第三章传统电能质量

1、 电力系统频率偏差电力系统频率偏差电压三相不平衡电压三相不平衡供电中断与供电可靠性供电中断与供电可靠性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定义（描述指标）、产生的原因、危害和改善措施定义（描述指标）、产生的原因、危害和改善措施供电电压偏差供电电压偏差n电压偏差的定义电压偏差的定义 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（额定电压）之差对系统标称电压的与系统标称电压（额定电压）之差对系统标称电压的百分数。百分数。n计算方法计算方法100%reNNUUUU电压偏差的限值：电压偏差的限值：国家标准国家标准GB12325-

2、1990GB12325-1990电能质量电能质量 供电电压允许供电电压允许偏差偏差的规定的规定35kV35kV及以上（无直接用电设备）：正负偏差的绝及以上（无直接用电设备）：正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的对值之和不超过标称电压的10%10%；10kV10kV及以下三相供电电压：及以下三相供电电压：7%7%；220V220V单相供电电压：单相供电电压：+7%+7%，-10%-10%电压偏差产生的原因电压偏差产生的原因设某一供电系统以简化单线图表示设某一供电系统以简化单线图表示 2USZ1ULZ PCC P+jQ 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

3、线电压，即开路电压；U2为公共连接点（为公共连接点（PCC）的母线电压；）的母线电压； 为为PCC的系统的系统阻抗，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。0USZRjXLZZU1UU2UIHURUXURjX设设*2SPjQUI220UU*22SPjQIUU负载的复功率为负载的复功率为所以线路中的电流相量为所以线路中的电流相量为线路首末端的相量差，即线路的电压降为线路首末端的相量差，即线路的电压降为12()UUUI RjX22ZHPRQXPXQRUjUj UUU ,ZHUU分别称为电压降分别称为电压降 的纵向和横向分量的纵向和横向分量U线路首末端电压有效值之差，

4、即电压损失线路首末端电压有效值之差，即电压损失2PRQXUU12UUU一般来说线路两端电压的相角差很小，电压降的横向分量对一般来说线路两端电压的相角差很小，电压降的横向分量对电压损失影响不大，可将纵向分量近似看成电压损失，即电压损失影响不大，可将纵向分量近似看成电压损失，即110kV及以上电压等级输电线路，其电抗远大于电阻，因及以上电压等级输电线路，其电抗远大于电阻，因此无功功率对电压损失的影响远大于有功功率，即此无功功率对电压损失的影响远大于有功功率，即2QXUUn输送距离过长，输送容量过大，导线截面过小都会加大线输送距离过长，输送容量过大，导线截面过小都会加大线路的电压损失，使得受端电压出

5、现严重偏差。路的电压损失，使得受端电压出现严重偏差。n表表3 31 1 我国对线路输送距离和输送功率的规定。其中还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。的要求，电压等级降低对导线截面的要求等。由以上分析可见：由以上分析可见：系统无功功率不平衡（无功电源不足或过剩、分配与分布系统无功功率不平衡（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、运行方式和网络结构变化等）不合理，如负荷与出力变化、运行方式和网络结构变化等）是造成电压偏移标称值的根本原

6、因。是造成电压偏移标称值的根本原因。n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为参考为参考相量；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； 为供电母线电压降为供电母线电压降相量；相量；I为负荷电流相量。习惯上规定，当电流滞后时，负荷为负荷电流相量。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阻抗角，负荷电流相量可表示为n其共轭相量为其共轭相量为n负荷的复功率定义为负荷的复功率定义为ULLjIIIsincosLLjIIIsincosLLjUIUIIUjQPSsincosLLIjIIsincos)sinIRcosIX(

7、 jsinIXcosIRIZULSLSLSLSSXRUjURUXU090RUXULSLSsinIXcosIRUUPLcosIUQLsinIUQXPRUSS1002NSSUQXPR(%)d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2(/)(%)100100SSSSNkR P XQRXPQdUS NUSRSXQ,P kSMVASSX/Rn从上式我们可以很清楚了解到，电压波动值与负荷的无功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率变

8、动量成正比，与公共连接点的短路容量成反比。这功率变动量成正比，与公共连接点的短路容量成反比。这是计算电压变动的基本公式。是计算电压变动的基本公式。n在实际运行中，由于波动性负荷功率因数低，无功功率变在实际运行中，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的主要原因。引起电压波动的主要原因。n短路容量：是系统电压强度的标志。短路容量大（对应于短路容量：是系统电压强度的标志。短路容量大（对应于系统等值阻抗小），表明电网络坚强，负荷、并联电容和系统等值阻抗小），表明电网络坚强，负荷、并联电容和或

9、电抗的投切不会引起电压幅值大的变化；反之依然。或电抗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电压波动与无功补偿容量的算例当无功功率以当无功功率以Mvar为单位，短路容量用为单位，短路容量用MVA表示，则表示，则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，该点短路容量等于，该点短路容量等于5000MVA，则，则为此安装的抑制电压波动的无功补偿

10、容量为：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成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。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。功率波动性负荷一般分类功率波动性负荷一般分类电压偏差超过允许范围的危害电压偏差超过允许范围的危害n对用电设备（照明、电动机、电子电器等）的危害对用电设备（照明、电动机、电子电

11、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。备寿命减少，甚至损坏电气设备。n对电网的危害对电网的危害 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需求加大，无功分布和补偿失衡，进而引起电压不稳定

12、问题。电压过高，会造成系统设备绝缘受损、铁芯饱和，产题。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，威胁系统安全运行。生谐波谐振，威胁系统安全运行。电压降低引起电力系统失稳电压降低引起电力系统失稳1 1）假定电动机机械负荷为恒功率负荷，）假定电动机机械负荷为恒功率负荷，端电压的降低导致电动机定子电流的端电压的降低导致电动机定子电流的增加增加; ;2 2）定子电流的增加增大了输电线上）定子电流的增加增大了输电线上的电压降落，迸一步降低了电动机的的电压降落，迸一步降低了电动机的端电压端电压3 3）端电压的下降引起线路电容充电无功功率的减小，使系统中无功更加短）端电压的下降引起线路电容

13、充电无功功率的减小，使系统中无功更加短缺缺; ;4 4）电动机定子电流增加导致发电机输出电流的增加，在发电机励磁电流已）电动机定子电流增加导致发电机输出电流的增加，在发电机励磁电流已达极限不能再增加后，由于电枢反应将引起气隙磁通的减少，导致发电达极限不能再增加后，由于电枢反应将引起气隙磁通的减少，导致发电机内电动势的减小，从而降低发电机端电压，同时也减少了发电机的无机内电动势的减小，从而降低发电机端电压，同时也减少了发电机的无功输出，使系统各节点电压进一步降低。功输出，使系统各节点电压进一步降低。如此形成恶性循环，引起电压的持续下降，直至电压崩溃。如此形成恶性循环，引起电压的持续下降，直至电压

14、崩溃。n对经济运行的影响对经济运行的影响当线路输送功率一定时，输电线路和变压器的运行电流与电压当线路输送功率一定时，输电线路和变压器的运行电流与电压成反比，低电压导致电流增大，系统的有功损耗、无功损耗、成反比，低电压导致电流增大，系统的有功损耗、无功损耗、电压损失都会增加。电压损失都会增加。当电压过高时电晕损耗大大增加，使系统运行成本明显增加。当电压过高时电晕损耗大大增加，使系统运行成本明显增加。改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施R+jX 1:K1 K2:1 P +jQ T2 T1 US L UL 以上图单机以上图单机- -单负荷两极变压器的简单电力系统为例，忽略对地电容，单负荷两极变压器的

15、简单电力系统为例，忽略对地电容，并将网络参数归算至高压侧，则并将网络参数归算至高压侧，则可见使可见使U UL L变化的措施：变化的措施：(1) (1) 调整调整U US S；(2) (2) 调整变比调整变比K K1 1、K K2 2；(3) (3) 改变功率分布改变功率分布( (以以Q Q为主为主) )；(4) (4) 改变网络参数改变网络参数R+jX(R+jX(以以X X为主为主) )。11221P1()()LssNRQXUU kUU kkUk方式：调节励磁电压方式：调节励磁电压适用于直接由发电机供电的小系统、线路不长；适用于直接由发电机供电的小系统、线路不长；易于实现逆调压易于实现逆调压,

16、 , 实质上是调节系统中发电机的无功输出。实质上是调节系统中发电机的无功输出。缺点：缺点：发电机通过较长线路、多电压级输电发电机通过较长线路、多电压级输电, , 此时最大、最小负此时最大、最小负荷时电压损耗之差往往大于荷时电压损耗之差往往大于5%; 5%; 而发电机的机端负荷允许发电而发电机的机端负荷允许发电机的电压调整范围为机的电压调整范围为5%-0, 5%-0, 所以满足不了远方负荷的要求。所以满足不了远方负荷的要求。多机系统中多机系统中, , 实际上是改变发电机间无功分配实际上是改变发电机间无功分配, , 与无功备与无功备用、无功的经济分配有矛盾。用、无功的经济分配有矛盾。因此因此, ,

17、 发电机调压仅作辅助措施发电机调压仅作辅助措施 改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施利用发电机调压利用发电机调压改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施改变变压器变比改变变压器变比u 普通变压器普通变压器u 有载调压变压器有载调压变压器条件条件: 从整个系统来看从整个系统来看, , 必须无功电源充足。变压器本身不是无必须无功电源充足。变压器本身不是无功电源功电源, , 当系统中无功电源不足时当系统中无功电源不足时, , 达不到调压要求达不到调压要求。特别注意：特别注意：当系统无功电源缺额较大时，系统电压水平偏低。如果此当系统无功电源缺额较大时，系统电压水平偏低。如果此时采用有载调压变压器进行调压，

18、使二次测电压升高则无功缺时采用有载调压变压器进行调压，使二次测电压升高则无功缺额将全部转嫁到主网上，使主网电压下降更加严重，甚至甚至额将全部转嫁到主网上，使主网电压下降更加严重，甚至甚至可能造成系统电压崩溃可能造成系统电压崩溃利用利用TVR装置改善复杂配电网电压偏差装置改善复杂配电网电压偏差 改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施无功补偿无功补偿u 同步调相机同步调相机优点：调节速度快；优点：调节速度快； 双向调节（即可发出感性无功，也可吸收感性无功）；双向调节（即可发出感性无功，也可吸收感性无功）； 连续平滑调节。连续平滑调节。缺点：旋转机械，维护复杂；投资较大缺点：旋转机械，维护复杂；投资较

19、大u 并联电容器并联电容器优点：设计简单；容量灵活；安全可靠；投资少；维护方便。优点：设计简单；容量灵活；安全可靠；投资少；维护方便。缺点：对系统有一定冲击；不能连续调节。缺点：对系统有一定冲击；不能连续调节。u 并联电抗器并联电抗器吸收线路充电功率，抑制过电压；有利单相重合闸。吸收线路充电功率，抑制过电压；有利单相重合闸。并联电容器并联电容器并联电抗器并联电抗器u静止无功补偿器静止无功补偿器（SVCSVC） 调节速度快；双向调节；连续平滑调节；静止器件，维护方便，调节速度快；双向调节；连续平滑调节；静止器件，维护方便，可靠性高。可靠性高。分裂导线数分裂导线数电抗值电抗值欧欧/Km充电无功充电

20、无功Mvar/Km波阻抗波阻抗欧欧/Km自然功率自然功率MW10.460.9836176220.351.29271101530.311.45241114240.281.582211246改善电压偏差的措施改善电压偏差的措施改变线路参数改变线路参数采用分裂导线减小线路电抗采用分裂导线减小线路电抗线路中串联电容器线路中串联电容器2U1U R+jXL P+jQ -jXC 并并 补补串串 补补减少无功流动，直接减少线路有功损耗减少无功流动，直接减少线路有功损耗提高电压水平而减少有功损耗，提高电压水平而减少有功损耗，等容量下不如并补作用强等容量下不如并补作用强减少无功流动而减少电压损耗，不如串减少无功流

21、动而减少电压损耗，不如串补明显补明显由由X XC C上负电压损耗抵偿上负电压损耗抵偿X XL L上上的的电压损耗，适用于电压波动电压损耗，适用于电压波动频繁、功率因数低的场合频繁、功率因数低的场合优点：提高线路输送能力和系统的稳定性。优点：提高线路输送能力和系统的稳定性。缺点：可能引起铁磁谐振、次同步谐振。缺点：可能引起铁磁谐振、次同步谐振。补偿系数补偿系数 KC=XC/XL电压偏差的监测与考核电压偏差的监测与考核电压监测点的设置原则：电压监测点的设置原则：1 1）与主网（）与主网（220kV220kV及以上）直接连接的发电厂高压母线；及以上）直接连接的发电厂高压母线；2 2）各级调度界面处）

22、各级调度界面处330kV330kV及以上变电所的一、二次母线，及以上变电所的一、二次母线， 220kV220kV变电所的一次或二次母线；变电所的一次或二次母线；3 3）所有变电所的）所有变电所的10kV10kV母线；母线；4 4）具有一定代表性的用户电压监测点；）具有一定代表性的用户电压监测点；u 所有所有110kV110kV及以上供电的用户；及以上供电的用户；u 所有所有35kV35kV专线供电的用户；专线供电的用户；u 其它其它35kV35kV和和10kV10kV用户中每用户中每1 1万万kWkW负荷至少设一个监测点，重负荷至少设一个监测点，重要用户，代表性要用户，代表性10kV10kV末

23、端用户；末端用户；u 低压用户（低压用户（0.4kV0.4kV）每百台配变至少设一个监测点，并且应）每百台配变至少设一个监测点，并且应设置于重要用户及有代表性的配电网首末端用户。设置于重要用户及有代表性的配电网首末端用户。考核指标考核指标 ：电压合格率：电压合格率电压合格率电压合格率=（电压合格时间（电压合格时间/电压监测总时间）电压监测总时间）* * 100%100% = =（1-1-电压超限时间电压超限时间/ /电压监测总时间）电压监测总时间）* 100%电压超限率电压超限率=（电压超限时间（电压超限时间/电压监测总时间）电压监测总时间）* 100%A A类电压合格率：城市类电压合格率：城

24、市10kV10kVB B类电压合格率：类电压合格率：110kV110kV及及35kV35kV、63kV63kV专线供电专线供电C C类电压合格率类电压合格率: : 其它高压用户其它高压用户C C类电压合格率：类电压合格率：0.0.4kV4kV供电电压合格率供电电压合格率=0.5=0.5* *A+0.5A+0.5* *(B+C+D)/3(B+C+D)/3电力系统频率偏差电力系统频率偏差n频率偏差的定义频率偏差的定义 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值称为系统的频率偏差。标称值称为系统的频率偏差。n计算方法计算方法reNfffn频率频率

25、正弦量在单位时间内交变的次数称为频率。我国采正弦量在单位时间内交变的次数称为频率。我国采用用50Hz50Hz为标称频率。为标称频率。频率偏差的限值：频率偏差的限值：国家标准国家标准GB15945-1995GB15945-1995电能质量电能质量 电力系统频率电力系统频率允许偏差允许偏差的规定的规定电力系统正常频率偏差允许值为电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz0.2Hz；当系统；当系统容量较小时频率偏差可放宽到容量较小时频率偏差可放宽到0.5Hz0.5Hz。频率偏差产生的原因：频率偏差产生的原因：系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。在任意时

26、刻，如果系统发电机的输出的总有功功在任意时刻，如果系统发电机的输出的总有功功率大于系统负荷的有功功率需求（包括输电环节率大于系统负荷的有功功率需求（包括输电环节的有功损耗）则频率上升。反之，频率下降。的有功损耗）则频率上升。反之，频率下降。频率偏差过大的危害频率偏差过大的危害n对用电负荷的危害对用电负荷的危害 （1 1）产品质量没有保障。系统频率变化将引起转速）产品质量没有保障。系统频率变化将引起转速与系统频率有关的电动机转速改变，从而影响产品与系统频率有关的电动机转速改变，从而影响产品的质量。的质量。（2 2）降低劳动生产率。系统频率下降使电动机的输）降低劳动生产率。系统频率下降使电动机的输

27、出功率降低，从而影响所传动机械的出力，导致劳出功率降低，从而影响所传动机械的出力，导致劳动生产率降低。动生产率降低。（3 3）使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。现）使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。现代工业大量采用的电子设备，系统频率的不稳定会代工业大量采用的电子设备，系统频率的不稳定会影响对系统频率非常敏感的电子设备的工作特性，影响对系统频率非常敏感的电子设备的工作特性，降低准确度，造成误差。降低准确度，造成误差。n对电力系统的危害对电力系统的危害1 1）降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率）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。如果系统频率减低，电动机输出崩溃

28、或电压崩溃。如果系统频率减低，电动机输出功率将以与频率成三次方的比例减少，当频率降至功率将以与频率成三次方的比例减少，当频率降至临界运行频率临界运行频率45Hz45Hz以下时，发电机输出的功率明显以下时，发电机输出的功率明显降低。一旦发电机输出功率减少，系统频率会进一降低。一旦发电机输出功率减少，系统频率会进一步下降，形成恶性循环，最终导致系统因频率崩溃步下降，形成恶性循环，最终导致系统因频率崩溃而瓦解。此外，频率下降，即发电机的转速下降时，而瓦解。此外，频率下降，即发电机的转速下降时，发电机的电动势将减少，无功功率出力降低，系统发电机的电动势将减少，无功功率出力降低，系统内部并联电容器补偿的

29、出力也随之下降，而用户需内部并联电容器补偿的出力也随之下降，而用户需要励磁用的无功功率却增加，促使系统电压随频率要励磁用的无功功率却增加，促使系统电压随频率的下降而降低，威胁系统的安全稳定的下降而降低，威胁系统的安全稳定。2 2）汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成）汽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。叶片疲劳损伤和断裂。（3 3）处于低频率系统中的异步电动机和变压器其主磁）处于低频率系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流也就随之加大，系统所需无功功通会增加，励磁电流也就随之加大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调率大为增加

30、，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难。整带来困难。（4 4）无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。当）无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。当系统频率下降时，电容器的无功出力成比例降低。此系统频率下降时，电容器的无功出力成比例降低。此时电容器对电压的支撑作用受到削弱，不利于系统电时电容器对电压的支撑作用受到削弱，不利于系统电压的调整。压的调整。（5 5）频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。频）频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。频率加大，感应式电能表将少计电量。率加大，感应式电能表将少计电量。改善频率偏差的措施改善频率偏差的措施在正常运行方式下，进行频率调整：在正常运行方

31、式下，进行频率调整：n一次调整：利用发电机组的调速器，对于变动幅度小（一次调整：利用发电机组的调速器，对于变动幅度小（0.10.10.50.5）、周期短（）、周期短（10s10s以内）的频率偏差所做的调整，以内）的频率偏差所做的调整， 投运的所有发电机组都自动参与频率的一次调整；投运的所有发电机组都自动参与频率的一次调整；n二次调整：利用发电机组的调频器。对于变动幅度较大二次调整：利用发电机组的调频器。对于变动幅度较大（0.50.51.51.5）、周期较长（）、周期较长（10s10s30min30min）的频率偏差所）的频率偏差所做的调整。担任二次调整任务的发电厂称为调频厂，担任二做的调整。担任二次调整任务的发电厂称为调频厂，担任二次