智能电网基础：电能质量问题

一、电能质量概述

电能质量（Power Quality）：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变与谐波、电压暂降与短时间中断等。

二、电压偏差

国标：供电电压偏差（GB 12325—1990）（GB/T 12325-2008）

电压偏差：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之差对系统标称电压的百分数，称为该节点的电压偏差。

国标要求：

1、35kV及以上 正负偏差之和 10％

2、20kV及以下 ≤ ±7％

3、220V单相 ＋7％～－10％

4、对供电短路容量较小，供电距离较长以及对供电电压有有特殊要求的用户，由供用电双方共同确定。

控制措施：危害不必多言，对设备，功角稳定等都有较大危害。

1）配置足够的无功功率电源

原则：分区、分层、分变电所进行补偿，实现无功功率的就地平衡，并留有足够的备用容量。

2）系统调压

在系统中选择一些关键性的母线作为电压监测点，若能降电压监测点的电压偏差控制在允许范围内，系统中其它点的电压及负荷电压就能基本满足要求。这些电压监测点称为电压中枢点。电压中枢点一般选择系统内装机容量较大的发电厂高压母线，容量较大的变电站低压母线，有大量地方负荷的发电机母线。

发电机调压：首先被考虑，缺点：此方法只能满足电厂地区负荷的调压要求，对于通过多级电压输电的负荷无法满足要求。

变压器调压：这种调压方式的前提是系统的无功功率充足，这种方式只是改变了电力系统无功功率分布。在无功功率充足的系统中，应大力推广采用有载调压变压器。

至于无功电压的分级自动控制，则是另外一个层面的事了。

工程案例：

平时的电能质量分析报告，无功配置计算是比较关键的点（另一个是谐波计算）。

最终得出的无功补偿配置方案应该来自于两个方面，一个是理论计算，就是根据类似线路长度，箱变台数的电气参数，算出需要配置多少无功，另一个就是仿真计算，计算在大小方式下，相关元件母线电压的情况，如下图。

三、电压波动与闪变

国标：电压波动和闪变（GB 12326—2000）（GB/T 12326-2008）

电压波动：波动幅值不超过10%的周期性电压变动。 通常，这个变化值远小于大部分电气设备敏感限制，因此只在少数情况下才会发生运行上的问题。引起电压波动的主要原因是功率冲击性波动负荷。（下图为电弧炉引起电压波动）

国标中以典型的电弧炉负荷为对象设定了电压波动的极限值。

电压闪变：闪变是电压波动引起的有害结果，是指人对照度波动 的主观视感，它不属于电磁现象。 严格讲用电压闪变这一术语从概念上是混淆的。这里也有一些测量指标，但是一般不易量化，考虑的不多。

控制措施：

（1）提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网的影响限制在允许的范围内；

（2）采用SVC（SVG）装置，使其多项指标限定在允许的范围内。

无功功率变动量是造成电弧炉电压波动和闪变的主要因素，所以维持系统无功功率就是改善和抑制电压波动和闪变的根本方法。

常规并联电容器组由于阻抗固定，不仅不能动态跟踪负荷无功功率变化而调整无功补偿，而且会使谐波严重放大，因此不能用于电压波动和闪变较大的场合。静止无功补偿器（SVC）根据无功功率的需求自动补偿，所谓静止无功补偿的静止是指它没有机械运动部件，但它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压的变化自动跟踪补偿。

SVC由可控电感、固定或可变电容支路并联组成，在工程上应用实现的有：饱和电抗器 （SR）、晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）和晶闸管控制的高阻抗变压器（TCT）。TCR型SVC实际应用最广。

SVG（statcom）：电压源型逆变较佳，可通过调节其直流侧电容电压的幅值和/或变换器的调制比就可以控制变换器交流输出电压的幅值，进而改变装置输出电流的极性（容性或感性）和大小，达到连续控制输出无功功率的极性和大小的目的。

SVG在无功控制能力、无功补偿响应速度、同等补偿效果所需容量、占地面积、损耗与输出无功的关系等方面均优于SVC。而且近年来，二者的价格差距变小，且国产SVG技术已经成熟。

四、波形畸变与电力谐波

国标：电压波动和闪变（GB 12326—2000）（GB/T 12326-2008）

波形畸变：波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。

电力谐波：任何周期性的畸变波形都可用正弦波形的和表示，其中，频率为基波频率整数倍的分量称为谐波（如我国电力系统的工频为50Hz，则基波为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波为150Hz等），频率为基波频率整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅里叶级数。

在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非整数倍的周期性电流的波动，不是基波整数倍频率的分数谐波称间谐波。 次谐波是指频率低于工频基波频率的分量。

暂态过程中含有高频分量，但是和谐波却是两个完全不同的现象，电力系统仅在受到突然扰动之后，其暂态波形呈高频特性，但这些频率并不是谐波，与基波频率无关。

国标要求：

平常谐波计算一般用电力软件计算，当然用公式算好像也可以。

谐波源：传统电力系统中的主要谐波源是电力变压器，当代电力系统中的最主要的谐波源——非线性电力电子装置。

危害：

1）系统角度，谐波会导致一些不正常现象：一是超高压长线上，谐波电流若较大，潜供电弧熄灭会被延缓，单相重合闸可能会失败，扩大事故，消弧线圈接地的系统中同样存在这个问题；二是谐波分量较大的时候，可能引起保护误动或拒动，如零序三次谐波过大，可能引起接地保护误动；三是计量和测量误差，尤其对过零检测相位的表计来说，更为严重。

2）谐波引起设备的附加损耗，降低效率。尤其是对电容器组的影响，随着频率的提高，其介质损耗会明显增加；对输电线路来说，由于谐波频率高和趋肤效应的原因，线路电阻会增加，因而引起附件线损；同时变压器和电机等，都会引起一定附加的铜耗和铁损，产生局部过热。

3）加速绝缘老化，很大缩短设备寿命。谐波作用下，绝缘老化物理过程明显加剧，对电缆，电容器等危害很大。

4）可能产生局部的串联或并联谐振，并放大谐波水平。从而导致谐波支路中的设备因过电压或过电流而损坏。如在电容器装置中串接电抗率的电抗器后，可以对电网5次及以上谐波有抑制作用，但对5次以下谐波却有放大作用。

5）谐波对通信系统的干扰。若谐波频率接近载波频率，电力线载波通信和远动装置信号传输会被一定程度干扰，此外通过电磁、静电和传导耦合途径，也会对平行敷设的通信线路产生干扰。

控制措施：

电力谐波的抑制或减缓措施通常可分为预防性措施和补偿性措施。

预防性措施：1） 供电设备如电容器、变压器、发电机等在设计、制造、规划、配置等方面采取减少谐波的措施；2） 通过增加整流器的脉动数或采用可控整流限制电力谐波的主要来源整流器的谐波。

补偿性措施：1） 滤波器的应用；2） 改变馈线参数，采用馈电线重构或电容器改变安装位置等避免谐振。

无源电力滤波器：

对于大容量的谐波滤除工程，往往采用若干组单调谐滤波器（或者双调谐）与一组（或多组）高通滤波器配合使用的方案。

在滤波器参数初步确定后，滤波器参数的最终确定需结合滤波效果与无功功率补偿要求等进行修正。

无源滤波装置是目前应用最为广泛的谐波抑制手段，它是按照希望抑制的谐波次数专门量身制造的，但也存在着难以克服的缺陷：1、滤波特性受系统参数的影响较大，极易与系统或者其它滤波支路发生串并联谐振。2、只能消除特定的几次谐波，而对其他的某次谐波则会产生放大作用3、滤波、无功补偿、调压等要求之间有时难以协调4、谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载，甚至损坏设备。5、有效材料消耗多，体积大。

有源滤波技术（APF）作为一种新型的谐波治理技术，与无源滤波技术相比，优势主要表现在以下几个方面：

实现动态补偿，可对频率和大小均变化的无功功率进行补偿，响应速度快；

有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化，规模化生产；

当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在谐振的危险；

补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大；

用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流；

当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并能正常发挥作用；

装置可以仅输出所需要补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率。

有源滤波和无源滤波由于各自优势（无源成本低，有源成本高，动态补偿效果好），很多场合是混合使用的。

五、电压暂降

国标：《电能质量电压暂降与短时中断》（GB/T30137-2013）

电压暂降：电压暂降或下跌是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象。在电网中这种现象的持续时间大多为0.1～1.5s。

电压暂降属于两维的电磁扰动，即电压跌落的大小（残压或暂降深度）和时间。

暂降发生过程：

一次故障可能出现多次电压事件。以图为例说明，从一次短时间中断和一次电压暂降发展到二次短时间中断和二次电压暂降，直至长时供电中断。

电压暂降现象的起因：

1）引起电压严重暂降的最主要原因是系统元件或线路的故障。（雷电等恶劣天气影响居多） 。特征：暂降幅度大、近乎矩形曲线、持续时间短（即故障在线时间）。

2）引起电压暂降的另一主要原因是重型负荷的启动。 特征：暂降幅度小、非规则矩形、持续时间长。

电压暂降三特征量：暂降幅值、持续时间和暂降频次是标称电压暂降严重度的最重要的三个特征量。

美国EPRI-DPQ电压暂降统计调查分布结果

▲暂降幅值为0.7p.u－0.9p.u 的电压暂降占70%。;

▲持续时间不超过1s的约占90%，不超过0.1s的约占60%;

▲发生频次平均低于0.7p.u.的为18.422次/年，低于0.9p.u的为56.308次/年。

控制措施：1）采用电压补偿型装置；2）在主受开关加装失压脱扣装置；3）高压供电安全防护墙。

经过实践证明，对电压暂降的有效治理，需从供电侧和用电侧同时考虑、分别治理，严格依据电能质量标准，针对不同用户和设备特性，采取减少或消除电压暂降冲击的手段，以达到满意的动态电能质量需求。