1、電能質量及無功補償,2011.12,一、電能質量,1. 電能質量問題的提出,電能是一種特殊的商品,既具有以商品形式向用戶出售的性質,又具有為千百萬用戶服務的公用事業(yè)性質。 由于電能的供應帶有一定的壟斷性（特別是國內）,電力用戶往往在使用電力企業(yè)所供的電能時,對其質量的波動或不良情況也無可奈何。故早期制訂的常規(guī)電能標準,其要求不夠嚴格,相當長時間內沒有重大改進。用戶與電力企業(yè)之間矛盾不斷發(fā)生 20世紀后半世紀,世界科技發(fā)展速度加快,特別是信息產(chǎn)業(yè)的突飛猛進，傳統(tǒng)的電能質量標準已無法適應用戶需要,迫使電力企業(yè)和有關學術組織不得不對電能質量標準作出較大的修訂補充，從而全面關注電能質量的分析和控制問題

2、。,IBM的研究結果,電能質量問題是造成數(shù)據(jù)丟失的最大原因！,芯片測試 當電壓低于85時，測試儀停止工作，芯片、主板可能被毀； PLC 早期的產(chǎn)品，當電壓低于10時，仍能持續(xù)工作15個周波 (可編程控制器) 新版產(chǎn) 品，當電壓低于(5060)時，PLC停止工作；而2 年后資料表明，當電壓低于81時，PLC停止工作；一些I/O 設備，當電壓低于90、持續(xù)時間僅幾個周波，就會被切除。 機器人 由機器人控制對金屬部件進行鉆、切割等精密加工的機械工 具，為保證產(chǎn)品質量和安全，工作電壓檻值一般設為90， 當電壓低于此值、持續(xù)時間超過23個周波時，被跳閘。 直流馬達 當電壓低于80時，直流電機被跳閘。 變

3、頻調速 當電壓低于70，持續(xù)時間超過6個周波時，VSD被切除。 而對于一些精細加工業(yè)中的電機，當電壓低于90、持續(xù)時 間超過3個周波時，電機就會被跳閘而退出運行。 馬達 研究表明：當電壓低于5070 、持續(xù)時間超過1個周波，接 接觸器 觸器就會脫扣。 計算機 當電壓低于60，持續(xù)時間超過12個周波時，計算工作將 到影響，如數(shù)據(jù)丟失。,電壓跌落對一些設備的危害,我國電網(wǎng)電能質量問題更大,故障率與供電可靠性差 據(jù)1995年203個供電局/電業(yè)局統(tǒng)計，平均供電可靠率僅為99.075%； 電壓波動大。我國部分城網(wǎng)電壓合格率僅為82%86%； 供電網(wǎng)諧波污染嚴重。變流電源、家用電器、冶金、化工企業(yè)大型沖

4、擊電源、電氣化牽引設備等都是主要的諧波源，造成電壓波形畸變、電壓波動、閃變和三相不平衡。,電力系統(tǒng)的組成和特點,原動機,發(fā)電機,升壓變壓器,降壓變壓器,配電變壓器,輸電線路110-500kV,各類用戶,功率平衡,有功功率平衡(主要影響系統(tǒng)頻率水平) 無功功率平衡(主要影響系統(tǒng)電壓水平),2. 電能質量問題的分類,各種干擾：負荷變化；運行操作；故障；雷擊,2. 電能質量問題的分類,電壓質量問題： 閃變 瞬時過電壓、跌落 諧波、畸變 各相電壓不平衡,電流質量問題： 電力電子設備等非線性負荷給電網(wǎng)帶來的電流畸 電流入電網(wǎng)的諧波電流 無功、不平衡負荷電流 低頻負荷變化造成的閃爍等,2. 電能質量問題的

5、分類,穩(wěn)態(tài)電能質量問題以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、次諧波、波形下陷以及噪聲等； 動態(tài)電能質量問題通常以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，分脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類。 主要體現(xiàn)為電壓質量問題 電壓跌落占其中很大的比例,幾種動態(tài)電壓質量問題的示意圖波形,3.電能質量的基本定義,Power Quality電能質量（電源質量、電力質量、電力品質） 導致用戶設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。 合格電能質量的概念是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統(tǒng)是都適合于該設備正常工作的。 在電力系統(tǒng)中某一指定點上電的特性，這些特性可根據(jù)預定的基準技術參數(shù)來評價。 電壓質量、電流質量、供電質量、用電質量。實

6、際上電能質量就是供電電壓特性，即關系到用電設備工作（或運行）的供電電壓各種指標偏離理想值（額定值或標稱值）的程度。,例如：一個計算中心失電2s就可能破壞幾十個小時數(shù)據(jù)處理結果，導致幾十萬美元產(chǎn)值損失。,3.國外對電能質量的認識,針對電能質量問題，美國電科院（EPRI）提出一個分三步走的研究策略： 第一步：電能質量問題分析 美國在300多個電廠/電站安裝了電能質量監(jiān)測儀（ PQNodes） 第二步：發(fā)展電能質量控制器 EPRI與西屋公司成立西屋科學院，研究固態(tài)斷路器（Solid-state Circuit Breaker ）、靜止無功補償器(STATCON)和動態(tài)電壓恢復器等（Dynamic V

7、oltage Restorer，DVR)等電力電子式電壓質量控制裝置。 第三步：與電力公司合作，開展應用推廣研究。,4.國內對電能質量問題的認識, 很長一段時間，只是關心有沒有電的問題，即供電的可靠性； 20世紀后半世紀, 國內電力企業(yè)和有關學術組織不得不對電能質量標準作出較大的修訂補充。 傳統(tǒng)的電能質量只包含頻率、電壓和可靠性(即不斷電)三個方面。隨后,部分事故和用戶投訴使人們認識到電網(wǎng)中的諧波和三相不平衡現(xiàn)象的嚴重危害性。 此后,電壓波動和閃變也已引起足夠重視,在電能質量標準內也已列入此項內容。 2000年以前，我國對電能質量已先后頒布了幾個國家標準, 對電壓允許偏差、電壓允許波動和閃變、

8、電網(wǎng)諧波、三相電壓允許不平衡度、電力系統(tǒng)頻率允許偏差等作出了明確的規(guī)定。 目前和將來，推廣電能質量體系的實際應用，進一步研究電能質量的分析方法和控制措施。,5. 改善電能質量的首要問題 電能質量分析與監(jiān)測,目的：通過在特定地點設置電能質量分析和監(jiān)測裝置，評估其電力供應與負荷之間的兼容性，分析電能質量的各項指標，為評價電力供應和改善電能質量提供依據(jù)。 IEEE標準Std 1159-1995，專門對電能質量監(jiān)測提供了一系列規(guī)范。,5.1電能監(jiān)測裝置的一般功能,信號調理，（PT/CT變換） 數(shù)據(jù)采集， 各項電能質量指標的計算與分析， 電能質量指標體系的設置， 電能質量報表， 數(shù)據(jù)記錄，包括短期錄波和

9、長期數(shù)據(jù)備份， 信息呈現(xiàn)、即良好的人機界面，等。 測量硬件 分析和顯示軟件,5.2 電能監(jiān)測裝置的種類,便攜式電能質量分析儀,優(yōu)點： 使用方便， 成本較低 缺點： 信號通道數(shù)有限； 對一些長期性電能質量指標不便進行監(jiān)測,5.2 電能監(jiān)測裝置的種類,固定式電能質量監(jiān)視裝置 優(yōu)點：容量大，可長時間不間斷監(jiān)視 缺點：成本高。 較好的解決方案 在已有的硬件系統(tǒng)（如數(shù)字錄波器）中引入電能質量分析軟件，從而有利于降低成本，增強功能。,供電電壓允許偏差（GB/T 123252003） 電壓波動和閃變（GB 123262000） 公用電網(wǎng)諧波（GB/T 145491993） 三相電壓允許不平衡度（GB/T 1

10、55431995） 電力系統(tǒng)頻率允許偏差（GB/T 159451995） 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓（GB/T 184812001）,附：電能質量指標國家標準,二、無功補償,有功功率、無功功率與功率因數(shù),電源,輸電線,M 電力用戶,降壓 變壓器,PG+jQG,有功功率（kW）：用于做功和發(fā)熱損耗的那部分電能。例如： 轉換成機械能、熱能、光能等；方向：電源至負載。 一個周期的平均功率大于零。 無功功率（kVar）：用于電路內電場與磁場交換的那部分電能。 方向：上半周期從電源至負載，下半周期從負載至電源。 一個周期的平均功率等于零。,交流發(fā)電機 輸出的功率 (視在功率：容量) （kVA）,電能形成 （

11、電源）,電能轉換 （負載）,升壓 變壓器,P+j Q,PL+jQL,功率因數(shù)：有功功率出力在設備容量中所占的比重。 cosj =P/S 0cosj1.0 功率三角形,S2P2Q2,j Scos,Q,j Ssin,P,P S 或 cos j1.0,節(jié)電：,Q 0,QSsin j,PScos j,負荷自然功率因數(shù)：無功補償前負荷的功率因數(shù) cosj =P/S 典型負荷功率因數(shù)表：,功率因數(shù)與電費調整 以0.9為標準值的功率因數(shù)調整電費表,（功率因數(shù)自0.64以下每降低0.01電費增加2%） 總電費=（高峰電度電費+ 平段電度電費+ 低谷電度電費+ 基本電費） （功率因數(shù)獎懲率）+ 城市建設附加費,

12、無功補償原理圖：,負載 IL,功率平衡： P + jQ = PL+ jQLjQC=PL+ j(QLQC) P = PL,I,Q = QLQC,Q,cos j = cos tg-1( ) 當QL= QC時：,P,V1,P = PL Q = 0,cos j = 1.0,無功補償原理 功率損耗：,電壓損耗：,當Q=0時，P=Pmin,當Q=0時，V=Vmin,無功補償原理,把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷，并聯(lián)接在同一電路；當容性負載釋放能量時，感性負荷吸收能量；而當感性負荷釋放能量時，容性負荷卻在吸收能量；能量在兩種負荷之間交換。 這樣，感性負荷所吸收的無功功率，可以從容性負荷輸出的無功功率中得到補償，這就是無功功率補償?shù)幕尽?無功功率補償?shù)姆椒ê芏?，以采用電力電容器或采用具有容性負荷的裝置進行補償比較多。這里，重點介紹電力電容器的補償方法。 介紹兩種方法：并聯(lián)補償和串聯(lián)補償。,無功補償方法,串聯(lián)補償：是把電容器直接串聯(lián)到高壓輸電線路上，以改善輸電線路參數(shù)，降低電壓損失，提高其輸送能力，降低線路損耗。這種補償方法的電容器稱做串聯(lián)電容器，應用于高壓遠距離輸電線路上，應用比較少。 并聯(lián)補償