电能质量发展现状与前沿问题

电能质量发展现状与前沿问题 2008 4 8 主要内容 基本概念理论基础与分析方法电能质量标准体系电能质量监测技术电能质量控制技术电气化铁路电能质量问题与同相供电系统 什么是电能质量 目前并没有一个统一的电能质量标准定义IEC标准对电能质量的定义为 电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性 导致供电设备或用户设备故障或不能正常工作的电流 电压或频率偏差 什么是电能质量 IEEE第22标准统筹委员会 电能质量 和其他国际委员会推荐用如下术语表述几种主要的电能质量干扰 断电 interruption 电压凹陷 凸起 voltagesags swells 瞬时脉冲 transientspulse 过 欠电压 over undervoltage 谐波 谐间波 harmonics interharmonics 电压切痕 voltagenotches 三相不平衡度 imbalance 电压波动和闪变 voltagefluctuationandflicker 研究现状 国际上对电能质量的研究是从电磁兼容学科入手的 IEC IEEE等 所谓电力系统的电磁兼容性 EMC 指的是电力系统中的每一个电气设备应在其所处的电磁环境中正常工作 并减少其对电力系统的干扰 研究现状 全国环境电磁学学术会议 1984 中国电子学会 中国电机工程学会 中国铁道学会 电能质量 国际 研讨会 2002 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会 二十世纪八十年代初 能源 铁道两部联合对牵引变电所进行测试 主要内容为牵引负荷电能质量问题 电能质量问题的起因 电力系统引起的电能质量问题绝大多数是电压暂降 5 9 5 8 0 2 0 电能质量问题的起因 电能质量引起的经济损失 用户侧 系统侧 电能质量问题起因出现频率 用户负荷气候因素 强日照 狂风 暴雨等 配电系统输电系统发电系统 电能质量特点 动态性 电能从发电生产到用户消耗是一个整体 其流动始终处于动态平衡中 并且随着电网结构和负荷的改变而不断变换 相关性 电能不易大量存储 其生产 输送 分配和转换过程直至消耗几乎是同时进行的 当系统处在各种运行状态时 电能质量一旦不达标 相关的设备就会受到不同程度的影响 传播性 电力系统是一个复杂的网络 为电能提供了最好的传输途径 电能传播速度快 电气污染波及面大 会大大降低相连系统的电能质量 电能质量特点 潜在性 电能质量扰动复杂多变 事故诱发条件复杂 其质量的下降造成对系统用电设备的损害有时并不立即显现 为安全运行留下了隐患 复杂性 电能质量的多个指标作用于同一个系统时 综合给出电能质量的评判标准是非常困难的 目前尚没有一个准确和普遍认可的定量评估计算方法 整体性 保证电能质量要靠多方努力 要求电力供应方 电力使用方 设备制造商等共同协作 制定统一和可操作的合适质量标准或单独的供电质量协议 或者按电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和管理 电能质量研究意义 电能质量的恶化将会给电力系统和用电设备带来严重危害 谐波问题是电能质量中的一个重要问题 一直以来 电能质量研究也主要集中在与谐波相关的稳态电能质量研究上 暂态信号中的奇异点和不规则突变通常与系统的电气参数有着重要的联系 奇异点检测的目的就是对故障进行定位 抓住故障特征 进而采取适当的保护或控制措施 因此 暂态电能质量分析已成为研究热点 电能质量分析方法 时域分析法频域分析法基于变换的方法傅立叶变换小波变换法神经网络法二次变换法 我国电能质量标准 GB T12325 2003 电能质量供电电压允许偏差 GB T15945 1995 电能质量电力系统频率允许偏差 GB T14549 1993 电能质量公用电网谐波 GB Z17625 4 2000 中 高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估 GB T15543 1995 电能质量三相电压允许不平衡度 GB12326 2000 电能质量电压允许波动和闪变 GB T18481 2001 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 电能质量标准 供电电压偏差 危害对照明设备的影响 电能质量标准 供电电压偏差 危害对电动机的影响 对变压器 互感器的影响 对并联电容器的影响 对家用电器的影响 对其他用电设备的影响 对电力系统运行的影响 电能质量标准 供电电压偏差 GB T12325 2003 电能质量供电电压允许偏差 GB T12325 90 基本条款35kV及以上供电电压正 负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10 如供电电压上下偏差同号时 按较大的偏差绝对值为衡量依据 10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的 10 220V单相供电电压允许偏差为标际称系统电压的 7 10 电能质量标准 频率偏差 危害引起电动机转速变化 对纺织 造纸等行业产品质量造成影响 使电动机功率降低 影响生产效率 如电容器无功出力将成比例降低 影响测量 控制等设备的准确性和工作性能 将影响发电厂和系统的安全运行 电能质量标准 频率偏差 GB T15945 1995 电能质量电力系统频率允许偏差 基本条款电力系统额定频率为50Hz 电力系统正常频率偏差允许值为 0 2Hz 当系统容量较小时 频率偏差值可以放宽到 0 5Hz 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0 2Hz 电能质量标准 公用电网谐波 谐波危害 建议根据谐波影响的特性 将谐波影响划分为三类 即热影响 冷影响和谐振影响 热影响指因发热而产生的不良影响 有长期性和积累效应 主要是谐波或合成谐波的幅值在起作用 如对感应电机和同步电机的影响 电容器组的热效应 冷影响指瞬间产生的不良影响 主要是谐波或合成谐波的瞬时幅值或相位在起作用 如对继电保护和自动装置等弱电设备的影响 对电容器组和绝缘电缆的电介质的影响等属于此类 谐振影响指网络的拓扑结构和参数对谐波源激励的一种响应 在低次谐波下 未串入电抗器或串入的电抗器不恰当时并联电容器组不能投入使用或投入后故障都属于此范畴 电能质量标准 国外谐波标准 英国EngineeringRecommendationG5 3LimitsforHarmonicsintheUnitedKingdomElectricitySupplySystem 1976EngineeringRecommendationG5 4 Planninglevelsforharmonicvoltagedistortionandtheconnectionofnon linerequipmenttotransmissionsystemsanddistributionnetworksintheUnitedKingdom 2001 电能质量标准 国外谐波标准 美国IEEEStd519 1981 IEEEGuideforHarmonicControlandReactiveCompensationofStaticPowerConverters IEEEStd519 1992 IEEERecommendedPracticesandRequirementsforHarmonicControlinElectricalPowerSystems 电能质量标准 国外谐波标准 IECAssessmentofEmissionLimitsforDistortingLoadsinMVandHVPowerSystem IEC61000 3 6 1996 最主要特点在于设置了系统任意一点上的电压畸变兼容水平 对系统设计来说 规划水平是IEC61000 3 6推荐的 规划水平限值要严于兼容水平限值 IEC61000 3 6的另一个特点是提出了三级评估方法 其中的二级评估与IEEEStd 519相对应 电能质量标准 我国谐波标准 电力系统谐波管理的暂行规定 SD126 84 电能质量公用电网谐波 GB T14549 93 GB Z17625 4 2000 中 高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估 等同采用IEC61000 3 6 AssessmentofEmissionLimitsforDistortingLoadsinMVandHVPowerSystem 电能质量标准 我国谐波标准 IEC61000 3 6和GB T14549比较性质限值用户谐波发射限值的分配方法用户协议容量Si和供电容量St的确定多谐波源叠加指数的确定多谐波源的同时系数的确定电压畸变限值与电流畸变限值的关系限值评估的方法 电能质量标准 三相不平衡度 三相不平衡危害增加发电机转子损耗和发热 降低运行效率 增加电动机损耗 产生的附加转矩可能损坏电机 占用系统容量 减小系统有效容量 电能质量标准 三相不平衡度 GB T15543 1995 电能质量三相电压允许不平衡度 基本条款电力系统公共连接点正常电压不平衡允许值为2 短时不得超过4 电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定 接于公共连接点的每个用户 引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 电能质量标准 电压波动和闪变 电压波动和闪变危害使电视机画面亮度变化 垂直和水平幅度波动使电动机转速不均匀 影响电机寿命和产品质量使电力电子整流设备的出力波动 导致换流失败使电子仪器设备 示波器等 工作不正常影响对电压波动敏感的工艺或者试验结果 电能质量标准 电压波动和闪变 GB12326 2000 电能质量电压允许波动和闪变 适用于电力系统正常运行方式下 由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯光闪烁明显感觉的场合 由波动负荷引起的短时间闪变值Pst和长时间闪变值Plt的限值 电能质量监测 方式定期巡检 主要用于需要掌握电能质量情况又不需要连续检测或者不具备连续在线监测条件的场合 专项监测 主要用于负荷容量变化大或有干扰源设备接入电网 或者当电能质量出现异常 需要对比前后变化情况的场合 在线监测 主要用于监测重要变电站或者实施无人值班变电站的公共连接点或者重要用户的公共连接点的电能质量 电能质量监测的目的 了解情况 对各种电能质量指标进行实时更新测量与数据采集 保证对电力系统基本运行工况的观察 记录和动态分析 治理措施 针对各种指标的具体特征对电能质量问题进行分层检测 完成对多种扰动信息的识别 提取和分析 为制定改善电能质量和治理电网污染的具体措施提供可信依据 综合评价 完整了解电网安全 稳定 优质运行的技术经济条件 对电能质量各项指标进行综合评价 优化整个系统的监测体系 实现数据共享交流 电能质量监测设备 电能质量监测方法 电压偏差 监测仪器在一个周期内对输入信号进行采样 测得的离散采样值为ui 因此 被测电压的有效值为式中 N为每个周期采样点数 电压偏差为实测电压U相对额定电压UN的偏差 电能质量监测方法 电压偏差 电压监测仪主要功能监测电压偏差 统计电压合格率或电压超限率 统计的时间以min为单位电压合格率 1 超限时间 总时间 100 电压超限率 超限时间 总时间 100 定时刷新能预置被监测电压额定值 并按照要求整定在被监测电压允许偏差范围内的上限值和下限值 电能质量监测方法 频率偏差 频率表 具有自动记录和统计功能 绝对误差 0 01Hz 借助波形的过零点测量交流信号的周期 并求出实际系统频率为克服谐波 噪声和非周期分量对测量的影响 测量中可以利用基于傅立叶变换和基波分量相位的方法可采用自适应技术调整采样间隔来减小采样不同步引起的误差 电能质量监测方法 三相不平衡度 电压或电流不平衡度分别用 U或 I表示 即用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值的百分比表示 式中U1为三相电压的正序分量方均根值 V U2为三相电压的负序分量方均根值 V 电能质量监测方法 三相不平衡度 不平衡度测量仪器测量电压不平衡度的绝对误差应不超过0 2 测量电流不平衡度的绝对误差不应超过1 每次测量 一般按3s方均根取值 对于离散采样的测量仪器 可按下式计算 式中 k为在3s内第k次测得的不平衡度 m为在3s内均匀间隔取值次数 m 6 电能质量监测方法 三相不平衡度 对于波动性较小的场合 三相不平衡度允许值应和实测的五次接近数值的算术平均值对比 对于波动性较大的场合 应和实测值的95 概率值对比 以判断是否合格 任何时刻均不能超过短时允许值 为了实用方便 实测值的95 概率值可将实测值 不少于30个 按由大到小次序排列 舍弃前面5 的大值 取剩余实测值中的最大值 对于日波动负荷 按日累计 超标时间不得超过72min 且每30min中超标时间不超过5min 电能质量监测方法 谐波 IEC61000 4 7 1991 电磁兼容第4部分 试验和测量技术第7分部分 供电系统及相连设备的谐波 谐间波的测量和测量仪器导则 2002年更新 GB T17626 7 1998等同采用IEC61000 4 7IEC61000 4 7根据谐波特性将其分为四种 准稳态谐波 变化慢的 波动谐波 快速变化谐波 或短时冲击谐波 谐间波或其他杂散分量 电能质量监测方法 谐波 对测量仪器和测量方法的要求 非连续测量 准稳态谐波 连续测量 波动谐波和快速变化的谐波 矩形窗口没有间隔和不重叠 而对汉宁窗可以有半个窗宽的重叠 窗宽选择 推荐8倍于基波周期的小窗口 考虑了选择功能 时间响应以及平滑其它瞬态现象的一种折衷方案 小于4倍基波周期的窗口不予推荐 电能质量监测方法 谐波 不同谐波的测量方法比较 电能质量监测方法 电压波动和闪变 检测方法平方检测法 通过将输入信号进行平方后 再经过0 05 35Hz的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量 便可检测出调幅波即电压波动分量 有效值检测法 通过将输入信号的平方减去参考值 并将其积分 忽略积分结果中大于2倍基频分量 即可得到需要检测的调幅波输出 电能质量监测方法 电压波动和闪变 IEC推荐的闪变仪日本的 V10闪变仪 电能质量监测技术发展方向 网络化硬件系统 数据采集 管理分析 终端应用 电能质量监测技术发展方向 网络化软件系统 三层体系结构模型 电能质量监测技术发展方向 智能化事件预测故障辨识干扰源识别实时控制智能评估在大量知识库积累的基础上 结合神经网络的数据处理和模式判别能力 并在用户的积极参与下实现知识和样本的创造 提高智能化水平 电能质量监测技术发展方向 标准化电能质量的评价标准化 频率偏差 电压偏差 谐波 电压波动和闪变 三相不平衡度信息发布标准化 便于工作人员之间交流经验 了解系统功能 提高信息共享效率数据格式标准化 IEEE标准委员会提出电能质量数据交换格式 PowerQualityDataInterchangeFormat PQDIF 电能质量监测技术发展方向 PQDIF逻辑结构图 电能质量控制技术 灵活交流输电技术 FACTS 基于电力电子控制技术的灵活交流输电 是上世纪80年代末期由美国电力研究院 EPRI 提出的 它通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流 使输送容量更接近线路的热稳极限 采用FACTS技术的核心目的是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力 包括可控串联补偿电容器 静止无功补偿器 晶闸管控制的串联投切电容器 统