电能质量及其控制基本技术概述

1、电能质量及其控制电能质量及其控制本讲提纲本讲提纲电能质量的基本概念电能质量的基本概念1系统中电能质量实例系统中电能质量实例2电能质量的预防维护电能质量的预防维护3问与答问与答4停电停电白炽灯闪烁白炽灯闪烁设备停运设备停运大量电力干扰信号大量电力干扰信号精密仪器受损精密仪器受损v电能质量是指电能质量是指优质供电优质供电，合格电能质量的概念，合格电能质量的概念是指提供给敏感设备的电力和相应的接地系统是指提供给敏感设备的电力和相应的接地系统是适合该设备正常工作的。是适合该设备正常工作的。v电能质量电能质量 = = 频率频率 + + 供电质量供电质量v供电质量供电质量 = = 供电可靠性供电可靠性 +

2、 + 电压质量电压质量 v电能质量问题又以各种稳态的或暂态的电磁现电能质量问题又以各种稳态的或暂态的电磁现象表现出来，根据电磁现象的持续时间，电压象表现出来，根据电磁现象的持续时间，电压幅值变化和典型频谱分量。幅值变化和典型频谱分量。 v将电压质量作为评估电能质量的一个重要指标，将电压质量作为评估电能质量的一个重要指标，围绕电压幅值、持续变化时间、频谱分量来评围绕电压幅值、持续变化时间、频谱分量来评估。估。v电能质量的电能质量的IEEE定义：定义：v导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏流或频率偏差，其内容涉及频

3、率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动、闪变等。不平衡以及电压波动、闪变等。v可见电能质量的概念非常广泛，对电能质量的可见电能质量的概念非常广泛，对电能质量的认识正在进一步加深。认识正在进一步加深。v80年代以来，电力电子装置的整流器及变频装年代以来，电力电子装置的整流器及变频装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷的迅速发展。荷的迅速发展。v针对一些典型的工业用户通过安装无源滤波器、针对一些典型的工业用户通过安装无源滤波器、SVC（Static Var Compensator

4、，静止无功补偿，静止无功补偿器）等装置，进行谐波甚至谐波、电压波动、器）等装置，进行谐波甚至谐波、电压波动、三相不平衡及功率因数的综合治理与补偿。三相不平衡及功率因数的综合治理与补偿。 v90年代以来，计算机、信息技术迅速发展，对年代以来，计算机、信息技术迅速发展，对电能质量的要求越来越高。电能质量的要求越来越高。v电压凹陷（电压凹陷（Sag、Dip）问题已经成为当前电能）问题已经成为当前电能质量中最突出的问题。质量中最突出的问题。相关行业发生单次相关行业发生单次暂暂降降造成的经济损失数造成的经济损失数量级图量级图1 1、计算机系统的控制设备和电子装置等对电、计算机系统的控制设备和电子装置等对

5、电能质量非常敏感；能质量非常敏感；2 2、负荷结构的变化使半导体、晶闸管、变频、负荷结构的变化使半导体、晶闸管、变频调整、电弧炉、铁路电气化、家用电器等非调整、电弧炉、铁路电气化、家用电器等非线性用电设备或装置增多；线性用电设备或装置增多；3 3、在电力市场运营模式下，电力企业销售的、在电力市场运营模式下，电力企业销售的不仅是电力本身，而且包括电能质量和相关不仅是电力本身，而且包括电能质量和相关的附加服务。的附加服务。v电能质量关系到国民经济的总体效益。电能质量关系到国民经济的总体效益。 v从技术角度讲，提供优质电能质量是由供用电从技术角度讲，提供优质电能质量是由供用电双方共同保证的。双方共同

6、保证的。 v提高电能质量是实现电力可持续发展的重要基提高电能质量是实现电力可持续发展的重要基础。础。 v提高电能质量有许多工作要做。提高电能质量有许多工作要做。 授课提纲授课提纲12341、2011年年2月月24日日,甘肃中电酒泉风电公司桥西第一风电甘肃中电酒泉风电公司桥西第一风电场场35B开关间隔开关间隔C相电缆头故障绝缘击穿，造成三相短相电缆头故障绝缘击穿，造成三相短路，导致包括桥西第一风电场在内的路，导致包括桥西第一风电场在内的10座风电场中座风电场中274台风电机组因无低压穿越能力在系统电压暂降时脱网台风电机组因无低压穿越能力在系统电压暂降时脱网。风机脱网后，风电场无功补偿装置不具备自

7、动投切。风机脱网后，风电场无功补偿装置不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起300台风电台风电机组电压保护动作。事故过程中还有机组电压保护动作。事故过程中还有24台风机因频率台风机因频率越限保护动作。本次事故脱网风电机组越限保护动作。本次事故脱网风电机组598台，损失出台，损失出力力840.43MW，占事故前酒泉地区风电出力的，占事故前酒泉地区风电出力的54.4，造成西北电网主网频率由事故前的造成西北电网主网频率由事故前的50.034Hz降至最低降至最低49.854Hz。阶段阶段1阶段阶段 2阶段阶段31、电气设备及其连接部件隐患的排查治理；

8、、电气设备及其连接部件隐患的排查治理；2、并网运行风电场应满足接入系统的技术规定，风、并网运行风电场应满足接入系统的技术规定，风电机组必须具备电机组必须具备低电压穿越能力低电压穿越能力，不具备低电压，不具备低电压穿越能力的要尽快制定切实可行的低电压穿越能穿越能力的要尽快制定切实可行的低电压穿越能力改造计划；力改造计划；3、无功容量配置和参数整定应满足系统电压调节需、无功容量配置和参数整定应满足系统电压调节需要；要；4、开展涉网、开展涉网保护定值（电压、频率保护）保护定值（电压、频率保护）的核查和的核查和备案工作，指导风电场按电网要求进行涉网保护备案工作，指导风电场按电网要求进行涉网保护定值整定

9、。定值整定。 频率的含义：交流电在频率的含义：交流电在1s内正弦参量交变的次数内正弦参量交变的次数，单位为赫兹（，单位为赫兹（Hz）。）。 当系统在受到某种原因的干扰而失去均衡的过程当系统在受到某种原因的干扰而失去均衡的过程中，频率的有效性便难以维系。中，频率的有效性便难以维系。 交流电的频率是和发电机转速直接对应的电频率交流电的频率是和发电机转速直接对应的电频率： f=pn/60 式中式中 p发电机极对数发电机极对数 n机组每分钟转数机组每分钟转数v电力系统的标称频率电力系统的标称频率v交流电力系统的标称频率有交流电力系统的标称频率有50Hz和和60Hz两种两种。我国采用。我国采用50Hz。

10、50Hz和和60Hz频率的系统若频率的系统若要并联运行，需通过背靠背直流换流站或变频要并联运行，需通过背靠背直流换流站或变频机组转换频率。机组转换频率。v发电机组和用电设备铭牌上均有标称频率，即发电机组和用电设备铭牌上均有标称频率，即标明该设备应在该频率的电力系统中使用。标明该设备应在该频率的电力系统中使用。系统频率系统频率&机组频率机组频率&负荷频率负荷频率v电力系统稳定运行时，全系统频率相同。实际系统每电力系统稳定运行时，全系统频率相同。实际系统每时每刻都在变动，实际上时每刻都在变动，实际上“系统频率系统频率”是指与该系统是指与该系统中起着关键作用的大容量机组的转速相对应的

11、电频率中起着关键作用的大容量机组的转速相对应的电频率。v在系统动态过程中，机组频率取决于自身原动机能量在系统动态过程中，机组频率取决于自身原动机能量输入和其他机组同步力矩对它的牵制及负荷的分布。输入和其他机组同步力矩对它的牵制及负荷的分布。和其他节点的频率差异，在系统失步过程中尤为明显和其他节点的频率差异，在系统失步过程中尤为明显，危害也很大。，危害也很大。v负荷节点频率实际上取决于系统内各电源等值电动势负荷节点频率实际上取决于系统内各电源等值电动势相对运动，传递到该节点的电压向量在时间轴上的运相对运动，传递到该节点的电压向量在时间轴上的运动轨迹。动轨迹。频率偏差对电力系统的影响频率偏差对电力

12、系统的影响v 1）对发电厂的影响）对发电厂的影响v 蒸汽驱使的火电厂锅炉给力泵出力随转速减低而减小，发蒸汽驱使的火电厂锅炉给力泵出力随转速减低而减小，发电机出力下降。电机出力下降。v 一般燃气轮机组运行在额定转速附近，总是出力的减低近一般燃气轮机组运行在额定转速附近，总是出力的减低近似地与速度减低成正比似地与速度减低成正比低频率运行导致效率下降。低频率运行导致效率下降。v 对于核燃料汽轮发电机组，允许运行频率在较宽的范围内对于核燃料汽轮发电机组，允许运行频率在较宽的范围内变动，有较强的承受低频率的能力变动，有较强的承受低频率的能力v 但对于水电厂而言，在电力系统及其负荷容许的低频率运但对于水电

13、厂而言，在电力系统及其负荷容许的低频率运行范围内，不受限制。行范围内，不受限制。频率偏差对电力系统的影响频率偏差对电力系统的影响v电力系统低频率运行的影响电力系统低频率运行的影响v2）对负荷的影响）对负荷的影响v电力系统中大量的负荷是由电动机驱使的，计及负荷电力系统中大量的负荷是由电动机驱使的，计及负荷阻力特性后，供电频率对电动机（同步和异步）的影阻力特性后，供电频率对电动机（同步和异步）的影响，才是对负荷实际影响。响，才是对负荷实际影响。v到本世纪到本世纪7080年代，电动机调速的根本性变革，年代，电动机调速的根本性变革，eg：通过快递检测电流实现通过快递检测电流实现PWM控制的变频技术，以

14、及具控制的变频技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等。基本上消除有很强抗干扰能力的变结构控制系统等。基本上消除电动机转速受电源频率偏离的影响。电动机转速受电源频率偏离的影响。频率偏差对电力系统的影响频率偏差对电力系统的影响v 电力系统低频率运行的影响电力系统低频率运行的影响v 3）对输配电系统的影响）对输配电系统的影响v 变压器：若频率偏离标准值，变压器的铁芯损耗、漏变压器：若频率偏离标准值，变压器的铁芯损耗、漏磁通和噪声的影响，与相反方向的电压偏离导致的影磁通和噪声的影响，与相反方向的电压偏离导致的影响类似。响类似。v 配电变压器的激磁电流随运行频率的下降而非线性增配电变压器的激磁电

15、流随运行频率的下降而非线性增加，在地区内无功补偿不足或调压措施不完善时，导加，在地区内无功补偿不足或调压措施不完善时，导致地区电压下降。致地区电压下降。v 电容器：运行频率下降时，电容器的无功出力和额定电容器：运行频率下降时，电容器的无功出力和额定电流将直接按频率的降低成比例地下降。电流将直接按频率的降低成比例地下降。频率偏差对电力系统的影响频率偏差对电力系统的影响v 电力系统低频率运行的影响电力系统低频率运行的影响v 3）对输配电系统的影响）对输配电系统的影响v 线路串联补偿用电容器：若运行频率下降，则线路感线路串联补偿用电容器：若运行频率下降，则线路感抗随之下降的同时，增大了电容器的容抗，

16、导致线路抗随之下降的同时，增大了电容器的容抗，导致线路补偿度的增加，使线路传输能力得到提高。补偿度的增加，使线路传输能力得到提高。v 无功补偿用并联电抗器：其感抗随频率的降低而线性无功补偿用并联电抗器：其感抗随频率的降低而线性地下降，同时导致无功电流的增加。地下降，同时导致无功电流的增加。电力系统频率的控制方法电力系统频率的控制方法v 频率瞬时偏差的调整频率瞬时偏差的调整v 当系统中负荷发生微小变化时，发电机组调整器可自当系统中负荷发生微小变化时，发电机组调整器可自动调节，利用发动机组调速器有差特性调频，称为动调节，利用发动机组调速器有差特性调频，称为“一次调节一次调节”。v 当电力系统负荷有

17、较大和较长时间变化，改变调速器当电力系统负荷有较大和较长时间变化，改变调速器的工作点增减发电机组出力以保持系统频率，称为的工作点增减发电机组出力以保持系统频率，称为“二次调整二次调整”，又可经运行人员手动操作或依靠自动装，又可经运行人员手动操作或依靠自动装置完成，称为手动调频和自动调频。置完成，称为手动调频和自动调频。电力系统频率异常的控制电力系统频率异常的控制v 在电力系统中一般采取下列措施，防止频率的异常：在电力系统中一般采取下列措施，防止频率的异常：1、系统保有负荷备用和事故备用容量；电力供应不足时，、系统保有负荷备用和事故备用容量；电力供应不足时，必须事先限制一部分用户负荷，除使发电出

18、力与负荷平必须事先限制一部分用户负荷，除使发电出力与负荷平衡外，留有裕度。衡外，留有裕度。2、调度所或变电所直接控制用户负荷装置，并备有事故拉、调度所或变电所直接控制用户负荷装置，并备有事故拉闸序列表。闸序列表。3、系统内安装按频率降低自动减负荷装置和可能被解列而、系统内安装按频率降低自动减负荷装置和可能被解列而功率过剩的地区装设按频率升高切除发电机等装置。功率过剩的地区装设按频率升高切除发电机等装置。v在家里出现白炽灯一直闪烁的时候在家里出现白炽灯一直闪烁的时候电压波动对计算机和控制设备不需要特别关心，电压波动对计算机和控制设备不需要特别关心，因为其容量小并且能够在相对耗资不大的条件下因为其

19、容量小并且能够在相对耗资不大的条件下加设抗干扰设施。加设抗干扰设施。日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感度远远日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感度远远低于白炽灯，而几乎所有建筑的照明都装有大量低于白炽灯，而几乎所有建筑的照明都装有大量的白炽灯，如果电压波动的大小不足以引起白炽的白炽灯，如果电压波动的大小不足以引起白炽灯灯闪变（闪变（Flick），），则可以肯定不会使电视机和日则可以肯定不会使电视机和日光灯等工况异常。因此，白炽灯的工况可以作为光灯等工况异常。因此，白炽灯的工况可以作为判断电压波动值是否可以接受的依据。判断电压波动值是否可以接受的依据。 供电电压波动的幅值、频率和波形；供电电压

20、波动的幅值、频率和波形； 照明装置，以白炽灯的照度波动影响最大，而且与照明装置，以白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定电压等有关；白炽灯的瓦数和额定电压等有关； 人对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需要人对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需要观察者的闪变视觉感作抽样调查。观察者的闪变视觉感作抽样调查。v 电压波动一般由波动负荷所引起的，主要波动性负荷有：电压波动一般由波动负荷所引起的，主要波动性负荷有：1、炼钢电弧炉；、炼钢电弧炉；2、电动机频繁启动的负荷，如轧钢机和绞车、电动机频繁启动的负荷，如轧钢机和绞车3、间歇通电的负荷，如电阻焊机和电弧焊机、间歇通电的负荷，如电阻

21、焊机和电弧焊机v 危害有：危害有：1、电照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；、电照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；2、电机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化、电机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化3、电动机转速不均匀，影响产品质量甚至损坏、电动机转速不均匀，影响产品质量甚至损坏4、电子计算机、监测和控制设备工作不正常。、电子计算机、监测和控制设备工作不正常。一、评定：一、评定：1、当发生闪变干扰的波动负荷（、当发生闪变干扰的波动负荷（尤其注意电弧炉尤其注意电弧炉）存在时，首先考虑用闪变仪测出闪变值；存在时，首先考虑用闪变仪测出闪变值；2、对不同设备导致的闪变值做出预测。规划出供电、对不同设备导致的闪变值

22、做出预测。规划出供电系统能够接受闪变干扰负荷容量，并选择合适的公系统能够接受闪变干扰负荷容量，并选择合适的公共供电点进行补救。共供电点进行补救。二、改善措施二、改善措施1、波动性负荷补偿的技术措施、波动性负荷补偿的技术措施2、静止无功补偿器（、静止无功补偿器（SVC）v1、微波炉启动导致电脑重启、微波炉启动导致电脑重启v2、系统中一旦出现了故障或变压器激磁或感、系统中一旦出现了故障或变压器激磁或感应电机启动，在它附近的母线上的电压幅值迅应电机启动，在它附近的母线上的电压幅值迅速下降，甚至短时供电中断现象。速下降，甚至短时供电中断现象。v3、川内某电业局，、川内某电业局，2011年实测结果年实测

23、结果v在出现短时中断时记录的数据在出现短时中断时记录的数据出现了超过标准十几倍的短路电流出现了超过标准十几倍的短路电流案例分析：案例分析：1、回顾当天是否有树枝掉落、生长，导致相间故障情况、回顾当天是否有树枝掉落、生长，导致相间故障情况；2、排查周边的用户有没有冲击性负荷，或者大容量电机、排查周边的用户有没有冲击性负荷，或者大容量电机；3、确定出现短时中断的原因并作出现场考察；、确定出现短时中断的原因并作出现场考察；4、提出合理的改善建议，整治该电压暂降、中断问题。、提出合理的改善建议，整治该电压暂降、中断问题。1、经常修理树枝，打扫线路所经过路线的清洁度；、经常修理树枝，打扫线路所经过路线的

24、清洁度；2、在经常出现雷暴的露天和高危地点，加装避雷器、在经常出现雷暴的露天和高危地点，加装避雷器，减少雷暴造成的短路影响；，减少雷暴造成的短路影响；3、组织营销部门积极走访用户，收集用户的大型用、组织营销部门积极走访用户，收集用户的大型用电设备，并作出记录和统一的管理。电设备，并作出记录和统一的管理。电压暂降的理论分析电压暂降的理论分析v电压暂降：又称电压跌落，是指电压幅值（有效电压暂降：又称电压跌落，是指电压幅值（有效值）的暂时下降，随后又恢复正常特征。电压暂值）的暂时下降，随后又恢复正常特征。电压暂降在电力系统的频繁出现将引起许多电能质量问降在电力系统的频繁出现将引起许多电能质量问题。最

25、近十几年来，由于敏感负荷的增加，由电题。最近十几年来，由于敏感负荷的增加，由电压暂降造成的经济损失也迅速增加。压暂降造成的经济损失也迅速增加。 电压暂降主要由起始时间、暂降幅值和持续时间界电压暂降主要由起始时间、暂降幅值和持续时间界定。定。 IEEE定义暂降幅值在定义暂降幅值在10%90%之间，之间，IEC定义的幅定义的幅值为值为1%90%，持续时间在，持续时间在0.5个周期（我国个周期（我国10ms）1分钟。分钟。 典型的电压暂降事件持续时间在典型的电压暂降事件持续时间在0.530个周期，暂个周期，暂降深度取决于距离故障点的位置和电网结构。降深度取决于距离故障点的位置和电网结构。 影响电压暂

26、降涉及大量随机因素：影响电压暂降涉及大量随机因素：（1）短路类型。）短路类型。（2）故障位置。）故障位置。（3）保护装置性能。）保护装置性能。（4）大气层放电。）大气层放电。（5）冲击性负荷启动的不确定性。）冲击性负荷启动的不确定性。v短时电压中断（短时电压中断（Interruption）：）：v指短期（指短期（3秒以内）电压值下降到额定值的秒以内）电压值下降到额定值的10%以以下的一种异常现象。下的一种异常现象。电压暂降影响电压暂降影响大大中中小小电电压压中中断断影影响响大大精加工、化工、精加工、化工、塑料制造塑料制造印刷、造纸、印刷、造纸、玻璃、汽车制玻璃、汽车制造造冶金、水泥交冶金、水泥

27、交通运输、食品通运输、食品生产、电弧炉生产、电弧炉小小轧钢、铝加工轧钢、铝加工金属加工、工金属加工、工业煤气、化纤业煤气、化纤电解、粉碎机电解、粉碎机械械 电压中断和暂降主要是在系统内发生的，由负荷电压中断和暂降主要是在系统内发生的，由负荷用电引起的电压暂降和电压中断占少数。因此控用电引起的电压暂降和电压中断占少数。因此控制电压凹陷和电压中断先应从系统内寻求缓解其制电压凹陷和电压中断先应从系统内寻求缓解其影响的措施，然后再根据实际需要安装专门的控影响的措施，然后再根据实际需要安装专门的控制设备。制设备。 1、不间断电源、不间断电源UPS UPS装置串联接入供电线路，在正常供电中，通过装置串联接

28、入供电线路，在正常供电中，通过UPS的交流的交流-直流直流-交流变换（交流变换（PWM1-PWM2）向负荷）向负荷供电。由于经过交流到直流的转换，消除了电压波动供电。由于经过交流到直流的转换，消除了电压波动的影响。的影响。 在电压暂降期间由电网交流电源在电压暂降期间由电网交流电源Us平稳移动到装置平稳移动到装置DG供电而解决电压稳定问题，效率达到了供电而解决电压稳定问题，效率达到了9297%2、动态电压恢复器、动态电压恢复器DVRDVR串联接入要补偿的支路。当系统电压正常串联接入要补偿的支路。当系统电压正常时，时，DVR不输出电压（不输出电压（VDVR=0）,这时这时Vload=Vs，负荷由系

29、统供电；当系统出现暂降故障时，负荷由系统供电；当系统出现暂降故障时，Vs比正常运行时减低比正常运行时减低V。DVR检测到这一变化检测到这一变化时，通过控制算法提供相应的控制量，使脉宽时，通过控制算法提供相应的控制量，使脉宽调制的逆变器输出一个对应补偿分量，调制的逆变器输出一个对应补偿分量，VDVR= -V。这样，敏感负荷端电压，维持故障前电压。这样，敏感负荷端电压，维持故障前电压不变。不变。DVR补偿原理示意图3、基于、基于UPQC类型的类型的QCC普通普通优质优质特级特级电压偏差电压偏差AAA电压暂降电压暂降BBA电压上升电压上升BBA功率因数功率因数CCA闪变闪变CCA电压中断电压中断BA

30、A不平衡不平衡CCA谐波谐波CCAA：完全补偿：完全补偿B：部分补偿：部分补偿C：不补偿：不补偿 当接入某些负荷后，电容器发生爆炸事故或投入当接入某些负荷后，电容器发生爆炸事故或投入不了？不了？ 当电力变压器毁坏或感应电机过热时？当电力变压器毁坏或感应电机过热时？ 某些大型工业负荷投运后，电容器出现严重过负某些大型工业负荷投运后，电容器出现严重过负荷，噪音异常，个别电容器投运不久就发生鼓肚荷，噪音异常，个别电容器投运不久就发生鼓肚现象？现象？这是什么原因？我们这是什么原因？我们应该怎么办？应该怎么办？ 原因分析：原因分析：1、谐振过电压、谐振过电压2、高次谐波电流的放大作用高次谐波电流的放大作

31、用，危害及其严重，危害及其严重谐波的治理：谐波的治理：1、改变整流变压器接线，使谐波电流含量较高的、改变整流变压器接线，使谐波电流含量较高的 5、7 次谐波被基本消除，当然需要增加平衡电抗器。次谐波被基本消除，当然需要增加平衡电抗器。与此同时，需要核算改后变压器容量是否能够满足与此同时，需要核算改后变压器容量是否能够满足负荷要求，如容量不存在问题，改变变压器一次绕负荷要求，如容量不存在问题，改变变压器一次绕组接线不失为一种较好的方案。组接线不失为一种较好的方案。2、取消高压侧普通并联电容器，因为其对整流装置的、取消高压侧普通并联电容器，因为其对整流装置的导通情况产生影响并对高次谐波电流产生放大

32、作用导通情况产生影响并对高次谐波电流产生放大作用，其危害太大，需要拆除以消除其影响，其危害太大，需要拆除以消除其影响3、装设滤波装置。需要根据整流装置产生的高次谐、装设滤波装置。需要根据整流装置产生的高次谐波次数及高次谐波电流值和无功功率平衡等条件波次数及高次谐波电流值和无功功率平衡等条件确定。确定。4、滤波器在设计中需要考虑：、滤波器在设计中需要考虑：1）系统阻抗（高频阻抗）及其变化范围）系统阻抗（高频阻抗）及其变化范围2）谐波源产生的谐波量）谐波源产生的谐波量3）谐波限制标准）谐波限制标准v谐波的产生谐波的产生v在理想的交流供电系统中，三相交流电压是平在理想的交流供电系统中，三相交流电压是

33、平衡的，其均方根值和频率都应该是恒量，电压衡的，其均方根值和频率都应该是恒量，电压和电流的波形为纯正弦的。电压为正弦波形的和电流的波形为纯正弦的。电压为正弦波形的瞬时值表达式可以写成：瞬时值表达式可以写成：v式中式中 为电压的均方根值，电压的幅值为为电压的均方根值，电压的幅值为 为初相角；为初相角； ， 和和T：分别为角频率、工频：分别为角频率、工频频率和周期。频率和周期。 ( )2sin()u tUtTf220UU20f 在电路中线性无源元件在电路中线性无源元件上电流和电压的关系是上电流和电压的关系是线性关系。线性关系。 理论上任何周期性波形理论上任何周期性波形都可分解成傅里叶级数都可分解成

34、傅里叶级数，称为谐波分析或频域，称为谐波分析或频域分析。谐波分析是计算分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的和谐波的幅值和相角的基本方法。基本方法。 用一组正弦波叠加来近似表示方波用一组正弦波叠加来近似表示方波 国际上公认的谐波含义为：国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。”因此谐波次数必须为整数。因此谐波次数必须为整数。 实际上的畸变波形所含各次谐波分量的幅值，是实际上的畸变波形所含各次谐波分量的幅值，是时变的、不规则的，而且还可能是随机变化的。

35、时变的、不规则的，而且还可能是随机变化的。国际大电网会议工作组建议，在测量和计算各次国际大电网会议工作组建议，在测量和计算各次谐波时，应当给出它在谐波时，应当给出它在3秒内平均的均方根值。这秒内平均的均方根值。这样，便可以对暂态现象和谐波加以区别。样，便可以对暂态现象和谐波加以区别。 系统中主要的谐波源可以分为两大类：系统中主要的谐波源可以分为两大类：（1）传统的非线性设备，包括变压器、旋转电机、）传统的非线性设备，包括变压器、旋转电机、电弧设备等。电弧设备等。（2）现代电力电子非线性设备，包括使用电力电子）现代电力电子非线性设备，包括使用电力电子开关或晶闸管的控制设备。的整流器、逆变器、开关

36、或晶闸管的控制设备。的整流器、逆变器、变频器和高压直流输电的变流器等。变频器和高压直流输电的变流器等。 谐波的危害主要通过谐波环境下的热效应、谐波畸变后的谐波的危害主要通过谐波环境下的热效应、谐波畸变后的过电压以及信号干扰表现出来。大致可包含为过电压以及信号干扰表现出来。大致可包含为（1）谐振放大引起的过电压过电流引起设备故障或损坏；）谐振放大引起的过电压过电流引起设备故障或损坏；（2）旋转电机、变压器、电缆附加谐波损耗发热、引起故障）旋转电机、变压器、电缆附加谐波损耗发热、引起故障甚至损坏；甚至损坏；（3）电容器因谐波电流过载、谐波过电压击穿、谐波下的介）电容器因谐波电流过载、谐波过电压击穿

37、、谐波下的介质损耗增加而发热缩短寿命；质损耗增加而发热缩短寿命；对继电保护、自动装置、测量设备和通信电路的干扰问题。对继电保护、自动装置、测量设备和通信电路的干扰问题。 国际标准国际标准61000-5-7提出对各类谐波测试仪器的要求，包括频提出对各类谐波测试仪器的要求，包括频域仪器和时域仪器。域仪器和时域仪器。谐波特征确定了仪表的类型和测量方法。根据谐波特征确定了仪表的类型和测量方法。根据IEC 6100-5-7, 谐波分类如下谐波分类如下:(1)准稳态准稳态(quasi-stationary)谐波，即变化缓慢的一类谐波，如谐波，即变化缓慢的一类谐波，如恒定负载的整流装置、调光灯等产生的谐波。

38、恒定负载的整流装置、调光灯等产生的谐波。（2）波动（）波动（flactuating）谐波，如电机变频调速与换相、电）谐波，如电机变频调速与换相、电子调节类家电所产生的谐波子调节类家电所产生的谐波（3）快速变化（）快速变化（rapidly changing）谐波，如冲击性非线性负）谐波，如冲击性非线性负荷（电弧炉、电力机车）等产生的谐波。荷（电弧炉、电力机车）等产生的谐波。v公用电网谐波电压限值公用电网谐波电压限值 电网标称电压(kV)电压总谐波畸变率(%)各次谐波电压含有率(%)电网标称电压(%)电压总谐波畸变率(%)各次谐波电压含有率(%)奇次偶次奇次偶次0.385.04.02.0353.0

39、2.41.264.03.21.666101102.01.60.8谐波问题的解决方法可分为预防性和补救性两类。预防性方谐波问题的解决方法可分为预防性和补救性两类。预防性方法是在电气设备的设计与制造的过程中采取措施来减小谐法是在电气设备的设计与制造的过程中采取措施来减小谐波的产生。如：波的产生。如：（1）整流装置中采用移相与相位抵消来减小谐波）整流装置中采用移相与相位抵消来减小谐波（2）特别设计变压器、旋转电机结构，改变变压器的接线）特别设计变压器、旋转电机结构，改变变压器的接线方式，合理设计补偿电容器的串联电抗器；方式，合理设计补偿电容器的串联电抗器；补救性的解决方法是采用附加的谐波治理设备或改

40、变系统结补救性的解决方法是采用附加的谐波治理设备或改变系统结构来减小系统已有的谐波。如构来减小系统已有的谐波。如（1）采用馈线重构或改变电容器组安装位置来克服谐振；）采用馈线重构或改变电容器组安装位置来克服谐振；(2)使用滤波器。使用滤波器。 v 发电机发生不对称运行；发电机发生不对称运行； 转子的附加损耗及发热转子的附加损耗及发热 附加力矩及振动附加力矩及振动v 变压器不对称运行；变压器不对称运行；v 继电保护和自动装置的误动作；继电保护和自动装置的误动作；v 对计算机系统进行干扰；对计算机系统进行干扰；v 输电线路损耗的增加。输电线路损耗的增加。一个稳态、持续产生危害的过程一个稳态、持续产

41、生危害的过程v 检测判断：检测判断：v 以发电机为例，需要测量电机电流。如果电机载荷均以发电机为例，需要测量电机电流。如果电机载荷均衡：从每相获得的电流大体相同（如下所测，差别低衡：从每相获得的电流大体相同（如下所测，差别低于百分之十）。如果失衡，则可能是电机内部原因（于百分之十）。如果失衡，则可能是电机内部原因（如定子绝缘恶化），或者是电压失衡造成的。如定子绝缘恶化），或者是电压失衡造成的。v 三相不平衡三相不平衡v基本概念基本概念v所谓对称的所谓对称的m相系统，是指各相电量（电动势、电相系统，是指各相电量（电动势、电压或电流）大小相等而彼此之间的相位移均等于压或电流）大小相等而彼此之间的相

42、位移均等于 。v多相系统又可分为平衡与不平衡的，前者功率瞬时多相系统又可分为平衡与不平衡的，前者功率瞬时值与时间无关，而后者功率瞬时值随时间而变。值与时间无关，而后者功率瞬时值随时间而变。v可以证明，相数可以证明，相数 的对称系统一定是平衡的。的对称系统一定是平衡的。m/22mv一个多相系统的不对称性并不表明它一定是不一个多相系统的不对称性并不表明它一定是不平衡的。平衡的。v单相系统可算是不平衡系统的典型例子，其功单相系统可算是不平衡系统的典型例子，其功率在率在 和和 之间波动，其之间波动，其中中P P代表系统的有功功率。代表系统的有功功率。)cos11 (P)cos11 (Pv在三相三线制供

43、电系统中，三相相量大小相等在三相三线制供电系统中，三相相量大小相等、频率相同、相位依次相差、频率相同、相位依次相差120120度时，称为三度时，称为三相对称，否则称为三相不对称，此时，三相相相对称，否则称为三相不对称，此时，三相相量中有正序分量和负序分量。我们把负序分量量中有正序分量和负序分量。我们把负序分量有效值与正序分量有效值之比称为不对称度或有效值与正序分量有效值之比称为不对称度或不平衡度，用符号不平衡度，用符号 表示，即表示，即v电压不平衡度电压不平衡度 v电流不平衡度电流不平衡度%10012UUU%10012IIIv根据电工原理，任何不对称的三相相量均可用根据电工原理，任何不对称的三

44、相相量均可用对称分量法分解为三组对称的正序、负序和零对称分量法分解为三组对称的正序、负序和零序分量，在三相三线制中，若三相为序分量，在三相三线制中，若三相为 则则v正序分量正序分量v负序分量负序分量v零序分量零序分量v式中式中 旋转算子旋转算子v显然，要用这公式计算正（负）序分量，必须显然，要用这公式计算正（负）序分量，必须测出各相量的大小及相位，运算繁琐。测出各相量的大小及相位，运算繁琐。CBA、1112121C B )(31AaAaCaBaAA，2222222C B )(31AaAaCaBaAA，0)(31000CBACBAa2321 ,2321002402120jeajeajj1 1、电

45、气化铁路、电气化铁路2 2、交流电弧炉、交流电弧炉 可采用下面的解决方案：可采用下面的解决方案：1 1、将不对称负荷分散接到不同的供电点，以减小集中连、将不对称负荷分散接到不同的供电点，以减小集中连接所造成的不平衡度超标问题；接所造成的不平衡度超标问题；2 2、使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化；、使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化；3 3、将不对称负荷连接到更高电压等级上供电，以使其连、将不对称负荷连接到更高电压等级上供电，以使其连接点的短路容量足够大（例如：对于单相负荷，短路接点的短路容量足够大（例如：对于单相负荷，短路容量大于容量大于5050倍负荷容量时，就能保证连接点的电压不倍负荷容量时，就能保证连接点的电压不平衡度小于平衡度小于2%2%）；）；4 4、采用平衡装置。、采用平衡装置。授课提纲授课提纲电能质量的基本概念1系统中电能