电压裂痕的最主要影响就是高次谐 波

作者:永利博 发布时间:2021-01-24 23:17

  电能质量定义_电力/水利_工程科技_专业资料。通过文献阅读,建立一个电能质量的概念

  电能质量作业 学生姓名: 王朝斌 李洋 刘佳滢 王诗清 学 号: 23、58、93 、123 作业题目: 串联电抗器的谐波抑制与电抗率选择 2013 年 6 月 4 日 作业题目 1: 对电能质量的定义进行总结。 1. 电能质量问题的提出 电能是人类生活中最重要的能源。随着国民经济和科学技术的发展,微电子 器件与电力电子技术的广泛应用,对电能质量的要求越来越高;同时由于扰动负 荷(如非线性、冲击性或不对称负荷)接入电力系统或其他扰动源(系统短路故 障)存在,造成了大量的电能质量问题。不但影响公用电网的安全运行,还对各 种电力用户的用电过程造成直接与间接的危害。目前,对电能质量这一术语尚未 形成统一定义。IEEE给出电能质量问题的一般解释为在供电过程中导致电气设备 出现误动作或故障损坏的任何异常现象,如电压凹陷、过电压、暂态、谐波畸变 和电气噪声等。前一部分描述电能质量=供电质量;后一部分给出电能质量问题 在供电电压上的具体表现,似乎界定在电能质量=电压质量上。 电能质量离不开电力系统的可靠性问题,其包含系统的容量储备(满足供电 需求的能力)和安全性(承受突发扰动的能力)。但从电力系统与电力用户共同 关心的内容看,可以认为电能质量=供电质量+电压质量。 从本质上讲,电能质量包括电压质量、电流质量和频率质量三个方面。 (1)电压质量又称电压辐值质量,一般认为电压辐值质量主要受供电侧影响, 用实际电压与理想电压间的广义偏差反映供电水平。 (2)电流质量,主要受用户影响,电流质量问题一般就是指谐波。 (3)频率质量一般就是指系统供电的同步频率不满足系统的额定偏差范围的 规范,在电源较弱的地区,随着大容量的有功负荷的较快变化,系统频率会出现 周期性或非周期性的偏移,目前的调频控制技术和发电管理已经能够较好地控制 频率变动。此外,有学者指出电能质量还应包括非技术成分质量问题。 从现有的统计和研究结果来看,破坏程度较为严重的是电压辐值质量问题, 也是近年国内外研究重点,故狭义上的电能质量主要是指电压质量,且IEEE在其 标准中对电压质量推荐使用电能质量来表示。受电能质量扰动影响最重的是配电 网中的工业负荷,故配电网电能质量问题在整个电能质量研究中处于重中之重的 地位。 影响电能质量的因素主要有四个方面:①自然现象和灾难,如雷击;②电力 设备及装置故障或保护误动作;③终端用户非线性、冲击性污染型负荷的大量使 用;④人为事故。保证电能质量水平需要多方面的配合,才能取得双赢或多赢的 效果。 2. 电能质量定义 电能质量目前没有完全统一的定义,从电能生产、输送和使用角度,因有着 不同的参考框架而对电能质量有着不同的解释。IEEE组织一直在其官方文件中使 用“电能质量”(Power Quality)术语,并给出了有关定义;而IEC较多情况下是 使用术语“电磁兼容性”(EMC),最近才开始使用电能质量。经细心的对照比较, “电能质量”和“电磁兼容性”在很大程度上有重叠但并非完全一致。 IEEE在其第1100号标准定义“电能质量是指对向敏感设备提供电力和设置接 地系统以保持其正常运行能力的一种概念描述”,显然这是一个中性的、从技术 本身出发的一种定义。对电磁兼容性,IEC61000-1-1中给出定义:设备和系统在 其电磁环境内保持正常工作且不引发所在电磁环境内的任何设备所不能允许的 扰动的物理能力。而最近,IEC的一个工作组明确将电能质量定义为“电能质量 是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性”,该 定义偏于系统供电角度。可以看出IEEE和IEC在解释电能质量的相同点在于以保 持用电设备正常运行作为定义电能质量的基础,所不同的是IEC更加明确的指出 了改善电能质量的着手点就是供电装置。 此外,业内也普遍接受一种直接简明、更多从用户角度出发的解释“电能质 量问题是指任何导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差”, 但我们必须认识到它含该的内容并不全,有关电能质量相关术语的定义请参见 IEEE第1159号标准。 3. 电能质量现象的属性和分类依据 电能质量问题从时间尺度上主要可以分为周期稳态(包含准稳态)和暂态(又 称非稳态)两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征,主要包括谐波、间谐 波、波形裂痕以及噪声等;暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特 征,可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。对电能质量,除基本的幅值、频率、频谱 和系统阻抗等四种属性外,通常还使用表1列出的附加属性来描述不同的电能质 量问题。 表1 描述电能质量的附加属性 除基本的稳态和暂态之分外,又可以根据其他因素,如持续时间长短、频谱 分布、电压幅值范围等,对电能质量问题进行细分。 各种电能质量现象并不是严格区分、物理独立的,调查统计和理论仿真均表 明发生某些电能质量现象往往或必定伴随着其他电能质量问题出现,现有的研究 还没有深入到这些电能质量现象的相互依赖性上。电能质量在时间和空间上是随 机分布,处于动态变化之中,因此即使是同一扰动源引发的问题,在不同的PCC 点,观察到现象和具体指标往往有一定的差异。 与电能质量问题有关的电磁现象特征(频率、持续时间、幅值大小)见表 4. 电能质量各项指标的定义及国家标准 为了能系统地了解、熟悉和研究电能质量问题,并能在工作中对电能质量反 映的问题或测量结果进行分析和判,从而找出引起电能质量问题的根本原因和采 取相应的措施,将电能质量现象进行科学、合理的分类是非常必要的。国际电工 委员会IEC从电磁兼容及相互干扰的角度, 将电能质量现象进行了分类;而国际 电气电子工程师协会IEEE根据电压扰动的频谱特性、持续时间、幅值变化等方面, 对电能质量现象进行了分类。鉴于这两个基础性的分类,世界主要电力大国也都 制定了相应的电能质量指标及其标准。 我国从20世纪90年代初到2001 年, 国家技术监督局先后组织制定并颁布了 6 项电能质量国家标准: GB 12325-1990 《供电电压允许偏差》; GB/T 14549-1993 《公用电网谐波》; GB/T 15543-1995 《三相电压允许不平衡度》; GB/T 15945-1995 《电力系统频率允许偏差》; GB 12326-2000 《电压波动和闪变》; GB/T 18481-2001 《暂时过电压和瞬态过电压》。 这些标准是我国公用电网正常运行应满足的条件, 给电能质量治理工作提 供了参考与依据。 5. 供电质量与用户需求 5.1 供电质量参数 供电质量参数通常可分为两个范畴。 (1)由国际(或国家)标准明确定义的电能质量参数,如电压频率、偏差、 波动与闪变、三相电压不平衡度、谐波等。 在我国现有的6 项电能质量标准中,《公用电网谐波》、《三相电压允许不 平衡度》、《电压波动与闪变》三项国标指明了扰动负荷接入公用电网应满足的 条件。执行电能质量国家标准是维护公用电网电能质量的基础。否则,未加治理 的扰动负荷接入电网可能使其他负荷的正常用电权益受到损害。 (2)暂时尚无国际(或国家)标准,仅仅给出一些指标值供参考。这些参数 包含了一些电压指标和供电可靠性指标,如电压凹陷(voltage dip)、短期与 中期电压中断。不能形成标准表明仍有大量工作要做,但并不掩饰其重要性。一 些敏感负荷在用电申请与电能质量投诉上已多次涉及该类问题。 如果从电压的幅值和波形(指非等幅正弦波)上划分,所涉及的电压质量问 题如下: a. 幅值问题,如电压偏差、三相电压不平衡(负序)等; b. 波形问题,如谐波、电压波动与闪变等; c. 既有幅值问题又有波形问题,如过电压、电压凹陷、电压中断等。 在国际(或国家)标准中,电能质量指标通常以电压特征描述,电能质量国 标中仅谐波用各次谐波电流表示用户注入电网的允许值。 与电能质量问题有关的电磁现象特征(频率、持续时间、幅值大小)见表2。 5.2 敏感负荷与用电质量需求 低水平的电能质量可能对敏感负荷造成损害。电能质量对用户和电网的影响 可由图1说明。 图1 电能质量对用户的影响 扰动负荷由其负荷特性决定,可能产生电压波动、过电压、电压凹陷(电压 迭落)以及谐波、负序和其他干扰。如冶金电弧炉产生电压波动与闪变、谐波与 负序等电能质量问题;电气化铁路牵引负荷产生电压波动、谐波与负序等电能质 量问题。现场测量显示这一类冲击负荷还形成电压突然跌落(或电压凹陷),瞬 间电压下降超过10%。较平稳的整流负荷如电解锌、铝厂等主要产生特征谐波。 表2 与电能质量有关的电磁现象 需要特别指出的是,随着电力电子技术的推广,工业生产过程对电能质量与 供电可靠性的要求越来越高。如电压凹陷与短期$ 中期电压中断对使用微电子器 件的装置或生产过程产生严重影响,常常是装置误动、损坏或产品报废的主要原 因。工业用户对电能质量与供电可靠性有不同的要求,见表3。 传统电能质量问题如谐波或闪变通过在源头采取治理措施能够很好地解决。 但是电压凹陷及电压中断这一类问题,适合于在电网侧解决。 表3 电能质量与供电可靠性对工业生产的影响 5.3 区域分割 工业用户对电能质量/可靠性供电的不同要求提出了如何满足用户对高质量 用电的要求和高质量供电对应较高的投资费用,而那些对供电质量没有特殊要求 的用户是否也应承担高质量供电相应的建设费用,这样两个问题。 从社会经济性出发,最好是按用户需求提供相应的供电质量,实现供电质量 区域分割。用户电力技术能实现这一设想,其采用下面两种补偿技术“隔离”电 能质量扰动源对用户的影响。 (1)采用并联补偿技术的用户电力。由静止断路器SSB(Solid State Circuit Breaker)和静止补偿器STATCOM(Static Compensator)组成,见图2。 图2 由SSB和STATCOM组成的用户电力技术 这里的STATCOM是使用IGBT或GTO电力电子器件的脉宽调制(PWM)逆变器, 具有无功发生器和有源滤波的作用。在正常运行条件下它由电网供电,向联接点 提供电压调节、功率因数校正和滤除谐波所需的补偿分量。但电网侧线路 出现 故障时,SSB迅速打开(小于一个工频周期),STATCOM把自备电容器储存的能量 或其他储能装置的能量转变成电能向用户供电,直到排除故障由线恢复正常供电。从故障发生SSB打开直到故障排除SSB闭合的非常短的时间内, STATCOM作为一个标准电源向用户供电限制电压凹陷的影响。 用超导储能技术SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)替代 STATCOM中的电容器很有发展前景。目前,STATCOM的主要应用范围在1MW·s至 5000MW·h。 图3 使用串联电压补偿的用户电力技术 (2)采用串联补偿技术的用户电力。主要由逆变器、储能装置与变压器组成 动态电压恢复器DVR(Dynamic Voltage Restorer),变压器串联接入向敏感负 荷供电的线。当电网电压发生变动时,DVR通过变压器提供一等量的反 向电压变动校正输出电压至理想的电压波形,从而维持电压稳定,对谐波也有抑 制作用。理论上DVR仅需负荷功率的30%就可以消除所有不大于30%额定电压的电 压凹陷,通常覆盖了电压凹陷数量的95%。逆变器可使用IGBT,GTO等电力电子开 关器件。DVR可以补偿电压凹陷、谐波、过电压和三相不平衡,但主要用于减轻 电压凹陷的影响。其对电压凹陷的持续补偿能力依赖于储能装置的容量。 6. 主要电能质量指标 对电能质量,除经济性指标外,目前没有统一的指标可以用来描述表2中提 到的全部电能质量问题,而是根据不同扰动或扰动组的特征制定了一些具体的量 化指标。 6.1 谐波 谐波(Harmonics)污染是电能质量的一个基本问题。谐波问题并不新鲜,对 谐波的研究可以追溯到电力系统形成初期。1916年,电气工程师Steinmetz就撰 文探讨三相系统中的谐波问题;在近期研究人员提出了谐波组的概念用于进一步 研究谐波问题。 描述谐波的一般指标:各次谐波幅值和相位、各次谐波含有率(HR)、总谐波 畸变率(THD)、谐波功率和谐波阻抗,以及部分演化指标如K因子等。通常THD定 义为谐波分量(h≥2)有效值相对于基波分量(h=1)的百分比。 间谐波又称分数谐波, 顾名思义它指非工频频率整数倍的周期性电流或电 压。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所引起的。非线性的波动 负荷如电弧炉、电焊机、各种变频调速装置等都是间谐波源。 间谐波的主要危害是:会放大电压闪变, 对音频干扰,影响电视机画质, 对 收音机产生噪声污染,并在一定程度上造成感应电动机的震动,特别对采用电容 电感和电阻构成的无源滤波器电路以及间谐波可能会被放大,严重时会使滤波器 因谐波过载而不能投运,甚至造成设备的损坏。据统计其含有率超过0.3%便能引 起灯光闪变,引起无线 电压骤降 IEEE给出电压骤降(Sag)的一种定义是供电系统中某点的工频电压有效值突 然下降至额定值的10%~90%,并在随后的10ms到1min的短暂持续期后恢复正常。 IEC的有关标准与匝EE的一个较大的区别在于电压骤降的电压幅值规定为正常值 的1%~90%。 不同原因引发的电压骤降在主要PCC点观察到的外在电压波形差异较大。电 压骤降波形的差异,与扰动时刻系统的不对称有较大关系。故障导致的电压骤降 表现出明显的、较为严重的不平衡性态,随故障类型和配电变压器绕组连接形式 的不同所呈现的不对称情况也不一致。 现有的统计数据和研究成果表明最严重的电能质量问题就是电压骤降(也包 括短时电压完全中断)。 6.3 电压闪变 电压闪变(Flicker)是指人眼对由一定频率(最高可达l0Hz)的电压波动所引 起的照明异常而产生的直观视觉感受,闪变的低频调制信号一般认为从1~10Hz, 也是人眼视觉最为敏感的频率范围。根据扰动原因不同,电压闪变可分为周期性 和非周期性之分。闪变往往需要对波动波形进行频谱分析。 6.4 电压闪变 电压中断(Interruption,又称供电中断)是指供电侧电压接近于零的状态。 电压接近零在IEC中定义为小于指定电压(一般是额定电压)的1%,而IEEE中定义 为小于10%,两者略有区别。持续时间长于3min的成为长电压中断,反之称为短 电压中断。 类似前面电压骤降的SARFI指标,电压中断的评价指标一般也是基于统计的。 此外,还有MAIFI、CumProb95%、RMB等多个指标。上面的指标在实际应用中从 系统角度、用户角度得到的结果区别不大,这些指标往往作为系统或用户(更多 的是用户)对供电的期望水平之一。 电压中断一般是由故障后保护的动作(在故障发生和保护动作之间,电压骤 降发生;而对于故障馈线上的用户,在电压骤降之后就是电压中断),有时是因 保护误动作等原因造成的。目前而言长电压中断还是最为严重的电能质量扰动之 一,故非常有必要对电压中断的发生频率和持续时间做相应的规定。从目前国际 组织的官方文件中很难找到对应的限制,只有欧洲的标准中这样规定:视地区不 同,持续时间在3min以上的电压中断次数在10~50次。 6.5 电压突升 电压突升(Swell)是指工频电压的暂态升高,其典型的幅值波形如图6所示, 电压突升一般由故障或开关动作引发,该现象常常发生在中性点不接地系统中, 如当发生瞬时单相接地故障时,其余两相对地电压会突升至额定电压的压,这就 是电压突升。 一般借鉴电压骤降的部分指标,如SARFI统计指标、时间电压积分的面积指 标和能量指标作为电压突升的指标。 6.6 电压裂痕 电压裂痕(Notches,又称电压凹陷、电压缺口等)是指一种持续时间短于半 个周波,起始时刻与原波形极性相反的工频电压开关性(或其他的)扰动。因为进 行相反,故与正常波形相比总使得扰动电压的峰值降低。持续时间短于半个周波 的电压跌落和完全失压也可以划分为电压裂痕。 三相整流设备在换相过程有非常短暂(小于1ms)的短路过程,该短暂短路过 程引起的供电电压跌落一般就是电压裂痕。电压裂痕的最主要影响就是高次谐 波,由三相整流设备引起的电压凹陷一般是周期性的。 一般描述电压裂痕一般需要综合裂痕缺口深度、裂痕持续时间和每个正弦波 上凹陷的个数三个性质。因为电压裂痕发生时刻通常伴随着高频暂态过程,需要 一些暂态分析的方法也被用来分析电压裂痕。 6.7 暂态冲击和暂态振荡 暂态(Transient)一般是指系统电压、电流的快速变化。暂态的学术定义是 指那些系统电压/电流快速简短的不连续性的次周波扰动。电力系统波动分析中 往往遇到的不符要求但本质上呈瞬态特性的事件就可以认为是暂态。暂态的另一 个常用定义是:在一个稳态到另一稳态的过渡过程中出现的部分变化,该定义范 围很宽且较简洁。一般分为脉冲型(Impulsive)和振荡型(Oscil1atory)两种。 冲击暂态是指电压和/或电流的突然的、非工频、单一极性方向的变化。引 发冲击暂态的最普遍的因素就是雷击。因冲击暂态所表现的高频特性,冲击暂态 的波形随电路元件不同差异非常大,且随观察地点的不同形状也不同。相比照, 振荡型暂态是指电压和/或电流在稳定状态下的突发的、非工频的、具有双向极 性的变化。通常情况下,冲击型暂态无法沿输电线长距离传播,但冲击型暂态可 能引发系统的自然频率下的振荡型暂态。目前出利用暂态分析的原理和方法外, 还没有具体统一的描述暂态扰动的指标。 通常情况下,因电容器(组)上电激励引起的振荡暂态频率呈现一种较低频率 的振荡,小于5kHz;但当电容器在上电投运时刻,若附近有正在运行的电容器组, 则形成背靠背形式的投切方式,此时引起的振荡频率则较高,最高能够达5MHz。 6.8 过电压/欠电压 过电压是指系统工频电压有效值上升到至指定电压(一般为额定)的110%以 上、持续时间超过1min的电压升高。相反,欠电压是指系统工频电压低于指定电 压的90%、持续时间超过1min的电压降低。过电压/欠电压一般非系统故障所致, 但可能会因负荷波动或者系统的开断操作引发。过电压在电压调节能力薄弱或缺 少电压控制的区域时常发生。 6.9 三相电压不对称 电压不对称(又称不平衡)一般有两种可能,一种是结构性因素,二是使用性 因素。EHV输电线路的不循环换位就属于前者,电气牵引机车等大容量不对称或 单相负荷的接人就属于后者;三相不平衡不仅与电力系统有关,更多的受用户负 荷性质影响。电压不平衡对电力系统三相制设备会造成巨大影响,比如感应电机、 电能转换器、变压器和输电线路损耗等,这方面有较多文章论述。 通常电压不平衡使用不平衡因子(Unbalance Factor,VSF)指标来描述,但 目前各类标准中对不平衡因子给出的定义也不尽相同。美国国家设备制造商协会 (National Equipment Manufacturer’s Association,NEMA)对电压不平衡是针 对线电压定义的,称为线电压不平衡率LVUR。IEEE有关电压不平衡的定义与NEMA 相仿,只是对相电压(对地)而言,故又称相电压不平衡率PVUR。无论是线电压 不平衡或者相电压不平衡,从本质上看是属于幅值不平衡。 6.10 电磁兼容性 国际电工委员会标准对电磁兼容(EMC)的定义是:设备或系统在所处的电磁 环境中能正常运行,同时不对其他系统和设备造成干扰。 系统内或系统间能电磁兼容意味着无论是在系统内部,还是对其所处的环 境,系统都能如预期的那样工作。电磁兼容性包括两个方面的含义:①电力系 统、电子系统或电工设备之间在电磁环境中相互兼顾和兼容;②电力系统、电 子系统或电工设备在自然界电磁环境中,能承受干扰源的作用,按照设计要求正 常工作。 一方面,随着电子技术日益向高频率、高速度、宽频带、高精度、高可靠性、 高灵敏度、高密度( 小型化、大规模集成化)、大功率、小信号运用和复杂化方 向发展,电磁干扰已成为系统和设备正常工作的突出障碍。 另一方面, 电磁场、电磁波对人体生态的影响程度及危害, 已经成为全世界 的电力工作者和社会民众都在关注的热点。有关资料表明, 我国目前共有各种先 天性畸形者约3000万人, 我国新生儿有3%~5%是先天畸形, 每年出生畸形儿38 万以上。而各种电磁波是疑凶。 一些国家成立了专门机构制订了专门标准,对此进行管理,一切电子设备必 须经过专门机构的鉴定和批准才能进入市场, 电力系统和电力设备的设计需要 考虑电磁兼容问题。一些国际组织制订并推荐有关的标准或建议,一些学术机构, 如国际大电网会议增设电磁兼容专业组,开展科研和交流,以推进电磁兼容的研 究。我国在电磁兼容方面也有相应的标准,但是在电能质量领域中没有涉及到该 指标。随着电网的不断复杂化、各种精密设备的层出不穷、生态学的发展,电磁 兼容性问题应该会成为电能质量领域需要考虑的一个问题。


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