电能质量高峰论坛第2版课件

电能质量问题分析与治理

任丕德（教授）副总经理2023年3月14日

中电普瑞科技有限公司，是国家电网公司中国电力科学研究院全资组建的高新技术企业，同时挂靠有国家发改委批准成立的输配电及节电技术国家工程研究中心。公司拥有世界先进的研发、试验及生产设备和手段，历经十余年的发展，已成为目前中国最大的电力电子技术研发、设备制造和系统集成基地，成为中国电力电子行业的旗帜与标杆。

普瑞科技致力于灵活交流输电、电能质量监测治理、可关断电力电子器件应用、新能源接入等技术领域，提供集研发、试验、制造、工程实施为一体的全套解决方案，不断为输电网和工业配电客户提供优质的产品与服务。亚洲最大、世界领先的电力系统电力电子实验室国际一流的特高压试验基地世界领先的电力系统仿真实验室2008年，“输电系统中灵活交流输电（可控串补）关建技术和推广应用”获国家科技进步一等奖2006年，“静止无功补偿器核心技术的研发及应用”获国家科技进步二等奖迄今为止，普瑞科技荣获国家级奖、省部级奖、国家电网公司科技奖等奖项共50余项，国家火炬项目1项。普瑞科技共获得授权专利60余项，其中发明专利20余项；2009年，“一种可控串联补偿晶闸管的电子触发系统”获第十一届中国专利奖金奖。

党和国家领导人以及国家电网公司领导十分关注普瑞科技的发展，对普瑞科技的自主创新最新成果给予了充分肯定和鼓励。电能质量问题的由来

随着国民经济的发展，用电负荷日趋复杂化和多样化，大量具有非线性、冲击性和不平衡特性的负荷造成电网电能质量的恶化；同时，现代工商业大量使用的计算机系统、快速发展的高新技术产业对电能质量的要求却越来越高，尤其是一些电能质量敏感企业一旦发生问题，会产生很大的经济损失。电能质量涉及国民经济各行各业和人民生活用电，优质的电力可以提高用电设备效率，增加使用寿命，减少电能损耗和生产损失，电能质量关系到电力可持续发展，也关系到国民经济总体效益，是实现节约型社会的必要条件之一。电能质量基本概念电能质量基本概念电能质量定义

PowerQuality——电能质量，是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。围绕电能质量的含义，从不同角度理解通常包括：（1）电压质量：是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题。（2）电流质量：反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损。（3）供电质量：其技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质量。包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。（4）用电质量：包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。电能质量基本概念电力系统常见电磁现象

一个良好的电能应该是连续的，电源的电压和频率总是保持在允许范围内，且电压和电流具有纯正的正弦波曲线。以下是电力系统中常见的电磁现象。

电能质量问题的危害

电能质量问题主要有谐波、电压波动和闪变、电压三相不平衡和低功率因数等，这些电能质量问题严重危害电气设备和工业生产。主要表现在：(一)谐波的电气设备的危害（1）谐波对旋转电机的影响

电动机吸收谐波电流会引起附加损耗，产生机械振动和噪声，引起谐波过电压；（2）谐波对变压器的影响

较大的谐波电流穿过变压器形成的谐波磁场会引起变压器附件的发热，并导致局部过热，谐波会使变压器的噪音增大；（3）谐波对输电电缆的影响

由于电缆的分布电容对谐波有放大作用，在电网低谷、电网电压升高时使谐波电压升高，造成电缆局部放电、介损和温升增大，易导致电缆故障；（4）谐波对通讯的干扰和影响

谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导等构成对通信线路的干扰；电能质量问题的危害电能质量问题的危害（5）谐波对电度计量的影响

对于采用感应系机构的电度表，谐波会引起电度计量的误差，其结果将导致：产生大量谐波的用户少付电费，而线性用户反而多付电费；（6）谐波对继电保护、自动装置等的影响

在谐波和负序的共同作用下，电力系统中以负序滤过器为启动元件的多种保护和自动装置会产生误动。电能质量问题的危害（三）负序将导致如下不良影响

（1）当电动机承受三相不平衡电压时，负序电压将产生与正序相反的旋转磁场，引起定转子的附加损耗和附加振动，减少使用寿命；（2）三相电压不平衡和负序电流将引起以负序分量启动的多种继电保护装置的误动；（3）三相电压不平衡使整流和换流设备产生附加的谐波电流（非特征谐波）；（4）电压不平衡使发电机的容量利用率下降；电能质量问题的危害（四）低功率因数将产生如下影响（1）根据《电力系统电压和无功电力技术导则》的规定，高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数应大于0.9以上，否则，用户将遭受低功率因数罚款，直接影响企业的经济效益。（2）低功率因数负载从系统吸收大量无功功率，增加了线损和变压器的损耗。（3）由于供电变压器同时通过有功功率和大量的无功功率，降低了变压器的供电能力。1.电能质量基本概念2.电能质量国家标准简介4.电能质量工程治理典型案例一、电能质量基本概念三、电能质量治理典型案例二、产生电能质量问题的负荷

交流电弧炉(EAF)电能质量分析

电弧炉炼钢是以废钢为主要原料，以三相交流电作电源，利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温，来加热、熔化炉料。交流电弧炉属于典型的非线性冲击负荷，生产时会对电网造成谐波、电压闪变、电压波动、三相电压及电流不平衡、功率因数低等不利影响，大大超过电能质量各项国家标准，威胁供电系统及设备自身的安全稳定运行。

(1)谐波由于电炉的电弧电流处于不规则的急剧变化状态及弧阻的非线性，电压和电流波形呈不对称的非正弦波形，它可以分解成2次以上的各次谐波电流，主要是2～7次谐波电流。运行时，谐波电流将会引起电气设备发热、震动、增加损耗、缩短寿命，会使PLC及继电保护装置误动作造成严重后果。产生电能质量问题的工业负荷交流电弧炉谐波特性：

*电弧的电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电流的非正弦畸变；*交流电的正负半周换相，石墨电极和钢交替作阴极和阳极，因不同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造成偶次谐波；*三相电弧不均衡，导致三次谐波。交流电弧炉电压/电流曲线及谐波含量：产生电能质量问题的工业负荷

国标推荐的交流电弧炉电压波动和闪变估算方法：

交流电弧炉在运行过程中，特别是在熔化期，随机且大幅度波动的无功功率会引起供电母线严重的电压波动和闪变。电弧炉在熔化期电极和炉料（或熔化后钢水）接触可以有开路和短路两种极端状态，当相继出现这两种状态时，其最大无功功率变动量ΔQmax就等于短路容量Sd。电弧炉在PCC点引起的最大电压波动和闪变可以按下面公式进行估算。产生电能质量问题的工业负荷2.1直流轧机电能质量分析

小型轧机如棒材和线材轧机，一般采用直流传动，其供电电压一般为10kV，无功功率冲击不大，三相电压不平衡度很小，主要电能质量问题是谐波电流和功率因数。正常负荷时的功率因数约为0.72，低负荷或空载时的功率因数低于0.4。谐波含量以整流器特征谐波为主，如下图所示。产生电能质量问题的工业负荷2.2交-交变频轧机电能质量分析

交交变频轧机在低速大功率轧机领域应用较广,具有能量装换效率高（无直流环节），输出频率低，带载能力强等优点，但是谐波含量大，除特征谐波和直流分量外，还存在一定的间谐波（旁频成分），即输入电流和输出电流之和或差。产生电能质量问题的工业负荷3.电解铝负荷

电解铝是直流电解冶炼，交流电经过整流变压器转换为直流电。目前，许多电解铝均采用多台整流机组通过移相形成48脉、60脉、72脉整流甚至更高，以降低谐波含量。单套整流机组一般由两个6脉动换流器通过分别采用Yy(或Dd)和Yd11联结的整流变压器组合而成。

产生电能质量问题的工业负荷增加电解整流装置的脉动数可以减少特征谐波的组成成分，并提高最低次谐波的次数，从而达到抑制谐波的目的。30°移相角可以借助常规的星-三角变压器实现，而其他移相角必须采用曲折变压器才能实现。而采用曲折变压器除了变压器本身结构复杂外，也使得系统的接线变得十分复杂。曲折变压器比普通变压器要多用15%左右的导体，导致体积和成本的增加。另外，随着谐波次数的增加，谐波消除的效率极剧下降。所以，等效脉波数不能无限制增加。电解整流负荷特性概括如下：①多台整流机组通过不同的移相角，低次谐波相互抵消，整体对外表现的谐波电流含量不大；②电解铝属于对称平稳负荷，引起的电压波动和三相电压不平衡度均不大；③功率因数较高，基本在0.85以上。产生电能质量问题的工业负荷4.电气化铁路

电铁牵引负荷具有多变性、随机性、移动性，对电网的干扰程度在不同时段内具有不确定性，这构成对电网干扰的复杂性。对于三相对称的供电系统来说，电气化铁路牵引负荷具有非线性，不对称和冲击性等特点，将产生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，并造成电压波动。产生电能质量问题的工业负荷5.风电

风电场电能质量问题主要是电压波动和谐波电流问题。引起风电场电压波动的因素有很多。风电机组在变动的风速作用下（如阵风、渐变风、随即噪声风、塔影效应、风剪切、偏航误差等），其功率输出具有变动的特性，可能引起所接入系统的某些节点（如并网点）的电压波动。风电机组并网时可能引起较大的冲击电流，造成并网点的电压波动，风电机组启动、脱网及发电机组切换也会引起电网电压波动。风电场的谐波电流主要是由于风电场采用了大量电力电子器件如晶闸管、IGBT等的原因。同步发电机的交直交变流装置以及双馈发电机转子励磁变流装置都是风电场谐波电流源，谐波电流主要是3次、5次、7次，其中5次谐波电流最大，7次谐波电流次之。风电场示意图双馈式风力发电机直驱式风力发电机产生电能质量问题的工业负荷1.电能质量基本概念2.电能质量国家标准简介一、电能质量基本概念三、电能质量治理典型案例二、产生电能质量问题的负荷1.电能质量治理设备简介

序号设备名称作用备注1FC吸收谐波，补偿无功无功输出不可调节，容易返送2SVC吸收谐波，补偿无功，稳定电压，抑制电压波动和闪变，平衡三相负荷技术成熟，应用广泛3STATCOM同SVC采用可关断器件，响应速度快，占地面积小，是发展趋势4APF吸收谐波为主5DVR防止电压跌落2.典型工程案例

静止型动态无功补偿装置（SVC）在电炉电能质量治理领域应用最广泛，下面以某工程100吨电弧炉负荷为例，介绍电能质量治理工程案例。

（一）系统收资

收集详尽，准确的系统资料是进行电能质量治理工程的第一步，也是非常重要的一项工作。收集的系统参数主要有当地自然环境条件，供电系统参数，系统运行方式，电能质量考核点，系统短路容量，负荷参数以及运行工况等。用户提供的系统参数如下：供电系统参数电能质量考核点：系统电源进线220kV母线最小短路容量:6370MVA

100吨EAF变压器的技术参数额定容量：100MVA额定电压比：950~1050V（常用950~980V）阻抗电压：8%短网参数2.5mΩ串抗参数4Ω（5档）从谐波（二）电能质量指标计算

根据用户提供的系统和负荷数据进行仿真、分析计算，掌握各项电能质量指标。针对LF炉负荷的电能质量特性，本工程需要计算的电能质量指标为：考核点谐波电压和谐波电流畸变率负荷无功冲击引起的考核点电压波动和闪变考核点三相电压不平衡度进线侧功率因数从谐波电能质量指标计算结果序号内容电能质量指标值国标限值备注1谐波电流//3次超标，2次、4次5次接近限值2谐波电压畸变率(%)1.282.0未超标3电压波动d(%)2.522.5超标4闪变Plt1.261.0超标5三相不平衡度（%）0.