第三章傳統(tǒng)電能質量分析與改善

1、一、電力系統(tǒng)運行特性一、電力系統(tǒng)運行特性二、頻率穩(wěn)定與頻率偏差二、頻率穩(wěn)定與頻率偏差三、電壓穩(wěn)定與電壓偏差三、電壓穩(wěn)定與電壓偏差四、三相不平衡四、三相不平衡一、電力系統(tǒng)運行特性一、電力系統(tǒng)運行特性電力充裕性電力充裕性電力安全性電力安全性（穩(wěn)定性）（穩(wěn)定性）電力經濟性電力經濟性電能質量電能數量 系統(tǒng)正常運行系統(tǒng)正常運行電力系統(tǒng)可靠性電力充裕性電力經濟性電力安全性電力系統(tǒng)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定 暫態(tài)穩(wěn)定 動態(tài)穩(wěn)定設備性能調節(jié)系統(tǒng)保護與控制系統(tǒng)規(guī)劃 系統(tǒng)改造 運行方式單位煤耗，線損，功率因數節(jié)能增效，市場運行系統(tǒng)正常運行應滿足的2個條件：任一節(jié)點的P、Q必須平衡；各節(jié)點和各元件的基本電氣參數不應超過允許偏差

2、。電能質量就是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行過程中各電氣特性參數的具體表現。當其滿足標準指標時，系統(tǒng)為（優(yōu)質）合格運行?？煽拷洕鷥?yōu)質 99.91% 8h6、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定是保證電力系統(tǒng)正常（穩(wěn)定）運行的基本條件電力系統(tǒng)穩(wěn)定性功角穩(wěn)定性頻率穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性小擾動角度穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性短期（1n秒）長期（n分鐘）系統(tǒng)故障無功電源損失等大擾動系統(tǒng)負荷少量變化等小擾動短期和長期現象 電壓連續(xù)頻率電壓穩(wěn)定：系統(tǒng)從一個給定的初始狀態(tài)承受擾動后保持母線靜態(tài)電壓的能力。頻率穩(wěn)定：系統(tǒng)由于發(fā)電和負荷顯著不平衡或故障引起嚴重不平衡后保持系統(tǒng)靜態(tài)頻率的能力。npf60LoadsActive power足夠的調頻功率儲備與有功/

3、負荷控制手段增減機電力矩，控制發(fā)電機的調速器，保證系統(tǒng)總發(fā)電容量動態(tài)變化的負荷容量；緊急狀態(tài)下采取切負荷保持頻率穩(wěn)定頻率在限定范圍內變化；頻率是系統(tǒng)供需穩(wěn)定與否的晴雨表一個信息量充足、可靠，能提供給系統(tǒng)運行人員所需要的數據的信息網絡，是對系統(tǒng)頻率進行實時控制的先決條件智能電網的核心技術之一rfff rff(%)100rfrfff240fIf dt 考慮到瞬變狀態(tài)時，要求頻率的大幅度變化能夠迅速減小，使它落在根據系統(tǒng)安全狀態(tài)設定的喇叭狀曲線中。圖為故障后瞬變時長900s，頻率必須穩(wěn)定在f0 20mHz范圍內。 GLSKKfPK第三章第三章 傳統(tǒng)電能質量分析與改善措施傳統(tǒng)電能質量分析與改善措施（本

4、章內容以自學閱讀為主，這里給出幾個要點問題）（本章內容以自學閱讀為主，這里給出幾個要點問題）一、電力系統(tǒng)運行特性一、電力系統(tǒng)運行特性二、頻率穩(wěn)定與頻率偏差二、頻率穩(wěn)定與頻率偏差三、電壓穩(wěn)定與電壓偏差三、電壓穩(wěn)定與電壓偏差四、三相不平衡四、三相不平衡1.電壓穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運行中的經典問題電壓穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運行中的經典問題 電壓偏差的定義及計算方法（見電壓偏差的定義及計算方法（見P55P55，P87P87） 電壓偏差的危害（見電壓偏差的危害（見P57P575858） 電壓偏差是電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定的基本問題。電壓偏差是電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定的基本問題。究其原究其原因：因：系統(tǒng)無功功率不平衡系統(tǒng)無功功

5、率不平衡（無功電源不足或過剩、分配（無功電源不足或過剩、分配與分布不合理，如負荷與出力變化、運行方式和網絡結與分布不合理，如負荷與出力變化、運行方式和網絡結構變化等）構變化等）是造成電壓偏移標稱值的根本原因。是造成電壓偏移標稱值的根本原因。 我們有必要重溫無功功率與電壓的平衡關系式。我們有必要重溫無功功率與電壓的平衡關系式。2. 波動負荷對電壓特性的影響波動負荷對電壓特性的影響 對公式對公式32進一步展開并推導，我們可以得到波動負進一步展開并推導，我們可以得到波動負荷對電壓特性影響的關系式。荷對電壓特性影響的關系式。 設某一供電系統(tǒng)以簡化單線圖表示，如圖設某一供電系統(tǒng)以簡化單線圖表示，如圖31

6、（a）所）所示。示。0UUSZ0ULZUU PCC P+jQ I圖中圖中 為供電系統(tǒng)的無限大電源母線電壓，即開路電壓；為供電系統(tǒng)的無限大電源母線電壓，即開路電壓；U為公共連接點（為公共連接點（PCC）的母線電壓；為）的母線電壓；為PCC的系統(tǒng)阻抗，的系統(tǒng)阻抗， 為負荷阻抗；為負荷阻抗；PjQ 為負荷的復功率。為負荷的復功率。0USZLZ圖圖31（b）給出簡化單線電路的穩(wěn)態(tài)相量圖，圖中）給出簡化單線電路的穩(wěn)態(tài)相量圖，圖中U為參考相量；為參考相量；U0為無限大電源母線電壓相量；為無限大電源母線電壓相量； 為供電母線電壓降相量；為供電母線電壓降相量；I為負荷為負荷電流相量。習慣上規(guī)定，當電流滯后時，

7、負荷阻抗角，負荷電流相電流相量。習慣上規(guī)定，當電流滯后時，負荷阻抗角，負荷電流相量可表示為量可表示為其共軛相量為其共軛相量為負荷的復功率定義為負荷的復功率定義為ULLjIIIsincosLLjIIIsincosLLjUIUIIUjQPSsincos當負荷發(fā)生波動時，則有，當負荷發(fā)生波動時，則有， 負荷電流的變動量為負荷電流的變動量為由此引起供電母線電壓變動由此引起供電母線電壓變動式中，式中， 為與為與U同相位的電壓變動分量，同相位的電壓變動分量， 為與為與U相差相差 的電壓變動分量。的電壓變動分量。供電母線電壓幅值變化可以近似地以供電母線電壓幅值變化可以近似地以 的大小來衡量；供電母的大小來衡

8、量；供電母線電壓相角變化可以近似以線電壓相角變化可以近似以 的大小來衡量。因此可給出電壓的大小來衡量。因此可給出電壓(大小大小)變動量的計算式變動量的計算式LLIjIIsincos)sinIRcosIX( jsinIXcosIRIZULSLSLSLSSXRUjURUXU090RUXULSLSsinIXcosIRU 已知上式中，已知上式中， ， 于是電壓變動量大小與各參量的關系式可寫成于是電壓變動量大小與各參量的關系式可寫成將上式改寫可得到供電母線電壓變動百分值將上式改寫可得到供電母線電壓變動百分值d的計算公式的計算公式UPLcosIUQLsinIUQXPRUSS1002NSSUQXPR(%)d

9、進一步推導有進一步推導有在工程計算中，上式中各參量單位規(guī)范為在工程計算中，上式中各參量單位規(guī)范為 PCC點電壓標稱值（點電壓標稱值（ ） ， 系統(tǒng)等值電阻和電抗（系統(tǒng)等值電阻和電抗（ ） 負荷汲取的有功功率和無功功率變化量（負荷汲取的有功功率和無功功率變化量（ ） PCC點短路容量（點短路容量（ ） 通常在中壓和高壓電網中，等值電阻遠小于其等值電抗，一般通常在中壓和高壓電網中，等值電阻遠小于其等值電抗，一般 1，供電母線電壓變動百分值計算公式可近似簡化為，供電母線電壓變動百分值計算公式可近似簡化為 1001002kSSNSSSQP)X/R(UQXPR(%)dNUkVSRSXQ,P varM,M

10、WkSMVASSX/R從上式我們可以很清楚了解到，從上式我們可以很清楚了解到，電壓波動值與負荷的無功功電壓波動值與負荷的無功功率變動量成正比，與公共連接點的短路容量成反比。率變動量成正比，與公共連接點的短路容量成反比。這是計算電壓變動常用的基本公式。這是計算電壓變動常用的基本公式。在實際運行中，由于波動性負荷功率因數低，無功功率變動量相在實際運行中，由于波動性負荷功率因數低，無功功率變動量相對較大，并且功率變化過程快，所以波動性負荷是引起電壓波動對較大，并且功率變化過程快，所以波動性負荷是引起電壓波動的主要原因。的主要原因。 短路容量，是系統(tǒng)電壓強度的標志。短路容量，是系統(tǒng)電壓強度的標志。短路

11、容量大（對應于短路容量大（對應于系統(tǒng)等值阻抗?。?，表明電網絡堅強，負荷、并聯電容和或電抗系統(tǒng)等值阻抗?。?，表明電網絡堅強，負荷、并聯電容和或電抗的投切不會引起電壓幅值大的變化；反之依然。的投切不會引起電壓幅值大的變化；反之依然。100(%)kSQd電壓波動與無功補償容量的算例通常，無功功率以Mvar為單位，短路容量用MVA表示，則 = x %kSQd(%)例如，一個容量為例如，一個容量為200Mvar的電容器組投入運行，接入點短路容量為的電容器組投入運行，接入點短路容量為10000MVA，則會引起，則會引起 2的電壓波動。的電壓波動。又如，一個母線的電壓波動為又如，一個母線的電壓波動為3，該點

12、短路容量等于，該點短路容量等于5000MVA，則為此安裝的抑制電壓波動的無功補償容量為：則為此安裝的抑制電壓波動的無功補償容量為： 150Mvar。注意到，上例中注意到，上例中150MVA說明感性無功和容性無功補償的互補作用。說明感性無功和容性無功補償的互補作用。還需注意到，電容補償的固有缺點：其還需注意到，電容補償的固有缺點：其補償容量與接入點電壓的平方補償容量與接入點電壓的平方成正比。因此，系統(tǒng)大量依靠電容器補償無功存在電壓穩(wěn)定的脆弱性。成正比。因此，系統(tǒng)大量依靠電容器補償無功存在電壓穩(wěn)定的脆弱性。供配電網絡結構對電壓的影響 輸送距離過長，輸送容量過大，導線截面過小都會加大線路的電壓損失，

13、使得受端電壓出現嚴重偏差。 書中表31 我國對線路輸送距離和輸送功率的規(guī)定。其中還需要考慮到技術經濟性比較，如電壓等級升高對絕緣強度的要求，電壓等級降低對導線截面的要求等。電壓偏差超過允許范圍的危害對用電設備（照明、電動機、電子電器等）的危害 設備運行性能惡化，運行效率降低，過電壓或過電流使設備壽命減少，甚至損壞電氣設備。對電網的危害 由于線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。當系統(tǒng)電壓偏低時，輸電極限功率大幅度下降，可能引起系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定問題。電壓偏低可能使得負荷無功需求加大，無功分布和補償失衡，進而引起電壓不穩(wěn)定問題。電壓過高，會造成系統(tǒng)設備絕緣受損、鐵芯飽和，產生諧波諧振，

14、威脅系統(tǒng)安全運行。對經濟運行的影響 使得系統(tǒng)的有功損耗、無功損耗、電壓損失電暈損耗大大增加，使系統(tǒng)運行成本明顯增加。功率波動性負荷一般分類功率波動性負荷一般分類 負荷特性是影響電壓穩(wěn)定性的一個關鍵因素，系統(tǒng)負荷特性是影響電壓穩(wěn)定性的一個關鍵因素，系統(tǒng)電壓的動態(tài)穩(wěn)定主要取決于負荷與電壓控制措施的電壓的動態(tài)穩(wěn)定主要取決于負荷與電壓控制措施的實效，電壓穩(wěn)定已經被稱為負荷穩(wěn)定。實效，電壓穩(wěn)定已經被稱為負荷穩(wěn)定。 根據用電設備的工作特征和對電壓特性的影響，波根據用電設備的工作特征和對電壓特性的影響，波動性負荷可分為兩大類型：動性負荷可分為兩大類型：1）軋鋼機和絞車等負荷的電動機頻繁啟動，焊機等負）軋鋼機

15、和絞車等負荷的電動機頻繁啟動，焊機等負荷的間歇通電，都會引起荷的間歇通電，都會引起時常電壓變動時常電壓變動，并且是有，并且是有一定規(guī)律的一定規(guī)律的周期電壓變動周期電壓變動；2）電弧爐等波動性負荷則會引起供電點出現）電弧爐等波動性負荷則會引起供電點出現連續(xù)電壓連續(xù)電壓變動變動，并且是無規(guī)律的，并且是無規(guī)律的隨機電壓變動隨機電壓變動。四、三相電壓不平衡1、基本概念與特征 三相平衡（對稱）系統(tǒng)的特征：三相電壓（電流）瞬時值之和為零；三相瞬時總功率與時間無關。 三相電力系統(tǒng)電壓不平衡一般是指基波情況下的三相電壓大小不相等和/或相角差不滿足互差120的關系。 不對稱三相系統(tǒng)和不平衡三相系統(tǒng) 三相電壓不平

16、衡是衡量三相系統(tǒng)對稱的質量指標2、三相電壓不平衡度的計算 電壓的不平衡度一般用對稱分量法分析，取基波的負序（零序）電壓與正序電壓方均根值的百分比表示（IEC、GB）1,21,100%UuU1,001,100%UuU,22,01113111papbcpUUaaUaaUUU 基于線電壓與基于相電壓的三相不平衡度30,3ejlpUU30,3ejlpUU2l2 puu60j2l2 pe 測量線電壓時，零序不平衡度就是零。然而，相對中性點和相對地電壓仍然有可能包括零序分量。2、三相電壓不平衡度的計算2136100%136u444abbcca2222abbcca()UUUUUU（ABABBABABCBCBBCC 其他計算方法（1）基于三角形解析的精確算法22233AABCABBCAABCABBC2、三相電壓不平衡度的計算 其他計算方法（2）基于電壓幅值的簡易算法（IEEE）2100%avUuU3abbccaavUUUUmax(