智能電網(wǎng)基礎(chǔ)：電能質(zhì)量問題

時間：2020-07-28 12:54:01

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[導讀] 一、電能質(zhì)量概述電能質(zhì)量（Power Quality）：導致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態(tài)過電壓、波形畸

一、電能質(zhì)量概述

電能質(zhì)量（Power Quality）：導致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態(tài)過電壓、波形畸變與諧波、電壓暫降與短時間中斷等。

二、電壓偏差

國標：供電電壓偏差（GB 12325—1990）（GB/T 12325-2008）

電壓偏差：供電系統(tǒng)在正常運行方式下，某一節(jié)點的實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓之差對系統(tǒng)標稱電壓的百分數(shù)，稱為該節(jié)點的電壓偏差。

國標要求：

1、35kV及以上正負偏差之和 10％

2、20kV及以下 ≤ ±7％

3、220V單相＋7％～－10％

4、對供電短路容量較小，供電距離較長以及對供電電壓有有特殊要求的用戶，由供用電雙方共同確定。

控制措施：危害不必多言，對設(shè)備，功角穩(wěn)定等都有較大危害。

1）配置足夠的無功功率電源

原則：分區(qū)、分層、分變電所進行補償，實現(xiàn)無功功率的就地平衡，并留有足夠的備用容量。

2）系統(tǒng)調(diào)壓

在系統(tǒng)中選擇一些關(guān)鍵性的母線作為電壓監(jiān)測點，若能降電壓監(jiān)測點的電壓偏差控制在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)中其它點的電壓及負荷電壓就能基本滿足要求。這些電壓監(jiān)測點稱為電壓中樞點。電壓中樞點一般選擇系統(tǒng)內(nèi)裝機容量較大的發(fā)電廠高壓母線，容量較大的變電站低壓母線，有大量地方負荷的發(fā)電機母線。

發(fā)電機調(diào)壓：首先被考慮，缺點：此方法只能滿足電廠地區(qū)負荷的調(diào)壓要求，對于通過多級電壓輸電的負荷無法滿足要求。

變壓器調(diào)壓：這種調(diào)壓方式的前提是系統(tǒng)的無功功率充足，這種方式只是改變了電力系統(tǒng)無功功率分布。在無功功率充足的系統(tǒng)中，應(yīng)大力推廣采用有載調(diào)壓變壓器。

至于無功電壓的分級自動控制，則是另外一個層面的事了。

工程案例：

平時的電能質(zhì)量分析報告，無功配置計算是比較關(guān)鍵的點（另一個是諧波計算）。

最終得出的無功補償配置方案應(yīng)該來自于兩個方面，一個是理論計算，就是根據(jù)類似線路長度，箱變臺數(shù)的電氣參數(shù)，算出需要配置多少無功，另一個就是仿真計算，計算在大小方式下，相關(guān)元件母線電壓的情況，如下圖。

三、電壓波動與閃變

國標：電壓波動和閃變（GB 12326—2000）（GB/T 12326-2008）

電壓波動：波動幅值不超過10%的周期性電壓變動。通常，這個變化值遠小于大部分電氣設(shè)備敏感限制，因此只在少數(shù)情況下才會發(fā)生運行上的問題。引起電壓波動的主要原因是功率沖擊性波動負荷。（下圖為電弧爐引起電壓波動）

國標中以典型的電弧爐負荷為對象設(shè)定了電壓波動的極限值。

電壓閃變：閃變是電壓波動引起的有害結(jié)果，是指人對照度波動的主觀視感，它不屬于電磁現(xiàn)象。嚴格講用電壓閃變這一術(shù)語從概念上是混淆的。這里也有一些測量指標，但是一般不易量化，考慮的不多。

控制措施：

（1）提高供電電源的電壓等級，以提高與電網(wǎng)公共連接點的短路容量，使其對電網(wǎng)的影響限制在允許的范圍內(nèi)；

（2）采用SVC（SVG）裝置，使其多項指標限定在允許的范圍內(nèi)。

無功功率變動量是造成電弧爐電壓波動和閃變的主要因素，所以維持系統(tǒng)無功功率就是改善和抑制電壓波動和閃變的根本方法。

常規(guī)并聯(lián)電容器組由于阻抗固定，不僅不能動態(tài)跟蹤負荷無功功率變化而調(diào)整無功補償，而且會使諧波嚴重放大，因此不能用于電壓波動和閃變較大的場合。靜止無功補償器（SVC）根據(jù)無功功率的需求自動補償，所謂靜止無功補償?shù)撵o止是指它沒有機械運動部件，但它的補償是動態(tài)的，即根據(jù)無功的需求或電壓的變化自動跟蹤補償。

SVC由可控電感、固定或可變電容支路并聯(lián)組成，在工程上應(yīng)用實現(xiàn)的有：飽和電抗器（SR）、晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）和晶閘管控制的高阻抗變壓器（TCT）。TCR型SVC實際應(yīng)用最廣。

SVG（statcom）：電壓源型逆變較佳，可通過調(diào)節(jié)其直流側(cè)電容電壓的幅值和/或變換器的調(diào)制比就可以控制變換器交流輸出電壓的幅值，進而改變裝置輸出電流的極性（容性或感性）和大小，達到連續(xù)控制輸出無功功率的極性和大小的目的。

SVG在無功控制能力、無功補償響應(yīng)速度、同等補償效果所需容量、占地面積、損耗與輸出無功的關(guān)系等方面均優(yōu)于SVC。而且近年來，二者的價格差距變小，且國產(chǎn)SVG技術(shù)已經(jīng)成熟。

四、波形畸變與電力諧波

國標：電壓波動和閃變（GB 12326—2000）（GB/T 12326-2008）

波形畸變：波形畸變是由電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備引起的，流過非線性設(shè)備的電流和加在其上的電壓不成比例關(guān)系。

電力諧波：任何周期性的畸變波形都可用正弦波形的和表示，其中，頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量稱為諧波（如我國電力系統(tǒng)的工頻為50Hz，則基波為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波為150Hz等），頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量稱為諧波，而一系列正弦波形的和稱為傅里葉級數(shù)。

在一定的供電系統(tǒng)條件下，有些用電負荷會出現(xiàn)非整數(shù)倍的周期性電流的波動，不是基波整數(shù)倍頻率的分數(shù)諧波稱間諧波。次諧波是指頻率低于工頻基波頻率的分量。

暫態(tài)過程中含有高頻分量，但是和諧波卻是兩個完全不同的現(xiàn)象，電力系統(tǒng)僅在受到突然擾動之后，其暫態(tài)波形呈高頻特性，但這些頻率并不是諧波，與基波頻率無關(guān)。

國標要求：

平常諧波計算一般用電力軟件計算，當然用公式算好像也可以。

諧波源：傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的主要諧波源是電力變壓器，當代電力系統(tǒng)中的最主要的諧波源——非線性電力電子裝置。

危害：

1）系統(tǒng)角度，諧波會導致一些不正?，F(xiàn)象：一是超高壓長線上，諧波電流若較大，潛供電弧熄滅會被延緩，單相重合閘可能會失敗，擴大事故，消弧線圈接地的系統(tǒng)中同樣存在這個問題；二是諧波分量較大的時候，可能引起保護誤動或拒動，如零序三次諧波過大，可能引起接地保護誤動；三是計量和測量誤差，尤其對過零檢測相位的表計來說，更為嚴重。

2）諧波引起設(shè)備的附加損耗，降低效率。尤其是對電容器組的影響，隨著頻率的提高，其介質(zhì)損耗會明顯增加；對輸電線路來說，由于諧波頻率高和趨膚效應(yīng)的原因，線路電阻會增加，因而引起附件線損；同時變壓器和電機等，都會引起一定附加的銅耗和鐵損，產(chǎn)生局部過熱。

3）加速絕緣老化，很大縮短設(shè)備壽命。諧波作用下，絕緣老化物理過程明顯加劇，對電纜，電容器等危害很大。

4）可能產(chǎn)生局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，并放大諧波水平。從而導致諧波支路中的設(shè)備因過電壓或過電流而損壞。如在電容器裝置中串接電抗率的電抗器后，可以對電網(wǎng)5次及以上諧波有抑制作用，但對5次以下諧波卻有放大作用。

5）諧波對通信系統(tǒng)的干擾。若諧波頻率接近載波頻率，電力線載波通信和遠動裝置信號傳輸會被一定程度干擾，此外通過電磁、靜電和傳導耦合途徑，也會對平行敷設(shè)的通信線路產(chǎn)生干擾。

控制措施：

電力諧波的抑制或減緩措施通?？煞譃轭A防性措施和補償性措施。

預防性措施：1）供電設(shè)備如電容器、變壓器、發(fā)電機等在設(shè)計、制造、規(guī)劃、配置等方面采取減少諧波的措施；2）通過增加整流器的脈動數(shù)或采用可控整流限制電力諧波的主要來源整流器的諧波。

補償性措施：1）濾波器的應(yīng)用；2）改變饋線參數(shù)，采用饋電線重構(gòu)或電容器改變安裝位置等避免諧振。

無源電力濾波器：

對于大容量的諧波濾除工程，往往采用若干組單調(diào)諧濾波器（或者雙調(diào)諧）與一組（或多組）高通濾波器配合使用的方案。

在濾波器參數(shù)初步確定后，濾波器參數(shù)的最終確定需結(jié)合濾波效果與無功功率補償要求等進行修正。

無源濾波裝置是目前應(yīng)用最為廣泛的諧波抑制手段，它是按照希望抑制的諧波次數(shù)專門量身制造的，但也存在著難以克服的缺陷：1、濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大，極易與系統(tǒng)或者其它濾波支路發(fā)生串并聯(lián)諧振。2、只能消除特定的幾次諧波，而對其他的某次諧波則會產(chǎn)生放大作用3、濾波、無功補償、調(diào)壓等要求之間有時難以協(xié)調(diào)4、諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載，甚至損壞設(shè)備。5、有效材料消耗多，體積大。

有源濾波技術(shù)（APF）作為一種新型的諧波治理技術(shù)，與無源濾波技術(shù)相比，優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

實現(xiàn)動態(tài)補償，可對頻率和大小均變化的無功功率進行補償，響應(yīng)速度快；

有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化，規(guī)?；a(chǎn)；

當電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在諧振的危險；

補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要的儲能元件不大；

用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整數(shù)倍次的諧波電流；

當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮作用；

裝置可以僅輸出所需要補償?shù)母叽沃C波電流，不輸出基波無功功率。

有源濾波和無源濾波由于各自優(yōu)勢（無源成本低，有源成本高，動態(tài)補償效果好），很多場合是混合使用的。

五、電壓暫降

國標：《電能質(zhì)量電壓暫降與短時中斷》（GB/T30137-2013）

電壓暫降：電壓暫降或下跌是指供電電壓有效值在短時間內(nèi)突然下降又回升恢復的現(xiàn)象。在電網(wǎng)中這種現(xiàn)象的持續(xù)時間大多為0.1～1.5s。