电能质量问题的研究

1、电能质量问题的研究一.电能质量问题的新特点电能是一种清洁，高效， 易使用的能源形式， 是社会经济快速发展的重要物质保证， 是 各种高新技术尤其是信息技术有效应用的根本前提。近年来，各电力用户对电能质量的要求也越来越高，对电能应用过程中出现的各种质量问题越来越重视。这是因为：一方面， 现代化生产过程中所使用的各种先进设备对供电质量敏感度不断增加。传统的许多机电设备在供电电压幅值相对较大的变化范围内也确实都能正常地工作。但现代社会生产中广泛应用的各种自动化生产线，以微处理器为核心构成的各种电气设备，精密加工工业，机器人等先进技术，它们的正常运行取决于高质量的供电。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备

2、故障，重 则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。另一方面，大量以提高生产效率， 减小环境污染而采用电力电子技术的现代化设备正成为主要的电能质量问题的来源。以电气化铁路牵引式负荷为例， 它属于整流负荷，是典型的谐波源；采用工频单相式交流供电，是典型的负序源；同时又具有波动性和不确定性，是典型的波动源和闪变源。 另外普通用户中集中大量使用的开关式电源， 公共照明系统中荧光照明负荷正逐渐成为配电系统中主要的谐 波源和波动源。可以说，在这些新技术成功解决实际生活环境中“看得见”的污染问题的同时，造成了电力系统中“看不见”的污染问题。污染问题不是得到根本解决，而是进行了形 式上的转换。第三，

3、随着市场经济在我国的逐步建立，人们认识到电能也是一种商品，而商品质量决定了商品在生产交换中的价值因素，为了提高竞争力，适应电力市场发展的要求， 提供高质量的电能是必然趋势。随着对电能质量问题研究的不断深入，人们发现电能质量问题正呈现如下几个新的特八、1 .电能质量问题的主要来源发生了较大的变动以前的电能质量问题主要来源于系统侧，包括系统正常运行状态改变， 如电源投入，有计划的无功补偿电容器组的投入 /切除，大型电动机启动等；非正常的系统状态改变如系统 元件故障，人员误操作等将给系统带来较大的冲击；自然环境中的雷击， 大风和雨雪天气也会造成相应的电能质量问题。 而近年来，用户端大量非线性负荷的应

4、用正成为电能质量恶化 的重要因素。例如低压小容量家用电器到高压大容量的工业交直流变换装置中存在的各种静 止变流器，它是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形的畸变。大型电弧式设备， 如电弧熔炉，弧焊设备等，也成为重要的冲击源和谐波源。一个值得注意的问题是为了减少重要设备对电能质量问题的敏感度，设备制造商努力进行设备的升级和改进，用户则采用各种保护性装置，而这些改进措施和保护装置通常将对电能质量造成更大的危害。可以说用户2.电能质量问题的形式发生了较大的改变图1几种动态电能质量问题的示意图波形负荷正成为电能质量问题尤其是各种新的电能质量问题的主要来源。通常的电能质量问题如谐波，三相 不对称等

5、继续存在，而且严重性正在增 加。值得注意的是近年来人们逐步将传 统的如供电中断，电压长时间偏高或偏 低等归入供电质量问题，从狭义上讲已 不属于电能质量问题。现在人们更多关 注的是所谓动态电能质量问题，如持续时间为周波级的动态电压升高(Swells),脉冲（Impulses）,电压跌落（Sags）和瞬时供电中断（Momentary Interruptions）等。几种 常见的动态电能质量问题波形见图1。这些都是近年来随着社会信息化的日益广泛而逐渐暴露出来的新的电能质量问题形式。而且这些电能质量问题出现的次数已经超过了供电质量问题，一项针对苏格兰某地区用户反映的供电质量和电能质量问题所作的统计如图

6、2所示。该图表明了电压跌落出现的次数在所有因素中处于第三位，仅次于供电中断，而在电能质量问题中处于第一位。对这些动态电能质量问题的研究还刚刚开始，如何界定这些问题，用什么样的特征进行描述，如何制定相应指标进行评估都还没有成熟的方法。这些都值得相关人员的进一步深入研究。图2供电质量和电能质量问题出现次数（相对比例）3.电能质量问题造成的危害越来越大电能质量问题造成的危害是多方面的。电能质量问题给电力系统的安全稳定运行造成很大的影响，例如电铁牵引负荷产生的谐波和负序分量造成相差高频保护和负序电流保护装置 误动作，引起系统解列运行， 造成无功补偿电容器组不能安全投入运行，其波动性造成的小容量电网频率

7、波动范围异常，都降低了系统运行稳定性。各种新出现的电能质量问题也给用 户带来巨大经济损失，电压跌落和瞬时供电中断已被认知是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重动态电能质量问题。谐波问题造成的变压器，感应电机等重要设备寿命的缩短， 三相电流不对称造成的中线烧毁而导致用户设备损坏的事件也时有报道。在现代工业中，由于任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成的损失非常巨大，因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更高。在竞争日益激烈的市场经济中，因意外的作业中断而不能按期交货导致商家的信誉度下降无疑也是巨大的隐形损 失，因此电压质量问题所造成的实际经济损失远大于所

8、能计算出的直接损失。因此动态电能质量问题已成为目前影响供电可靠性的主要干扰，这是信息化社会供电质量问题不同于以往任何时代的主要特征。如何改善动态电能质量问题将是提高供电质量至一个全新水平的问题 关键。二.各种电能质量问题造成的危害分析根据对各种情况的综合分析，IEEE列出了 11种主要的电能质量问题： 断电（Interruptions ）:在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于；暂时断电- 3s至60s;持续断电->60s。 频率偏差(Frequency Deviations )各国均已作出具体规定。 电压下跌(Sags):持续时间为0.5周波1min,幅值为，系统频率仍为标称值。

9、电压上升(Swells):电压(或电流)暂时性超过标称值10%者称为电压上升。系统频率仍为标称值。持续时间为0.5周波1min,幅值为 瞬时脉冲或突波(Transients):瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。 电压波动 (Voltage Fluctuations):电压波动是在包络线内的电压的有规则变动，或 是幅值通常不超出 电压切痕(Notches)：电压切痕是一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转换

10、到另一相而产 生的。电压切痕的频率会非常高，因此用常规的谐波分析设备是很难测量出电压切痕的。这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。 谐波(Harmonics)：含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐波。产生畸变 后的波形可分解为基波和许多谐波之和。谐波是由于电力系统和电力负荷中设备的非线性特性造成的。谐波有奇次(又可分为3的倍数和非3的倍数)和偶次之分。随着用电装置对谐波敏感性的日益增加，高次谐波越来越受到注意并规定了限额。 间谐波 (Interharmonics):含有基波的非整倍数频率的电压或电流称为间谐波。小 于基波频率的分数谐波 (fractional ha

11、rmonics)亦属于此类。 过电压 (Overvoltages):过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于1min。过电压的幅值为 欠电压 (Undervoltages):欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间大于1min。欠电压的幅值为以下是对一些危害较大的动态电能质量问题进行危害分析。1 .电压跌落和瞬时供电中断雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压跌落或供电中断的主要原因之一。由于电力系统暴露在大自然中，在雷雨季节的多雷地区，极易受到雷击干扰。据文献介绍，因雷击而引起的电压跌落次数有的约占总次数的60%,并且持续时间一般超过5个周波，所以在方圆几千平方公里内的任意处的雷

12、击都将会影响该区域内的任一敏感负荷的正 常、安全运行。系统故障是引起电压跌落和供电中断的又一主要原因之一。目前配电系统中的线路主保护是电流保护，该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无延时地予以切 除；此外即使无延时保护， 从监测到故障到断路器开断故障，目前最快也需要36个周波7：因此在故障期间，当在故障线路及其附近线路上接有敏感负荷时，将会因电压跌落而被跳闸退出工作。另外，当保护动作后伴随着重合闸时，由此而引起的电压跌落次数将成倍数增加，并且规定时间间隔的连续跳闸是造成瞬时供电中断的主要因素之一。表1是在某工厂供电端测得的 1年内所发生的电压跌落统计结果。可知大部分的电压跌落幅值

13、都低于(20%30%)的额定值。表1电压跌落幅值及其发生概率(以额定电压=100%为标准)电压跌落幅值0% 10%10%20%20%30%30%40%40%50%>50%发生的概率44%34%10%10%2%0%电压跌落对现代社会应用较广泛的电子类设备的影响的各种结果汇总于表2。表2电压跌落对一些设备的影响（以电压额定值=100%为标准）设备名电压跌落造成的影响结果制冷电子控 制器当电压低于80%时，控制器动作将制冷电机切除，导致巨大生产损失。某公司芯片 测试仪当电压低于85%时，芯片被毁，测试仪停止工作，其内部电子电路主板故障。可编程控制器（PLC）早期的产品，当电压低于10%时，仍能

14、持续工作15个周波；新版产品，当电压低于（50 60）%时，PLC停止工作；而2年后的另一篇文献8介绍，当电压低于81%时，PLC停 止工作；一些I/O设备，当电压低于 90%、持续时间仅几个周波，就会被切除。精密机械工 具由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证产品质量和安全，工作电压槛值一般设为 90%,当电压低于此值、持续时间超过23个周波时，被跳闸。直流电机当电压低于80%时，直流电机被跳闸，每次损失数量级达1万美元。调速电机（VSD）当电压低于70%,持续时间超过 6个周波时，VSD被切除。而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于 90%、持续时间超过3个周波时

15、，电机就会被跳闸而退出运行。交流接触器有的研究表明当电压低于 50%、持续时间超过1个周波，接触器就会脱扣，而有的研究表明当电压低于 70%、甚至更高，接触器就会脱扣。计算机当电压低于60%,持续时间超过12个周波时，计算工作将受到影响，如数据丢失。由此可知，电压跌落已成为影响许多设备、尤其是电子类设备正常工作的严重干扰，而且不同类型、甚至同类型但不同品牌的用电设备对电压跌落的敏感度差异很大，这表明电压跌落所造成的危害与设备自身的特性以及用户的要求密切相关，因此如何消除或抑制电压跌落的影响，需要供电方、设备制造方以及用户的协力合作，共同解决。图3表明了瞬时供电中断对 UPS俞出造成的影响。其中

16、左图为输入电压，右图为 UPS的 输出电压。图3瞬时供电中断对UPS输出造成的影响表3是就电压跌落对几家大型敏感工业用户造成危害的调查结果。表3电压跌落对大型敏感工业用户造成的危害（以电压额定值=100%为标准）事例名主要的敏感工 序跌落幅值持续时间发生频次原因造成的危害Orian Rugs Company, USA拉丝制纱、 自动纺织40 % , 30个周波左右约每月2 次系统 干扰当电压低于 90%时，工厂的馈线跳 闸，造成作业中断BonlacFoods, Australia制奶粉工序每 年20 27 次系统故障电压低于90%时，催干电机被跳闸。每次启动需很长时间，导致未来得及 处理的鲜牛

17、奶变质。CaledonianPaper, UK由23台调速电 机共同完成的 造纸工序60 % ,约200ms每年约30次雷击电压低于90%,电机被跳闸，每次作 业中断，光生产损失就超过 140,000 英镑。由此可知，当电压低于 90%时，各用户作业都将中断。另外，电压跌落对信息业的影响也很大，据估计80%服务器出现瘫痪以及用户端 45%左右数据丢失和“出错”均与此有关。图4是电压跌落对各行业造成的损失数量等级图，图中 $M=1百万美元。此外，据介绍，因电压跌落而引起的事故次数大约是因完全供电中断而引起的事故次数 的10倍。目前比较有效的抑制电压跌落和瞬时供电中断的措施是安装动态电压恢复器 (

18、DVR)和不间断电源(UPS)。亡丽口工_91K$1OK HOOK MM ®10M每次电压跌落造成的损失数量级图4每次电压跌落对不同用户造成的损失数量级2 .间谐波与谐波谐波主要是由于用电设备的非线性特性所造成。例如各种电力电子设备，IT行业和办公设备中大量使用的开关式电源(SMPS),电弧式负荷包括电弧熔炉，弧焊设备。公共照明系统中大量使用的荧光灯负荷等等。图5为典型的计算机负荷的负荷特性。可见该类设备呈现出非常明显的非线性特性，电流畸变情况非常严重，包含了大量的谐波成份。 将畸变的非正弦信号分解为各谐波成份的工具是傅立叶变换。通常的分析表明各谐波成份呈现如下特 性： 偶次谐波，如

19、2, 4次谐波等。将造成畸变的波形在正负半周内波形不对称。 奇次谐波，如5, 7次谐波等不改变畸变波形在正负半周内的对称性。 通常的线电流中不包括 3, 9次等3的倍数次谐波。但在有中线的系统中中线流过大 量这类谐波。 谐波通常造成很高的波形因数( crest factors )。波形因数是波形峰值与有效值的 比值。过高的波形因数将造成变压器必须以低于额定容量的方式工作。3切 %M 修型女EkMinnanm Scte Updated 16 56:48 弭6 2葩等SITE： PCDEWCE /出弓*如帆wAmHrma就Sow UpMed E 1牙”摘 四鲜i同了图5计算机负荷的负荷特性为同如

20、M 工 在去n在t在；比Trtr由 田玄余近年来，由于静止变频器(staticfrequencyconverter)、循环换流器 (cycloconverter)、感应 电动机和电弧发生装置的使用，产生了所谓次谐 波和间谐波现象，这两类谐波也会对各种设备的 安全稳定运行很大的威胁，但目前对这方面的机理分析还不够。文献对感应式电动机使用寿命缩短的原因 进行了调查分析。调查的对象是额定电压 460V , 额定工作频率60HZ,四极，绝缘等级为F,预计使用寿命为20年的鼠笼式感应电动机。额定 容量分别为2, 10, 30, 100和200马力(hp), 工作情况为在环境温度30 C,带75%额定负荷

21、的连续运行。图6表明了 100马力的电动机因谐 波和电压不平衡所造成的使用寿命减小的情况。 其中P表示正序，N表示负序。由图可以看出， 次谐波对电动机造成的损害远远大于通常的3,5次谐波，当0.1次间谐波的含量仅为 0.25%时, 电动机使用寿命将降低17%,而5次谐波含量IM HP MOTOR图6间谐波和谐波对电动机使用寿命造成的影响S0G04020打6%时也将会造成同样的果。同样还可以看出， 发相同，正序谐波的影响略大于负序谐波。在进行经济分析的基础上得出了因电压不平衡和谐波所造成的电动机寿命缩短带来的经济损失，如图7所示。通过对全美国使用电动机容量和数量的统计以及结合上述分析，得出结论是

22、在电压不平衡率小于2%,总谐波畸变率最高为 5%时，因电动机使用寿命缩短而给全美国带来的经济损失每年约为1.8亿美元。在现代化的建筑中， 计算机设备，办公设备，各种家用电器的大量使用所造成的谐波问 题越来越严重，因而引起了一系列安全性方面的问题。引起了供电部门， 建筑商和普通用户高度的重视。表4是记录到的某建筑负荷三相以及中线电流，该建筑使用 1200KVA的变压器供电。中线电流远远超过了三相电流。表5是由于谐波问题可能对现代化建筑造成的影响的一个汇总。0245302& S修理与胡宇蜡阱室*率端整THEhr(%)THDV(%)图7电动机因电压不平衡与谐波造成的经济损失表4某建筑三相和中

23、线电流以及各次谐波含量1200KVA变压器A相电流1084AB相电流1131AC相电流947A中线电流1408A奇次谐波含量偶次谐波含量01100021.80360.8043.00533.7062.40716.9081.2总谐波畸变率：63.6%表5现代化建筑中谐波问题可能造成的影响影响对象后果分析波形因数波形因数能够达到5以上，造成断路器误动作电压波峰使电压波形的峰值处变平，使依赖电压峰值工作的设备失效中线电流中线电流增大，使得中性点对地电压升高造成共模电压噪声；负荷处电压下降；中线线电抗损坏；循环电流流经变压器升压母线系统大量三次谐波电流流经升压母线系统的中线电抗，引起连接处和电缆端接处振

24、动松 脱；中线断开会使设备因过电压而损坏供电变压器铜耗增加；涡流损耗增加；变压器降容量使用保护系统造成剩余型接地短路保护误动作；保险丝不正确熔断电缆由于“趋肤效应”和“临近效应”必须使用更大额定值的电缆功率因数功率因数降低，必须增大供电变压器容量计算机屏幕闪烁，损坏视力和人体健康其它安装各种改善设备而占用建筑空间目前，谐波问题已经成为出现范围最广，危害非常严重的电能质量问题，同时在解决方面存在一定的复杂性， 因谐波问题大多是由用户负荷所造成的，如何在处理过程中平衡各方面的投入，如何更有效地实施谐波抑制标准还没有一个有效的方法。目前抑制谐波最常用的设备是有源电力滤波器（APF）,传统的LC滤波器

25、也在一定范围内发挥作用。3 .电压波动与闪变波动与闪变的出现是供电系统的特性所造成的，任何负荷的改变都会引起电压波动。波动与闪变主要是由于负荷在0.01S到数十秒的时间内重复变动，或者是由于偶然的暂态过程，如电动机启动所造成的。 如果这类负荷容量较大将足以通过公共阻抗引起同一公共连接 点（PCC）处的电压波动与闪变。大型炼钢厂的电弧熔炉，大型采矿转绕电动机，其工作具 有不确定性和重复性， 是主要的波动与闪变来源。 用户负荷的如空调， 热力泵等的反复启停 也会带来相应影响。波动与闪变的主要危害是损害人体的健康和感观功能。因波动和闪变造成的白炽灯发光的不稳定，计算机显示屏闪烁将对人体视力造成的影响

26、。高保真音响在电压波动和闪变时会对人体听觉产生损害。通常人对照明变化需要有一定的视觉暂留时间，高于或低于某一段频率的照明变化，普通人便察觉不到。图8为人视觉的敏感度曲线。0510152025304C斜塞.H*图8人体视觉敏感度曲线由此可知，人体能感觉到的照明灯光变化频率在125HZ范围内（阀值为1）,最敏感的频率为10HZ左右。交流系统中的谐振和系统谐振与系统谐波之间的拍频现象会引起上述 范围内的频率波动。如系统谐振产生的265Hz的间谐波会与系统中的 5次谐波（250HZ）发生拍频，从而产生 15HZ的频率波动。电压闪变与电压波动有着直接的关系，但由于引起闪变的某些量值难以量化，而且它还需要

27、对电压波动（调幅波）频谱分析度进行统计，因此对闪变的计算远远比计算电压波动要 复杂得多。到目前为止还没有准确计算闪变的公式，对闪变造成的危害还涉及人脑和眼睛对闪变的响应特性分析。这方面还需要进行更深入的研究。三.电能质量问题研究的主要领域电能质量控制是一个复杂的系统工程，主要涉及电力系统、电工理论、电力电子技术、 自动控制理论等学科，也包括电源畸变、不平衡的功率理论，电能质量的实时检测与控制等 技术，还与国家政策和管理机制相关。1.电能质量标准制定的研究由于电能质量问题越来越严重以及造成的损失越来越大，各国政府和国际化组织对电能质量问题越来越重视， 相继制定颁布了一系列标准。 包括了从电能质量

28、的定义， 所适用的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立，从全国性的电能质量普查，监测到用户终端电气环境的定义。同时对电能质量的主要扰动形式，以及解决电能质量问题的规定步骤等都做了详细的规定。国际电工委员会（ IEC）,国际大电网会议（CIGER）,电气和电子工程 师协会（IEEE）等国际组织都有专门的工作组在不断研究和完善电能质量标准。并公布了 一些研究成果。如IEC第77委员会的61000系列标准。1992年7月欧洲电工标准化委员 会（CENEL EC ）正式颁布公用配电系统供电特性 文件（CENEL EC CLC/BTTF6 86 （ sec）15）,作为欧洲共同市场对电能质量的统

29、一标准，并已为国际电工委员会（IEC）采用。在我国，自八十年代初开始，国家技术监督局将制定国家电能质量系列标准列为重点项 目，至今共制定并颁布了五个有关的系列标准，表6介绍了一些有关国标的内容。表6电能质量国家标准摘要标准编号标准名称允许限值简要说明GB12325 - 90供电电压 允许偏差35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%;10kV及以下三相供电为± 7%;220V单相供电为+7%, - 10%。衡量点为供用电产权分界处 或电能计量点。GB12326 - 90电压允许波动和闪变电压波动10kV及以下2.5%; 35110kV 2%;220kV及以上1.6%。闪变W1 0

30、要求较高的照明0.4%（推荐值）；一般照明负荷0.6%（推荐值）。衡量点为电网公共连接点（PCC）,取实测95%概率值； 给出闪变电压限值和频度 的关系曲线，可以根据电压波 动曲线查得允许值，并给出算 例。对测量方法和测量仪器作 出基本规定。GB/T14549 - 93公用电网 谐波各级电网谐波电压限值（）电压（kV） 总畸变率奇次偶次0. 3854.02.06、1043.21.635、6632.41.211021.60.8（220kV电网参照110kV执行）衡量点为PCC,取实测95% 概率值；对用户允许产生的谐波电流提供计算方法；对测量方法和测量仪器作出基本规定；对同次谐波随机性合成提供算

31、法。GB/T15543 - 95三相电压 允许不平 衡度正常允许2%,短时不超过4%;每个用户一般不得超过 1.3%。各级电压要求一样；衡量点为 PCC,取实测95% 概率值或日累计超标不超过72min,且每30min中超标不 超过5min;对测量方法和测量仪器作出基本规定；提供不平衡度算法。GB/T159459 - 5电力系统 频率允许 偏差正常允许土 0.2Hz,根据系统容量可以放宽到土 0.5Hz;用户冲击引起的频率变动一般不得超过± 0.2Hz。对测量仪器提出了基本要求我国还根据IEC的相关第二，三类技术报告，于 2000年发布了五项电磁兼容性方面的10标准，它们是作为标准指

32、导性技术文件（ GB/Z ）发布的。对于标准的制定方面有几个问题值得重视：电能质量问题调查统计及未来发展的应对措施 标准的制定应该建立在对目前问题的分析的基础上，首先应该进行对电能质量问题造 成危害的统计调查。目前对各种电能质量问题造成的危害还没有非常确切的统计数据，虽 然国外已经给出了部分的统计数据，但仍然很不完全，只是少部分的事例，而我国对于电 能质量问题造成的危害的统计数据基本上没有，虽然人们凭感觉知道有的事故是因电能质 量问题引起但缺乏详实的数据，只能凭臆测。为了获得电能质量问题的第一手数据，需要 研究工作者与供电部门和重要的电力用户紧密配合，加强电能质量的监测记录和分析。其 次对电能

33、质量可能引起的问题没有正确的估计和预测，对电能质量问题可能造成的危害没 有正确的认识。同样的电能质量问题，对不同性质的负荷造成的危害是不一样的，因此研 究电能质量问题造成危害的第一步应该是研究负荷的特性及对各种电能质量问题的敏感程 度。可以根据一定的标准将不同用户分为普通用户，敏感负荷和要求严格的负荷等分别加 以研究。应该调查分析我国目前各种负荷的特性及所占比例，例如计算机负荷的性质及对 电能质量的要求及所占的比例，各种电动机负荷的性质及对电能质量的要求及所占的比例， 照明负荷的性质及对电能质量的要求与所占的比例等等。标准的制定应该具有一定的前瞻 性，这是建立在对未来负荷特性的发展正确认识的基

34、础上的。应该加强对我国负荷性质的 变化趋势及各种性质负荷所占比重的变化趋势的调查统计。例如近年来开关电源负荷迅速 增加，对于开关电源负荷对电力系统电压质量的要求及开关电源性质负荷的电流特性与电 流质量的研究还没有获得充分的研究。目前标准存在的问题目前标准的制定还是基于传统的傅立叶分析和统计分析， 而傅立叶分析存在一些不足之处： 只适用于稳态分析， 不能适用于非稳态分析； 它是某一频率分量一个平均意义上的量度，由整体波形决定，对于时域波形某一特定时刻的性态是无法反映的。因此目前只是对谐波，不平衡， 波动和闪变等进行了标准的制定， 而对于动态电能质量问题中的电压跌落， 电压脉冲等都还没有相应规定。

35、 对次谐波（即非基波整数次的谐波） 没有明确的定义，对波形中出现的能量很小的尖刺也没有很好的描述。不同标准之间存在的“标准缝隙”也是一个值得关注的问题。EMCB准中给出了抗扰水平，抗扰限值， 兼容水平， 发射限制和发射水平等几个规定值， 其目的是协调干扰发射者和承受者之间的关系，使其能够兼容，各个规定值是配套使用的。因此， 不能将EM鲍准直接当作电能质量标准限值来使用。不同的标准使得在实际应用中也出现了一些问题，例如 EMC标准中的 EN6100O- 3系列中涵盖了设备制造商所必须遵从的各种电磁兼容性标准，而EN50160则描述了配电系统供电的电压特性，因此，为满足前者制造的设备将会受到符合后

36、 者要求的供电电能的影响。制定电能质量的标准应该兼顾到电力部门， 设备制造商和用户三方面的利益， 权衡各方面的投入比重， 全面考虑各方的优势和劣势， 研究电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的， 应该将用户的衡量标准放在优先的位置进行考虑， 而目前实施的标准大多是由电力部门从自身角度出发制定的， 在调动用户执行标准的积极性方面考虑不够， 今后标准的制定应重视这一点。2电能质量指标的评价体系 科学的电能指标体系至少应满足以下要求：能反映干扰源的位置； 电能计费系统应能考虑电能质量因素； 指标应能随着电能质量恶化的加剧而单调变化； 能作为明确各方责任的科学依据；指标应实用且准确。电能质量指标

37、评价体系可以分为如下几个部分：技术性指标 ： 它是在分析研究对象特征的基础上提出来的评价指标。 通常使用的几种定量评价指标有总谐波畸变率，功率因素， 不平衡率等。但当波形为非周期信号，频率为分数次谐波频率时， 这些指标就有不协调的地方， 这涉及到畸变和不平衡状态下的功率定义和处理问题， 目前在这方面提出了不少的功率成份定义方法， 比较有影响的是赤木泰文等人提出来的瞬时无功功率理论， 它解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题， 但其物理意义比较模糊， 与传统理论关系不明确。 总的看来目前的各种定义方法在数学表达， 物理意义和实际应用方面各有所长， 但距理论和实践上统

38、一， 能为电力部门，设备制造商和用户广泛接受还有相当差距。针对电压下陷，电压冲击等现象， 有文献提出用诸如陷落深度，陷落面积，上升率，相位移，能量强度等进行描述，但这些都还只是上述现象的特征和属性， 还无法作为质量指标直接应用。 另外， 对不同的供用电地点和不同的供用电时刻， 电能质量的指标往往是不同的， 也即电能质量指标在空间和时间上都处于动态过程中， 因此电能质量指标易用概率统计结果来衡量， 并且需指明监测点， 这些都给制定电能质量的技术性指标评价体系带来很大的复杂性。经济性指标 ： 经济性指标主要用于评估电能质量问题可能带来的经济方面的损失， 以及采用各种改进电能质量的措施带来的经济效益

39、， 从而为经济方面采用最合理的措施提供评价标准。 进行经济性评估要涉及到相当复杂的经济学知识， 它与受到影响的设备， 生产类型相关，还与当前市场因素，利率，通货膨胀等因素相关，因此只能进行一定程度的估计。服务性指标 ：它反映电力部门开展需求侧管理的状况，电力需求侧管理（ DSM ）是 80年代以来西方国家电力公司倡导和推行的一项节电环保系统工程， 后来被广泛采用。 其含义是： 电力供应方通过对市场调查和进行技术经济评价而采取的各种激励及诱导措施， 指导和鼓励用户采取高效用电技术以提高效率， 调整用电方式， 在保持用电服务的前提下， 有效地减少电力和电量消耗，促进电力合理利用与效率的提高， 减少

40、大气污染，保护环境，并节省用电开支。从用户角度看， DSM 相当于电能商品的一种售后服务，电力供应部门通过DSM向用户介绍、 推荐使用节能设备， 引导用户改变用电方式， 使用户在不损失用电服务的前提下节省了电费， 这是用户欢迎的， 因而将 DSM 做为电能质量的服务性指标来考核是合理的。3电能质量的监测进行电能质量监测的目的主要有为问题分析提供数据； 保证标准或合约得到执行； 确定 预防性措施以及建立预防性基准等。对电能质量进行检测是获得电能质量信息的直接途径， 但该问题存在以下难点： 持续时间短， 如一些动态电能质量问题持续时间只有几个毫秒； 干扰发生的随机性强， 如雷击、 系统故障、一些非

41、线性负荷的投切等；电压、电流波形均发生畸变；需要实时监测，因 为敏感负荷、引起电能质量恶化的负荷数量、种类都越来越多。传统的检测技术是建立在有效值理论的基础上，采用的是傅立叶变换或加窗变换技术。而一些动态电能质量问题如电压冲击， 其畸变部分的能量强度可能很小， 整个检测周期中波形的有效值可能在符合要求的范围内， 传统方法无法正确进行检测。 同时检测信号的任何突 变，其频谱将散布于整个频域，传统方法无法提取对象的特征。近年来， 以专家系统， 人工神经网络， 模糊逻辑和遗传算法为代表的人工智能技术和小波变换技术正在电能质量监测方面得到越来越广泛的应用。 例如， 从记录数据中进行电能质量扰动类型的辨

42、识，进行检测数据的压缩与预处理，开发电能质量问题的自动处理过程，自动故障分析与定位，进行电能质量相关人员的培训等等。值得注意的是， 它们各自的领域内都有不少针对各自缺陷的改进技术， 特别是几种智能技术之间的融合正成为趋势， 例如， 模糊逻辑与神经网络技术协作系统， 基于模糊逻辑的专家系统等等。 人工智能技术还可以应用到电能质量研究的其它方面， 应该时刻关注这方面新技术的进展。硬件技术的进步促进了电能质量的监测技术的发展。目前A/D 转换器的采样频率可达1280 点/ 周期，数据位数可达20 位，可以满足采样速率和精度的要求。海量硬盘以及各种数据库技术使得数据存储不存在困难。高达400Mb/s

43、的通讯速率也能满足数据传送的要求，利用GPS的精确定时功能能够实现数据采集的同时性。4电能质量的分析与计算进行分析计算是电能质量问题研究中的核心部分。 包括了分析谐波在网络中的传播， 进行谐波源定位， 分析各种扰动源引起的波形畸变情况， 分析各种电能质量改善装置的作用等， 它为解决电能质量问题提供了事实依据和理论基础。以下几个方面是值得重点研究的内容： 小波变换技术的应用传统的信号分析方法有傅立叶变换，它具有正交，完备等许多优点，而且有象FFT这样的快速算法，已经在电能质量分析领域得到广泛应用，但在运用 FFT 时，要满足两个条件：满足采样定理的要求， 采样频率必须高于所要考虑的最高次信号频率

44、的两倍； 被分析的波形必须是稳态的， 随时间周期变换的， 因此只适用于稳态分析， 不能适用于非稳态分析； 对于时域波形某一特定时刻的性态是无法反映的。 还有一种加窗的短时傅立叶变换方法（ STFT ） ，但其时频窗口是固定不变的， 只适合于分析特征尺度大致相同的过程， 对于多尺度过程和突 变过程则无能为力。小波变换由于具有时频局部化的特点，克服了上述 FFT和STFT的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。 小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后， 已在图象处理、 数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。 由于小波函数本身衰减很快， 也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是动

45、态过程分析领域将具有FFT STFT所无法比拟的优点。 近年来， 小波变换方法已经在电能质量评估、 电磁暂态波形分析和电力系统扰动建模等电能质量问题研究领域得到应用。常用的小波基函数有：Daubechies小波、B-样条小波、Morlet小波；常用的算法有 Mallat在多分到分析（MRA基础上提出的塔式快速小波算法一 Mallat 算法。目前，小波变换方法在电能质量研究领域的应用还处于起步阶段，随着小波变换技术的进一步发展和性能更好的小波基函数的出现， 小波变换技术必将在电能质量研究 中得到更广泛的应用。元件模型的建立建立元件在电能质量扰动情况下的模型是非常复杂的过程， 系统元件在不同的电能

46、质量扰动形式下有不同的响应特性， 因此有不同的元件模型， 系统元件主要包括架空线， 地下电缆，变压器，旋转机械，电力电子设备，集体负荷以及外部系统等。这其中需要重点研究的是各种电力电子设备的模型，既要考虑它在出现各种电能质量扰动时表现出来的负荷特性，也要考虑其非线性特性而作为扰动源的特性。以电力电子装置中最常用的前端部分整流器为例， 通常考虑的是其谐波特性。 建立模型时考虑的因素有触发角， 换相重叠角， 输出电流波形， 储能元件以及负载特性以及多个整流器同时工作等等。 根据需要可建立各种不同的模型。 例如， 不考虑系统电压畸变情况下的电流源模型，考虑直流电流含有谐波时的变压器模型，不考虑出现间

47、谐波时的谐波域模型等。 时域仿真软件的使用利用仿真程序可以节省研究成本， 加快对各种解决方案作用的分析。 仿真软件在电能质量问题尤其是各种暂态现象的分析中越来越大的作用。 目前较通用的时域仿真程序可以分为两类：系统暂态仿真程序EMTP 、 HARMFLO 、 NETOMAC 等和电力电子仿真程序SPICE 、PSPICE、 SABER 等两大类。系统暂态仿真程序的核心的算法有常规谐波潮流计算， 系统导纳矩阵法和混和谐波潮流计算方法。 其具体应用包括有分析电容器投切造成的暂态现象； 分析可控换流器换流造成的电压波形下陷；分析电弧炉造成的电压闪变；分析不正常接地引起的电能质量问题等等；电力电子仿真

48、程序则是利用各种建立好的电力电子器件模型进行整个装置运行状态的模拟分析。 器件模型库是其最核心的部分， 同时还提供有根据需要由用户自行建立模型的功能。 其具有应用包括分析各种电力电子装置的内部运行状态， 分析各种控制策略的效果， 进 行器件失效分析等等。这些将是仿真程序在电能质量分析中最有发展前途的领域。四 DFACTS 技术在解决电能质量问题方面的新进展作为 FACTS （柔性交流输电系统）技术在配电系统应用的延伸 DFACTS 技术（又称 Customer Power 技术） 已成为改善电能质量尤其是解决动态电能质量问题的有力工具。 目前 主要的 DFACTS 装置有：有源滤波器（ APF

49、 ） ，动态电压恢复器（ DVR ） ，配电系统用静止 无功补偿器（D_STATCOM ）,固态断路器（SSTS）等。1 新型电力电子器件的开发与应用是DFACTS 技术发展的重要保证目前 DFACTS 技术采用的核心器件 IGBT 的开发与应用已经进入成熟稳定的阶段，IGBT 比 GTO 具有更快的开关频率，具有更快的响应特性，驱动简单，输出特性饱和压降小，并且关断容量已达MVA 级。同时 ABB 公司为解决高压大容量应用方面的各种难点，开发了一种新型的功率开关器件GCT（集成门极换相晶闸管），在4"硅片上已经做出3KA/6KA （带 /不带吸收电路）， 耐额定电压高达6KV 的器

50、件， 其最高开关频率高于25KHZ ，脉宽仅受累积功耗的限制。引入了缓冲层的结构， 通态压降低，关断损耗小。门控单元功率 半导体化（ IGCT ）降低了系统的开发成本，缩短了新产品的开发周期，被认为是应用于高 电压特大功率的最理想器件。清华大学柔性交流输电研究所（以下简称清华柔输所）时刻关注电力电子器件方面的最新研究成果， 在相关系统开发中积极应用新型的功率开关器件。 目前正在进行IGCT 应用实验研究工作，已完成了 IGCT 开关工作特性测试， IGCT 串联应用特性测试等大量相关基础性研究，取得了大量重要的实验数据，为将来IGCT 的进入实际应用阶段打下了坚实基础。2 先进控制手段与器件的

51、应用提高了DFACTS 装置的应用范围与解决能力传统的电能质量改善装置多采用相控方式进行逆变桥的控制策略，输出波形脉动大，谐波含量高， 不得不采用诸如输出变压器多重化联结等解决方法， 相应增加了系统成本， 引起 了变压器饱和等问题。而PWM （脉宽调制）控制技术在实用化方面的突破解决了上述问题。它使得输出电压的谐波含量极大地减少， 特别是可以减小和消除某些较低次数的谐波， 可以 实现快速的电压和电流控制， 只受到开关器件工作频率的限制。 目前应用较多的 PWM 控制 方式有SPWM （正弦脉宽调制），特定谐波消去PWM ,以谐波损耗最小为目标的优化PWM等。 目前出现了一种基于变换的空间矢量控

52、制技术在理论上也逐步成熟， 开始应用于实际控 制。 数字信号处理器（DSP）的运算功能越来越强大，其运算速度MAC （一次乘法和一次加法）时间已经从 400NS降低至ij 10NS以下，有的DSP芯片还有适用于 FFT,数字滤波，卷积等特殊设计，完全能够满足各种 DFACTS 设备复杂控制策略的运算速度要求。现场可编程逻辑器件（ FPGA ） 的出现解决了传统装置中触发脉冲精度不高， 系统适应性差的弱点。采用 FPGA 芯片替代某些单片机构成的触发脉冲发生系统，在 5KHZ 的开关频率下可以将触发脉冲精度从0.15°提高到0.018° ,同时通过在系统编程（ISP）技术，可

53、以将不同控制 目标的脉冲发生程序现场写入芯片， 在不改动任何硬件结构的情况下， 使同一控制系统能使 用于不同的 DFACTS 装置，大大节省了开发成本与开发周期。3 .积极开发各种装置解决电能质量问题静止同步补偿器(STATCOM )目前我国常用的无功调节设备为机械式并联电抗器、投切电容器，这些静止型调压手段，因调节不连续、响应速度慢，很难满足系统运行方式快速变化时的需求。而另一种调压装置SVC,响应速度很快，但由于呈恒阻抗特性，使得在电压低时，无法提供所需的无功支持， 因此应付突发事件的能力较弱，并且为了消除装置所产生的谐波，必须装设滤波器，占地面积较大，此外，过多的 SVC装置容易引发系统

54、振荡。相比之下，STATCOM则是较为有效的调压手段，它的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可在从感性到容性全范围内连续调节，使得其无功输出相当于同容量SVC的1.42.0倍，据专家估计，当容量超过 100Mvar时，STATCOM的性价比与SVC相当。另 外因STATCOM的灵活调压，还可以大大减少变压器分接头的切换次数，从而减少分接头 故障次数。除了具有上述诸多优点之外，STATCOM还可以抑制电压闪变和波动，提高系统暂稳水平，并且其可靠性已得到很大提高。清华柔输所和河南省电力局联合研制的我国最大的20MVAR静止无功发生器已于 99年 3月在洛

55、阳朝阳变电站投入试运行，并安全运行至今。该装置在提高河南省西部向东部输电限流电抗器起动整流器电压型 逆变器监测与故障诊断连接变压器断躇器户控制器GTO驱动器I的暂稳极限，提高华中电网电压稳定方面发挥了重要作用。该装置的结构原理图如图 9所示。予脉冲方嘈己 与保护器T豚种发生器E图9 + 200MVAR静止无功发生器结构原理图图10是该装置的动态响应特性，其响应时间小于30ms。Time(ms)图10 +20MVAR静止无功发生器动态响应特性该装置是我国第一个独立研发，具有完全自主知识产权的大容量实用化STATCOM。它的出现填补了国内该领域研究的空白，也使我国在STATCOM的研发和应用方面跻身世界先进行列。根据研究表明，目前我国电网普遍存在电压稳定性差，长距离输电受暂态稳定极限的限制无法提高输电容量的弱点，随着西电