第三章傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析與改善

1、一、電力系統(tǒng)運(yùn)行特性一、電力系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行特性一、電力系統(tǒng)運(yùn)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(jīng)濟(jì)性電力經(jīng)濟(jì)性電能質(zhì)量電能數(shù)量 系統(tǒng)正常運(yùn)行系統(tǒng)正常運(yùn)行電力系統(tǒng)可靠性電力充裕性電力經(jīng)濟(jì)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定設(shè)備性能調(diào)節(jié)系統(tǒng)保護(hù)與控制系統(tǒng)規(guī)劃 系統(tǒng)改造 運(yùn)行方式單位煤耗，線(xiàn)損，功率因數(shù)節(jié)能增效，市場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)正常運(yùn)行應(yīng)滿(mǎn)足的2個(gè)條件：任一節(jié)點(diǎn)的P、Q必須平衡；各節(jié)點(diǎn)和各元件的基本電氣參數(shù)不應(yīng)超過(guò)允許偏差

2、。電能質(zhì)量就是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中各電氣特性參數(shù)的具體表現(xiàn)。當(dāng)其滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)為（優(yōu)質(zhì)）合格運(yùn)行?？煽拷?jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì) 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(yùn)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(dòng)角度穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性短期（1n秒）長(zhǎng)期（n分鐘）系統(tǒng)故障無(wú)功電源損失等大擾動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷少量變化等小擾動(dòng)短期和長(zhǎng)期現(xiàn)象 電壓連續(xù)頻率電壓穩(wěn)定：系統(tǒng)從一個(gè)給定的初始狀態(tài)承受擾動(dòng)后保持母線(xiàn)靜態(tài)電壓的能力。頻率穩(wěn)定：系統(tǒng)由于發(fā)電和負(fù)荷顯著不平衡或故障引起嚴(yán)重不平衡后保持系統(tǒng)靜態(tài)頻率的能力。npf60LoadsActive power足夠的調(diào)頻功率儲(chǔ)備與有功/

3、負(fù)荷控制手段增減機(jī)電力矩，控制發(fā)電機(jī)的調(diào)速器，保證系統(tǒng)總發(fā)電容量動(dòng)態(tài)變化的負(fù)荷容量；緊急狀態(tài)下采取切負(fù)荷保持頻率穩(wěn)定頻率在限定范圍內(nèi)變化；頻率是系統(tǒng)供需穩(wěn)定與否的晴雨表一個(gè)信息量充足、可靠，能提供給系統(tǒng)運(yùn)行人員所需要的數(shù)據(jù)的信息網(wǎng)絡(luò)，是對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的先決條件智能電網(wǎng)的核心技術(shù)之一rfff rff(%)100rfrfff240fIf dt 考慮到瞬變狀態(tài)時(shí)，要求頻率的大幅度變化能夠迅速減小，使它落在根據(jù)系統(tǒng)安全狀態(tài)設(shè)定的喇叭狀曲線(xiàn)中。圖為故障后瞬變時(shí)長(zhǎng)900s，頻率必須穩(wěn)定在f0 20mHz范圍內(nèi)。 GLSKKfPK第三章第三章 傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析與改善措施傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析與改善措施（本

4、章內(nèi)容以自學(xué)閱讀為主，這里給出幾個(gè)要點(diǎn)問(wèn)題）（本章內(nèi)容以自學(xué)閱讀為主，這里給出幾個(gè)要點(diǎn)問(wèn)題）一、電力系統(tǒng)運(yùn)行特性一、電力系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行中的經(jīng)典問(wèn)題電壓穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的經(jīng)典問(wèn)題 電壓偏差的定義及計(jì)算方法（見(jiàn)電壓偏差的定義及計(jì)算方法（見(jiàn)P55P55，P87P87） 電壓偏差的危害（見(jiàn)電壓偏差的危害（見(jiàn)P57P575858） 電壓偏差是電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定的基本問(wèn)題。電壓偏差是電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定的基本問(wèn)題。究其原究其原因：因：系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡系統(tǒng)無(wú)功功

5、率不平衡（無(wú)功電源不足或過(guò)剩、分配（無(wú)功電源不足或過(guò)剩、分配與分布不合理，如負(fù)荷與出力變化、運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)與分布不合理，如負(fù)荷與出力變化、運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化等）構(gòu)變化等）是造成電壓偏移標(biāo)稱(chēng)值的根本原因。是造成電壓偏移標(biāo)稱(chēng)值的根本原因。 我們有必要重溫?zé)o功功率與電壓的平衡關(guān)系式。我們有必要重溫?zé)o功功率與電壓的平衡關(guān)系式。2. 波動(dòng)負(fù)荷對(duì)電壓特性的影響波動(dòng)負(fù)荷對(duì)電壓特性的影響 對(duì)公式對(duì)公式32進(jìn)一步展開(kāi)并推導(dǎo)，我們可以得到波動(dòng)負(fù)進(jìn)一步展開(kāi)并推導(dǎo)，我們可以得到波動(dòng)負(fù)荷對(duì)電壓特性影響的關(guān)系式。荷對(duì)電壓特性影響的關(guān)系式。 設(shè)某一供電系統(tǒng)以簡(jiǎn)化單線(xiàn)圖表示，如圖設(shè)某一供電系統(tǒng)以簡(jiǎn)化單線(xiàn)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(wú)限大電源母線(xiàn)電壓，即開(kāi)路電壓；為供電系統(tǒng)的無(wú)限大電源母線(xiàn)電壓，即開(kāi)路電壓；U為公共連接點(diǎn)（為公共連接點(diǎn)（PCC）的母線(xiàn)電壓；為）的母線(xiàn)電壓；為PCC的系統(tǒng)阻抗，的系統(tǒng)阻抗， 為負(fù)荷阻抗；為負(fù)荷阻抗；PjQ 為負(fù)荷的復(fù)功率。為負(fù)荷的復(fù)功率。0USZLZ圖圖31（b）給出簡(jiǎn)化單線(xiàn)電路的穩(wěn)態(tài)相量圖，圖中）給出簡(jiǎn)化單線(xiàn)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(wú)限大電源母線(xiàn)電壓相量；為無(wú)限大電源母線(xiàn)電壓相量； 為供電母線(xiàn)電壓降相量；為供電母線(xiàn)電壓降相量；I為負(fù)荷為負(fù)荷電流相量。習(xí)慣上規(guī)定，當(dāng)電流滯后時(shí)，

7、負(fù)荷阻抗角，負(fù)荷電流相電流相量。習(xí)慣上規(guī)定，當(dāng)電流滯后時(shí)，負(fù)荷阻抗角，負(fù)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(fù)荷的復(fù)功率定義為負(fù)荷的復(fù)功率定義為ULLjIIIsincosLLjIIIsincosLLjUIUIIUjQPSsincos當(dāng)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，則有，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，則有， 負(fù)荷電流的變動(dòng)量為負(fù)荷電流的變動(dòng)量為由此引起供電母線(xiàn)電壓變動(dòng)由此引起供電母線(xiàn)電壓變動(dòng)式中，式中， 為與為與U同相位的電壓變動(dòng)分量，同相位的電壓變動(dòng)分量， 為與為與U相差相差 的電壓變動(dòng)分量。的電壓變動(dòng)分量。供電母線(xiàn)電壓幅值變化可以近似地以供電母線(xiàn)電壓幅值變化可以近似地以 的大小來(lái)衡量；供電母的大小來(lái)衡

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

9、進(jìn)一步推導(dǎo)有進(jìn)一步推導(dǎo)有在工程計(jì)算中，上式中各參量單位規(guī)范為在工程計(jì)算中，上式中各參量單位規(guī)范為 PCC點(diǎn)電壓標(biāo)稱(chēng)值（點(diǎn)電壓標(biāo)稱(chēng)值（ ） ， 系統(tǒng)等值電阻和電抗（系統(tǒng)等值電阻和電抗（ ） 負(fù)荷汲取的有功功率和無(wú)功功率變化量（負(fù)荷汲取的有功功率和無(wú)功功率變化量（ ） PCC點(diǎn)短路容量（點(diǎn)短路容量（ ） 通常在中壓和高壓電網(wǎng)中，等值電阻遠(yuǎn)小于其等值電抗，一般通常在中壓和高壓電網(wǎng)中，等值電阻遠(yuǎn)小于其等值電抗，一般 1，供電母線(xiàn)電壓變動(dòng)百分值計(jì)算公式可近似簡(jiǎn)化為，供電母線(xiàn)電壓變動(dòng)百分值計(jì)算公式可近似簡(jiǎn)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(dòng)值與負(fù)荷的無(wú)功功電壓波動(dòng)值與負(fù)荷的無(wú)功功率變動(dòng)量成正比，與公共連接點(diǎn)的短路容量成反比。率變動(dòng)量成正比，與公共連接點(diǎn)的短路容量成反比。這是計(jì)算電壓變動(dòng)常用的基本公式。這是計(jì)算電壓變動(dòng)常用的基本公式。在實(shí)際運(yùn)行中，由于波動(dòng)性負(fù)荷功率因數(shù)低，無(wú)功功率變動(dòng)量相在實(shí)際運(yùn)行中，由于波動(dòng)性負(fù)荷功率因數(shù)低，無(wú)功功率變動(dòng)量相對(duì)較大，并且功率變化過(guò)程快，所以波動(dòng)性負(fù)荷是引起電壓波動(dòng)對(duì)較大，并且功率變化過(guò)程快，所以波動(dòng)性負(fù)荷是引起電壓波動(dòng)的主要原因。的主要原因。 短路容量，是系統(tǒng)電壓強(qiáng)度的標(biāo)志。短路容量，是系統(tǒng)電壓強(qiáng)度的標(biāo)志。短路

11、容量大（對(duì)應(yīng)于短路容量大（對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)等值阻抗?。砻麟娋W(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)，負(fù)荷、并聯(lián)電容和或電抗系統(tǒng)等值阻抗?。砻麟娋W(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)，負(fù)荷、并聯(lián)電容和或電抗的投切不會(huì)引起電壓幅值大的變化；反之依然。的投切不會(huì)引起電壓幅值大的變化；反之依然。100(%)kSQd電壓波動(dòng)與無(wú)功補(bǔ)償容量的算例通常，無(wú)功功率以Mvar為單位，短路容量用MVA表示，則 = x %kSQd(%)例如，一個(gè)容量為例如，一個(gè)容量為200Mvar的電容器組投入運(yùn)行，接入點(diǎn)短路容量為的電容器組投入運(yùn)行，接入點(diǎn)短路容量為10000MVA，則會(huì)引起，則會(huì)引起 2的電壓波動(dòng)。的電壓波動(dòng)。又如，一個(gè)母線(xiàn)的電壓波動(dòng)為又如，一個(gè)母線(xiàn)的電壓波動(dòng)為3，該點(diǎn)

12、短路容量等于，該點(diǎn)短路容量等于5000MVA，則為此安裝的抑制電壓波動(dòng)的無(wú)功補(bǔ)償容量為：則為此安裝的抑制電壓波動(dòng)的無(wú)功補(bǔ)償容量為： 150Mvar。注意到，上例中注意到，上例中150MVA說(shuō)明感性無(wú)功和容性無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕パa(bǔ)作用。說(shuō)明感性無(wú)功和容性無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕パa(bǔ)作用。還需注意到，電容補(bǔ)償?shù)墓逃腥秉c(diǎn)：其還需注意到，電容補(bǔ)償?shù)墓逃腥秉c(diǎn)：其補(bǔ)償容量與接入點(diǎn)電壓的平方補(bǔ)償容量與接入點(diǎn)電壓的平方成正比。因此，系統(tǒng)大量依靠電容器補(bǔ)償無(wú)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(bǔ)償無(wú)功存在電壓穩(wěn)定的脆弱性。供配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)電壓的影響 輸送距離過(guò)長(zhǎng)，輸送容量過(guò)大，導(dǎo)線(xiàn)截面過(guò)小都會(huì)加大線(xiàn)路的電壓損失，

13、使得受端電壓出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。 書(shū)中表31 我國(guó)對(duì)線(xiàn)路輸送距離和輸送功率的規(guī)定。其中還需要考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，如電壓等級(jí)升高對(duì)絕緣強(qiáng)度的要求，電壓等級(jí)降低對(duì)導(dǎo)線(xiàn)截面的要求等。電壓偏差超過(guò)允許范圍的危害對(duì)用電設(shè)備（照明、電動(dòng)機(jī)、電子電器等）的危害 設(shè)備運(yùn)行性能惡化，運(yùn)行效率降低，過(guò)電壓或過(guò)電流使設(shè)備壽命減少，甚至損壞電氣設(shè)備。對(duì)電網(wǎng)的危害 由于線(xiàn)路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線(xiàn)路的電壓平方成正比。當(dāng)系統(tǒng)電壓偏低時(shí)，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(wèn)題。電壓偏低可能使得負(fù)荷無(wú)功需求加大，無(wú)功分布和補(bǔ)償失衡，進(jìn)而引起電壓不穩(wěn)定問(wèn)題。電壓過(guò)高，會(huì)造成系統(tǒng)設(shè)備絕緣受損、鐵芯飽和，產(chǎn)生諧波諧振，

14、威脅系統(tǒng)安全運(yùn)行。對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響 使得系統(tǒng)的有功損耗、無(wú)功損耗、電壓損失電暈損耗大大增加，使系統(tǒng)運(yùn)行成本明顯增加。功率波動(dòng)性負(fù)荷一般分類(lèi)功率波動(dòng)性負(fù)荷一般分類(lèi) 負(fù)荷特性是影響電壓穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素，系統(tǒng)負(fù)荷特性是影響電壓穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素，系統(tǒng)電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定主要取決于負(fù)荷與電壓控制措施的電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定主要取決于負(fù)荷與電壓控制措施的實(shí)效，電壓穩(wěn)定已經(jīng)被稱(chēng)為負(fù)荷穩(wěn)定。實(shí)效，電壓穩(wěn)定已經(jīng)被稱(chēng)為負(fù)荷穩(wěn)定。 根據(jù)用電設(shè)備的工作特征和對(duì)電壓特性的影響，波根據(jù)用電設(shè)備的工作特征和對(duì)電壓特性的影響，波動(dòng)性負(fù)荷可分為兩大類(lèi)型：動(dòng)性負(fù)荷可分為兩大類(lèi)型：1）軋鋼機(jī)和絞車(chē)等負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，焊機(jī)等負(fù)）軋鋼機(jī)

15、和絞車(chē)等負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，焊機(jī)等負(fù)荷的間歇通電，都會(huì)引起荷的間歇通電，都會(huì)引起時(shí)常電壓變動(dòng)時(shí)常電壓變動(dòng)，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(dòng)周期電壓變動(dòng)；2）電弧爐等波動(dòng)性負(fù)荷則會(huì)引起供電點(diǎn)出現(xiàn)）電弧爐等波動(dòng)性負(fù)荷則會(huì)引起供電點(diǎn)出現(xiàn)連續(xù)電壓連續(xù)電壓變動(dòng)變動(dòng)，并且是無(wú)規(guī)律的，并且是無(wú)規(guī)律的隨機(jī)電壓變動(dòng)隨機(jī)電壓變動(dòng)。四、三相電壓不平衡1、基本概念與特征 三相平衡（對(duì)稱(chēng)）系統(tǒng)的特征：三相電壓（電流）瞬時(shí)值之和為零；三相瞬時(shí)總功率與時(shí)間無(wú)關(guān)。 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(mǎn)足互差120的關(guān)系。 不對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)的質(zhì)量指標(biāo)2、三相電壓不平衡度的計(jì)算 電壓的不平衡度一般用對(duì)稱(chēng)分量法分析，取基波的負(fù)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(xiàn)電壓與基于相電壓的三相不平衡度30,3ejlpUU30,3ejlpUU2l2 puu60j2l2 pe 測(cè)量線(xiàn)電壓時(shí)，零序不平衡度就是零。然而，相對(duì)中性點(diǎn)和相對(duì)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(jì)算2136100%136u444abbcca2222abbcca()UUUUUU（ABABBABABCBCBBCC 其他計(jì)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(jì)算 其他計(jì)算方法（2）基于電壓幅值的簡(jiǎn)易算法（IEEE）2100%avUuU3abbccaavUUUUmax(