（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器labwindowscvi的电能质量分析系统.pdf

西华大学硕士论文 p o w e r q u a l i t ya n a l y z i n gs y s t e mb a s e do n l a b w i n d o w s c v i m a j o r ：p o w e re l 砌m i ca n dp o w e rd r i v e p o s t g r a d u a t e ：l i nl i ns u p e r v i s o r ：d o n gx i u - e h e n g a b s t r a c t g e n e r a t o r , l l a n s f o r m e r , c i r c u i t r y , t h en o n - l i n e a ro ra s y m m e t r yo f t h ec o n s u m e r s i ns y s t e m , 踮w e l la sc o n t r o lm e a n si n c o m p l e t e o u t s i d ei n t e r f e r e n c ea n dv a r i o u s f a i l u r e si s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o rs y s t e mv o l t a g eu n b a l a n c e a n ds i n ev o l t a g e d i s t o r t i o n s op o w e rq u a l i t yp r o b l e ma r i s e s i nv i e wo ft h ep r o b l e mt h a tt h es t o r a g e c a p a c i t y i ss m a l l ，t h e d i 印l a yf u n c t i o ni sm o n o t o n o u s ，m e a s u r e m e n te l l - o ro f n o n - s i n u s o i d a lp a r a m e t e ri sb i ga n dt h ed a t aa n a l y 西n ga n dp r o c e s s i n gi si m p e r f e c t f o rt r a d r i o n a lp o w e rq u a l i t ya n a l y z e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c 圮t h ed e s i g ns c h 日n eo f p o w e rq u a l i t ya n a l y m gs y s t e mb a s e d f i l ll a b w i n d o w s c v l f i r s t , p r e s e n t ss i t u a t i o n a n d a n a l y z i n gm e a s u r g l t l e n ta b o u tp o w e rq u a l i t y s e c o n d , a n a l y z et h ep o w e rq u a l i t yi n d i c a t o 岱i n c l u d e dd e f i n e ，c a u s a t i o na n dh a z a r d t h i r d , p r e s e n tt h em a t h c n m t i c a la n a l y s e sm e t h o da b o u tp o w e rq u a l i t yw h i c hi n c l - d e s f o u r i e r t r a n s f o r m , w i n d o w f u n c t i o n , s p e c t r u m a a s i n g a n d s p e c m n l e a k a g e f o u r t h , d e t a i l e d l yd e p i c tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fp o w e rq u a l i t ya n a l y z i n g s y s t e m - a d o p tv i r t u a li n s t n n n c n ts y s t e mb a s m go np x it oa c c o m p l i s hh a r d w a r e s c t 血喀u p i ns o f t w a r e ，b a s eo nl a b w i n d o w s c v ip l a t f o r mt oa c c o m p l i s ha m a y z m g a n dp r o c e s s i n go fp o w e rq u a l i t yi n d i c a t o r si n c l u d e sa c q u i r i n gs i g m a ，a n a l y z h a g s i g n a l ，s a v i n gs i g n a l m e a s u r et h ef r e q u e n c yb yz e r oc r o s sd e t e c t i o n m e a 吼t h e a m p l i t u d ea n dp h a s eo ff u n d a m e n t a la n dh a r m o n i o u sb yf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m o b t a i nt h ep h a s ed e f l e c t i o nb yc o r r e l a t i o na n dt h ev o l t a g ef l u c t u a t i o nb ye o m p a r i s o n l 鹳la n a l y z et h ee r r o ro f t h em e 勰u r i n gd a t aa n dp r o p o s ei m p r o v i n g m e a s u r e d e p i c t h 西华大学硕士论文 t h es h o r t a g ei nt h i sd e s i g n , a n dm a k f iap r o s p e c tf o rt h et r e n do fp o w e rq u a l i t y a 1 1 a l y z t n gs y s t e l n k e y w o r d s ：v i r t u a li n s l n m 3 e n t s ，p o w e rq u a l i t y , l a b w m d o w s c v i , f o u r i e r t r a n s f o r m 1 1 1 西华大学硕士论文 1 绪论 1 1 电能质量的提出 电能是一种具有广泛适用性的能源，经济实用，清洁方便且容易传输、控 制和转换，又是种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质 量的特殊产品。 由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作问题，早在电力供 应一开始就引起了供电双方的关注。人们首先把电力系统运行中电压和频率偏 离标称值的多少作为电能质量的主要指标。之后，随着工业规模的扩大和科学 技术的发展，国民经济各部门的用电量不断增加，电气化程度越来越多的用户 采用了性能好、效率高但对电源性能变化敏感的高科技设备，电力用户对电能 质量的要求在不断提高。与此同时，许多新型的电气设备在其运行中会向电力 系统注入各种电磁干扰，对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的 危害与影响不断增加，电能质量问题日益突出，引起供电部门和广大电力用户 的普遍重视。根据国际会议报告介绍，在美国每年由于电能质量下降，其社会 影响和经济损失是相当严重的。人们已经开始认识到，电力部门只要将电能“如 数”的传输给电力用户，并且保证一定的供电连续性即可满足需求的想法是很 不完善的。电力系统的运行和工业生产过程对电能质量的要求正在逐步扩大和 深化，提高电能质量已经成为保证供电系统安全稳定运行的基本要求【l 】【2 】。 随着经济的发展和社会的迸步。计算机及其网络技术已经渗透到各个领 域，现代工业生产和产品的多样性与个性化发展趋势已经逐渐形成，工业管理 体制也在发生重大的变化。近年来随着电力行业深化改革，发电与输配电体制 分离、电能按质按量论价、电力网逐步实行商业化运营与市场交易已经是大势 所趋。可以说，最大限度的满足用户对不同电能形态变换的需要己成为工业发 达地区电力系统面临的新问题。这些变化大大推动了电能质量标准化的进程和 对供电质量的监督和管理。 西华大学硕士论文 当代电力系统的发展赋予了电能质量新的内涵和意义。近十多年来，电力 科技工作者们不断深入分析和探索，推动了电能质量先进控制技术的实施。所 有这些工作都最终构成了一个全面电能质量监督管理体系，真正实现电网的安 全稳定和优质经济运行，并向用户提供合格的电能和满意的服务。 1 2 电能质量监测技术的概况 目前，电能质量的监测方式主要有三种：设备入网前的专门检测，设备使 用中的定期或不定期检测和在线监铡。电力部门希望通过在电力系统电网中的 各等级变电站和特殊点安装专门的电能质量监测装置，采用电能质量在线监测 技术，组建电能质量在线监测系统，从而严格按照电能质量国家标准，通过利 用电能质量在线监测设备对电力系统电网进行在线监测，从而连续收集记录 和存储电力系统电网的频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、谐波，三相不 平衡等稳态信息，以及电压跌落，电压骤升和电压中断等暂态信息。因此，必 须对系统的电能质量进行长期在线监测【3 】。 目前电能质量研究分析的方法主要有：时域仿真方法，频域分析方法和基 域变换方法；产品有基于硬件的，如数字信号处理d s p 芯片和单片机芯片的， 也有基于软件的，如运行在工业计算机上的监测软件；监测产品方式主要以便 携式，单装置安装为主，电能质量监测的网络化程度较低。此外，现在电能质 量问题中越来越多的应用了模糊数学、神经网络、人工智能等方法及各种方法 的有机结合。 随着计算机和数字处理技术，微电子技术，电力电子技术，计算机通信和 网络等技术的融合发展。用于电能质量的监测技术必然会走上设备智能化，电 网自动化，计算机监控网络化相结合的道路。可以这样讲，实现电能质量监测 设备的数字化网络化，智能化和集成化是当前和今后发展的热点和重点【4 】。 如今电子技术和网络技术的飞速发展使这种需求的实现成为可能。电能质 量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展。电能 质量分析及其监测是一个较复杂的问题，如何合理、全面地分析处理各种干扰 源，充分将计算机技术和网络技术为电能质量分析与监测所用。都是应注意的 2 西华大学硕士论文 问题。同时，电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求， 也表明这一应用领域的研究需要多种技术的相互融合和各个领域的密切合作。 1 3 电能质量对电力系统的影响 电能质量是指通过公共电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公 共电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流 系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等，相位对称且互差1 2 0 0 。但由于系 统中的发电机、变压器、线路和用电设备的非线性或不对称，加之控制手段不 完善，以及外界干扰和各种故障原因，使电网中产生大量的谐波干扰、电压扰 动、电压波动与闪变，造成系统电压不平衡，从而引起电压正弦波畸变，因此 也就产生了电能质量问题 5 】。电能质量的污染，严重影响了电力系统和相关领 域的正常运行。衡量电能质量的主要指标有频率偏差、电压偏差、电压波动与 闪边、波形( 谐波含量) 和三相电压或电流不平衡度等。谐波对电力系统的影 响主要表现在以下几个方面： 1 ) 诣波电流使变压器的铁心损耗明显增加，从而使变压器局部过热，振 动和噪声增大，缩短使用寿命。 2 ) 谐波污染将增加线路的功能损耗和电能损耗，并有可能使电力线路出 现电压谐振，在线路上引起过电压，引起电气设备的绝缘击穿。 3 ) 由于电容器的谐波容抗小，可以使电容器出现过负荷而严重影响使用 寿命。另外，当电容器的谐波容抗与电网的谐波感抗相等而发生谐振 时，会引起电容器的谐波电流放大，使电容器过热而导致损坏。 4 ) 谐波电流通过交流电动机时，不仅会使电动机的铁心损耗明显增加， 而且还会使电动机转子产生振动，噪声增大，严重影响机械加工的产 品质量。 从上面谐波的危害可以看出，谐波是目前电力系统中影响电能质量的一大 “公害”。虚拟电能质量分析仪将重点分析谐波成分并计算谐波畸变率等性能 指标。 3 西华大学硕士论文 1 4 虚拟仪器技术 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术 领域发生巨大的变化。美国国家仪器公司于2 0 世纪8 0 年代中期首先提出基于 计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制 和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。经过十几年的发展，虚拟仪器技术将 高速发展的计算机技术，电子技术、通信技术和测试技术结合起来，开创了个 人计算机仪器时代，是测量仪器工业发展的一个里程碑。 1 4 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器的概念是由n i 公司最先提出来、基于可编程仪器的一种综合的 测试技术。虚拟仪器是为了适应早期的p c 卡式仪器的发展而提出来的。卡式 仪器由于自身不带仪器面板，甚至没有处理器，只是完成数据采集功能，必须 利用计算机的图形能力和数值处理功能建立图形化的虚拟仪器面板，并通过特 定的算法实现对仪器的控制、数据分析和测试结果的显示。因此，虚拟仪器可 以概括为：采集硬件+ 显示面板+ 算法软件。 n i 公司首先开发了图形化的开发工具l a b v i e w 用于实现虚拟测试仪器。 随后，该公司又推出了基于标准c 语言的半图形化开发工具l a b w m d o w s c v i , 该开发工具提供了对虚拟仪器的支持能力，还具有各种测试、控制和数值分析 的能力。 1 4 2 虚拟仪器的发展 虚拟仪器发展至今可以大致分为三个阶段，这三个阶段的过程都是以计 算机技术的持续发展为基础的，因此，各阶段之间没有明显的分界线，是一 个较为连续和逐步发展的过程。第一个阶段是基于计算机技术来提升传统仪器 功能阶段；第二个阶段是内在标准统一阶段；第三个阶段虚拟仪器软件封装及 组合阶段。 4 西华大学硕士论文 1 a 3 虚拟仪器强大的功能 虚拟仪器系统可以广泛地应用在通信、自动化、半导体、航空、电子、电 力、生化制药、工业生产等领域。虚拟仪器的出现使用户可更快捷、更经济、 更灵活地解决自己的测试测量和自动化应用问题，在应用方面比传统的仪器方 便灵活。虚拟仪器由用户自己定义，用一块通用的数据采集卡和计算机构成其 硬件部分，再配有相应的测试软件可以构成各种不同的仪器，如电压表、示波 器、温度显示、信号发生器等。虚拟仪器系统技术的应用，使用户可以用较少 的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、 质量更可靠的产品和系统。调查结果显示，虚拟仪器在我国现在使用行业主要 为教育行业、电子信息行业和石油化工行业1 6 j 。虚拟仪器在我国部分地区及部 分行业已经得到广泛使用，虚拟仪器作为一种先进的实验仪器和全新的科学研 究方法影响着各行各业，同时虚拟仪器在我国西部地区其它地区及行业有着广 阔的发展前景【，j 。 1 a 4 虚拟仪器在电能质量监测上应用 对电能质量的监测与分析，目前国内外大部分采用的是第三代测试仪器一 一智能仪器。这种监测仪器主要是利用数字技术和硬件来实现，很容易受到外 界环境的影响，且测量精度不是很高，在监测不同指标时，需要更换相应硬件， 这给监测和分析带来很多不便，为实现更多参数的监测，就必须额外配备辅助 硬件，这样就大大增加了监测系统的体积和成本，从而给系统的升级和维护带 来不便。 随着计算机技术的发展，出现了虚拟仪器，在计算机上实现仪器的三大功 能，把计算机技术和仪器技术完美的结合起来，充分利用飞速发展的计算机技 术来实现和增强传统仪器功能。虚拟仪器利用计算机系统的强大功能，结合相 应的硬件，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使用 户可以方便地对其进行维护、扩展和升级，利用强大的计算机软件来实现原来 需要大量硬件才能实现的测试功能。采用虚拟仪器技术开发研制电能质量监测 装置，是今后电能质量参数监测的发展趋势。 5 西华大学硕士论文 1 5 本篇论文的主要工作 本论文的研究对象为虚拟仪器技术在电能质量分析中的应用，研制出一套 基于虚拟仪器的电能质量分析系统，研究有关电能质量各项指标测量分析的相 关理论。因此，研究工作包括电能质量测量方法的理论分析、实验硬件的配置 及虚拟仪器软件的编程，详细内容如下： 1 ) 介绍了电能质量问题研究的发展概况，说明对电能质量进行分析的意 义以及必要性，指出电能质量监测领域的研究现状及其监澳装置存在 的问题。 2 ) 对电能质量的各项指标进行分析。讨论了电能质量问题的指标和电能 质量检测的方法，指出了各种电能质量问题带来的危害，并对电能质 量的国家标准进行了简要介绍。 3 ) 介绍了电能质量的数学分析方法。主要是在信号分析处理中要用到的 傅立叶变换，连续傅立叶变换，离散傅立叶变换和快速傅立叶变换及 窗函数和频谱混叠的数学分析方法。 4 ) 系统设计与实现。选用了基于p x i 总线的6 2 2 1 m 多功能数据采集机箱 进行硬件平台的搭建。在软件设计中，采用l a b w m d o w s c v i 语言对整 个电能质量检测系统进行编程和实现，并完成系统的连调。 5 ) 实验结果和误差分析。对所测结果进行分析，找出误差产生的原因。 并完成对电能质量各项指标的测试。 6 西华大学硕士论文 2 电能质量分析及测量 2 1 基本概念和定义 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。可以定义为：导致用电设备故 障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏 差、电压波动和闪变、三相不平德、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降 与短时间中断以及供点连续性等。 2 2 电能质量标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正 常使用电能的技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量技术，维护 供用电双方合法权益的法律依据。 迄今，我国已经制定并颁布的电能质量国家标准有：g b1 2 3 2 5 - - 1 9 9 0 电 能质量供电电压允许偏差、g b t1 4 5 4 9 - - - 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、 g b t 1 5 5 4 3 - - 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度、g b 厂r 1 5 5 4 3 - - 1 9 9 5 电 能质量电力系统频率允许偏差、g b1 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪 变五项国家标准。 2 3 供电电压偏差 2 3 1 电压偏差的定义 供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对 系统的标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为： 7 西华大学硕士论文 砌：u ”- u vx 1 0 0 【， 式中刃- 电压偏差 2 - 1 巩_ 实际电压，j 矿 u 。_ 系统标称电压，k v 供电系统正常运行方式是指系统中所有电气元件均按预定工况运行。供电 系统在正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常改变，系统 中各节点的电压随之发生改变，会偏离系统电压额定值。电压的这种变化是缓 慢的，其每秒电压变化率小于额定电压的1 。 2 3 2 电压偏差的限值i 司 目前，我国对3 5 k v 及以下供电电压规定了允许电压偏差，具体情况如下： 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的 1 0 。如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。 2 ) 1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的7 。 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为标称电压的+ 7 、- 1 0 。 2 3 3电压偏差产生的原因及危害 电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行 方式的改变而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无 功功率不平衡是引起系统电压偏离标称值的根本原因i l 引。 电压偏差过大对广大用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会产生 极大的危害。第一对用电设备的危害。第二对电网的危害。电压偏差大不仅对 系统的稳定造成威胁，而且影响系统的经济运行。当输送功率一定时，输电线 路和变压器的电流与运行电压成反比，而输电线路和变压器的有功损耗与电流 的平方成正比。因此，系统电压偏低将使电网的有功损耗、无功功率损耗以及 电压损失大大增加；系统电压偏高，超高压电网的电晕损耗加大。所有这些都 西华大学硕士论文 使供电成本增加。 2 3 a 改善电压偏差的措施 保证电力系统各节点电压在正常水平的充分必要条件是系统具备充足的 无功功率电源，同时采取必要的调压手段。从电力系统无功功率电源和调压手 段两方面对电压偏差的改善做介绍。 ( 一) 配置充足的无功功率电源 电力系统中的无功功率损耗很大一部分是线路和变压器中的无功功率损 耗。由于高压线路和变压器的等值电抗远大于等值电阻，变压器的无功损耗也 比有功损耗大得多，从而导致整个系统的无功损耗远大于有功损耗。系统运行 时仅靠发电机提供的无功功率远远不能满足系统对无功功率的需要，因此必须 装设大量的无功补偿设备。 电力系统的无功功率电源有同步发电机，同步调相机，电容器，电抗器和 静止无功补偿装置( s v c ) 等。 ( - - ) 系统调压手段 电压系统是一个庞大的系统，其中的负荷难以计数，无法对其中每一个节 点的电压进行监视和调整。通常的做法是选择些关键性的母线作为电压监视 点。如果将这些母线的电压偏差控制在允许范围内，系统中其他节点的电压及 负荷电压就能基本满足要求。这些电压监视点称为电压中枢点。对电力系统电 压偏差的监视与调整就是监视与调整系统的电压中枢点电压。一般选择系统内 装机容量较大的发电厂高压母线，容量较大的变电所低压母线，以及有大量地 方负荷的发电机母线作为电压中枢点。 在电压偏差的调整方式中，中枢点的调压方式有三种，即逆调压、顺调压 和恒调压。电压偏差的调整手段包括用发电机调压、改变变压器的变比调压和 改变线路参数调压【。 9 西华大学硕士论文 2 4 频率偏差 2 4 1 频率偏差的定义 根据电工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频率。电力系统正 常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差，表示为 a f = l ，一f n 式中一频率偏差 丘实际频率 。 厶- 系统标称频率 频率偏差属于频率变化范畴。电力系统的频率变化是指基波频率偏离规定 正常值的现象。 2 4 2 频率偏差的限值【1 1 】 国家标准规定：电力系统正常频率偏差允许值为0 2 h z 。当系统容量较小 时，频率偏差值可以放宽到0 5 h z 。用户冲击负荷引起的系统频率变动般 不得超过4 - 0 2 h z 。随着科学技术的发展，现代工业必将大量采用对频率变化 十分敏感的新设备，所以各国对该指标的规定会更加严格。 2 4 3 频率偏差产生的原因 系统负荷功率总需求与系统电源的总供给相平衡时，才能维持所有发电机 组转速恒定。电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时都在发生变化。当发 电机与负荷间出现有功功率不平衡时，系统频率就会产生变动，出现频率偏差。 频率偏差的大小及其持续时间取决于负荷特性和发电机控制系统对负荷变化 的响应能力。在任意时刻，系统中所有发电机的总输出有功功率如果大于系统 负荷对有功功率总需求( 包括电能传输环节的全部有功损耗) ，那么，系统频 率上升，频率偏差为正；反之，系统中所有发电机的总输出有功功率如果小于 1 0 西华大学硕十论文 系统负荷对有功功率的总需求，系统频率则下降频率偏差为负。只有在发电机 的总输出有功功率总需求的时候，系统的实际频率才识标称频率，频率偏差才 为零。电力系统的大事故，如大面积甩负荷、大容量发电设备退出运行等，会 加剧电力系统有功功率的不平衡，使系统频率偏差超出允许的极限范围。系统 有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。 2 4 4 频率偏差过大的危害【1 5 】 频率偏差过大对广大用电负荷以及电力系统的安全稳定和经济运行都会 造成很大的危害。 1 系统频率偏差过大对用电负荷的危害。 1 ) 产品质量没有保障。 2 ) 降低劳动生产率 3 ) 使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。 2 系统频率偏差大对电力系统的危害。 3 电力系统频率调整和控制 1 ) 降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃。 2 ) 气轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。 3 ) 处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁 电流随之加大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低， 给系统电压调整带来困难。 4 ) 无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。 5 ) 频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。 2 5 三相不平衡度 2 5 1 三相不平衡的定义： 根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序 西华大学硕士论文 分量三个对称分量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与 正序分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，用符号f 表示。即 ：丝100eu 2 苗 ：量x 1 0 0 1 0 0 = i x 式中 旬、岛三相电压不平衡度和三相电流不平衡度； u 、u 2 电压正序、负序分量均方根值，k v 五、厶电流正序、负序均方根值，k a 在实际工作中，往往只知道三相电量的数值。在不含零序分量的三相系统 中，只要知道三相电量a , b ，c ，即可由下式求出三相不平衡度 l o o 2 4 式中，工= 虿a 4 丽+ b 4 + c 4 ( 矿+ + ) 。 工程上为了估算某个不对衬负荷在公共连接点上造成的三相电压不平衡 度，可用以下公式进行近似计算 r 岛，：1 3 1 y l ” l o 式中i 。- 负荷电流的负序分量，a ； 2 5 u _ 公共连接点的线电压均方根值，k v s d 一公共连接点的三相短路容量，m v a 2 5 2 三相不平衡度的限值f l o 】 我国国家标准规定：电力系统的公共连接点正常电压不平衡度允许值为 2 ，短时不得超过4 ，接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平 1 2 西华大学硕士论文 衡度允许值一般为1 3 。 2 5 3 三相不平衡产生的原因【峒 电力系统三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两大类。事故 性不平衡由系统中各种非对称性故障引起，比如单相接地短路、两相接地短路 或两相相间短路等。事故性不平衡一般需要保护装置切除故障元件，经故障处 理后才能从新恢复系统运行。 电力系统在正常运行方式下，供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都导 致电力系统三相不平衡。电力系统是由发电、输电、配电和用电各个环节组成 的统一整体。其中发电、输电和配电又称为供电环节。供电环节所涉及的三相 元件主要有发电机、变压器和线路等。因此供电系统的不平衡主要来自于供电 线路的不平衡。用电环节的不平衡是指系统中三相负荷不对称引起的系统三相 不平衡。产生三相负荷不对称的主要原因是单相大容量负荷在三相系统中的容 量和电气位置分布不合理。 2 5 a 三相不平衡的危害 系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大量负序分量。由于负序 分量的存在，三相不平衡对电气设备产生不良影响，具体表现在： 1 ) 感应电动机 2 ) 变压器 3 ) 换流器 4 ) 继电保护和自动装置 2 5 5 三相不平衡的改善措施 减小系统三相不平衡的常用方法有如下几种： 1 ) 将不对称负荷合理分布于三相中，使各相负荷尽可能平衡。 2 ) 将不对称负荷接入高一级电压供电，减少集中连接造成的不平衡度过 两华大学硕士论文 大。 3 ) 将不对称负荷接入高一级电压供电。 4 ) 将不对称负荷采用单独的变压器供电。 5 ) 采用特殊接线的平衡变压器供电。 6 ) 加装三相平衡装胃。 2 6 电压波动 2 6 1 电压波动的含义 电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。电 压波动取值为一系列电压均方根值变化中的相邻两个极值之差与标称电压的 相对百分数，即 d ：= 型l ：立吐l o o 2 - 6 u n 这里仍然以d 的大小作为电压波动的量度。为了区分电压波动和电压偏 差，在国家电能质量标准中特别对电压的波动性给出了定义，即均方根值电压 的变化速率不低于o 2 每秒。图示2 1 ( 上) 均方根值波动电压w q ) 可以看作 由一个调幅波电压吠，) 对正常电压u ( t ) 为常数调制的结果：图2 1 ( 下) 表示正弦 调幅波，横坐标相当于u ( t ) 的平均值。d 值为v ( t ) 的峰谷差值，以u 。的百分 数表示。单位时间内电压变动的次数称为频度r 。一般用r a i n 。和s 。作为频 度的单位。注意，电压有大到小或由小到大各算一次变动，因此频度，和频率厂 的关系为： 厂( 舷) = 竿= 百r ( m i n - j ) 2 - 7 当调峰波 ( f ) 为周期性任意波形时，可以将v ( t ) 按傅立叶级数分解为各频率的 正弦波形分量。对于每个频率分量，都有相应的d 值和，值【。 1 4 西华大学硕士论文 c ， 口一 ji 们ii 、r 、41 、 剞腻 r7 h 、h 一 u 一j d 电网均方根电压u o ) 7 l ，- 1 j - j - s ： d弋7 、i ， 调幅波电压饿f )“ f i 9 2 1m o d u l a t e o f j c o l t a g e f l a c t u s t i o npa n d m e a ns q u a z e r o o t u 、图2 1 波动电压口对均方根值电压u 的调制 2 6 2 电压波动限制【1 2 】 表2 1 各级电网电压波动值 t a b2 1d i f f e r e n t v o l t a g ef l u c t u a t i o ni n p o w e rg r i d 根值电压 调幅波 变动频度波动限值d ( )变动频度 波动限值d ( ) r ( l 一1 )l v 、m v h vr ( h i )l v 、m vh v r 1431 0 r l 2 1 5 r 1 032 5 1 0 0 l 觉察单位，说明实验观察者中有更多的人对 灯光闪烁有明显感觉。 2 7 3 视虑度频率特性系数k ( f ) 通过对闪变实验的研究发现，人对闪变的视觉反映还与照度波动的频率特 性有关，为了从本质上认识电压波动引起的人对照度波动反映的频率特性，引 申出现视感度频率特性系数k ( f ) 。它是在s ( t ) = 1 觉察单位下，最小电压波 动值与各频率电压波动值的比，即 砌= 蒜锩蔷糕器穗箍孺 2 9 显然在此条件下，对应闪变的最大敏感频率8 8 h z 有电压波动值d 最小值， 所以k ( f ) l 。图2 2 给出了正弦电压波动条件下，由实验数据描绘得视感度 系统的频率特性曲线。反应了不同频率正弦电压波动所引起的灯光闪烁在人眼 和大脑中产生的主观感觉相对强弱的程度。 2 7 4 波形因数r ( f ) 通过闪变实验人们还发现，周期性或近于周期性的电压变动对照度的影响 大，而且不同波形的电压波动引起的闪变反映也是不同的。通过对相同频率的 两种不同波形的电压波动做比较，可以计算出波形因素 ，= 器耄冀器燃 2 - 1 0 利用2 1 0 对矩形和正弦调幅波电压做比较可知，以最大敏感频率8 8 h z 为 对比起点，当频率一 9 h z 时，矩形波谐波分量比其基波分量对闪变的影响更大。 1 7 西华大学硕士论文 1 0 o 9 o 8 o 7 0 6 置( ) 0 5 0 4 o 3 0 2 o 1 厂 、 | ， 、 ， ， 、 1 2468l o1 21 41 6 1 82 02 2 f ( h z ) f i 9 2 2t h e 野e q u 唧r e s p o n c 帆o f k ( 0 图2 ，2 视感度频率特性系数的频率特性曲线 2 7 5 电压波动与闪变的危害 电压波动与闪变的具体危害有以下几个方面： 1 ) 引起车间、工作室和生活居士等场所的照明灯光闪烁，从而降低了工 作效率和生活质量。 2 ) 使得电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇动。 3 ) 造成对直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定，时而加速，时而 制动，可能影响产品质量，严重时危及设备本身安全。 4 ) 对电压波动较敏感的工业过程或者实验结果产生不良影响。 5 ) 导致电子仪器的设备、计算机系统、自动控制生产线以及办公化设备 工作不正常，是化验结果出差错。 6 ) 导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，使电力电子换流 器换相失败。 1 8 西华大学硕士论文 2 8 波形畸变与电力谐波 2 8 1 谐波的定义 波形畸变是由电力系统中非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加 在其上的电压不成比例关系。任何周期性的畸变波形都可用正弦波形的和表 示。也就是说，当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为 基波频率整数倍的理想正弦波型的和来表示。其中，频率为基波频率整数倍的 分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅立叶级数。 国际上公认谐波的定义为：“谐波是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【】习”。 2 8 2 各级电网谐波电压含有率允许值【9 】 表2 2 公共电网谐波电压( 相电压) 限值 电网额定电压电网总谐波畸变率( )各次谐波电压含有率 ( k ￥) 奇次倡次 0 3 8 5 o 4 o2 0 6 。1 0 4 o3 21 6 3 5 ，5 6 3 ，0互41 2 n 02 01 6o 8 当低压配电系统电压总谐波畸变率为5 时，随着配电系统电压等级的升 高，各级高压配电系统电压总谐波畸变率逐渐降低。通过对我国实际配电系统 情况的分析研究，并考虑到奇次谐波占主导地位，谐波国家标准中规定的公共 配电系统谐波电压( 相电压) 的允许值如表所示。 1 9 西华大学硕士论文 2 8 3 典型谐渡源f 嘲 系统中产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。当前， 电力系统的谐波源，就其非线性特性而言主要有三大类： 1 ) 铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性 呈现非线性。该类装置包括变压器和其他带有铁心的电磁设备以及电 机等。它们铁心的非线性磁化特性将引起谐波。 2 ) 电子开关型：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备 以及p w m 变频器等电力电子设备。电力系统中最重要的非线形负荷 是能产生谐波电流并具有相当容量的功率换流器。换流器是指将电能 从一种形态转变成另一种形态的电气设备。 3 ) 电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等。交流电弧炉为三相不平衡的谐 波电流源，冶炼过程中还有基波负序电流注入系统。此外，三相电流 的剧烈波动，还会引起公共连接点的电压变动，导致白炽灯闪烁，并 对电视机、电子设备产生有害影响，即所谓的电压波动引起的闪变问 题。 这些设备，即使供给它理想的正弦波电压，他取用的电流也是非正弦的， 即有谐波电流存在。其谐波电流含量基本决定于他本身的特性和工作状况以及 施加给他的电压，而与电力系统的参数关系不大，因而常被看作谐波恒流源。 2 8 4 谐波的危害 谐波的危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面，可大致概括为： 在电力危害方面： ( 1 ) 旋转电机等的( 换流变压器过载) 附加谐波损耗与发热，缩短使用 寿命； ( 2 ) 谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏； ( 3 ) 电能计量错误。 在信号干扰方面： 西华大学硕士论文 ( 1 ) 对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降： ( 2 ) 重要的敏感的自动控制、保护装置不正确动作了 、 ( 3 ) 危害到功率处理器自身的正常运行。 对变压器的影响： 变压器用于把所需功率传送给他所连接的不同电压等级的负荷。按照传统 理论可知，变压器在基波频率时的损耗最小，但其附加发热受电压畸变影响较 大，尤其还受电流畸变的较大影响。 对电机的影响： 电机受谐波电压畸变的影响较大。电机末端的谐波电压畸变，在电机里表 现为谐波磁链。谐波磁链对电机转矩没有太大影响，但是它以与转子同步频率 不同的频率旋转，在转子中感应出高频电流，其影响类似于基波负序电流的影 响。谐波电压畸变将引起电机的效率下降、发热、振动和高频噪声。 对通讯的干扰： 配电系统或终端用户设备中的谐波电流，将对同一路径中的通讯线路产生 干扰。谐波电流在相应并联导线中感应的电压频率通常在音频范围内。一般情 况，5 4 0 h 复9 次，基波为频率6 0 h z ) 至1 2 0 0 h z 范围内的谐波产生干扰危害性大。 在三相四线系统中三倍频谐波( 3 次、9 次、1 5 次) 最容易引起问题。因为这 些谐波在三相中相位相同，它们在中性线性直接相加，从而对通讯线路产生很 大的干扰。 谐波对电能计量的影响：配电系统中广泛采用的模拟式仪表，如电压表、 电流表、无功功率表、电能表和仪用互感器等，在谐波的影响下将出现测量误 差 1 9 1 1 2 0 1 。 2 9 电能质量的测量方法 1 ) 典型的测量方法 电能质量的测量有定期巡查、专项检测和在线检测三种方式。其中的在线 检测适用于重要变电站、无人值班变电站的公共配电点或重要电力用户的配电 点。在线检测主要用于检测电网电压质量偏差、三相电压不平衡、电压谐波等 2 1 西华大学硕士论文 状态，以及电力用户负荷注入公共电网谐波电流和负序电流等指标。检测的项 目有：供电频率、电压偏差、电压波动与闪变、谐波含量、三相电压不平衡、 负序电流、有功功率、无功功率、功率因数检测等。在线检测应包括完成数据 显示、数据存储、数据远程传输和数据管理等功能，并能对检测项目控制标准 越限发出报警信号。 2 ) 常用的电能质量分析方法 时域仿真法： 利用各种时域仿真程序对电能质量中的各种暂态现象进行研究，也是目前 电能质量分析中应用最为广泛的方法。目前较为通用的时域仿真程序有e m p t 、 e m t d c 、n e t o m a c 、b p a 等系统暂太仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、m a l la b 、 s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。由于这些仿真程序的不段发展，其功能 日益强大，因此可用于电力设备、元件的模拟和电力系统的谐波分析 频域分析法： 主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算等。考虑到 一些非线性负荷的动态特性，近年来又提出一种基于e m t a 等时域仿真程序对 非线性负荷进行仿真计算的混合谐波潮流的新方法，它可以求出各次谐波动态 电流矢量，从而获得动态谐波潮流的计算结果。 变换法： 包括傅立叶变化法和小波变换法，主要用于电能质量的在线检测。 2 1 0 本章小结 本章给出了电能质量的五项指标的定义，介绍了电能质量五项指标的国家 标准并对每一项指标超出限值的起因以及可能对用户产生的影响和危害一一 做了简要阐述，最后说明了电能质量常用检测分析方法。 3 电能质量的数学分析方法 电能质量问题主要的分析方法可分为时域、频域和基于数学变换的分析方 法三种。在三种方法中，时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其 最主要的用途是利用各种时域仿真程序对供电系统电能质量扰动现象进行研 究。 交流电量即电力系统的电压、电流、功率和功率因数等参数，数字测量即 采用数字信号处理理论对畸变的交流电量( 电压和电流) 进行数字化处理，从 而将畸变波形中含有的谐波信号分离出来加以分析研究。 对于理想的交流电 力系统，三相电压是平衡的，其方根均值和频率都是恒定的，电压和电流波形 是标准正弦波。 3 1 傅立叶变化 傅立叶级数是研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅立叶分解能够对畸 变波形的各种分量分别进行分析 交流电气量的傅立叶级数的展开式为： 石( f ) = 吃s i n 删+ 巳c o s 蒯 = 了q o + 妻( a n c o s ，删+ 吮s i n 一耐) 3 1 ：i a o + s i n ( 删+ 纸) 式中直流分量，= 吾f ”石( f ) 西； q 余弦分量幅值，= 吾r “工( f ) c 。s ( 以研) 班； 吃正弦分量幅值，吃= 吾f ”f ) s i n ( ”o x ) d t ； 西华大学硕士论文 缈一角频率，国= 等； 4 _ 各频率分量幅值，4 = 厅砰； 纯各频率分量的相位，纯= t 姐- 1 ( 吃) ； 以谐波次数 从上面分析可知，傅立叶级数展开结果是离散的傅氏系数组合。 3 2 连续傅立叶变化 设f ( t ) 为一连续非周期时间信号，若( f ) 满足狄里赫利条件及 亡l 厂( f ) 印 一那么， ，( f ) 的傅立叶变换存在，并定义为 ，( w ) = 苁力= i f ( t ) e - m d t 其反变换为，( f ) = j ( w ) = 去p ( w ) e 朋衍 3 - 2 f ( w ) 是w 的连续函数，称为信号，( f ) 的频谱密度函数，或简称为频谱， 它又可进一步分成实部和虚部、幅度谱