电能质量分析课件word版.docx

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电能质量分析课件word版

第一章

电能质量问题主要包括电力系统电压、电力系统频率比、电力系统谐振、电压波动与闪边、电力系统的三相不平衡以及暂态扰动等。

课程介绍内容：

电能质量的分析方法；

改善电能质量的主要技术措施。

电能质量问题的研究现状及发展趋势等。

一、电能质量需求转变的原因

从电力应用的角度出发，提供优质电能是供用电双方共同责任，面对电能质量关注的原因是多方面的主要包括：

1现代用电设备对电能质量的要求更高，许多先进的用电装置都带有基于微处理器的控制器和功率电子器件，特别是集成电路芯片制造的生产流水线等对电源各种电磁干扰极为敏感。

2由于公用电网受到非线性用电负荷产生的污染，使谐波干扰加重，对电力系统的安全运行带来直接或潜在的威胁和危害。

如电气化交通工具的运行，高效率点击变速驱动等。

3电力用户法治水平不断提高，认识到用《电力法》保护自身的权益，并提高了对电能质量的认识，正在了解和熟悉如供电间断、电压下跌、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。

同时，越来越多的电力用户向供电部门提出高质量供电的要求，甚至通过鉴定供用电合同和保证电能质量的协议等方式，保障自己可靠的用电权益。

4电力系统是一个有机的整体，任何一个局部环节的问题都可能影响到系统的正常运营，这就要求供电企业在保证向用户提供优质电力的同时，需极力避免受用电设备对电网产生的干扰，污染和危害。

第二章电能质量的基本概念

一、概述

1、理想的交流供电系统

a三相交流电压是平衡的，它的均方根和频率都应该是恒量；b电压和电流的波形为正弦无畸变；c这些指标应与用户的负荷无关。

d用户负荷都设计成在额定电压和频率下具有最佳的运行性能。

e各个负荷互不干扰，功率因数等于1；f电能的供应充足，即向电力用户的供电不中断。

2，实际供电系统情况：

a只有发电机输出端的电压波形十分接近标准正弦波；b电能在输送过程中受到各种干扰性负荷的影响，其频率和电压不可能维持不变，导致到达用户受电端的电压、电流偏离正弦波形而发生畸变，造成电能质量的恶化。

3，随着科学技术不断创新和国民经济蓬勃发展，电力市场逐步推进，对电能质量的要求越来越高。

4，由于电网干扰性负荷的日益增多，使得电能质量受到诸多方面的影响.

电能质量不仅取决于生产者，还受到电力用户，尤其是干扰性负荷用户的影响，且这种影响带来的电能质量下降还会随电网延伸而危及到其它电力用户。

5,如果电能质量的指标偏离正常水平达大，就会给发电、输变电和用户带来不同程度的危害及损失，故电能质量的优劣会直接关系到国民经济的总体效益。

因此，对影响电能质量的各类扰动进行有效的检测、评估、分析和控制等方面的工作非常有必要。

6消除扰动，改善电能质量的意义

a保证电网的安全、经济运行；b保障工业产品质量；c保障科学试验的正常进行；d降低能耗；e电能质量直接关系相关产业的效益情况，进而影响到国民经济的总体效益。

二、电能质量问题的由来

1、对电能质量造成影响的各种扰动源

a含半导体器件的电力电子变流设备：

高压直流输出系统、变频器、整流器等—>谐波

b电弧炉、电弧焊机和日光灯等含电弧特性的设备——>电压波动与闪变（也产生谐波）

c电力变压器、铁芯电抗器等含有磁饱和特性的设备——>谐波

d大容量非对称负荷：

超高压输电线路不循环换位、电力机车——>三相电压不平衡

e随着工业的发展，干扰性负荷日益增多，供电系统中的电能质量将受到威胁，对电力系统和用电设备产生消极作用和严重危害。

2，电能质量扰动的危害：

a电气设备寿命缩短b电网损耗增大c系统发生谐波谐振的可能性增加d继电保护和自动装置误动e仪表指示和计量不准f产生通信干扰g其他

3电能质量恶化分析

4电能质量扰动的特点：

a不完全来源于电力生产部门，有的扰动（例如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度）往往是由用户造成的；b电能质量扰动发生地点和持续时间的长短，即电能质量在空间和时间上均处于动态变化之中；c电能质量扰动和用电设备性能密切相关。

三、电能质量的概念

电能质量可定义为：

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。

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。

1、IEEE对电能质量的定义

初期，讨论电能质量问题时的用词很不规范：

ElectricPowerSystemQuality（电力系统质量）、QualityofPowerSupply（供电质量）、VoltageQuality（电压质量）

最早使用术语PowerQuality（电能质量）的是在1968年发表的一篇关于美国海军电子设备用电源规范的论文中。

现在电气工程界在关于电能质量问题应采用规范的技术名词上正趋向一致。

鉴于此，IEEE标准化协调委员会已正式采用PowerQuality（电能质量）这一术语。

从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。

但是由于人们看问题的角度不同，所以迄今为止，对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定义。

IEEE标准化协调委员会给出了相应的技术定义：

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（在许多情况下，接地系统对电能质量有很大的影响，以往对其认识不足）。

2、IEC对电能质量问题的观点

a实际上，供电系统只能够控制电压的高低，不能控制负荷汲取电流的大小。

实际运行时，尽管发电机提供了几近正弦的电压，但通过系统阻抗的电流可能造成对PCC电压的扰动，而使之变化。

时至今日，在供用电双方，甚至在电力研究者中关于电能质量的范畴、定义，以及质量下降的起因等许多方面仍存在着分歧和争论，在使用的相关名词上并未完全认同，对生产实际中的电能质量问题相互推委。

因此IEC并没有采用这一术语。

bIEC提出了使用＂EMC＂（电磁兼容）这一术语c设备或系统在其所处的电磁环境中能够不因干扰而正常工作，它们本身所发出的电磁能量不足以恶化环境和影响其他设备或者系统的正常工作。

d该术语强调和指出了设备与设备之间的相互作用和影响，以及电源与设备之间的相互作用和影响。

要实现电磁兼容，就需要实现控制电磁发射（控制设备和系统发射的电磁能量）和抗干扰（设备和系统对电磁干扰的抵御能力）两个方面的能力。

eIEC从电磁现象及干扰的特性考虑，给出了引起电磁干扰的基本现象分类，制定出了一系列相关电磁兼容标准。

f电磁兼容术语与电能质量术语有很大重叠性，在它们中间有许多的同义词。

IEC提出的电磁兼容概念中，采用排放（Emission）表示设备产生的污染，反映电流质量问题；采用抗扰（Immunity）表示设备免除电磁兼容的能力，它与电压质量相关。

3、关于电能质量定义的讨论

a由于电力部门和电力用户对于电能质量问题的技术含义存在着不同的认识，所以关于电能质量定义的讨论还会持续下去，

b除此之外，在这一研究领域的许多文献和报告中还采用了一些并未得到公认的术语和补充定义。

电压质量，给出实际电压与理想电压间的偏差，反映供电部门向用户供给的电力是否合格。

电流质量，为反映与电压质量有紧密关系的电流变化情况，除了对用户取用电流提出恒定频率正弦波形要求外，还力图使该电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。

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（qualityofservice），它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的透明度等。

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

四、电能质量的分类

稳态电能质量以波形畸变为主要特征，包括谐波、间谐波、波形下陷及其噪声等。

暂态电能质量通常为频谱和动态扰动持续时间为特征，可分脉冲和振荡两大类。

IEEEStandardsCoordinatingCommittee22

1、断电（Interruptions）——在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于0.1p.u.）称为断电。

2、频率偏差（Frequencedeviations）——遵循各国自己的标准。

3、电压骤降（VoltageSags）——持续时间为0.5周波-1min，幅值为0.1p.u.至0.9p.u.，系统频率仍为标称值。

4、电压骤升（VoltageSwells）——电压（或电流）暂时性超过标称值10%者称为电压骤升。

系统频率仍为标称值，持续时间为0.5周波-1min，幅值为1.1p.u.至1.8p.u.。

电压骤降示意图。

（定义：

持续时间为0.5周波-1min，幅值为0.1p.u.到0.9p.u.，系统频率仍为标称值）

5瞬时脉冲或突波（Transients）——瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变化。

瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的足迹振荡波第一个尖峰。

6电压波动（VoltageFluctuations）——电压波动是在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9-1.1p.u.范围的一系列电压随机变化。

这种电压变化往往引起闪变（flicker）。

闪变这个专用术语是来自电压波动引起照明灯对人视觉的影响，是电压波动对照明用电负荷造成的有害结果。

对于输配电系统，产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。

7电压切痕（VoltageNotches）——一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。

电压切痕主要是由于电力电子装置在两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。

电压切痕的频率非常高，用常规的谐波分析设备很难测量出。

这就是过去从未有过此项电压扰动内容而直到最近才正式列入的原因。

8谐波（Harmonic）——含有基波整数倍频率的正弦波电压和电流称为谐波，产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波分量之和。

谐波是由于电力系统和电力负荷中的非线性特性造成的。

9间谐波（Interharmnics）——含有基波的非整数倍频率的电压和电流称为间谐波，小于基波频率的分数谐波（FractionalHarmonics）也属于此类。

间谐波主要来源于静止变频器、循环换流器、感应电动机和电弧发生装置。

10过电压（Overvoltage）——指电压幅值超过标称电压10%且持续时间大于1min。

11欠电压——指电压幅值小于标称电压10%-20%且持续时间大于1min。

五、电能质量的标准

制定电能质量标准的意义

a评定电能质量的重要指标；b作为电力法规制定和电力管理的依据；c选用补偿方法、装置和技术措施的依据；d电能质量事故责任判定的依据；e是质量、安全、经济三方面要求的结果。

1干扰性负荷会引起电能质量的恶化，为了保证电网和用电设备的安全经济运行，各先进工业国家或国际组织都制定了相应的电能质量标准。

2供电负荷的干扰其实质是电磁兼容（EMC）问题，即干扰发射器和干扰承受者能否在同一电磁环境下正常运行，亦即他们是否兼容。

协调的方法是制定出合理且配套的规定值。

31989年，欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准。

1992年7月欧洲电工标准化委员会（CENELEC）正式颁布《公用配电系统供电特性》文件（CENELECCLC/BT-TF68-6（sec）15），作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准，并已为国际电工委员会（IEC）采用。

41990-2001年之间，我国国家技术监督局相继颁布了6项电能质量有关标准：

aGB/T12325-1990《供电电压允许偏差》

bGB/T14549-1993《公用电网谐波》

cGB/T15543-1995《三相电压允许不平衡度》

dGB/T15945-1995《电力系统频率允许偏差》

eGB/T12326-2000《电压波动和闪变》

fGB/T18481-2001《暂时过电压和瞬态过电压》

5现有的电能质量标准的不足

a可操作性不强；b一些电能质量指标已经不符合实际要求；c缺乏针对暂态电能质量制定的标准；d电力市场情况下可能需要一套甚至几套不同等级的电能质量标准。

六、电能质量的监测与控制

建立质量管理体系；制订与国家标准相配套的行业标准或规程导则；电气产品的电能质量管理；电能质量的监测；电能质量的控制。

电能质量监测是电能质量管理和控制的重要手段。

其目的在于能及时记录供电系统的干扰，对整个电网的电能质量水平作出综合评价，找出扰动的原因，制定减轻干扰影响的方法和措施，进而提高电能质量的监督管理水平。

电能质量的监测涉及到以下几个方面：

a监测点的选择b监测方式的选择c监测仪器的选择；d监测方法的选择

监测点的选择

应根据不同电能质量问题的监测要求、特点以及电网的具体条件设置监测点。

例如，可以选择靠近受电能质量变化影响的敏感设备安装处作为监测点，也可选择用户电源的入口端。

具体的监测点包括：

a与主网直接连接的发电厂高压母线以及带地方负荷的发电厂公用母线；b地区变电站的二次公用母线以及用户变电站的一次母线；c接有大型干扰源用户的发电厂、变电所的公用母线；

监测方式的选择

针对不同电能质量标准的规定的要求，监测方式包括连续监测、定期或不定期监测和专门测量三种。

a边续监测也称为在线监测和日常监测。

对大型干扰源、危害较大或者容易引发事故的有关电能质量指标、重要用户的电能质量指标应该采用连续监测。

b对于普通的干扰源，根据干扰的大小、危害程度、以及需要等，应该采取定期或不定期的监测。

c专门测量是指对各种干扰负荷或补偿设备等接入电网前后对电网电能质量的影响情况进行的测量，通过比较决定能否正式投入这些设备。

监测仪器和方法的选择

一般应该在标准中规定测量仪器的基本要求和测量方法，由于国际上尚无完全统一的电能质量标准，所以还没有制定出相应的标准测量仪器和方法。

常用的测量仪器和方法有：

1，测量谐波含量的仪器：

测量指标包括谐波电压或电流的含有率（%）；谐波电流含量；电压或电流谐波总畸变率；谐波电压或电流相位角；谐波功率等。

主要利用离散傅立叶变换（DFT）、快速傅立叶变换（FFT）的基本原理对包含谐波的数字信号进行分析和计算，小波变换被用于谐波测量的研究也正在进行中。

一般测量谐波含量的仪器都扩充了测量功能，使其能够测量电压偏差和频率偏差。

2，测量电压波动和闪变的仪器：

常用的检测方法有整流检测法、有效值检测法（英国ERA电弧炉闪变测量仪，日本ΔV10闪变仪）、平方检测法（IEC推荐使用）。

3，测量三相不平衡的仪器：

基于对称分量法的负序电压滤过器；基于调制方法的测量仪器（用三相对称的正弦电压系统调制三相不对称的电压系统，利用仪表指示其力矩差）；基于变换电压不对称系统为旋转电磁场，测量其参数，从而确定不对称度的方法；基于多相整流的仪器，将所测量的三相电压变换为多相系统，经多相整流器，根据出口电压判断负序电压水平。

4，目前市场上常见的是在线式电能质量综合监测仪，采样频率多在几千赫兹到几十千赫兹，内置DPS芯片，可以对国家规定的电能质量五项指标进行在线监测，对电能质量问题进行在线分析。

但是这种监测仪对于瞬时脉冲还是无能为力。

5，应该说电能质量监测技术已经比较成熟，但是在我国电力部门还没有得到广泛应用。

电能质量控制技术分类

电能质量控制技术以控制特性来分大体分为两类：

1以大功率电力电子器件为核心的控制技术，该类装置可以有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时电能质量扰动。

2传统的电能质量控制技术，主要包括一些用于稳态电压和频率调整的技术与装置，如并联电容器、并联电抗器、调整变压器分接头、发电机频率调节技术等。

电能质量控制装置按功能可分为以下三大类:

1有功功率补偿装置如汽轮发电机调速器。

2无功功率补偿装置如并联电容器、TSC、TCR。

3有功、无功功率补偿装置如DVR、STATCOM、UPQC。

电能质量控制技术所涉及的内容

电能质量控制是一个复杂的系统工程，它涉及到以下多个方面的内容：

1电力系统2计算机、通信技术3数字信号处理技术4电力电子技术5自动控制理论与技术6扰动信号的提取7电能质量控制设备与控制策略

国际上比较知名的几家大公司都已经生产出了自己的电能质量调节器。

如西门子的SIPCON-S，GE的SSVR（StaticSeriesVoltageRegulator），ABB的DVR，以及SoftSwitching的DSC（DynamicSagCorrector）.Westinghouse为美国电科院研制的世界上第1台DVR已于1996年8月投入工业运行。

美国IGC和ASC的小型（1MJ-10MJ）的低温SEMS已经商品化，日本、德国、法国和意大利等也都对低温SEMS展开了深入的研究。

我国在电能质量方面的研究总体来说才刚刚起步，大部分研究都局限在谐波和无功补偿的范围内，与国外还存在着很大差距。

各种APF、SVC、UPQC、DVR等电能质量补偿装置仍然处于理论研究和试验研究阶段。

西安交通大学已研制出120kVA并联有源电力滤波器，中科院电工所和清华大学电机系也研制出了小型SMES样机。

电能质量控制技术的发展趋势

结合目前国内外电能质量的研究现状以及社会发展对电能质量提出的新要求，应在以下几个方面对电能质量控制技术进行研究和完善：

1基础理论的研究：

电能质量评价指标的科学界定以及各项指标的合理计算方法，新的分析与控制方法的研究，新的电能质量控制装置并网运行对系统可能产生的影响（包括稳态与动态性能）等研究。

2积极采用其他领域的新技术，为电能质量控制技术带来新的活力。

电能质量问题主要研究领域：

电能质量标准的制订

电能质量的监测与控制

电能质量分析与评估（a时域仿真法：

EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC、PSPICE、MATLAB，b频域分析方法：

频率扫描、谐波潮流计算，c基于变换的方法：

Fourier变换方法、短时Fourier变换方法、小波变换方法、二次变换法，d其他方法：

数学形态学、分形等）

电能质量的经济评价——电能质量市场。

第三章电能质量的分析方法

主要内容：

a傅立叶变换b离散傅立叶变换（DFT）c快速傅立叶变换（FFT）d矢量变换理论e瞬时无功功率理论f瞬时无功功率理论的应用g其他

一,傅里叶变换

一个以T为周期的函数f（t），如果满足狄利克雷条件，即函数在[-T/2,T/2]上满足：

1、

连续或只有有限个第一类间断点；2、只有有限个极值点，那么在[-T/2,T/2]上函数可以展开为傅氏级数。

在连续点处，级数三角形式为：

，

，

，

复指数形式

对于函数f（t），在连续点处傅氏积分公式为：

，

频谱的基本概念

在傅氏级数中，对于以T为周期的非正弦函数f（t），它的第n次谐波为：

，

振幅：

，

相位：

二、离散傅立叶变换

DFT是连续傅里叶变换在离散系统中的表现形式，其在实际应用中的特点为计算量大。

设输入信号为x（t），离散采样间隔为T，采样原理如下图所示。

T为采样间隔，时间t=nT,周期To=NT，象函数为

若k为谐波次数，

则第k次谐波DFT为

离散傅立叶变换（DFT）是数字信号处理中最基本、最常用的运算之一，它涉及到信号与系统的分析和综合这一广泛的信号处理领域，实际上其他许多算法，如相关、滤波、谱估计等也都可以为DFT来实现。

但是，求出N点DFT需要进行

次得数乘法，N（N-1）次复数加法，当N较大时计算量很大，计算时间很长，难以实现“实时“计算。

例如，采用有DFT计算正弦函数的各次谐波幅值：

快速傅立叶变换包括：

时间抽取（DIT）FFT和频率抽取（DIF）FFT。

FFT巧妙地利用W因子的周期性和对称性，导出了高效的快速算法。

FFT使N点DFT的乘法运算量由

降为

次。

以N=1024为例，计算量降为原来的4.88%。

三、快速傅里叶变换（FFT）

基2时间抽取FFT算法的特性。

1码位倒置特性

从上图可看出，逐级奇偶抽取之后，输入端序列不再按自然顺序排列。

设序列X（n）的第n个序号的二进制表示为：

。

逐级奇偶抽取之后，第n个输入对应X（n）的序号为

，序号n’是序号的（二进制）码位倒序。

在进行基2时间抽取FFT算法时，首先要对原序列X（n）进行倒序运算。

2，同址运算

每一级每只蝶的输出仅与本蝶的输入及本蝶所处的位置相关。

因此，当本蝶计算完成之后，其输入值Xm（p）、Xm（q）不必保存（其他蝶不需使用此参数），本蝶的输出可以存入本蝶的输入存储单元之中，这就是同址运算，即输入输出序列共享存储单元。

同址运算带来两个优良特性：

a除少量中间存储单元，以及存放变换该系数的存储单元外，基2时间抽取FFT算法只需N个存储单元（N是序列长度）。

b如果在每一级配备N/2个处理器，每级的N/2只蝶可以同时计算，FFT算法的并行运算结构可以最大限度地提高计算效率。

四、矢量变换理论

1，在电工技术中，常将一组变量以列矩阵来表示，并称其为矢量；一组变量的线性变换以矩阵形式表示称为矢量变换。

2在电能质量分析与控制中，往往通过矢量变换使问题的分析求解得以简化。

3，例如，当三相供电系统供电电压为对称的正弦电流时，课通过矢量变换，用撇除负荷电流基波有功分量的补偿电流矢量作为可控变量，实时补偿三相负荷的无功功率变量，以抑制电力系统的电压动态变化。

4、矢量变换有多种形式，可分为

变换、dq变换以及120°变换等。

从坐标变换的电机工程的观点来看，

变换和120°变换属于定子坐标系变换，而dq变换属于转子坐标系变换。

电机双反应原理，两相绕组与三相绕组建立等效的旋转磁场：

将参考坐标从旋转电机的定子侧转移到转子侧的坐标变换。

经过dq变换，三相交流系统中的基波有功分量和无功分量在d-q坐标系成为直流分量，

相当于定子三相基波有功电流，

相当于定子三相基波无功电流。

当被变换的三相电流中既有基波电流又有高次谐波电流时，经过变换后获得的直流分量对应原来的基波电流，而变换获得的h次谐波分量将对应原来的h+1次谐波电流。

所以在电能质量分析中，可以利用dq变换及反变换的结果获取基波成分之外的其它谐波分量之和。

变换和

变换结果的本质区别在于：

变换属于定子坐标系变换，其变换后的结果仍是频率保持不变的交流分量，且变换后两变量为正交分量；而dq变换则属于转子坐标系变换，其变换后结果为直流分量和谐波分量，分别对应原来的基波电流和h+1次谐波电流。

120度变换

又称对称分量变换，它是一种把三相电流相量用正序、负序和零序对称120分量来表示的变换。

五、时无功功率理论

三相电路瞬时无功功率理论由S.Fryze、W.Quade和Akagi等先后提出，随后得到广泛深入地研究并逐渐完善。

该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量，以该理论为基础，可以得出用于有源电力补偿器的谐波和无功电流实时检测方法。

此方法在工程应用中受到极大关注。

瞬时无功功率理论Akagi瞬时无功功率定义

基本思想：

将abc三相系统电压、电流转换成

坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时实电功率、电压、电流矢量的矢量积定义为瞬时虚电功率，并由此导出瞬时无功电流和瞬时无功功率。

第六章电力滤波器技术（图片内容缺少）

一，概述

1电力滤波器的基本特点：

高电压，几百伏——几十万伏。

滤过的电流大，几百——数千安