1、1,山东理工大学 电气与电子工程学院 2010.06,电能质量分析与控制 Analysis and Control of Power Quality,2,总论,对电能质量需求转变的三个阶段 电能质量需求转变的原因 转变对电能质量的认识 提高电能质量是实现电力可持续发展的重要基础,3,对电能质量需求转变的三个阶段,第一阶段： 20世纪80年代之前 对PQ要求很低：有电用就可以 用电要求：电网频率、供电电压在合格范围内 第二阶段： 20世纪8090年代之间 对PQ要求逐步提高： 谐波、电压偏差、负序分量、三相不平衡度、电压波动与闪变等等 第三阶段： 20世纪90年代以来 计算机技术飞速发展，工业自
2、动化水平的提升，微电子与集成电路芯片对PQ的特殊要求，电力法制化建设的逐步完善，6个电能质量标准的颁布实施。,4,电能质量需求转变的原因,认识和需求的转变 传统PQ标准 目前新PQ标准 参照欧共体有关细分而严格的标准 社会用电对PQ的需求已发生巨大变化 例如：CBEMA / ITIC 曲线，瞬时断电限额已经提高到8.33ms(60Hz制，半个周波)。 CustomPower及柔性供电的新概念和新技术产生 从电力应用的角度，PQ是供用电双方的责任 面对电能质量关注的原因：,5,面对电能质量关注的原因： 现代用电设备对PQ的要求更高 Microprocessor , 功率电子器件， 集成电路芯片制
3、造业的生产流水线对电源各种电磁干扰的敏感性 非线性负荷对电力系统的谐波污染 直接或潜在的威胁到电力系统的安全运行 电力用户法制观念的提高 电力法 用户在了解供电间断、电压骤降、暂态影响等对生产流程造成的损失和依法追究赔付等问题 用户与供电部门签保证PQ协议等，来保障自身用电权益 电力系统是一个有机的整体 保证向用户提供优质电力 极力避免遭受用户设备对电网的干扰、污染和危害,6,转变对电能质量的认识,20世纪90年代以来，世界各国建立开放的电力市场，引进竞争机制，提高了电力生产效率，降低运营成本，是广大用户受益。然而用户对PQ越来越挑剔。 概念要拓展 传统：频率、电压、供电可靠性 现代：波形畸变
4、、负序分量、电压闪变、电压骤降、三相不平衡度等指标 11种术语描述PQ的主要扰动：断电、频率偏差、骤降、骤升、瞬时脉冲、电压波动、电压切痕、波形畸变等等。 观念要更新 “用户为本” 电力监控 母线监控不作为主要基准点 普通用户：大面积或代表性监控 敏感用户：分别监控 从思想上充分认识和理解现代PQ的内涵 从观念上，以提供用户免满意的PQ作为出发点,7,提高电能质量是实现电力 可持续发展的重要基础,传统意义上，电力发展以电能供求平衡为出发点 现代电网负荷结构变化对电网影响日趋严重 主要负荷日趋非线性化与时变化：电力电子技术广泛使用、工业电弧炉、电气化铁道等 PQ对经济社会的影响 EPRI，Jan
5、e Clemmensen，PQ对美国每年经济损失260亿美元 PQ意味着经济问题：生产力下降、竞争力减弱、员工就业 “谁污染谁治理” 电力法,8,目 录,第一章 电能质量概论 第二章 电能质量的数学分析方法 第三章 传统电能质量分析与改善 第四章 电压波动和闪变 第五章 电压暂降与时间中断 第六章 波形畸变与电力谐波 第七章 电能质量控制技术,9,参考书目及相关网站,书目1. 肖湘宁主编，电能质量分析与控制，中国电力出版社2. 电能质量技术丛书，中国电力出版社，19983. 吴竟昌主编，供电系统谐波，中国电力出社，1998 Websites：http:/http:/http:/http:/ww
6、w.ieee.org -,10,第一章 电能质量概论,1-1 电力供应和电能质量问题1-2 电能质量的定义和标准化1-3 电能质量现象1-4 电能质量的监视和管理,11,1-1 电力供应和电能质量问题,电力供应的终端商品-电能的商品特性-电能生产、传输、分配、消费的同时性-电能与国民经济、生活的密切性-电能流通的快速性,12,1-1 电力供应和电能质量问题,电能质量问题 - 古老问题：质量问题是任何商品固有的特性- 成为新问题的原因：用户侧 大量半导体设备的接入 降低PQ大量以计算机为基础的设备的应用 要求高PQ系统侧 电力市场自由化的趋势 有恶化PQ的可能系统安全运行的目的 有保证PQ的动力
7、外界 分散型电源的导入、国际化 -对电能质量问题的关注：IEC、IEEE、JIS、CSA、CEC、EN -范畴：低压系统,13,1-2 电能质量的定义和标准化,IEEE Std 1159 1995合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的.The concept of powering and grounding sensitive equipment in a manner that is suitable to the operation of that equipment IEC 电能质量是指描述电能特性的参数的集合,与供电的连续性和电压特性相关
8、.Set of parameters defining the properties of the power supply as delivered to the user I normal operating condition in terms of continuity of the supply and characteristics of the voltage.EN 50160电压特性,14,低压配电系统的电压质量EN50160,15,1-3 电能质量现象,电能质量这个概念实际上描述的是电力系统中在给定时间和地点上发生的各种电磁现象(包括电压和电流).IEEE Std1159-1
9、995中从电磁兼容的角度(IEC-TC77同)出发对有关电能质量方面的各种电磁现象进行了分类.这有利于针对不同性质的电能质量问题进行测量、分析并提出不同的合理的解决方案.,16,暂态现象（Transients）,概念及分类暂态这个术语在电力系统中广泛使用。广义上讲，它是指某个变量从一种稳态过渡到另一种稳态之间的一段变化状态(IEEE Std 100-1992)。一般来说，暂态现象是人们所不希望的，在本质上是短暂的。按照电流或电压暂态波形形状的不同，暂态分为两类：冲击性暂态和振荡性暂态。,17,冲击性暂态(impulsive transient),是电压和/或电流在稳态条件下发生的一种突然的、非
10、工频的、单极性的变化。 特征参数： 上升时间（rise time)衰减时间 (decay time) 频谱分量 原因：雷电 示例 雷电冲击电压波 雷电冲击电流波,18,雷电冲击电压波,19,雷电冲击电流波,20,振荡性暂态(Oscillatory transient),电压或电流的瞬时值的极性快速改变，往往是系统对冲击性暂态的响应结果。 特征参数：频谱分量、持续时间、幅值 原因： 高频段(0.5-5MHz)：开关操作、半导体设备换相 中频段(5-500kHz)：eg. 背靠背电容充电的电流波形；电缆切除的电压波形 低频段(5kHz)：主要出现在配电系统，原因多种，主要是电容充电（300Hz-9
11、00Hz). 另外，300Hz以下的有铁磁谐振、变压器涌流,21,背靠背电容充电波形,22,电容充电波形,23,铁磁谐振暂态波形,24,暂态现象的危害,劣化或破坏设备绝缘高幅值、快上升沿暂态使设备绝缘易击穿重复、低幅值暂态易使绝缘劣化疲劳终至击穿破坏电子设备电源 保护误动 -,25,短时间持续变动 （short duration variations),原因：故障、大负荷投入（需大启动电流）等，根据故障位置和系统条件的不同，可能引起暂时的电压升或电压降，甚至完全失去电压（瞬停）。 分类：瞬停、瞬降或骤降 、电压骤升 特征参数：持续时间、幅值,26,瞬停（interruptions）,瞬停：指的
12、是电源电压或负荷电流下降到0.1pu, 持续时间不超过1min. 原因：系统故障、设备故障、控制故障 特征：其持续时间的长短与产生原因有关。系统故障时，与保护设备动作时间及故障特性 有关；设备故障或控制失败时，持续时间不确定。有时，瞬停是伴随在电压骤降之后。例如故障馈线的电压往往首先表现的是电压骤降，在保护设备动作以后、重合设备动作以前表现的是瞬停。 危害：影响电子设备运行、甚至停运 示例：故障后的短时瞬停及重合操作,27,故障后的短时瞬停及重合操作,28,电压骤降（sag or dip),骤降：电压下降到0.10.9pu的范围 原因：系统故障、重负荷投入、电机启动 特征：持续时间（半周波1m
13、in)太小：暂态； 太大：长时间变动根据持续时间的长短，又分为三类：瞬时的、临时的、暂时的。主要与典型的保护设备动作时间相对应。 危害： 短时间的骤降，可能引起设备故障检测电路的启动，导致停运。影响电机转速、照明设备等。 示例：单相接地故障引起的瞬时电压骤降 电机启动电流引起的暂时性电压下降,29,单相接地故障引起的瞬时电压骤降,30,电机启动电流引起的 暂时性电压下降,31,电压骤升(swell),骤升：定义为电压或电流有效值的突然上升，工频下持续半个周波到1min. 典型的幅值范围为1.11.8pu。 原因： 非对称故障、大负荷切除或大电容投入 特征：幅值、持续时间 危害： 破坏电子设备、
14、降低电气设备寿命、使保护误动、经常性的可使个别电容器爆炸、影响照明设备、可能破坏一些冲击保护设备等 示例： 单相接地故障引起的瞬时电压骤升,32,单相接地故障引起的瞬时电压骤升,33,长时间持续变动 (long duration variations),长时间持续变动：是指工频下电压超过允许偏差1min以上的一种变动现象。要么是过电压、要么是低电压或失压。 原因：一般与系统故障无关，而与系统负荷波动、开关操作有关。过电压：大负荷切除、无功补偿设备操作、系统调压 能力不足、分接头调整不当低电压：与过电压相反、过负荷持续停电：永久性故障 特征：用有效值关于时间变化 来描述。,34,长时间持续变动的
15、危害,持续停电：设备停运 低电压：影响设备运行，例如；电动机可能停运、电机过热、速度改变；电子设备可能停运；电容补偿设备出力减少、影响照明设备 过电压：可能引起设备故障。电子设备可能立即故障；降低系统中设备寿命、保护误动、电容爆炸、无功输出增加等,35,三相电压不平衡 (voltage imblance),三相电压不平衡 ：定义为负序或零序分量与正序分量之比值。电力系统中负序电压或零序电压常常是有由于不平衡负荷引起的，因而引起负序或零序电流。有时也用下列公式估计：VI=100*与平均电压的最大偏差/平均电压原因：较小不平衡量常由于不平衡负荷引起；也可能补偿设备故障引起；较大不平衡量可能由于不对
16、称故障引起。 危害：,36,某馈线的三相不平衡,37,波形畸变(waveform distortion),波形畸变：是实际波形和理想工频正弦波形之间的稳态偏差，主要有偏差的频谱分量刻画分类、原因及危害：直流偏置：交流系统中直流电压或电流分量的存在。产生的原因一般是地磁干扰或半波整流。直流分量的存在可能引起变压器饱和、绝缘额外老化等。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。,38,波形畸变(waveform distortion),间谐波：频率不是工频的整数倍的谐波分量，即介于工频谐波之间的傅立叶频谱分量。其主要来源为静态变频器、换流器、感应电动机、电弧炉、电焊机等。间谐波
17、的危害目前还不是十分清楚。 可能引起闪变。陷波：是由于正常运行的电力电子设备的电流换相引起的周期性电压干扰。它介于暂态和谐波畸变之间。这是因为陷波一方面是连续存在的，可以用傅立叶分析确定它的频谱含量；另一方面，其频率分量对应的频率很高，常规谐波测量设备无法分析。噪音：不属于谐波和暂态的其它干扰信号。长与接地不当有关。,39,整流装置引起的陷波,40,电压波动(Voltage Fluctuations ),电压波动：为一系列电压变动(voltage change)或工频电压包络线的周期性变化。电压的幅值一般均在允许偏差范围之内. 原因：周期性或非周期性波动性负荷。尤以周期性波动负荷的影响严重。电
18、弧炉、感应炉的变频电源等。 特征：可视为对基频波的一个调制。电压波动值=电压rms值的两个极值之差。常以其额定电压的百分数表示其相对值。 危害：产生闪变 (flicker)，影响照明设备。7%范围内，对其他设备不会有明显影响。 示例： 各种电压波形的比较 电弧炉引起的电压波动,41,各种电压波形的比较,正常波形 电压骤降 电压变动 电压波动 瞬停,42,电弧炉引起的电压波动,43,闪变(flicker),闪变: 反映的是电压波动对照度的影响。电压波动是系统对变动负荷的响应，而闪变是人眼观察到的灯源的响应。 决定闪变的主要因素： 电压波动的幅值、频度、波形照明装置人对闪变的主观视感人脑神经对照度
19、变化需要有最低的记忆时间，一般来说，人对照度波动的最大觉察频率范围是0.05Hz35Hz.以230V60W白炽灯为例，觉察频率范围为125Hz，对闪变敏感的频率范围是612Hz，尤其对正弦8.8Hz调幅波的照度波动最为敏感。,44,频率波动（frequency variations),频率波动：系统频率与发电机转子的转速有直接的关系。任何时刻，它由发电机的输入输出平衡关系决定。f=pn/60 原因：负荷的波动随机分量(T10s)脉动分量(T:10s3min)持续分量 危害：由频率波动大小、持续时间长短和设备的特点共同决定的。低频率高频率,45,负荷的波动,46,电力系统电磁现象的分类及典型特性
20、（一）,47,电力系统电磁现象的分类及典型特性（二）,48,电力系统电磁现象的分类及典型特性（三）,49,1-4 电能质量的监视和管理,必要性：要求对系统中的某些地点的电能质量进行监视和管理的原因是多方面的。其中最主要的一点是经济方面的。无论是系统设备还是用电设备，不合格的电能将直接威胁到设备运行寿命、设备的正常工作以及产品质量的好坏。因此，监视和管理PQ是十分必要的。,50,1-4 电能质量的监视和管理,基本内容：- 监视地点的选择，监视目标的确定以及监视记录仪器设备的配置 - 日常的和专门的电能质量监测、数据的收集、整理，并为制定电能质量标准提供实践依据- 电能质量事故的分析处理-新用电设
21、备接入电网可能产生的电能质量问题的审定- 现有电网电能质量的评定-提高电能质量措施的制定、实施以及措施的有效性的评价,51,第二章 电能质量的数学分析方法,2-1、概述 2-2、傅里叶变换与波形的数学分析方法 2-3、小波变换与电能质量扰动识别,52,2-1 概述,电能质量问题主要的分析方法可分为时域、频域和基于数学变换的分析方法三种： 1、时域：利用各种时域仿真程序对供电系统电能质量扰动现象进行研究； 2、频域：主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频谱分布、谐波潮流计算等； 3、基于数学变换：主要指傅里叶变换方法、短时傅里叶变换方法、矢量变换方法以及小波变换方法和人工神经网络分析方法等,5
22、3,2-2 傅立叶变换与波形分析方法,一、傅立叶级数分解,54,2-2 傅立叶变换与波形分析方法,二、连续傅立叶变换设f(t)为一连续非周期时间信号，满足狄里赫利条件， 那么，f(t)的傅里叶变换存在，并定义为 ：反变换为,55,2-2 傅立叶变换与波形分析方法,三、离散傅立叶变换为了实现连续傅立叶变换，需要用到数值积分。实际应用时需要进行离散化。给定实的或复的离散时间序列：x0,x1,xN-1设该序列绝对可和，则反变换为,56,2-2 傅立叶变换与波形分析方法,四、傅立叶变换的特点,傅里叶变换是时域到频域互相转换的工具。虽然傅里叶变换能够将信号的时域特征和频域特征联系起来，能分别从时域和频域
23、对信号进行观察，但不能把二者有机结合起来。在电能质量分析领域中，傅里叶变换得到了广泛应用。但是，在运用FFT时，必须满足：采样频率必须是最高信号频率的2倍以上，被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。否则会产生“频谱混叠”和“频谱泄漏”现象，给分析带来误差。,57,2-2 傅立叶变换与波形分析方法,五、短时傅立叶变换短时傅里叶变换（short-time Fourier Transform）也称窗口傅里叶变换，可以弥补傅里叶变换不能同时进行时域和频域局部分析的缺陷。基本思想是：在傅里叶变换的框架中，把非平稳过程看成是一系列短时平稳信号的叠加，而短时性则是通过一个参数的平移来覆盖整个时域，也就
24、是说采用一个窗函数g(t-)对信号f(t)作乘积运算来实现在附近的开窗和平移，然后再进行傅里叶变换。其表达式为：存在的缺陷：一旦窗函数g(t)选定，其时频分辨率就已确定，并且不随频率和时间而变化。短时傅里叶变换很难实现高效算法，由此大大限制了其应用范围。,58,2-3小波变换与电能质量扰动识别,小波变换是时间和频率的局域变换，能有效地从信号中提取有用的信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析,解决了傅里叶变换不能解决的许多困难问题。小波变换在信号分析、语音合成、图像识别、数据压缩、CT成像、地震勘探、大气与海洋波的分析、故障诊断等许多方面都取得了重要成果。小波变换在电力系统
25、分析中也有广泛的应用。除了微分方程的求解问题之外，原则上，能用Fourier分析的地方均可用小波分析。,59,六、基于小波变换的电能质量扰动分析,为了分析电能质量问题，并为采取合理措施提高电能质量提供依据，对电能质量扰动监测是首先要解决的问题。,小波变换的出现为电能质量分析提供了新的数学工具和研究方向。 对电能质量扰动进行检测和定位上，所采用的小波及相应算法可分为连续小波变换和离散正交小波变换。连续小波变换具有检测精度高、抗噪性能好的优点，但计算量太大。离散正交小波变换具有实现简单、计算效率高等优点，但检测环境中的背景噪声较强时，该方法的检测精度将大大下降。 在电能质量扰动识别问题上，可采用小
26、波变换和人工神经网络(ANN)相结合的方法,小波变换的一个重要特点是能表征函数的奇异性。,60,仿真算例,仿真结果表明：信号的局部奇异性可通过信号的小波变换模极大值来表征。信号奇异点对应的小波变换模极大值与检测噪声对应的小波变换模极大值在不同的小波变换尺度上的传递性质是不同的。,61,3-1 电压偏差 3-2 频率偏差 3-3 电压三相不平衡 3-4 供电可靠性,第三章 传统电能质量分析与改善,62,2-1 供电电压偏差,一、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与系统标称电压（通常，电力系统的额定电压采用标称电压去描述，对电气设备则采用额定电压的术语）之差对系统标称电压
27、的百分数称为该节点的标称电压。其数学表达式为电压的均方根值偏离额定值的现象成为电压波动，所以电压偏差属于电压变动的范畴。与同属电压变动范畴的过电压和欠电压相比，电压偏差仅仅针对电力系统正常运行状态而言。,63,二、电压偏差的限值国家标准GB123251990电能质量 供电电压允许偏差 35KV及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。如供电电压上下偏差同号时（均为正或负），按较大的偏差绝对值作为衡量依据。10KV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的 %。220V单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。,64,三、电压偏差产生的原因1、系统无功功率不平衡是引起系统
28、电压偏离标 称值的根本原因。系统无功功率不平衡意味着将有大量的无功 功率流经供电线路和变压器，由于线路和变压器存在阻抗，造成线路和变压器首末端电压出现差值。无功功率不平衡越严重，电压偏差越大。2、供配电网络结构的不合理也能导致电压偏差。 供配线路输送距离过长，输送容量过大，导线截面过小等因素都会加大线路的电压损失，从而产生电压偏差。为此，我国对不同电压等级的供配电线路规定了合理的输送距离和输送容量。,65,66,四、电压偏差过大的危害1、对用电设备的危害所有用户的用电设备都是按照设备的额定电压进行设计和制造的。当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，不仅运行效率降低，很可能会由于过电
29、压或过电流而损坏。2、对电网的危害输电线路的输送功率受功率稳定的影响，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。系统运行电压偏低，输电线路的功率极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定现象，甚至导致电力系统频率崩溃，造成系统解列。如果电力系统缺乏无功电源，可能产生系统频率不稳定现象，导致电压崩溃。频率稳定和电压稳定的破坏都会造成严重的灾难，给电力系统和各行各业的生产以及人民生活带来重大的损失。,67,系统运行电压过高，可能使系统中各种电气设备的绝缘受损，使带铁芯的设备饱和，产生谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安全和稳定运行。电压偏差不仅对系统的稳定造成威胁，而且影响系统的经
30、济运行。当输送功率一定时，输电线路和变压器的电流与运行电压成反比，而输电线路和变压器的有功损耗与电流平方成正比。因此，系统电压偏低将使电网的有功损耗、无功功率以及电压损失大大增加；系统电压偏高，超高压电网的电晕损耗加大。所有这些都使供电成本增加 。,五、改善电压偏差的措施保证系统各节点电压在正常水平的充分必要条件是系统具备充足的无功功率电源，同时采取必要的调压手段。,68,六、电压偏差的监测与考核1、 电压监测点的设置原则： 与主网（220kV及以上电力系统）直接连接的发电厂高压母线。 各级调度“界面”处的330kV及以上变电所的一、二次母线，220kV变电所的二次母线或一次母线。 所有变电所
31、的10KV母线。 具有一定代表性的用户电压监测点宜采用这样的选取原则： a.所有110kV及以上供电的用户；b.所有35kV专线供电用户；c.其他35kV用户和10kV用户中，每1万kW负荷至少 设一个电压监测点，并包括对电压有较高要求的重要用户,69,和每个变电所10KV母线所带有代表性的线路末端用户；d.低压（0.4kV）用户中，至少每百台配电变压器设一个电压监测点，并且应设有代表性低压配电网的首末两端和部分重要用户中。,2、 电压监测的方法是在电压监测点安装具有自动记录和统计功能的“电压监测仪”。它能直接监测电压的偏差，并能统计电压合格率和电压超限率。电压合格率：实际运行电压在允许电压偏
32、差范围内的累计时间与对应的总运行时间的百分比，计算公式为：,电压超限率：实际运行电压超过允许电压偏差范围内的累计时间与对应的总运行时间的百分比，计算公式为：,70,A类电压合格率-城市变电所10KV母线的合格率； B类电压合格率-110KV及以上供电或35（63）KV专线供电用户的电压合格率； C类电压合格率-其他高压用户的电压合格率； D类电压合格率-0.4kV用户的电压合格率； 供电（综合）电压合格率计算式为,式中，A、B、C和D分别代表A、B、C类和D类电压合格率。,71,（一）配置充足的无功功率电源由于高压线路和变压器的等值电抗远大于等值电阻，变压器和无功损耗也比有功损耗大得多，从而导
33、致整个系统的无功损耗远大于有功损耗。无功电源发出的无功功率大致一半供给负荷，另一半则用于补偿线路及变压器的无功损耗。无功补偿设备的分布应兼顾调压和减少无功潮流的要求。无功补偿的原则是尽量做到分区、分层、分变电所进行补偿，实现无功功率的就地平衡，并要留有足够的事故无功功率备用容量。电力系统的无功功率电源有同步发电机，同步调相机，电容器，电抗器和静止无功补偿装置（SVC）等。,72,1、同步发电机发电机是电力系统中唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率电源。发电机不仅能发出无功功率(过励)，同时也能 吸收无功功率。发电机在吸收无功功率的时候成为进相运动。 优点：速度快且不需要额外的投资。缺点
34、：调节能力不大；发电机的进相(欠励)运行增大了系统静态不稳定的风险同时使发电机的端部发热加剧(电枢电流产生的磁通方向与转子磁场相同,并使端部磁通加强,这就造成由于涡流所产生的端部发热大大限制了发电机的输出),对发电机的安全运行构成潜在危险。同步发电机进相运行多用于超高压系统轻载运行时吸收系统多余无功功率，抑制系统电压升高。,一般从电力系统稳定角度考虑，在电网无功不是特别过剩的地区（不考虑220KV变电所无功补偿），机组不应或尽量少进相运行。一般只有在负荷低谷且仅靠变压器和电抗器的感性无功消耗达不到无功平衡时，才可使电力系统中部分机组进相运行。,73,2、同步调相机同步调相机实质上是不带机械负载
35、的同步电动机。改变同步调相机的励磁，可以使同步调相机工作在过励磁或欠励磁状态，从而发出或吸收无功功率。他是最早采用的无功调节设备之一。优点：当系统故障引起电压下降时，可以快速动作，输出大量感性无功功率，起到电压支撑的作用。缺点：其本身及附属设备的有功功率损耗大，约为额定容量的2%3%；它是旋转机械，运行维护复杂，投资也大。所以同步调相机已不作为主要的无功功率调节设备。,3、电容器作为无功功率补偿用的电容器以并联的方式接入电力系统，其接线方式如图3-3所示。电容器只能输出无功功率。起产生无功功率的大小可以表示成 式中， 为电力系统角频率，C为电容器的电容值。,74,优点：有功功率损耗小（约为额定
36、容量的0.3%0.5%）、设计简单、容量组合灵活、安全可靠、运行维护方便、投资省。 缺点：正反馈的电压调节特性不利于系统电压的稳定；调 压不是连续的。,长期以来电容器一直是电力系统优先采用的无功功率补偿设备。,4、电抗器作为吸收容性无功功率的主要设备，电抗器一般不接入220kV以上电压等级的电网。并联电抗器可分为直接接入和间接接入两种。直接接入式并联电抗器具有吸收轻载时线路充电功率，限制线路过电压的作用。间接接入式并联电抗器不但可以限制线路过电压，而且当它与中性点小电抗配合时，还有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧，从而保证单相重合闸的成功。,75,我国行业标准SD325-1
37、989电力系统电压和无功电力技术导则（试行）规定，330500kV电网应按无功功率分层就地平衡的基本要求配置高、低压并联电抗器，以补偿高压线路的充电功率。,一般情况下，高、低压并联电抗器的总容量不宜低于线路充电功率的90%。高压并联电抗器的优点是有功功率损耗小、容量组合灵活、安全可靠，但造价高。并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，这种方式的优点是造价较低，操作方便。,5、静止无功补偿装置和静止无功发生装置基于电力电子半控器件的静止无功补偿装置（ Static Var Compensator-SVC)和基于电力电子全控器件的静止无功发生装置（ Static Var Generation-S
38、VC)具有动态无功功率补偿特性。与同步调相机一样，他们既可向系统输出无功功率，也可吸收系统无功功率。,76,优点：动态特性好，调压速度快，调压平滑，可实现分相无功补偿，有功功率损耗也比较小。运行维护方便、可靠性较高。 缺点：设备价格普遍较高，运行经验欠缺。,目前主要安装在有功冲击负荷的用户变电所或系统中的枢纽变电所，用来实现电压控制。,77,（二）系统调压手段,、电压偏差的调整方式 （）逆调压：在最大负荷时提高中枢点电压以补偿线路上增加的电压损失，最小负荷时降低中枢点电压以防止受端电压过高的调压方式。一般中枢点在电压在最大负荷时较系统标称电压升高，在最小负荷时下降为标称电压。适用于出线线路较长
39、，负荷变化规律大致相同，且负荷波动较大的中枢点。目前中枢点常用的调压方式是逆调压。（）顺调压：最大负荷时适当降低中枢点电压，最小负荷时适当加大中枢点电压。一般要求最大负荷时中枢点电压不低于系统标称电压的.，最小负荷时中枢点电压不高于系统标称电压的.。适用于出线线路不长，负荷变化不大的中枢点。,78,（）恒调压（常调压）：无论负荷如何变动，中枢点电压基本保持不变的电压调整方式。一般保持中枢点电压在标称电压。使用范围介于逆调压和顺调压之间。,、电压偏差的调整手段（）用发电机调压。优点：不需要投资，且简便、经济。缺点：如果发电机经多级变压供电，仅用发电机调压，往往不能满足负荷电压的要求。,适用于发电
40、机母线直馈负荷的情况，且多采用逆调压方式。,（2）改变变压器变比调压：就是改变变压器匝数的比例关系，从而改变一侧的电压大小。,79,无载调压变压器：改变分接头时需要停电的变压器。不宜频繁操作，往往只作季节性操作。适用于出线线路不长、负荷变化不大的电压调整。 有载调压变压器：又称带负荷调压变压器，它可以在带负荷情况下，根据负荷大小随时更改分接头。优点：分接头较多（一般为727个分接头）、调压范围大，因此容易满足电压偏差的要求。目前，其已经在电力系统中得到了广泛的应用，成为保证电压质量的主要手段。缺点：当系统无功功率电源缺额较大的时，系统电压水平偏低。如果此时用有载调压器进行调压，使变压器二次侧的
41、电压抬高，则无功缺额全部转嫁到主网上，使主网电压严重下降。这种情况极可能引发电压崩溃。装设有载调压变压器的前提是系统无功功率电源充足。,80,（3）改变线路参数调压。电阻大于电抗的低压电网减小电阻是采用增加线路导线的截面积来实现的。高压电网普遍采用缩小输电线路电抗的方法实现输电线路参数的改变。,减小线路电抗的方法有如下两种：,采用分裂导线法。采用分裂导线法可显著降低线路电抗，还可以减少输电线路的电晕损耗，减少输电线路对周边环境的电磁污染，有利于提高电力系统的稳定性和线路的输电能力。该方法适用于220kV及以上电压等级输电线路的新建和改建。,81,串联电容器。（在线路上串联电容器有又称为串联电容
42、补偿）,线路的电压损失为：,上式表明串联电容补偿使线路的等值电抗减小，从而降低线路的电压损失，提高了线路末端的电压。串联电容器容抗所补偿的电压，与通过线路的电流成正比。负荷电流增大，电流在线路感抗上的压降增大，而此时电容器上的电压补偿量也相应增大，所以串联电容具有随负荷电流自行调整补偿电压的功能。,82,串联电容器补偿线路电抗的程度可用补偿度 来表示：,式中 -线路电抗， ， ；-线路串联电容容抗， ， 。,过补偿： ，指串联电容完全补偿了本线路电抗，而且还部分补偿线路电压器电抗（线路接在变压器低压侧）或者高压线路的电抗，整个线路的等值阻抗呈现容性。 欠补偿： ，指串联电容器不能完全补偿本线路
43、电抗，整个线路的等值阻抗仍然呈现感性。 完全补偿： ，指串联电容器完全补偿本线路电抗，这个线路等值阻抗呈现电阻性。,83,优点：与装设并联电容器相比，串联电容补偿法的调压效果显著，特别适合于电压波动频繁、负荷功率因数低的场合。以调压为目的时，一般装设在单端电源供电的110kV及以下电压等级的分支线上。在低压配电线路中，为了提高线路末端的电压，有时采用过补偿。超高压线路上串联电容器的目的是为了提高输电线路的输送能力和系统运行的稳定性，这时采用欠补偿方式。应用并不广泛。,缺点：在配电线路中，采用高补偿度的串联电容后，串联电容与一些容量较大的感应电动机或同步电动机有可能发生共振。这种现象称为电机的自
44、激。无论是电机的自激还是变压器的铁磁谐振都可能对用电设备造成危害。在超高压输电线路中，采用串联电容后，有可能与发电机产生谐振频率低于工频的频率振荡，即次同步振荡（Sub-Synchronous Resonance-SSR)，危及发电机组的安全。,84,3-2 电力系统频率偏差,一、频率偏差的定义交流电力系统是以单一恒定的标称频率、规定的几种电压等级和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电。我国采用50Hz标称频率。所有与电力系统直接相连的电气设备都必须在该频率下才能正常工作，所以标称频率又称为工作频率，简称工频。不同标称频率的系统要实现互联，只能通过换流设备才能实现。电力设备如果与系统进行非同步
45、运行，必须通过变频调速装置才能实现并网。,85,电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差，用公式表示为,式中 -频率偏差，Hz;-实际频率，Hz;-系统标称频率，Hz。频率偏差属于频率变化的范畴。电力系统的频率变化是指基波频率偏离规定正常值的现象。,86,二、频率偏差的限值我国国家标准GB/T 15945-1995电能质量 电力系统频率允许偏差规定：电力系统正常频率偏差允许值为 0.2Hz。当系统容量较小时，频率偏差值可放宽到 0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0.2Hz。在保证近区电网、发电机组的安全、稳定运行和用户正常供电的情况下，可以
46、根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件做适当变动限值。,三、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。频率偏差的大小及其持续时间取决于负荷特性和发电机控制系统对负荷变化的响应能力。,87,四、频率偏差过大的危害频率偏差过大对广大用电负荷以及电力系统的安全稳定和经济运行都会造成很大危害。,1、系统频率偏差过大对用电负荷的危害 产品质量没有保障。工业企业所使用的用电设备大多数是异步电动机，其转速与系统频率有关。系统频率变化将引起电动机转速改变，从而影响产品的质量。 降低劳动生产率。 使电子设备不能正常运行，甚至停止运行。,88,2、系统频率偏差大对电力系统的危害降低发电机组效率
47、，严重时可能引起系统频率崩溃或电压崩溃。 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。 处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流随之加大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难。 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。 频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。,89,五、电力系统频率调整和控制频率调整：电力系统在正常运行方式下，通过改变发电机的输出功率使系统的频率变动保持在允许偏差范围内的过程。频率调整是电力系统运行
48、调整的基本任务之一。频率控制：电力系统在非正常运行方式下，针对频率异常所采取的调频措施。,1、电力系统频率调整频率调整包括频率的一次调整和二次调整。 一次调整：利用发电机组的调速器，对于变动幅度小（0.1%0.5%）、变动周期短（10 s以内）的频率偏差所做的调整。所有发电机组均装配调速器，所以电力系统中投运的所有发电机组都自动参与频率的一次调整。,90,二次调整：利用发电机组的调频器，对于变动幅度较大（0.5%1.5%）、变动周期较长（10s30min）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，担任二次调整任务的 发电机组称为调频机组。一般在全系统范围内选择12个发电厂作为主调频厂，负责全系统频率的二次调整，另外再选择几个发电厂担任辅助调频厂。只有当系统频率超过某一规定偏差范围时，辅助调频厂才参与频率的二次调整。 满足以下条件的发电厂（机组）宜选作调频厂（机组）： 足够的可调容量和调整范围； 机组调整速度快； 调频输出的功率满足系统安全稳定要求，同时经济性能好。,91,在枯水季节，电力系统一般选择水电厂作为主调频厂，效率较低的汽轮发电机组担任辅助调频机组；在丰水季节，为了充分利用水力资源，避免弃水，一般水轮发电机组以额定功率发电，选择中温中压凝气式汽轮发电机组作为主调频机组，高温高压凝气式汽轮发电机组作为辅助调频机组。,
