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电能质量与处理方法
发布时间: 2024-02-29 来源:新闻中心

  从普通意义上讲,电能质量是指优质供电。但迄今为止,对电能质量的技术含义还存在着不同的认识,一种原因是由于人们看问题的角度不同,如电力企业可能把电能质量简单地看成是电压(偏差)与(频率)的合格率,并且用统计数字来说明电力系统电能99%是符合质量发展要求的;电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向符合正常供电;而设备制造厂家则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要,但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。

  (1)实时准确地检测。检测值可能是要滤除的谐波、要补偿的无功或要平衡的不对称值等。已然浮现的检测的新方法很多,大多数的检测的新方法在信号平稳时,能准确地检测出干扰值。而这里的“实时检测”主要是指当信号扰时,检测电路的实时跟踪速度,目前大多数的常规检验测试方法很少能做到这一点,而实时性对于持续时间较短的电压跌落、突升、闪变、谐波等尤为重要。以谐波检测的新方法为例,为提高实时性,文献提出了不同的方法,有的是常规方法的改进,更多的是新理论的灵活应用。但这些检测方法在改进的同时也带来了新的问题,如要选择合适的数学函数、变换结果的相位与幅值会出现偏差等,所以它们的有效性还有待进一步研究。

  (4)谐波和间谐波(harmonics & inter-harmonics):含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波,小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。

  (5)电压波动和闪变(fluctuation & flicker):电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出0.9~1.1倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。此外IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会从电压幅值和电压波形两个方面采用1种指标来衡量电能质量,其中电压幅值指标包括:断电(interruption)、电压下跌(sag)、电压上升(swell)、瞬时脉冲(impulse)、电压波动(fluctuation)与闪变(flicker)、电压切痕(notch)、过电压(over-voltage)、欠电压(under-voltage)、电压波形指标包括:谐波(harmonic)、间谐波(inter-harmonic)、频率偏差(frequency deviation)。

  由于所处立场不同,关注电能质量的角度不同,人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识,但是对其主要技术指标都有较为一致的认识。主要指标为国家技术监督局相继颁布的涉及电能质量五个方面的国家标准,即:供电电压允许偏差,供电电压允许波动和闪变,供电三相电压允许不平衡度,公用电网谐波,以及供电频率允许偏差等的指标限制。

  电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时,在三项交流系统中,各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变,加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因,这种理想状态并不存在。因此,产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题,也就产生了电能质量的概念。

  (1)内因。系统本身接有电弧炉、整流器、单相负荷、大功率电动机等干扰性负荷。这些负荷对电网产生负面影响,如谐波、无功冲击、负序等,而且这些负面影响可能通过公共连接点(PCC)波及其它终端用户。因此,系统中必须安装相关装置,以及时缓解这些问题,而且还应根据电能质量评估体系,利用经济杠杆约束此类用户对电能质量的影响。

  (4)用电质量。它包括电流质量和非技术含义等,如用户是否按时、如数缴纳电费等。

  上述关于电能质量的含义与解析反映了供用电双方的互相作用和影响以及责任和义务。虽然其含义很工程化,但对理解和认识电能质量是很有实用价值的。另外,国际电工委员会(IEC)标准则对电能质量定义为,电能质量是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。这里的“偏差”应广义理解,其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。但是,IEC并没有采用“Power Quality”(电能质量)这一术语,而是用“EMC”(电磁兼容)术语来强调设备与设备之前,电源与设备之间的相互作用及影响,定义电磁兼容为设备或系统能在所处的电磁环境中正常运行并且不对该电磁环境产生任何不能容忍的电磁扰动。在电磁兼容的概念中,用排放(Emission)表示设备产生的电磁污染,用(Immunity)表示设备抗电磁污染的能力,并以此为基础,制定了一系列电磁兼容的标准。

  (1)电压偏差(voltage deviation):是电压下跌(电压跌落)和电压上升(电压隆起)的总称。

  (2)频率偏差(frequency deviation):对频率质量的要求全网相同,不因用户而异,各国对于该项偏差标准都有相关规定。

  (3)电压三相不平衡(unbalance):表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。

  3.7大功率冲击性、非线)电流质量。电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率,除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外,还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。电流质量通常包括电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。

  (3)供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量,它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度。

  电压是电能质量最重要的指标之一,其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。

  供电系统在正常运行方式下,某一节点的电压测量值与系统标称电压(通常,电力系统的额定电压采用标称电压去描述,对电器设备则采用额定电压的术语)只差对系统标称电压的百分数称为该电压节点的电压偏差。供电系统正常运行方式是指系统中所有电气元件按预定工况运行。供电系统在正常运行时,负荷时刻发生着变化,系统的运行方式也经常变化,系统中各节点的电压随之发生改变,会偏离系统电压额定值。电压的这种变化是缓慢的,其每秒电压变化率小于额定电压的1%。电压的方均根值偏离额定值的现象称为电压变动,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。过电压和欠电压既可能出现在电力系统正常运行方式下,也可能出现在电力系统非正常运行方式下,如故障状态等。电力系统正常运行方式下,机组或负荷的投切所引起的系统电压偏差并不大,起绝对值不大于标称电压的10%。系统在非正常运行方式下,由于故障所引发的系统电压变动与故障点距离的远近有很大关系。此时,系统实际电压可能严重偏离标称值,也可能偏离标称值的幅度并不大,距离越近,电压低于标称值越多。反之,距离越远,电压低于标称值越少。此时,电压偏差强调的是实际偏离标称电压,分别未高于标称电压的110%和维持在标称电压的10%~90%,并且维持的时间超过1min。

  随着科学技术的发展,一些带有基于微处理器的控制器和大功率电子开关器件的现代用电设备对电能质量的要求越来越高,他们对电磁干扰都极为敏感,而且随着电力用户对电能质量认识的提高,越来越多的用户向电力部门提出了高质量的供电要求,另外,电能质量的恶化会带来比如使继电保护误动,附加损耗增加等问题,而且电力企业处于提高自身运行效率的需要,也在努力寻求提高电能质量的新途径。

  电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时,在三相交流系统中,各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变,加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因,这种理想状态并不存在。因此,产生了电网运行电力设备和供用电环节中的很多问题,也就产生了电能质量的概念。

  (2)求得补偿信号的参考值后,要快速准确地驱动变流器,产生补偿信号。目前出现的操控方法有:滞环比较控制、空间矢量控制、无差拍控制等。这一些方法各有优点,可根据真实的情况灵活选用。无论是检测还是控制,存在的主体问题都是如何减小以至消除时滞,使补偿偏差最小。电能质量控制器(或有源滤波器)的结构一般是:靠近源侧(或负荷侧)连接一并联逆变器,靠近负荷侧(或源侧)连接一串联逆变器,两逆变器通过公共的直流电容结合在一起。串联部分的功能为补偿各种干扰,并联部分的功能为有源滤波、动态补偿无功、为直流电容提供能量等。当在直流侧并联能量储存装置时,还能使负载不受瞬时停电的干扰。

  电力系统元件的非线性问题最重要的包含:发电机产生的谐波;变压器产生的谐波;直流输电产生的谐波。此外,还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。其中,直流输电是目前电力系统最大的谐波源。

  在工业和生活用电负载中,非线性负载占很大比例,这是电力系统谐波问题的大多数来自。电弧炉(包括交流电弧炉和直流电弧炉)是主要的非线性负载,它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。居民生活负荷中,荧光灯的伏安特性是严重非线性的,会引起较为严重的谐波电流,其中3次谐波的含量最高。大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流,对电网导致非常严重污染,同时也使功率因数降低。

  (2)外因。雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线路切换等都可能干扰系统,造成断电或电压变动,甚至影响到相邻线路,导致有害影响蔓延。现在采取的措施,一是减少故障发生的次数和改变排除一些故障的方式,目前配电系统中的线路主保护是电流保护,该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无时延地予以切除,此外即使无时延保护,从检测出故障到断路器开断故障,最快也需要3-6个周波。若是永久性故障,多次重合闸则导致电压的不断波动。二是降低装置对电能质量上的问题的敏感性,主要是用户侧在敏感负荷或关键负荷处安装补偿装置,这种方法对单个负荷可有直接和明显的效果,但是受限于补偿装置的容量和价格,应用场景范围也受到限制。

  电力系统运行的各种故障也会造成电能质量上的问题,如各种短路故障、自然灾害、人为误操作、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护设施中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量上的问题。电能质量上的问题不仅仅关系到用电设备正常运行的可靠性和安全性,而且还关系到供用电市场的规范化。它的产生可能来源于供电方的输配电系统,也可能来源于用户端的不合理用电,还可能来源于雷电等自然现象。只有对电能质量进行相对有效地监测才会对问题的产生和影响有清楚的认识,这样才可以为电能质量的改善﹑供用电双方的协调和供用电市场的规范提供真实依据,以便采取比较有效的解决措施。在这样的环境下,探讨电能质量领域的相关理论及其控制技术,分析我国电能质量管理和控制的发展的新趋势,具有现实意义。

  一种普遍接受和采用的技术名词与定义方法是:从工程使用方面出发,将电能质量概念进一步具体分解并给出解析。其内容如下:

  (1)电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差,以反映供电部门想用户分配的电力合不合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降(升)与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。

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