與最大效益，電能質量的優(yōu)劣已經成為電力系統(tǒng)運行與管理水平高低的重要標志，控制和改善電能質量也是保證電力系統(tǒng)自身可持續(xù)發(fā)展的必要條件。 第二節(jié) 電能質量概念、定義及分類 電能質量術語 :國際電氣電子工程室?guī)焻f(xié)會（ IEEE）標準化協(xié)調委員會已正式通過采用 “ Power Quality”（電能質量） 術語的決定。我國國家標準中已正式更名采用國際通用的英文名稱。 一 基本概念與定義 電能質量： ? 從普遍意義上講，電能質量是指優(yōu)質供電。 ? 電力部門可能把電能質量定義為 電壓、頻率的合格率 以及 連續(xù)供電 的年小時數(shù)，并且用統(tǒng)計數(shù)字來說明電力系統(tǒng)是安全可靠運行的。 ? 電力用戶則可能把電能質量簡單定義為是否向設備提供了電力。 一 基本概念與定義 從工程實用角度出發(fā)，將電能質量概念進一步具體分解并給出解釋。 ? 電壓質量 。 給出實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。 一 基本概念與定義 ? 電流質量。 電流質量與電壓質量密切相關。電流質量包括電流諧波、間諧波或次諧波、電流相位超前或滯后、噪聲等。 ? 供電質量。 它包括技術含義（電壓質量和供電可靠性）和非技術含義（供電部門對用戶投訴與抱怨的反應速度和電力價目的透明度等）兩部分。 ? 用電質量 。 它包括電流質量和非技術含義等，如用戶是否按時，如數(shù)繳納電費等。 二 電能質量的分類 對于電能質量現(xiàn)象可以根據(jù)不同基礎來分類。以下介紹了近幾年國際上在電能質量現(xiàn)象分類和特性描述等方面取得的研究成果。其中，在國際電工界有影響的 IEC以電磁現(xiàn)象及互干擾的途徑和頻率特性為基礎，引出了廣義的電磁擾動的基本想象分類，如表 11所示。 二 電能質量的分類 表 12給出了 IEEE制定的電力系統(tǒng)電磁現(xiàn)象的特性參數(shù)及分類。它為我們提供了一個清晰描述電能質量及電磁干擾現(xiàn)象的實用工具。 按照電能質量擾動現(xiàn)象的兩個重要表現(xiàn)特征 ——變化的連續(xù)性和事件的突發(fā)性為基礎分成兩類。 ? 連續(xù)型 （連續(xù)出現(xiàn)） ? 事件型 （突然發(fā)生） 圖 1圖 14所示為供電電壓幅值的概率密度函數(shù)曲線和概率分布函數(shù)曲線。 第三節(jié) 電能質量現(xiàn)象描述 本節(jié)中我們重點對表 12中的七類現(xiàn)象作進一步描述，以便讀者對電能質量涵蓋的內容有一個整體的了解。 一、瞬變現(xiàn)象 關于瞬變現(xiàn)象， IEEEStd1001992《電氣與電子標準術語詞典》有一個含義更寬、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)象的兩種普遍類型 ——沖擊和振蕩 ? 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 15 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、有正負極性的突然變化現(xiàn)象。常用頻譜成分、持續(xù)時間、和幅值大小來描述其特性。其頻譜分為高、中、低頻，如表 12所示。 ? 高頻振蕩現(xiàn)象 ? 中頻振蕩現(xiàn)象 ? 低頻振蕩現(xiàn)象 圖 16為背靠背電容器增能引起的幾千赫電流振蕩波形。 低頻振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)在輔助輸配電系統(tǒng)，最常見的是電容器組沖能。電壓振蕩頻率為 300~900赫，峰值可達到 .。一般其典型值為 ~.，持續(xù)時間在 ~3周波，具體情況要根據(jù)系統(tǒng)的阻尼程度來確定（參見圖 17）。 主頻低于 300赫的振蕩在配電系統(tǒng)中也時有發(fā)生，通常是由鐵磁諧振和變壓器增能引起的，如圖 18所示。 二、 短時間電壓變動 包括 電壓暫降 和 短時間電壓中斷 現(xiàn)象。 造成電壓變動的主要原因是系統(tǒng)故障、大容量負荷啟動或電網(wǎng)松散連接的間歇性負荷運作。根據(jù)所在系統(tǒng)條件和故障位臵的不同，可能引起暫時過電壓或電壓跌落，甚至使電壓完全損失。 二、 短時間電壓變動 當電壓降到 ，且持續(xù)時間不超過 1min時，則認為出現(xiàn)了電壓中斷現(xiàn)象。造成電壓中斷的現(xiàn)象。造成電壓中斷的原因可能是可能是系統(tǒng)故障、用電設備故障或控制失靈等。 電壓中斷往往是以其幅值總是低于額定值百分數(shù)的持續(xù)時間來量度的。 對于有些由于系統(tǒng)故障造成的電壓中斷，在其出現(xiàn)之前，既在故障發(fā)生至保護動作期間，可能先出現(xiàn)電壓暫降，之后進入短期中斷，如圖 19（ a）所示。 “暫降”是指工頻條件均發(fā)根值減小到 ~間、持續(xù)時間為 1min的短時間電壓變動現(xiàn)象。 ? 暫降和驟降可以互相替換 圖 110為發(fā)生短路故障引起的單相電壓暫降的變化波形。 圖 111為大型電機啟動對電壓的影響。 在啟動期間，感應電機將汲取 610倍的額定電流。 “暫升”的含義是指在工頻條件下，電壓均方根值上升到 ～ 、持續(xù)時間為 1min的電壓變動現(xiàn)象。例如，當單相對地發(fā)生故障，非故障相的電壓可能會短時上升。圖 1－ 12給出可該情況下引起的電壓暫升的波形。 三 長時間電壓變動 長時間電壓變動是指，在工頻條件下電壓均方根值偏離額定值，并且持續(xù)時間超過 1min的電壓變動現(xiàn)象。 長時間電壓變動可能時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，即直流偏臵、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給出了典型變速驅動輸入電流波形和頻譜圖。 圖 1－