配电网电能质量分析及改善措施研究.doc
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配电网电能质量分析及改善措施研究
目录
摘要
第1章绪论
1.1电能质量问题的提出
1.2国内外研究的现状
1.3本文的主要研究内容
第2章电能质量下降的原因、危害与监测方法、分析
2.1电能质量下降的原因
2.2电能质量下降的危害
2.3电能质量监测方法、标准
2.3.1电能质量的监测方法
2.3.2电能质量的监测标准
2.4电能质量的分析
2.4.1非正弦周期函数分解为傅立叶级数
2.4.2傅立叶级数的指数形式
2.4.3离散傅立叶级数
2.4.4快速傅立叶级数
2.4.5其他分析方法
第3章配电网电能质量的现状
3.1配电网结构
3.2配电网电能质量的测量结果
3.2.1富华变电站测量结果
3.2.2马店变电站测量结果
3.2.3梁家变电站测量结果
3.2.4城北变电站测量结果
3.3配电网供电可靠性现状
3.4配电网电压偏差现状
3.5配电网电能质量潜在问题的分析
3.5.1电网结构及谐波
3.5.2配电网供电可靠性分析
3.5.3配电网电压偏差分析
第4章改善城市配电网电能质量的策略措施
4.1抑制谐波的策略与措施
4.1.1无源滤波器
4.1.2有源滤波器
4.1.3混合滤波器
4.2抑制电压波动与闪变的策略与措施
4.2.1静止无功补偿装置
4.2.2新型无功发生器
4.3提高供电可靠性的策略与措施
4.4减小电压偏差、提高电压合格率的策略与措施
第5章结论
附录1衡量电能质量的现行国家标准
附录2第三季度供电可靠性报表及配电网电压合格率报表
参考文献
致谢
摘要
随着电力系统的发展，电力生产正在由计划经济向市场经济转变，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，同其它商品一样具有质量属性，而用户对电能质量的要求越来越高。
因此，保证良好的供电质量是电力市场的客观需要，同时，也是促进社会文明、安定的重要因素。
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。
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
第1章绪论
1.1电能质量问题的提出
随着电力系统电源的发展，电力生产由计划经济向市场经济转变，用户对电能质量的要求将会愈来愈高。
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）电压偏差；
（2）频率偏差；（3）谐波含；（4）电压波动和闪变；（5）三相电压不平衡。
电压偏差和频率偏差主要决定于电网的结构、系统无功补偿设备和调压、调频手段以及电网调度的合理性。
传统上，对电能质量关注的指标是频率偏差和电压偏差，而对电力污染的重视不够，致使这些指标不断恶化，严重威胁着电力系统的安全经济运行。
尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中大量投入使用，它们对系统千扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高。
如不及时地、很奸地加以解决电能质量问题，将会造成大量的经济损失。
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。
例如冶金、化工、矿山部门大量使用晶闸管整流电源，许多工业部门中大量使用变频调速装置，铁路电气机车采用单相整流电源，以及电力系统的高压直流输电等，这些典型的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，目前，国际上己公认“谐波污染”为电网的公害。
另外，电力系统中的冲击负荷引起电压的波动和闪变，不对称负荷引起三相电压不平衡。
电能质量的下降严重影响了人们的正常生产和生活，近几年因电气设备损坏、继电保护误动、通讯干扰事故而涉及电能质量的纠纷也时有发生。
电能质量关系着电网的安全经济运行，是工业产品质量的保障，对降低能耗及人类生活环境等产生重要影响.现代工业和科学技术中的精密仪器设备，复杂的控制系统和工艺流程，对电能质量的要求越来越高，因此电能质量关系着国民经济的总体效益。
1.2国内外研究的现状
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，并减少其对电力系统的干扰。
提高电力系统的电磁兼容性，己成为国内外电力工作者极为关注的问题。
目前与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主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年公布的一系列出版物中，提出了电气设备在供电网中引起谐波、电压波动等千扰，提出了干扰的测量与计算方法，并规定了限值。
随着生产的发展，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年在北京召开的第三届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帅条件。
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己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。
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。
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。
由于电能质量问题的日益严重，提高电能质量的新技术己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圆。
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，已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曳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
本文结合禹城电网的电能质量的测量对电能质量状况和改善进行了研究，本论文工作主要体现在以下几个方面:
1、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、采用现场测量对禹城电网的谐波进行了测量，在线实时测量方式对电能质量中其他指标的状况进行具体调查、测量。
3、根据测量的数据对配电网的电能质量情况进行分析。
4、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2章电能质量下降的原因、危害与监测方法、分析
2.1电能质量下降的原因
电力系统中的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，公用电网中的非线性负荷（即谐波源）主要是各种电力电子装置（含家用电器、计算机等电源部分）、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。
在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。
在电力电子装置大量应用之后，它成为最主要的谐波源。
发电机是公用电网的电源，在设计发电机时，采取了许多削弱谐波电动势的措施，因此，其输出电压的谐波含量是很小的。
国际电工委员会（IEC）规定发电机的端电压波形在任何瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的5%。
因此，在分析公用电网的谐波时，可以认为发电机电动势为纯正弦波形，不考虑其谐波分量。
变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的，励磁电流的谐波含量和铁心饱和程度直接相关，即和其所加的电压有关。
正常情况下，所加电压为额定电压，铁心基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。
但在轻载时电压升高，铁心工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加。
另外，在变压器投入运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，。
都会产生大量的谐波。
电弧炉的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。
电弧长度的不稳定性和随机性，使得其电流谐波频谱十分复杂。
电弧炉工作在熔炼期间谐波电流很大，当工作在精练期间时，由于电弧特性较稳定，谐波电流较小。
荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因此也会引起严重的谐波电流，其中3次谐波含量最高[11]。
近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。
在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。
目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。
带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后己为人们所熟悉。
直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。
这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。
但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。
另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。
除上述电力电子装置外，逆变器、直流斩波器和间接DC-DC变换器的应用也较多。
但这些装置所需的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功功率问题也很严重。
在这类装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的用量越来越大，其对电网的谐波污染问题也日益突出。
特别是单台功率虽小，但数量及其庞大的彩色电视机、个人计算机和各种家用电器及办公设备，其内部大都含有开关电源，它们的日益普及所带来的谐波污染问题是非常严重的。
另外，炼钢电弧炉既是谐波源，也是电压波动、闪变的肇事者，同时还是不对称负荷。
在电弧炉的熔化期，由于电弧燃烧极不稳定，电极经常短路和断路，因而它的基波电流和谐波电流变化都很大，三相不平衡很严重。
电力机车是单相整流负荷，它在消耗电能的同时向供电系统注入大量的高次谐波，而且还产生不平衡电流。
由于电气化铁道的容量很大，目前大约占总负荷的10%以上，而且分布很广，因此，电力机车是影响面较大的污染源。
另外，家用电器大都是单相负荷，同样产生不平衡电流。
2.2电能质量下降的危害
谐波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几个方面：
谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装有并联电容器。
为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器。
此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。
在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大的多，不会产生谐振。
但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。
这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。
在由谐波引起的事故中，这类事故占有很高的比例。
日本的一篇报告中指出，电容器和与之串联的电抗器的烧毁在谐波引起的事故中约占75%。
谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线路损耗的一部分。
一般来说，谐波电流与基波电流相比所占比例不大，但谐波频率高，导线的集肤效应使谐波电阻比基波电阻增加得大，因此谐波引起的附加线路损耗也增大。
谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率，在另一些频率上向外发送有功功率。
这些谐波有功功率通常都是由从电网吸收的基波有功功率转化来的。
谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的。
谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上的其它用电设备带来危害，并增加功率损耗。
对于采用电缆的输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质损耗增加和温升增高，越大。
缩短了电缆的使用寿命。
通常电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。
电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，会使上述危害更为严重。
空线路来说，谐波的存在，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，对于架但由于其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕损耗。
流过电网中断路器的电流里含有较大的谐波时，在电流过零点处的di/dt可能要比正常时大的多，从而使断路器的开断能力降低。
有的断路器的磁吹线圈在谐波电流严重的情况下将不能正常工作，从而使断路器无法开断以致损坏。
在民用建筑中，大量使用荧光灯和其它产生大量3次谐波的灯具及各种电器。
这些3次谐波都从中性线流过，甚至使其电流超过各相电流。
因正常情况下中性线电流比各相电流小的多，因而设计时中性线的导线较细。
在大量3次谐波电流流过中性线时，就会使导线过载过热、绝缘老化，进而发生短路，引起火灾。
我国己发生多起由于这一原因而引起的重大火灾，造成惨痛损失，必须引起足够的重视。
谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染，供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。
2.谐波影响各种电气设备的正常工作。
谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。
谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。
3.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。
电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。
不同类型的继电器工作原理和设计性能不同，因此谐波对其影响也有较大的差别。
谐波对大多数继电器的影响并不太大，但对部分晶体管型继电器可能会有很大的影响。
电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。
仪表的原理和结构不同，所产生的误差也不相同。
4.谐波会对临近的通信系统产生千扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
谐波对通信系统的干扰是一个在国际上十分重视的问题，对此已进行了充分的研究并制定了相应的标准。
谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。
干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响，甚至还发生过危及设备和人身安全的事故。
电力系统传输的功率以兆瓦（MW）计，而通信系统的功率以毫瓦（mw）计，两者相差十分悬殊。
因此，电力网中不大的不平衡音频谐波分量，如果藕合到通信线路上，就可能产生很大的噪声。
电力网中的不平衡电流一般对通信系统影响不大，而不平衡电流，特别是不平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。
在有多个中性点接地的电网中，如有较大的零序分量谐波电流通过中性点流入大地，就会严重干扰附近的通信系统。
谐波引起电能质量的下降会使产品质量下降，甚至导致生产过程中断，从而
造成大量的经济损失。
据报道，美国工业由于电能质量问题每年造成经济损失在
200亿美元以上。
另外，因三相电压不平衡、电压波动及闪变引起的电能质量下降也会造成危氰三相电压不平衡（即存在负序分量）会引起电机附加振动力矩和发热。
如负序电压含量为4%，由于发热其绝缘寿命缩短约一半。
如果某相电压高于额定值，则其绝缘寿命缩短更严重。
一些保护会因负序和谐波的干扰而发生动作。
1990年4月，山西晋东南由于大焦线电气化铁道的谐波和负序干扰，引起漳泽电厂JGX-11A型高频保护动作，使220kV长冶变电站及9个35-220kV变电站全部停电，甩负荷100MW以上，使电网和用户均受重大损失。
电压的快速波动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且还影响一些产品的质量，并引起照明的闪变，使人眼疲劳而降低工效等圆。
电压闪变还可能导致共同祸合点电压下降。
电动机是电网的主要用电设备，占总负荷的60%以上，电网电压和频率的偏差，谐波含量，三相电压不平衡以及电压波动和闪变均会直接影响输出的力矩，从而影响生产的工效和.产品质量。
例如电动机机轴端负荷为恒定时，电压减少10%，则滑差约增大0.6%；负荷率为85%的电动机，电压降低10%-15%时则有可能失去稳定。
纺织机、造纸机等一些复杂的生产机组对频率是较敏感的，若频率变化过大，便可能出废品，还会使设备受损。
可见，电能质量的好坏直接关系到社会的经济效益和人们的切身利益，加强对电能质量的管理及治理是必需的。
2.3电能质量监测方法、标准
2.3.1电能质量的监测方法
电能质量指标检测有连续检测和专项检测两种方法，连续检测主要适用于供电电压偏差和频率偏差指标:
而专项检测主要适用于不需连续检测或干扰源设备接入电网前后的检测。
另外，电能质量指标连续检测点的设置应覆盖主网及全部供电电压等级，并在电网内呈均匀分布。
国内外的电力部门为电能质量的监测做了大量的工作。
1992-1995年，美国电力研究院（EPRI）在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，获得了大量电能质量数据。
本文所讨论的一个城市电力公司于2000年成立了该城市配电网电能质量管理小组，在全公司范围进行电能质量监督和测量工作，重点负责对检查不合格的谐波源进行治理。
为了对谐波进行监督并全面分析其产生的原因，选择弃有大型谐波源的变电站，有大型电容器组的变电站，本系统内发电厂升压站控制室进行谐波监测。
电力系统中谐波的实际测量结果是谐波问题研究的主要依据，也是研究分析问题的出发点。
由于电子技术，特别是数字电子技术的进步，己有许多仪器能对谐波进行连续的测量，提供必需的信息，为谐波分析工作提供了有利的条件。
2.3.2电能质量监测标准
由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限值谐波的规定。
制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备免受谐波干扰而能正常工作。
世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。
我国原水利电力部于1984年根据原国家经济委员会批转的《全国供用电规则》的规定，制定并发布了SD126-84《电力系统谐波管理暂行规定》国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/Tl4549一93）
在分析谐波时，常用到（HRU）。
和（（HRI）。
两个指标。
（HRU）n表示n次谐波电压含有率，用式（2.1）计算。
（HRU）n=×100%（2.1）
式中—第n次谐波电压有效值（方均根值）；
—基波电压有效值。
（HRI）n表示n次谐波电流含有率，用式（（2.2）计算
（HRU）n=×100%（2.2）
式中—第n次谐波电流有效值；
—基波电流有效值。
GB/T14549-93中规定的公用电网谐波电压限值如表2.1中所示。
从表2.1中可以看到对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不同；电压等级越高，谐波限制越严。
另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。
表2.1公用电网谐波电压（相电压）限值
电网标称电压（kv）
电压总谐波畸变率（%）
各次谐波电压含有率（%）
奇次
偶次
0.38
5
4.0
2.0
6
4.0
3.2
1.6
10
35
3.0
2.4
1.2
66
110
2.0
1.6
0.8
表2.2注入公共连接点的谐波电流允许值
标准电压
基准短路
谐波次数及谐波电流允许值（A）
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
kv
容量（MVA）
0.38
10
78
62
39
62
26
44
19
21
16
28
6
100
43
34
21
34
14
24
11
11
8.5
16
10
100
26
20
13
20
8.5
15
6.4
6.8
5.1
9.3
35
250
15
12
7.7
12
5.1
8.8
3.8
4.1
3.1
5.6
66
500
16
13
8.1
13
5.4
9.3
4.1
4.3
3.3
5.9
110
750
12
9.6
6.0
4.0
6.8
3.0
3.0
2.4
4.3
2.0
公用电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均值）不应超过表2.2中规定的允许值。
当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，应按式（2.3）修正
表2.2中的谐波电流允许值。
（2.3）
式中：
Sk1——公共连接点的最小短路容量（MVA）；
Sk2——基准短路容量（MVA）；
Ihp——表2.2中第n次谐波电流允许值（A）；
——短路容量为Ski时的第n次谐波电流允许值（A）。
同一公共连接点有多个用户时，每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。
第I个用户的第n次谐波电流允许值Ini（A）按式（2.4）计算：
（2.4）
式中：
In——按式2.3计算的第n次谐波电流允许值（A）；
Si——第i个用户的用电协议容量（MVA）；
Sn——公共连接点的供电设备容量（MV
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