电力系统博士入学考试必备-电能质量

1、用户电力技术（Customer Power）是应用电力电子技术解决用户电能质量问题的一种方法，请简单说明之。答案：IEEE对于用户电力技术的描述为：在中压配电网中利用电力电子技术或静止控制器给对电能质量变化敏感的用户提供一定水平可靠性或质量的电能。 用户电力或称定制电力技术是站在供电部门为电力用户提供服务的角度出发，它是根据用户对供电可靠性或电能质量的要求，由供电部门采用电力电子技术或静止控制器提高其供电可靠性和供电质量，最终提供满足用户需求的电能。对于特定的用户，特别是大负荷用户，如果供电部门能够采用用户电力技术为其供电，则避免用户自己建立独立的电厂、备用的发电设备等，因而可以大大提高经济性

2、。所以理解用户电力技术，应该从供电可靠性、电能质量水平以及经济性并站在供电部门的角度来理解。用户电力技术可以使电力用户在供电可靠性和电能质量上得到的益处主要有：(1) 无（或极少有）电力中断。(2) 电压降临的幅度和持续时间在允许范围内。(3) 过电压的幅度和持续时间在允许范围内。(4) 电压谐波含量低。(5) 相间不平衡度小(6) 在允许范围内的负荷波动、非线性和低功率因数对母线电压无明显影响 用户电力技术的核心是能够对供应的电力进行控制、变换，为用户或负荷提供满足电能质量指标及安全、经济、可靠运行等要求的电能。完成这种控制与变换的关键是各具特色的电力电子器件及其控制电路。目前已经得到应用的

3、用户电力控制器种类繁多，可以按照各种标准进行分类。按照装置是否具有变流器可以分为三类：不含任何电力电子开关的电能质量控制器，通常是指无源滤波器等通过机械开关投切的装置，如利用电机控制的有载调节变压器等；采用晶闸管投切或控制的控制器，如常用的晶闸管投切电容器、用于配电系统的SVC装置、用于切换双路电源的固态切换开关(SSTS)以及晶闸管投切或控制的稳压器等；采用变流器的有源滤波器，包括并联型有源电力滤波器(APF)、用于配电系统的静止补偿器(DSTATCOM)、串联补偿的动态电压调节器(DVR)，以及串并联混合的统一电能质量控制器(UPQC)等。DVR产生串联接入配电线路的与配电电压同步的三相交

4、流电压。当系统电压扰动而不能满足敏感负载对电压的要求时，DVR通过串联注入变压器实时向配电系统注入幅值、相角和频率可控的电压，来维持负载侧电压质量的稳定。SSSC注入电压与线路电流正交，在串联线路中起到容性或感性阻抗的作用。它们都可被看做一个串联接入系统的可控电压源，SSSC与DVR完全可以作为一套VSC的两组不同控制策略在电力系统当中所实现的两种不同功能。不同点在于在系统中安装的位置以及对于VSC串入电压的控制不同。请解释FACTS的概念及其在电力系统中的作用所谓灵活交流输电系统，是指基于电力电子技术的或其他静态的控制器以提高可控性和传输容量的交流输电系统。在这种系统中，网络的潮流更易于控制

5、，线路的输送能力可大幅度提高。并联型：主要用于电压控制和无功潮流控制；静止无功补偿器（SVC，Static Var Compensator）晶闸管控制电抗器(TCR, thyristor controlled reactor)晶闸管投切电容器(TSC, thyristor swithched capacitor)静止同步补偿器(STATCOM, static synchronous compensator) 可独立于注入点的电压而进行控制。基于VSC的STATCOM，通过调节其支流电容电压的幅值或变换器的调制比，可以控制变换器交流输出电压的幅值，进而改变输出电流的极性。与SVC相比，STATC

6、OM具有动态响应速度快(小于10ms)、补偿电流不依赖于系统电压、谐波抑制能力强、抑制电压闪变效果好、占地面积小、有功损耗低等优点。而SVC目前在同容量成本上较STATCOM低。静止同步发电机(SSG, static synchronous generator)电池储能系统（BESS，Battery Energy Storage Systems）将蓄电池与STATCOM组合构成超导储能系统（SMES，Superconducting Magnetic Energy Storage）由超导体与STATCOM组合构成有载调压变压器控制器（LTC，Load-Tap Changer）晶闸管控制的制动电阻

7、（TCBR，Thyristor Controlled Barring Resistor）串联型：主要用于输电线路的有功潮流控制、系统的暂态稳定和抑制系统功率振荡。晶闸管控制串联电容器（TCSC，Thyristor Controlled Series Compensator） 由一个大容量电容器与一个TCR并联构成。通过控制TCR支路上晶闸管的导通角度，可以在一定的感性和容性范围内连续调节TCSC提供的等效阻抗。晶闸管投切串联电容器（TSSC，Thyristor Switched Series Compensator） 由一组电容器组和一个晶闸管投切的电抗器并联组成。静止同步串联补偿器（SSSC

8、，Static Synchronous Series Compensator） 相当于将STATCOM串联在线路上使用，产生相位与线路电流正交、幅值可独立控制的电压，通过增加或减少线路上的无功压降而控制传输功率的大小。对地绝缘要求很高，要承受整个线路电流，短路故障时承受故障电流。SSSC在动态响应速度和可控性能上由于TCSC，而TCSC在同容量成本上较SSSC低。NGH次同步谐振阻尼器（NGH-SSR Damper）相角差控制器（Interphase Power Controller）线间潮流控制器(IPFC,interline power flow controller)短路电流限制器（Fa

9、ult Current Limiter）综合型： 统一潮流控制器（UPFC，Unified Power Flow Controller）晶闸管控制移相变压器(thyristor controlled phase shifting transformer,TCPST)晶闸管控制电压调节器(thyristor controlled voltage regulator,TCVR)相间功率控制器(interphase poer controller, IPC)利用FACTS技术可以实现输电系统参量的快速控制，并可以做到：(1)改变传统交流输电系统的有功和无功的自然传输状态和不可控的情况，让所希望的功率

10、按指定的输电线路输送到任何期望的地方；当一条输电线路过负荷时，可将功率迅速转移到负荷比较小的线路上。(2)极大地提高输电系统的输电能力，把线路的输送能力安全地提高到接近线路的静态极限、短时过负荷热稳定极限，并且能适应各种可能出现的紧急故障情况。(3)提高系统的电压稳定性、暂态稳定性和中长期稳定性，有效地阻尼电气系统的低频振荡和电气与机械系统之间的次同步振荡，限制短路电流，防止连锁性故障和大范围停电事故。(4)为两个或多个电网之间提供可靠的连接，通过功率交换和互备，降低总的备用装机容量。(5)逐级断开多重故障线路或几组，从而限制多重故障导致的对主要系统瓦解的影响。(6)用增加电压等级或电流额定值

11、来使原有输电线路升级。FACTS较传统解决方法的优势(1) 更快的响应速度(2) 更频繁的控制(3) 连续控制能力(4) 更综合和更灵活的控制功能(5) 有功补偿能力(6) 能克服传统解决方法的局限性脉宽调制技术(PWM)，在每个工频周期内，通过多次开通和关断主开关器件，使得交流输出电压在半个周期内形成多脉冲序列，进而通过改变脉冲的宽度、数目和位置等来调节交流输出电压的频率、幅值等参数，并实现抑制谐波分量的目标。应用较广的是正弦脉宽调制(SPWM)，空间矢量脉宽调制(SVPWM)和优化脉宽调制。电力系统并联补偿，按所使用的开关器件及其主电路结构的不同分为：1、机械投切阻抗型并联补偿设备，包括传

12、统的断路器投切电抗器、电容器；2、旋转电机式并联补偿设备，如同步调相机；3、晶闸管投切或控制的阻抗型并联补偿设备；4、基于变换器的可控型并联补偿设备，包括STATCOM，APF等。按补偿对象不同，无功补偿分为负荷补偿和系统补偿。负荷补偿通常是指在用户内靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，其目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由于冲击性负荷、不对称负荷和非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。系统补偿则通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是支撑电网枢纽点处的电压，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流，降低线损等。无源

13、滤波器的缺点：(1)一种参数只能消除特定次数的谐波，因此如果谐波次数发生变化，无源滤波器滤波效果就很差(2)响应速度慢，无法跟踪动态谐波进行动态补偿(3)补偿谐波时可能产生多余的无功(4)改变系统阻抗特性，可能导致谐振(5)参数稳定性差，导致失谐简述高压直流输电（HVDC）系统的概念、特点、和主要应用。答案：高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流编程直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。HVDC的优点：(1)线路造价低、损耗少；(2)不存在稳定问题（没有电抗）；(3)可以实现交流系统非同步联网；(4)调节速度快，运行可靠；(5)限制短路电流；(6)可方便地进

14、行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益HVDC的缺点：(1)换流站造价高；(2)换流器消耗的无功多；(3)产生大量的谐波；(4)换流装置几乎没有过载能力；(5)缺乏高压直流开关；(6)直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一些技术问题；(7)直流输电线路难于引出分支线路，绝大部分只用于端对端送电。HVDC应用场合：(1)远距离大容量输电（等价距离）；(2)非同步联网；(3)海底电缆送电；(4) 用地下电缆向大城市供电；(5)交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一；(6)配合新能源的输电电能质量包含哪些内容？电能质量的指标有什么特点？答案：电能质量的定义：导致用电设备故障或不

15、能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容包括稳态电能质量和暂态电能质量。稳态电能质量：电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波、电压波动与闪变；暂态电能质量：暂时过电压和瞬态过电压、电压暂升、暂降、电压短时中断。(1)电压偏差：供电电压对标称电压的偏差。电压偏差问题属于基波无功的范畴，主要与电能传输的导线线径、供电距离、潮流分布、调压手段、无功补偿方式及容量、负荷用电特性等因素有关，是电力系统认识较早、研究较成熟、控制方式手段较完善的电能质量指标。电压偏差产生的实质是电流流经传输网在其内阻上产生的压降所致。(2)频率偏差：系统频率的实际值和标称值之差。频率偏差属于有功功率平衡问题，主要与系统有功

16、储备、发电机调速手段有关，也是电力系统认识较早、研究较成熟、控制方式手段较完善的电能质量指标。在电力系统稳态运行方式下，虽然全系统电压可以各点均不相同，但频率却基本上相同。(3)三相不平衡：三相电力系统中三相的不平衡程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示。该问题主要由负荷的用电特性决定，也与负荷的平衡策略有关，虽然网络拓扑参数的不对称也是其中因素之一，但电网稳态运行情况下影响不大。一般所说的三相不平衡主要指电压不平衡度，需要时也可分析三相电流不平衡度。(4)谐波：对周期性交流分量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。首先，谐波频率是与基波相关的，因此各种暂

17、态现象中的高频谐波分量不属于谐波的范畴；另外，间谐波、次谐波均不属于目前所说的谐波范畴。(5)电压波动：电压方均根值一系列的变动或连续的改变。电压波动是一系列电压变化的集合。电压变化不同于电压偏差，它不与电压的额定值直接比较，而是电压有效值变化曲线上两个相邻极值的差对于额定值的变化。另外，电压波动不仅以幅度为考核指标，同时要考虑其波动频度。闪变：灯光照度不稳定造成的视感。闪变是以白炽灯照度变化依据其电压变化的特征来刻画电压波动。闪变是电压波动的产物，其实质是次谐波作用的结果。(6)暂时过电压：在给定安装点上持续时间较长的不衰减或若衰减的振荡的过电压。瞬态过电压：持续时间数毫秒或更短，通常带有强

18、阻尼的振荡或非振荡的一种过电压。从激发源的位置分析，过电压分为内部过电压和外部过电压。从直接诱因分析，过电压分为工频过电压、谐振过电压、操作过电压、雷电过电压等。(7)电压暂降(暂升)：在电力系统某一点的电压暂时下降(上升)，经历半个周期到几秒钟的短暂持续期后恢复正常。电压暂降类似于一种功率(主要是无功)冲击现象，是伴随着系统内某些暂态故障、或电器设备的暂态运行工况儿发生的，其过程描述一般采用状态参数以微分方程表示。电压短时中断：供电电压消失一段时间，一般不超过1min。短时中断可认为是90%100%幅值的电压暂降。电力系统正常运行时既要保持有功平衡，也要保持无功平衡，试从电源、负荷及管理、控

19、制方面说明保证有功平衡和无功平衡的主要特点。所谓无功平衡就是指在电网运行的每一个时刻，电网中各无功电源所发出的无功功率要等于电网中各个环节上的无功功率损耗和用户所消耗的无功功率之和。无功功率平衡直接关系到电网的运行电压水平，电网的无功功率平衡时维持电网电压水平的首要条件，电网无功电源的配置与电网调压措施的实施是一密不可分的整体，二者相辅相成。当电网无功电源充足时，电网运行电压就高，当电网无功电源不足时，电网运行电压就低。无功电源包括同步发电机、同步调相机、电力电容器、并联电抗器、静止补偿器、同步电动机进相运行、异步电动机同步化、高压电缆和高压输电线的电容等。无功负荷包括变压器、感应电动机、电抗

20、器、感应电热设备、电焊机等所消耗的励磁功率，再就是电网中各环节的输电线路和变压器串联阻抗支路中电抗上的无功功率损耗。电网的频率特性由电网的有功负荷平衡决定。电力系统的有功功率和频率调整大体上可分为一次、二次、三次调整三种。一次调整：由发电机调速系统频率静态特性的固有能力而增减发电机的出力。二次调整：通过运行人员手动调整或调度自动化系统自动调整，增减发电机组的发电出力。三次调整：为使有功功率负荷按最优分配即经济负荷分配而进行的调整。电力系统中的有功功率电源是各类发电厂的发电机。系统电源容量应不小于包括网络损耗和厂用电在内的系统总发电负荷。系统电源容量大于发电负荷的部分成为系统的备用容量。系统备用

21、容量可分为热备用和冷备用或负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。电力系统中有功功率的最优分配包括有功功率电源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。负荷的最优分配按照等耗量微增率准则分配。相分量法和序分量法的特点，以及相互间的区别与联系相分量法是客观存在的。因此相分量法能够准确反映出电力网络的所有实际问题，故障处理方法直观实用。由于相坐标空间里元件参数存在耦合问题，相分量计算方法的计算量比较大，同时复杂的耦合关系也使得相分量法在网络处理上不同于单相的情况，比采用单相网络的分析计算技术要困难的多。方便的系统运行描述和准确的系统参数仿真是相分量法最大的优势。序分量是相分量经过数学变换得到的，序

22、分量法通过坐标变换使在相坐标空间存在三相耦合关系的对称元件在序分量坐标空间得到解耦，在完全由对称元件组成的系统中，耦合的三相网络可以等效成三个独立的序分量对称网络，在网络分析方面与三个单相网络相同，可以使用单相网络分析的方法进行处理，并且能够大幅度简化计算。序分量法因为模型简单、算法组织性强和计算速度快而得到了更广泛的认同，在更多的实用化的电力系统分析计算软件包中得到了应用。对称分量法为代表的序分量法可以十分方便地通过序网连接方式的改变来仿真单一不对称简单故障，但是对于任意复杂故障，序网的边界条件不易实现，同序网的连接方式随故障的不同而变化，不利于程序的实现。相分量法能够轻松的处理任意的复杂故

23、障，程序实现也极其方便。对于一些不对称的情况和不对称的元件，序分量坐标空间的解耦失效，从而不能实现序网的分离。序分量法的应用因此遭到严重影响，即使简单故障的分析也不能采用序分量法计算。在这种情况下，相分量法就表现出明显的优势，它可以直接计算不对称元件组成的系统，无需做任何处理。为什么说“扭振”和“次同步谐振”会产生机电共振？答：次同步谐振：一方面，由于大型汽轮发电机的专司轴系具有弹性，在一定条件下会因机械和电气的相互作用而产生自发振荡，其频率低于同步频率并与轴系的固有振荡频率有关。另一方面，在系统发生不对称短路以及发电机非同期并列等大扰动后的暂态过程中，由于机电相互作用，轴系上可能引起很大的扭

24、矩，其数值大大超过发电机端三相短路所产生的转矩，从而形成暂态转矩放大现象。扭振：由于汽轮发电机组的转子很长，形成由多个质量体通过“弹簧”连接的转子模型，各部分质量体所受的转矩大小、方向各不相同，相互之间发生的扭转振荡叫做扭振(机械振荡)。共振：扭振(机械振荡)会在定子中产生同样频率的电流和磁场，次同步谐振(电磁振荡)形成的同频率电流会使转子产生同频率的转矩。两者频率互补时，就会产生共振，形成机械能和电磁能的振荡转换。防治：降低串补度，采用可控串补，串联阻波器、滤波器控制、励磁控制。特高压交流输电的技术特点：(1) 输电能力大、覆盖范围广、网损小、输电走廊明显减少，能灵活适合电力市场运营的要求。

25、(2) 采用特高压实现联网，坚强的特高压交流同步电网功角稳定性好。(3) 特高压交流线路产生的充电功率约为500kV的5倍，抑制过电压和电压稳定成为主要问题(4) 适时引入特高压输电，可为直流多馈入的受端电网提供坚强的电压和无功支撑，有利于从根本上解决500kV短路电流超标和输电能力低的问题。特高压直流输电的技术特点：(1) 可点对点、大功率、远距离直接将电力送往负荷中心，可实现交直流并联输电或非同步联网。(2) 潮流方向和大小可方便进行控制(3) 在交直流并联输电的情况下，利用直流有功功率调制，可以有效抑制与其并列的交流线路的功率振荡。(4) 大功率直流输电，当发生直流系统闭锁时，两端交流系统将承受大的功率冲击。我国建设的特高压输电网主要是指6纵4横的国家1000kV交流特高压网架。必要性有：(1) 我国能源资源与用能分布格局使一次能源与生产力分布不均衡，西水、北煤相对集中，东部负荷比重较大的基本特征要求大幅度提高跨区资源优化配置规模。(2) 现有500kV电网的短路电流水平问题越来越突出，从降低短路电流水平的角度考虑，主网电压需要进一步升级。(3