第三章传统电能质量分析与改善

1、一、电力系统运行特性一、电力系统运行特性二、频率稳定与频率偏差二、频率稳定与频率偏差三、电压稳定与电压偏差三、电压稳定与电压偏差四、三相不平衡四、三相不平衡一、电力系统运行特性一、电力系统运行特性电力充裕性电力充裕性电力安全性电力安全性（稳定性）（稳定性）电力经济性电力经济性电能质量电能数量 系统正常运行系统正常运行电力系统可靠性电力充裕性电力经济性电力安全性电力系统稳定性静态稳定 暂态稳定 动态稳定设备性能调节系统保护与控制系统规划 系统改造 运行方式单位煤耗，线损，功率因数节能增效，市场运行系统正常运行应满足的2个条件：任一节点的P、Q必须平衡；各节点和各元件的基本电气参数不应超过允许偏差

2、。电能质量就是电力系统稳态运行过程中各电气特性参数的具体表现。当其满足标准指标时，系统为（优质）合格运行。可靠经济优质 99.91% 8h6、电压稳定和频率稳定是保证电力系统正常（稳定）运行的基本条件电力系统稳定性功角稳定性频率稳定性电压稳定性小扰动角度稳定性暂态稳定性短期（1n秒）长期（n分钟）系统故障无功电源损失等大扰动系统负荷少量变化等小扰动短期和长期现象 电压连续频率电压稳定：系统从一个给定的初始状态承受扰动后保持母线静态电压的能力。频率稳定：系统由于发电和负荷显著不平衡或故障引起严重不平衡后保持系统静态频率的能力。npf60LoadsActive power足够的调频功率储备与有功/

3、负荷控制手段增减机电力矩，控制发电机的调速器，保证系统总发电容量动态变化的负荷容量；紧急状态下采取切负荷保持频率稳定频率在限定范围内变化；频率是系统供需稳定与否的晴雨表一个信息量充足、可靠，能提供给系统运行人员所需要的数据的信息网络，是对系统频率进行实时控制的先决条件智能电网的核心技术之一rfff rff(%)100rfrfff240fIf dt 考虑到瞬变状态时，要求频率的大幅度变化能够迅速减小，使它落在根据系统安全状态设定的喇叭状曲线中。图为故障后瞬变时长900s，频率必须稳定在f0 20mHz范围内。 GLSKKfPK第三章第三章 传统电能质量分析与改善措施传统电能质量分析与改善措施（本

4、章内容以自学阅读为主，这里给出几个要点问题）（本章内容以自学阅读为主，这里给出几个要点问题）一、电力系统运行特性一、电力系统运行特性二、频率稳定与频率偏差二、频率稳定与频率偏差三、电压稳定与电压偏差三、电压稳定与电压偏差四、三相不平衡四、三相不平衡1.电压稳定是电力系统运行中的经典问题电压稳定是电力系统运行中的经典问题 电压偏差的定义及计算方法（见电压偏差的定义及计算方法（见P55P55，P87P87） 电压偏差的危害（见电压偏差的危害（见P57P575858） 电压偏差是电力系统电压静态稳定的基本问题。电压偏差是电力系统电压静态稳定的基本问题。究其原究其原因：因：系统无功功率不平衡系统无功功

5、率不平衡（无功电源不足或过剩、分配（无功电源不足或过剩、分配与分布不合理，如负荷与出力变化、运行方式和网络结与分布不合理，如负荷与出力变化、运行方式和网络结构变化等）构变化等）是造成电压偏移标称值的根本原因。是造成电压偏移标称值的根本原因。 我们有必要重温无功功率与电压的平衡关系式。我们有必要重温无功功率与电压的平衡关系式。2. 波动负荷对电压特性的影响波动负荷对电压特性的影响 对公式对公式32进一步展开并推导，我们可以得到波动负进一步展开并推导，我们可以得到波动负荷对电压特性影响的关系式。荷对电压特性影响的关系式。 设某一供电系统以简化单线图表示，如图设某一供电系统以简化单线图表示，如图31

6、（a）所）所示。示。0UUSZ0ULZUU PCC P+jQ I图中图中 为供电系统的无限大电源母线电压，即开路电压；为供电系统的无限大电源母线电压，即开路电压；U为公共连接点（为公共连接点（PCC）的母线电压；为）的母线电压；为PCC的系统阻抗，的系统阻抗， 为负荷阻抗；为负荷阻抗；PjQ 为负荷的复功率。为负荷的复功率。0USZLZ图图31（b）给出简化单线电路的稳态相量图，图中）给出简化单线电路的稳态相量图，图中U为参考相量；为参考相量；U0为无限大电源母线电压相量；为无限大电源母线电压相量； 为供电母线电压降相量；为供电母线电压降相量；I为负荷为负荷电流相量。习惯上规定，当电流滞后时，

7、负荷阻抗角，负荷电流相电流相量。习惯上规定，当电流滞后时，负荷阻抗角，负荷电流相量可表示为量可表示为其共轭相量为其共轭相量为负荷的复功率定义为负荷的复功率定义为ULLjIIIsincosLLjIIIsincosLLjUIUIIUjQPSsincos当负荷发生波动时，则有，当负荷发生波动时，则有， 负荷电流的变动量为负荷电流的变动量为由此引起供电母线电压变动由此引起供电母线电压变动式中，式中， 为与为与U同相位的电压变动分量，同相位的电压变动分量， 为与为与U相差相差 的电压变动分量。的电压变动分量。供电母线电压幅值变化可以近似地以供电母线电压幅值变化可以近似地以 的大小来衡量；供电母的大小来衡

8、量；供电母线电压相角变化可以近似以线电压相角变化可以近似以 的大小来衡量。因此可给出电压的大小来衡量。因此可给出电压(大小大小)变动量的计算式变动量的计算式LLIjIIsincos)sinIRcosIX( jsinIXcosIRIZULSLSLSLSSXRUjURUXU090RUXULSLSsinIXcosIRU 已知上式中，已知上式中， ， 于是电压变动量大小与各参量的关系式可写成于是电压变动量大小与各参量的关系式可写成将上式改写可得到供电母线电压变动百分值将上式改写可得到供电母线电压变动百分值d的计算公式的计算公式UPLcosIUQLsinIUQXPRUSS1002NSSUQXPR(%)d

9、进一步推导有进一步推导有在工程计算中，上式中各参量单位规范为在工程计算中，上式中各参量单位规范为 PCC点电压标称值（点电压标称值（ ） ， 系统等值电阻和电抗（系统等值电阻和电抗（ ） 负荷汲取的有功功率和无功功率变化量（负荷汲取的有功功率和无功功率变化量（ ） PCC点短路容量（点短路容量（ ） 通常在中压和高压电网中，等值电阻远小于其等值电抗，一般通常在中压和高压电网中，等值电阻远小于其等值电抗，一般 1，供电母线电压变动百分值计算公式可近似简化为，供电母线电压变动百分值计算公式可近似简化为 1001002kSSNSSSQP)X/R(UQXPR(%)dNUkVSRSXQ,P varM,M

10、WkSMVASSX/R从上式我们可以很清楚了解到，从上式我们可以很清楚了解到，电压波动值与负荷的无功功电压波动值与负荷的无功功率变动量成正比，与公共连接点的短路容量成反比。率变动量成正比，与公共连接点的短路容量成反比。这是计算电压变动常用的基本公式。这是计算电压变动常用的基本公式。在实际运行中，由于波动性负荷功率因数低，无功功率变动量相在实际运行中，由于波动性负荷功率因数低，无功功率变动量相对较大，并且功率变化过程快，所以波动性负荷是引起电压波动对较大，并且功率变化过程快，所以波动性负荷是引起电压波动的主要原因。的主要原因。 短路容量，是系统电压强度的标志。短路容量，是系统电压强度的标志。短路

11、容量大（对应于短路容量大（对应于系统等值阻抗小），表明电网络坚强，负荷、并联电容和或电抗系统等值阻抗小），表明电网络坚强，负荷、并联电容和或电抗的投切不会引起电压幅值大的变化；反之依然。的投切不会引起电压幅值大的变化；反之依然。100(%)kSQd电压波动与无功补偿容量的算例通常，无功功率以Mvar为单位，短路容量用MVA表示，则 = x %kSQd(%)例如，一个容量为例如，一个容量为200Mvar的电容器组投入运行，接入点短路容量为的电容器组投入运行，接入点短路容量为10000MVA，则会引起，则会引起 2的电压波动。的电压波动。又如，一个母线的电压波动为又如，一个母线的电压波动为3，该点

12、短路容量等于，该点短路容量等于5000MVA，则为此安装的抑制电压波动的无功补偿容量为：则为此安装的抑制电压波动的无功补偿容量为： 150Mvar。注意到，上例中注意到，上例中150MVA说明感性无功和容性无功补偿的互补作用。说明感性无功和容性无功补偿的互补作用。还需注意到，电容补偿的固有缺点：其还需注意到，电容补偿的固有缺点：其补偿容量与接入点电压的平方补偿容量与接入点电压的平方成正比。因此，系统大量依靠电容器补偿无功存在电压稳定的脆弱性。成正比。因此，系统大量依靠电容器补偿无功存在电压稳定的脆弱性。供配电网络结构对电压的影响 输送距离过长，输送容量过大，导线截面过小都会加大线路的电压损失，

13、使得受端电压出现严重偏差。 书中表31 我国对线路输送距离和输送功率的规定。其中还需要考虑到技术经济性比较，如电压等级升高对绝缘强度的要求，电压等级降低对导线截面的要求等。电压偏差超过允许范围的危害对用电设备（照明、电动机、电子电器等）的危害 设备运行性能恶化，运行效率降低，过电压或过电流使设备寿命减少，甚至损坏电气设备。对电网的危害 由于线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。当系统电压偏低时，输电极限功率大幅度下降，可能引起系统频率的不稳定问题。电压偏低可能使得负荷无功需求加大，无功分布和补偿失衡，进而引起电压不稳定问题。电压过高，会造成系统设备绝缘受损、铁芯饱和，产生谐波谐振，

14、威胁系统安全运行。对经济运行的影响 使得系统的有功损耗、无功损耗、电压损失电晕损耗大大增加，使系统运行成本明显增加。功率波动性负荷一般分类功率波动性负荷一般分类 负荷特性是影响电压稳定性的一个关键因素，系统负荷特性是影响电压稳定性的一个关键因素，系统电压的动态稳定主要取决于负荷与电压控制措施的电压的动态稳定主要取决于负荷与电压控制措施的实效，电压稳定已经被称为负荷稳定。实效，电压稳定已经被称为负荷稳定。 根据用电设备的工作特征和对电压特性的影响，波根据用电设备的工作特征和对电压特性的影响，波动性负荷可分为两大类型：动性负荷可分为两大类型：1）轧钢机和绞车等负荷的电动机频繁启动，焊机等负）轧钢机

15、和绞车等负荷的电动机频繁启动，焊机等负荷的间歇通电，都会引起荷的间歇通电，都会引起时常电压变动时常电压变动，并且是有，并且是有一定规律的一定规律的周期电压变动周期电压变动；2）电弧炉等波动性负荷则会引起供电点出现）电弧炉等波动性负荷则会引起供电点出现连续电压连续电压变动变动，并且是无规律的，并且是无规律的随机电压变动随机电压变动。四、三相电压不平衡1、基本概念与特征 三相平衡（对称）系统的特征：三相电压（电流）瞬时值之和为零；三相瞬时总功率与时间无关。 三相电力系统电压不平衡一般是指基波情况下的三相电压大小不相等和/或相角差不满足互差120的关系。 不对称三相系统和不平衡三相系统 三相电压不平

16、衡是衡量三相系统对称的质量指标2、三相电压不平衡度的计算 电压的不平衡度一般用对称分量法分析，取基波的负序（零序）电压与正序电压方均根值的百分比表示（IEC、GB）1,21,100%UuU1,001,100%UuU,22,01113111papbcpUUaaUaaUUU 基于线电压与基于相电压的三相不平衡度30,3ejlpUU30,3ejlpUU2l2 puu60j2l2 pe 测量线电压时，零序不平衡度就是零。然而，相对中性点和相对地电压仍然有可能包括零序分量。2、三相电压不平衡度的计算2136100%136u444abbcca2222abbcca()UUUUUU（ABABBABABCBCBBCC 其他计算方法（1）基于三角形解析的精确算法22233AABCABBCAABCABBC2、三相电压不平衡度的计算 其他计算方法（2）基于电压幅值的简易算法（IEEE）2100%avUuU3abbccaavUUUUmax(