配电网电能质量分析及改善措施研究主修改版.docx

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配电网电能质量分析及改善措施研究主修改版

2011届成人高等教育本/专科学生毕业论文存档编号：

______

武汉大学

毕业论文

题目配电网电能质量分析及改善措施研究

专业：

电气工程及其自动化

学院：

电气工程学院

年级：

2009级 

学习形式：

函授

学号：

200951461113

论文作者：

苏华江

指导教师：

崔雪

职称：

副教授

武汉大学继续教育学院制

完成时间：

2011年03月09日

摘要

随着电力系统的发展，电力生产正在由计划向市场经济转变，在电力市场条件下，供电表现为一种商业服务行为，电能作为一种商品，同其他商品一样具有质量属性，用户也将对电能质量的要求会越来越高。

因此，保证良好的供电质量是电力市场的客观需要，同时，也是促进构建和谐社会的重要因素。

电能质量指的是电网中各点电压或电流的幅值与波形符合标准的程度，它的优劣由电网的结构和负荷的性质两个方面确定。

随着电力电子技术的发展，电力系统中出现了大量非线性负荷，这些非线性负荷向电网注入大量的谐波电流并引起三相电压不对称[51]。

另外，电力系统中的冲击负荷也引起电压波动和闪变，不对称负荷引起三相电压不平衡。

以上因素造成电能质量的下降，严重影响了人们的正常生产和生活。

本文分析了电能质量下降的原因及其危害，介绍了目前国内外改善电能质量的若干种方法。

作者还针对一城市配电网的电能质量现状进行了调查，分析了其电网结构，并对其电能质量进行了测量、计算，最后，在此基础上提出了改善该城市配电网电能质量的措施，以指导电网的规划、建设与管理，具有理论意义和重要的实用价值。

关键词:

电力市场，电能质量，谐波

Abstract

Withthedevelopmentofpowersystem,thepowerproductisturningfromplannedeconomytomarketeconomy,inthepowermarket,powersupplybehavesasakindoffinancialservice,beingasamerchandise,powerhasqualityliketheothermerchandises.Thepoweruser'sdemandforpowerqualityismoreandmorehigher.Soensuringpowerqualityisanimpersonaldemandofpowermarket,atthesametime,isanimportantfactorforpromotingthecivilizationandstabilizationofsocial.

Powerqualitypresentsthedegreeofmagnitudeandwaveofthevoltageorcurrentofeverypointinthepowersystemtomeetthestandards,itisconfirmedbytheconstructofpowersystemandthepropertiesofloads.Withthedevelopmentofthetechnologythepowerelectric,nonlinearloadshaveappearedinthepowersystem,thesenonlinearloadsbroughtaboutalargeamountofharmonictothepowersystem,andcausedimbalanceofthree一phasevoltage.Inaddition,theimpulseloadscausedvoltagewaveandflink,andlopsidedloadscausedimbalanceofthree一phasevoltage.Theabovefactorsmakethepowerqualitydeclining,andhaveseriouslyinfluencedthenormalproductionandlivingofpeople.

Inthispaper,theauthoranalyzesthereasonsandharmofdeclingpowerquality,andproducesseveralmethodstopromotepowerqualityatpresentinlandandabroad.Theauthorinvestigatedthecurrentsituationofpowersystemofacity,analyzedthepowersystem,measuredandcalculateditspowerquality,andfinallyputforwardedseveralmeasurestopromotethepowerqualityofYucheng'spowersystem,sothattosupervisethelayout,constructandmanagementofacity'spowersystem,whichhastheoreticalmeaningsandimportantfactualvalue.

KEYWORDS:

Powermarket,Powerquality,Harmonic

目录

摘要1

Abstract2

目录3

第一章绪论5

1.1选题的背景及研究的意义5

1.2国内外电能质量的研究现状6

1.3本文主要研究内容8

第二章电能质量的基本概念及特点8

2.1电能质量的定义8

2.2电能质量的指标8

2.2.1频率偏移8

2.2.2电压偏移10

2.2.3谐波含量11

2.2.4电压波动和闪变13

2.2.5三相电压不平衡15

2.3电能质量下降问题分析16

2.3.1电能质量下降的原因16

2.3.2电能质量下降的危害18

2.4电能质量的分析26

2.4.1非正弦周期函数分解为傅立叶级数26

2.4.2傅立叶级数的指数形式28

2.4.3电能质量的分析方法28

2.4.4电能质量监测方法与标准28

2.5小结30

第三章鄂州配电网电能质量的现状及分析32

3.1鄂州配电网结构及负荷现状32

3.2配电网供电可靠性现状33

3.2.1供电可靠性分析33

3.2.2中压停电责任原因分类分析35

3.3小结35

第四章改善配电网电能质量的措施37

4.1提高配电网电能质量的意义37

4.2提高配电网电能质量的措施37

4.2.1电压偏差过大改善措施38

4.2.2减少电压波动和闪变的技术措施40

4.2.3电网谐波超标治理措施40

4.2.4三相不平衡问题解决措施45

4.2.5电网频率下降的改善措施46

4.3小结46

第五章总结及展望47

5.1论文取得的研究成果47

5.2下一步研究工作的展望48

参考文献49

致谢52

第一章绪论

1.1选题的背景和研究的意义

现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高。

在电力市场条件下，供电表现为一种商业服务行为，电能作为一种商品，同其它商品一样具有质量属性。

供电质量不同，成本就不同，只有供电的价格与供电质量相联系才能建立一个真正的电力市场。

作为供电部门，以最小的成本提高电能质量是电力市场的客观需要。

同时，对人民生活的供电是一种公益事业，保证良好的供电质量，也是促进社会文明、安定的重要因素。

电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电、输变电和用电带来不同程度的危害。

据统计，电网用电负荷中异步电动机占的比例最大。

电网电压和频率的偏差、谐波、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等，均会直接影响电机的转速、力矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。

电网谐波含量增加，导致了电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，并联电容器不能正常运行，同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表指示和电能计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题。

特别是随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及，对电能质量提出了越来越高的要求。

过去电力企业不甚关注的电能质量某些指标，例如电网中电压暂降（dipsag）和短时断电已成为一个突出的问题。

一个计算中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。

当今半导体芯片制造厂、自动化精加工生产线，对配电系统中电能质量的异常十分敏感，甚至几分之一秒的电压暂降就可能使生产停顿、设备损坏或出次品，在工厂内部造成混乱，而每次电压暂降可能造成百万美元级的损失，这些用户对不合格电能的容许度可以严格到20～40个ms。

据美国电力科学研究院JaneClemmensen估计，当今和电能质量相关的问题，在美国每年造成的损失高达260亿美元。

电能质量指的是电网中各点电压或电流的幅值、频率、波形等参量符合标准

的程度。

主要有五个指标[1，2，3，4]：

（1）电压偏差；

（2）频率偏差；（3）谐波含量；（4）电压波动和闪变；（5）三相电压不平衡。

从技术角度讲，提供优质电能是由供用电双方共同保证的（可以将发电厂视为理想的正弦电压源），因而对电能质量日益关注的原因是多方面的，归纳起来主要有四点：

（1）现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高许多新的电器和装置都带有基十微处理机的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感。

（2）对电力系统运行总效率的重视程度不断加强，特别在用电设备方面表现突出。

但这些设备的使用又会导致电网谐波污染（更广义的称为电气环境污染），致使供电电压干扰水平加重，对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。

例如，高效率电机变速驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器，以及大量的用户电子设备等。

（3）电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。

为满足高技生产流程的需要，维护用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签定供电合同和质量协议的方式以获得保证。

（4）电力网的各个部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要，任何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响.甚至是重大损失。

这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免遭受用电设备产生的电力干扰，维护电同安全运行。

因此电能质量已经成为一项系统工程问题。

改善电能质量的意义[14]可简要概括为以下几点：

（1）是电力系统安全（包括用户设备的用电安全）、经济运行的必要条件，是电网运行水平高低的重要标志。

（2）是提高国民经济总体效益、用电效率（节能、降损）、改善电气环境以及工业生产可持续发展的技术保证。

（3）是电力市场竞争机制建立的重要手段。

（4）在社会效益方面，通过建立和健全电能质量的全面管理，保障各行各业的正常用电秩序，为千家万户提供信得过的产品。

随着电能质量标准的制定和实施，电能质量监督体系将逐步建立，这必将有助于设备制造厂家提高其设备与电源系统的兼容性，严格限制对电源系统和其他设备的电磁干扰。

并对促进供电部门加强电能质量的技术监督，推动有关提高电能质量的先进技术，保证提供合格的电能和优质的服务等方面均有重要意义。

1.2国内外电能质量的研究现状

电力系统的电能质量表现为电力系统的电磁兼容性，所谓电力系统的电磁兼容性EMC指的是电力系统中的每一个电气设备应在其所处的电磁环境中正常工

作，并干减少其对电力系统的干扰。

提高电力系统的电磁兼容性，已成为国内外电力工作者极为关注的问题。

日前与EMC相关的国际组织很多，最重要的是国际电工委员会（IEC）。

IEC下设78个技术委员会（TC）。

TC-77胜要研究低压网络中电气设备之间的电磁兼容性的有关标准与法规，与电力系统关系最为密切。

1981-1986年公布的系列出版物中，提出了电气设备在供电网中引起谐波、电压波动等干扰，提出了干扰的测星与计算方法，并规定了限值。

随着社会生产的发展，我国对EMC的研究工作也日渐重视。

1984年首先由中国电子学会、中国电机工程学会、中国铁道学会在重庆联合召开了全国环境电磁学学术会议（即第一届全国EMC学术会议），内容涉及工频、音频、射频、视频等方面的干扰。

1990年在北京召开的第二届EMC学术会议上涉及内容更为广泛，提出了关于EMC方面的宣传教育问题，同时还举办了国际EMC展览会。

为了改善电能质量，国内外电力工作者作了大量的研究，提出了多种电能质量分析方法，同时也研制出一系列的补偿装置，为改善电力系统的电能质量创造了有利的条件。

近年来，作为用户电力技术的一个重要部分，电能质量分析与补偿技术的研究取得了长足的进步，基于数字技术的各种分析谐波方法已在以下领域中得到了广泛应用：

1．分析各种扰动源引起的波形畸变；

2．分析谐波在网络中的传播；

3．开发各种电能质量控制装置，分析这些装置在提高电能质量方面的作用。

装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。

这种方法既可补偿

谐波，又可补偿无功功率，由于它结构简单、运行可靠、维护方便，因此得到了广泛的应用。

这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。

此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想，尽管如此LC滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段[13]。

目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器。

有源滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。

这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并己在日本等国获得广泛应用[14]。

对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装置对其谐波进行补偿外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1。

大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。

对于小容量整流器，为了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加PWM斩波的方式。

这种电路己在开关电源中获得了广泛的应用[15]

由于电能质量问题的日益严重，提高电能质量的新技术已成为近年来电力系

统研究领域中新的研究热点。

目前，国外又兴起了研究“用户特定电力”的高潮，提出利用电力电子控制器提高配电网的电能质量[16]。

随着计算机技术的不断发展，以此为基础的诸如时域仿真、频域分析以及建立在不同变换基础上的各种数字技术，己在分析电压电流扰动波形、元件参数对这些扰动的影响、系统中的谐波以及开发用以解决电能质量问题的新型电力电子控制器等方面得到了广泛应用。

1.3本文的主要研究内容

本论文的主要研究内容是配电网电能质量分析及改善措施。

主要包括以下几个方面：

1、详细阐述了现代社会电能质量问题，尤其针对影响最为广泛的电压偏移、谐波问题进行了深入的探讨。

同时对几种常见的电能质量分析方法如傅立叶变换、基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法等进行简要的分析、介绍。

2、以鄂州配电网的现状为例，根据测量的数据对配电网的电能质量情况进行分析，分析了当今配电网的情况及存在的主要问题。

3、根据分析结果找出影响配电网电能质量的主要因素并提出相应改善措施。

第二章电能质量的概述及特点

2.1电能质量的定义

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。

理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。

同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。

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，这种理想的状态并不存在，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。

围绕电能质量含义，从不同角度理解通常包括：

（1）电压质量：

是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。

这个定义能包括大多数电能质量问题，但不能包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。

（2）电流质量：

反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。

这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。

（3）供电质量：

其技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质量。

包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。

（4）用电质量：

包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。

2.2电能质量指标

电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形式，又是电力部门向用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种产品（它同样具有产品的若干特征值，可被测量、预估、保证或改善）。

如今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应讲求质量。

电能质量的优劣影响着人民的生活质量和正常生产的进行，直接关系到国民经济的总体效益。

所以，必须注重改善电网的电能质量水平，下面将对电能质量的各个衡量指标进行论述。

2.2.1频率偏移

频率偏差是指电网频率对于额定频率的偏离程度，一般用百分比表示[51]。

（2-1）

式中：

—频率偏差；

—实际频率；

—额定频率（50HZ）。

频率偏移是电能质量的一个重要指标，大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。

我国电力工业技术管理法规规定，大容量电力系统的频率偏移不得超过0.2HZ，一些工业发达国家规定频率偏移不得超过0.1HZ。

频率的影响因素主要从电力系统的规划、设计和运行调度等方面考虑。

在规划设计中，电源和负荷的供需平衡、调频调峰方案的选取，特别是各种类型火力发电厂、水电厂因地制宜的配置比例是否得当，对运行中的系统频率影响更大。

同时，频率又反过来影响着火电厂、水电厂；特别是火电厂，当系统频率下降时，就会导致电厂辅助机械出力减小，继而发电出力下降，使得系统频率更加降低，起着频率崩溃的推波助澜的作用。

电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生影响，具体表现在：

1、电力系统频率变动对用户的影响

系统的频率与用户使用的电动机的转速密切相关。

频率的变动会引起电动机转速的变化，从而影响产品质量，如纺织业与造纸业将因为频率的变化二出现次品；近代工业、国防和科学技术广泛使用的电子设备，其工作会因为系统频率的不稳定而受到影响。

同时，频率的变动会导致坏数据的产生，频率偏低的时候，雷达和电子计算机等设施不能正常运行，社会各方面受到的影响是不可估量的，其后果不堪设想。

2、电力系统频率变动对发电厂和系统本身的影响

火力发电厂使用了许多电动机，如风机和泵，当频率降低时，所能提供的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。

而且，当发电机的通风量减少时，为了维持正常的电压又要求增加励磁电流，从而导致发电机定子和转子的温升增加，为了不超过温升限额，不得不降低发电机所发功率。

同时地频率运行会增加汽轮机叶片所受应力，引起叶片共振，缩短叶片寿命，甚至使叶片断裂。

英国曾经在二战及战后一段时间内发生过在低频下运行而致使叶片断裂的事件。

低频运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损耗和励磁电流都将增大，为了不超过温升限额，变压器所带负荷不得不降低。

频率降低时，系统的无功负荷将增大，无功负荷的增大会促使整个系统的电压水平下降。

由于所有设备都是按照系统频率来设计的，系统频率的下降将影响各行各业。

而低频运行的电网应付事故的能力极差，稍微受到扰动，就会有整个系统瓦解的危险，造成大面积的停电。

不仅频率下降时对电力系统会产生危害，而且频率上升时对电力系统同样会产生各种危害。

所以，从系统优质、安全运行的角度出发，把频率作为电能质量的一项指标，保持频率在额定值50HZ左右，且偏移不超过一定的范围是非常必要的。

针对不同的产生因素，采用调频机组进行跟踪调节、增加电力系统装机容量和系统互联、保证电力系统足够的旋转等方法减少频率偏差。

2.2.2电压偏移

当线路输送功率时，电流将在线路阻抗上产生电压损耗，如图2-1所示[51]。

图2-1线路等值电路图

为输电线路首端电压，

为输电线路末端电压，

为线路的电压降落，而

与

为电压降落的横分量与纵分量。

实际中最关心的是线路首末端电压有效值的差，也就是电压损耗。

当

、

间的相差角较小时，电压损耗为电压降落的横分量

。

一般的，输电线路以及变压器的X>>R，由对电压损耗的分析可以知道，无功功率对电压损耗的影响很大，无功功率是造成电压损耗的主要原因。

电压偏移就是，由电力网的电压损耗引起的电力网首末端电压与其额定电压的差值，通常是以其与电力网的额定电压的百分数来表示，即为

（2-2）

式中：

—电压偏差；

—实际电压；

—额定电压。

实际电网线路与变压器上产生的电压损耗，一方面与电网的元件参数有关，由于电网中各点电压损耗不同，因而导致它们实际的运行电压或者电压偏差不同；另一方面电压损耗的大小还决定于线路或者变压器传输的功率，由于传输的功率随着时间是不断变化的，因此，即使在电网同一节点上，它的电压损耗或电压偏移随着时间是不断变化的。

因而在统计电网电压或者电压偏移的范围时，要注意它们在空间上的分布和随时间而变化的特点。

在系统运行中，如果电压的偏移太大，会影响工农业产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起毁灭性的“电压崩溃”，造成大面积的停电，电压偏移对系统和用户端都会产生影响。

系统电压降低时，发电机的定子电流增大。

如果电流原已达到额定值，那么在电压降低后会超过额定值。

为使发电机的转子不至于过热，不得不减少发电机的发出功率。

同样，系统电压降低后，也不得不减少变压器的负荷。

电压过低产生危害，电压过高同样会产生危害。

当系统电压过高的时候，将使电气设备的绝缘受损。

而且变压器、电动机等设备的铁芯要饱和，铁芯损耗增大，温升将增加，寿命将缩短。

另外，电压过高的时候，对于对电压敏感的照明负荷白炽灯而言，将会使白炽灯的寿命缩短。

但是，电压过低，亮度和发光效率又要大幅度下降。

日光灯的反映比较迟钝，但当电压偏离其额定值的时候，也将缩短寿命。

至于因系统中无功功率短缺，电压水平地下，某些枢纽变电所母线电压微小的扰动下，顷刻之间的大幅度下降，则更是一种导致发电厂之间失步、系统瓦解失误的灾难性事故[19]。

解决电压地下的方法，可以通过中枢点电压管理、发电机调压和变压器调压来实现，同时也可以利用并联电容器、并联电抗器和静止补偿器等方法来减小危害。

2.2.