第三章传统电能质量分析与改善

第三章传统电能质量分析与改善措施一、电力系统运行特性二、频率稳定与频率偏差三、电压稳定与电压偏差四、三相不平衡1、电力系统的基本任务电力系统的基本任务是按可接受的质量（Quality）标准、所需数量（Quantity）的电力，连续（uninterrupted）地向电力用户提供电能。可靠性是这一能力的量度。因此，对电力系统性能的要求通常用可靠性来表征。alwaysavailable,alwayswithinvoltageandfrequencytolerance,withapure,noisefree,sinusoidalwaveshape.可靠性的内涵包括充裕性（adequacy）和安全性（security）。一、电力系统运行特性2、电力系统正常运行中诸要素关系示意图电力充裕性电力安全性（稳定性）电力经济性电能质量电能数量

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。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。3、对电力系统运行三点基本要求的考核指标保证可靠地连续供电---供电可靠性指标：1)定性分类：按对可靠性的要求将负荷分为三级；2)定量考核：开展可靠性概率统计计算考核。

保证系统的经济运行---发输两个重要环节的考核指标：1)煤耗率(g/kW·h)2)线损率（网损率）

(电力网络电能损耗／电力网络供应电能量)×１００％保证良好的电能质量---国家电能质量标准和行业规定：1)电网规划设计(有功和无功电源的设置，电压等级选择)和运行方式(结线方式和接地方式等)调配中的综合保证2)电能质量的六项指标（但评估考核办法很不健全）可靠经济优质4、当代电力系统应当关注的几个相关问题设备敏感度不同。本微不足道的电压扰动或特性变化可能影响到控制系统，导致掉闸或误动作。这些敏感设备相互连接在一起，连接在一个大的电网络中，或一系列自动化过程中。这就意味着，整个系统与最敏感设备有相同的敏感度了。市场竞争环境。突出了优质电能的问题。电力成为产品和商品后，用户逐渐成为主导。用户通过买卖得到的电力所包含的任何质量问题都不能不计算在内了。认识的提高。对于电力系统中时常出现的各种电力干扰现象，通过实时监测和理论分析与探讨，正在不断深入认识。供用双方的相互影响与作用越来越紧密。关于电力供应可靠与否，人们正在探索，试图重新给出定义和具体内容。

5、供电可用率（可靠率指标－RS-1）“9s”可靠性指标

适应场合

累计年停电时间3个999.9%生活居住9h4个999.99%工厂59min5个999.999%医院、机场5min6个999.9999%银行32s9个999.9999999%联网市场30ms99.91%8h国家电网公司十五规划（):供电质量的具体内容：电网频率合格率不低于99.9%供电电压合格率97.8%城市供电可靠率99.892%城市居民客户端电压合格率不低于95.5%农村供电可靠率99%农村居民客户端电压合格率不低于90%统计评价遵循《供电系统用户供电可靠性统计评价规程》中RS1指标，承诺2002年优质服务年供电可靠率目标为99.98%城市供电可靠率指标见P80表３－７和３－８，一般城市或地区：99.96%------3.5h;重要城市，中心地区：99.99%------53min2002年北京供电可靠性指标完成情况，供电可靠率：99.97%2004年仍然为99.97％，低于国际水平。而纽约、东京、香港达到99.99％以上.根据国际一流城市的要求，大中城市应达到99.99％。按照北京奥运规划，2008年达到99.99％，运动场馆达到99.999％。5.关于电能质量与供电可靠性

可以讲，过去的电能质量与可靠性概念是十分相似的，常常用供电质量一言以蔽之。这是因为传统负荷几乎都是线性的和惯性时间长，如典型设备有照明、加热和电机等；非线性电力电子装备数量几乎可以忽略不计。所以，它们对短时电压变动是没有反映的。况且负荷之间多少是相互隔离的，自动过程几乎不存在。传统电能质量指标在满足稳态电压偏差的条件下，供电水平如何，通常使用供电可靠性来表征．

概括而言，传统负荷只在电压长时间偏离额定电压值或供电电压长时间中断时才不能正常工作。5.关于电能质量与供电可靠性供电可靠性是指，供电系统持续供电的能力．以往在供电中断的程度与起因等方面与电能质量和用户实际受电情况是分开考虑的．供电与否是以其电气的物理连接为标志的。如今，专家们认为，电力供应可靠与否应当以电力系统和电力用户的生产过程保持连续正常工作，不会因受到电力干扰而中止为准则．因此，供电可靠性应包含着许多相关内容，需要提供包括电能质量这一重要组成部分在内的广泛意义上的可靠性评价报告．见6.还有一种说法，即供电可靠性是供电连续性的具体体现，是电能质量的重要组成（三要素）部分之一．因此，可靠性指标应是电能质量指标体系中的有机组成部分。供电可靠性系列指标见《电能质量分析与控制》P79１.供电可靠性常用指标２.供电可靠性参考指标供电中断的性质划分见《电能质量分析与控制》P81预知安排供电中断；故障供电中断．传统意义上的供电可靠性仅限于计及长时间电压中断（一般只考虑持续时间为5min，个别国家规定为１min).6、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（1／n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。

二、频率稳定与频率偏差

1、电力系统频率的基本概念交流电系统运行过程中最重要的指标之一就是供电电压频率，其定义为规定时间间隔内测量的基波电压波形重复次数。从物理意义讲，交流电的频率，是与发电机组的极对数、转速直接相对应的电频率:

发电机组转速取决于机组输入、输出能量的平衡程度，并且受到机械惯性的制约；因此，电频率是一个惯性量（系统功率振荡的物理涵义）。1、电力系统频率的基本概念负荷功率的增减，发电出力的变动，一直是处在动态变化中，加之电力设备的操作也时有发生，这就使系统中不同节点的频率出现不同程度的波动，也称之为能量均衡的动态过程；但由于电频率的惯性制约，从概率统计的意义上系统中各节点的频率相等，并做同步变化。因此也说，（系统稳定运行前提下，）电网中所有的节点共享同一频率，即所谓系统频率。动态过程的极端情况下，临界失步，失步和再同步的过程中，系统各节点的频率不再相等，但在仍能维持同步的系统局部区域内，频率是相等的。又有了“局部系统频率”的说法。LoadsActivepower足够的调频功率储备与有功/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我国新能源电力系统面临的重大问题电源结构性矛盾突出，规模化波动性、间歇性新能源发电并网要求火电机组深度调峰。50.0Hz49.850.2发电用电常规电源用电负荷电网风电用电负荷随机变化负荷预测精度较高分布式电源接入发电出力可调节原动机功率可控风电功率变化大，预测精度低1、电力系统频率的基本概念能把频率控制和保持在允许限值之内，这就要求在系统操作层面上有大量的功率储备，从而能自动保证在任一时刻，电能消耗和电能产生之间的平衡，做到频率稳定在规定值。系统运行人员对系统中每个区域的发电和能耗的有效控制，以及与相邻区域运行人员的良好协作，共同保证了整个系统的频率稳定在设定值。频率稳定性：系统由于发电和负荷显著功率不平衡导致严重系统故障后保持静态频率的能力。在保持过程中，控制装置作用的特性时间又会引起短期频率波动和长期频率波动现象。2、设定电力系统的额定运行频率的目的设定电力系统的额定运行频率（假定此频率能保证供需平衡）的目的：是考虑到设备制造业的生产可能性；是使特殊生产者及用户的需求最优化。3、频率质量指标

为了表征电力系统频率，在正常运行工况下使用以下指标：频率偏差：Δf

，用于缓慢频率变化的评价：其中是标称频率(50Hz或60Hz)，是实际频率(Hz)相对频率偏差：εf(%)：

3、频率质量指标

日累计偏差，要求保证时钟与电网频率同步正常运行：3、频率质量指标根据欧洲EN50160/2006标准，电源电压额定频率是50Hz。在正常运行条件下，基波频率在10s时间测量的平均值应在以下范围内：与互联电网同步连接的系统：

(即49.5-50.5Hz)，一年中99.5%；

(即47-52Hz)，一年中100%；与互联电网非同步连接的系统(例如某些岛屿的供电系统)：

(即49-51Hz)，一星期中95%；

(即42.5-57.5Hz)，一星期中100%；4、电力系统的频率特性图1是正常运行条件下的频率变化曲线(500s内），其中的显示值都在允许的标准限值范围内。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。5、电力系统的频率特性系统频率特性：系统功率不平衡时，频率变化的特性。负荷频率特性：系统频率变化后负荷随之变化的特性；发电频率特性：系统频率变化后发电功率随之变化的特性；系统频率特性为负荷频率特性、发电频率特性和电压影响的综合结果。系统频率调节系数Ks：反应系统功率变化量与频率变化量之比；为负荷调节系数与发电调节系数之和。第三章传统电能质量分析与改善措施

（本章内容以自学阅读为主，这里给出几个要点问题）

一、电力系统运行特性二、频率稳定与频率偏差三、电压稳定与电压偏差四、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偏差的定义及计算方法（见P55，P87）电压偏差的危害（见P57－58）电压偏差是电力系统电压静态稳定的基本问题。究其原因：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）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。2.波动负荷对电压特性的影响

对公式3－2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。设某一供电系统以简化单线图表示，如图3－1（a）所示。

PCCP+jQI图中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（PCC）的母线电压；为PCC的系统阻抗，为负荷阻抗；P＋jQ为负荷的复功率。图3－1（b）给出简化单线电路的稳态相量图，图中U为参考相量；U0为无限大电源母线电压相量；为供电母线电压降相量；I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其共轭相量为负荷的复功率定义为当负荷发生波动时，则有，负荷电流的变动量为由此引起供电母线电压变动式中，为与U同相位的电压变动分量，为与U相差的电压变动分量。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(大小)变动量的计算式已知上式中，，

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的计算公式进一步推导有在工程计算中，上式中各参量单位规范为

—PCC点电压标称值（），—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（）

—PCC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

<<1，供电母线电压变动百分值计算公式可近似简化为

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。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的主要原因。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、并联电容和或电抗的投切不会引起电压幅值大的变化；反之依然。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%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10000MVA，则会引起2％的电压波动。又如，一个母线的电压波动为±3％，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：±150Mvar。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。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，使得受端电压出现严重偏差。书中表3－1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，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，焊机等负荷的间歇通电，都会引起时常电压变动，并且是有一定规律的周期电压变动；2）电弧炉等波动性负荷则会引起供电点出现连续电压变动，并且是无规律的随机电压变动。四