毕业设计（论文）配电网电能质量分析及改善措施研究

《毕业设计（论文）配电网电能质量分析及改善措施研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）配电网电能质量分析及改善措施研究（56页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、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： 指导教师： 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

2、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

3、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AbstractWith the development of power system, the power product is turning from planned economy to market economy, in the power market, power supply behaves as a kind of financial service, being as a merchandise, power has quality like the

4、other merchandises. The power users demand for power quality is more and more higher.So ensuring power quality is an impersonal demand of power market, at the same time,is an important factor for promoting the civilization and stabilization of social.Power quality presents the degree of magnitude an

5、d wave of the voltageor current of every point in the power system to meet the standards, it is confirmed by the construct of power system and the properties of loads. With the development of the technology the power electric, nonlinear loads have appeared in the power system,these nonlinear loads b

6、rought about a large amount of harmonic to the power system,and caused imbalance of three一phase voltage.In addition, the impulse loads caused voltage wave and flink, and lopsided loads caused imbalance of three一phase voltage.The above factors make the power quality declining, and have seriously infl

7、uenced the normal production and living of people.In this paper, the author analyzes the reasons and harm of decling power quality, and produces several methods to promote power quality at present inland and abroad. The author investigated the current situation of power system of a city, analyzed th

8、e power system, measured and calculated its power quality, and finally put forwarded several measures to promote the power quality of Yu chengs power system,so that to supervise the layout, construct and management of a city s power system,which has theoretical meanings and important factual value.K

9、EY WORDS:Power market, Power quality, Harmonic目 录摘 要1Abstract2目录3第一章 绪论51.1选题的背景及研究的意义51.2国内外电能质量的研究现状61.3本文主要研究内容8第二章 电能质量的基本概念及特点82.1 电能质量的定义82.2 电能质量的指标82.2.1 频率偏移82.2.2 电压偏移102.2.3 谐波含量112.2.4 电压波动和闪变132.2.5 三相电压不平衡152.3 电能质量下降问题分析162.3.1电能质量下降的原因162.3.2电能质量下降的危害182.4电能质量的分析262.4.1 非正弦周期函数分解为傅立叶

10、级数262.4.2 傅立叶级数的指数形式282.4.3 电能质量的分析方法282.4.4 电能质量监测方法与标准282.5 小结30第三章 鄂州配电网电能质量的现状及分析323.1 鄂州配电网结构及负荷现状323.2 配电网供电可靠性现状333.2.1 供电可靠性分析333.2.2 中压停电责任原因分类分析353.3 小结35第四章 改善配电网电能质量的措施374.1 提高配电网电能质量的意义374.2 提高配电网电能质量的措施374.2.1 电压偏差过大改善措施384.2.2 减少电压波动和闪变的技术措施404.2.3 电网谐波超标治理措施404.2.4 三相不平衡问题解决措施454.2.5

11、 电网频率下降的改善措施464.3 小结46第五章 总结及展望475.1 论文取得的研究成果475.2 下一步研究工作的展望48参考文献49致 谢52IV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

12、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

13、的电能质量某些指标，例如电网中电压暂降（dip sag）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2040个ms。据美国电力科学研究院Jane Clemmensen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

14、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

15、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，

16、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

17、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。1981-19

18、86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

19、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

20、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

21、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

22、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。5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

23、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

24、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

25、，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

26、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

27、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

28、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

29、，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

30、落的横分量。一般的，输电线路以及变压器的XR，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

31、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

32、，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。2.2.3 谐波含量1、基本概念一般地，认为电网的稳态供电电压波形为工频正弦波形，其数学表达式为

33、51 （2-3）其中：式中：电压的有效值，其幅值为；初相角；、和工频角频率、频率和周期。在电路中，线性无源元件上的电压和电流之间的关系，不外乎比例（），微分（）和积分（）等关系，正弦周期函数在进行加、减、微分和积分等运算时仍保持正弦函数的特点，所以在电网中要求尽可能由正弦波形的电源来供电。但是，由于非线性负荷的存在，电网电压的波形偏离正弦波形而发生畸变。畸变波形可以用一系列不同频率的波形来近似表示。其中，与电源频率（假设电源频率为）一致的项（带有的项）为基波分量，其他为谐波分量。谐波频率是基波频率的整数倍，是几倍就称为几次谐波，如含有项的称为三次谐波，含有项的称为五次谐波，其它依次类推。在实际

34、的电网中还存在着一些不是基波整数倍的正弦分量，称为次谐波和间谐波。在近代的交交变频器中还存在“旁频”，即在整数次谐波附近的非整数次谐波。2、产生谐波问题的主要原因电力系统谐波问题日益严重，其主要原因有如下几个方面：（1）电力电子设备及其新技术在化工、冶金、矿山、电气化铁道等工矿企业中广泛采用，使得非线性负荷大量增加；同时各种家用电器的普遍使用，形成遍及整个电网的用户谐波源，从电网的各个供电点向电力系统注入大量谐波。（2）为了节省原材料，铁芯设备的工作点进入饱和区，引起谐波增加。（3）电弧炉用户的增多及其容量增大。可见，由于非线性用户的不断增多和容量增大，使电力系统谐波水平日益上升，称为相当严重

35、的问题。3、谐波的主要危害和影响（1）使旋转电机转子铁芯及定子绕组产生谐波附加损耗，引起发热，并使机组产生振动和噪声。对于同步发电机，流入定子绕组的谐波电流，将使转子铁芯、套箍、槽锲（汽轮发电机）以及转子上的阻尼绕组（水轮发电机）产生局部过热而损坏。对于异步电动机，谐波电流使定子绕组产生附加铜损耗，形成过热而烧毁。（2）使变压器和线路产生谐波附加损耗引起网损增大（谐波网损）。还引起变压器的振动和噪声。在发生系统谐波谐振或谐波 放大的情况下，谐波网损可以达到相当大的程度。（3）在系统电容和电感的配合下，对于注入对应于其谐振频率的谐波所激励，产生谐波谐振和谐波放大，从而引起电容补偿装置中的电容器和

36、串联电抗损坏，也会使电力电缆击穿，产生如干扰保护，增大网损等后果。（4）对继电保护和自动装置产生干扰，引起误动，主要谐波在正序（基波）量的基础上，产生的干扰，如对电容补偿装置的过电流保护产生干扰，引起跳闸。谐波在负序（基波）量的基础上产生的干扰，如对各种以负序滤过器为启动元件的保护和自动装置的干扰，引起频繁误动，包含有a) 发电机的负序电流保护误动。b) 变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动。c) 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动。d) 线路各型距离保护的负序启动振荡闭锁装置误动。e) 线路相差高频保护误动。f) 故障录波器误动。（5）谐波引发系统事故，如谐波对保

37、护干扰产生误动，引起a) 大同二电厂200MW发电机跳闸使北京大面积停电事故。b) 河南电网220KV计驻线跳闸，驻马店、信阳地区大面积停电事故；山西晋东南电网瓦解大面积停电事故。此外谐波还对电能质量、测量仪表、通讯等产生干扰21。可采取增加换流装置的脉动数、加装交流滤波器、改变谐波源的配置和工作方式、采用有源电力滤波器等方法来限制和改善电网谐波。2.2.4 电压波动和闪变1、基本概念供电电压在两个相邻的、持续时间在1s以上的电压有效值和之间的差值，称为电压变动。电压波动是一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动值为电压有效值的两个极值和之差，常以其标称电压的百分数表示其相对百分值，即51 （

38、2-4）其中、分别为工频电压调幅波的相邻两个极值电压（均方根值）。为了使电压波动与电压偏差（电压的慢变化）相区别。规定电压变化率大于每秒0.2%时为电压波动，否则视为电压偏差。电压波动会影响一些电气设备的正常工作，一开始人们把由点光源电压波动所造成的灯光闪烁，称之为闪变（或电压闪变）。实际上闪变是人对照度波动的主观视感。但在现代电网中常把由电压波动引起的闪变现象作为首先考核的电压质量指标。受电压闪变影响的设备包括计算机、控制设备、照明设备等，在这些设备中，白炽灯是对闪变现象最敏感的设备，同时闪变也包括了电压波动的全部有害作用，所以一般选用白炽灯的工况作为判断电压波动的依据。严格的说闪变是电压波

39、动的一种，不能以电压波动代替闪变，但在实际中，白炽灯是最广泛使用的低压照明电器，其照度波动对电压波动也最为敏感和显著，同时，对于高电压等级也用闪变强度来衡量电压波动水平，以求统一标准，所以通过对闪变的分析可以起到对电压波动分析的作用。2、电压波动与闪变的产生与危害电压波动大的后果就是产生闪变，电压波动常会引起许多电工设备不能正常工作。主要表现在（1）照明灯闪烁，引起人的视觉不适和疲劳；（2）电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度摆动；（3）电子计算机、自动控制设备等工作不正常；（4）电机转速不均匀，危及安全运行，影响产品质量等。通常供电系统中电压波动和闪变多由用户波动性负荷所引起，波动性负荷可分为

40、周期性的波动性负荷和非周期性的波动性负荷两类，其中周期性或近似周期性波动性负荷对闪变的影响更为严重。波动性负荷在系统阻抗上将引起电压的波动。当负荷波动时，系统阻抗越大（或系统短路容量越小），则其所导致的电压波动越大，这决定于供电系统的容量、供电电压、用户负荷位置、类型、电动机启动频率和功率等。电压方均根值的波动，其秒伏（）面积越大，所引起的闪变干扰越大，电压变动重复频率512HZ所引起的照明闪变尤为严重。特别是在生产精密仪器产品的工厂中，即使有0.1的电压变动也会使生产和产品质量受到损失。波动性负荷主要有电弧炉，感应炉的变频电源，绞车和轧机，电焊机，电动机启动，采矿的挖掘机，锯木机和粉碎机等。

41、这些波动性负荷，影响和危害着与其连接在公共供电点的其他用户的电工设备，必须引起重视23-24。2.2.5 三相电压不平衡1、基本概念在理想的三相交流电力系统中，三相电压应该具有相同的数值，且按A、B、C三相顺序互成120角度，这样的系统叫做三相平衡系统。然而由于存在种种不平衡因素，实际的电力系统并不是完全平衡的。具体的不平衡因素可归结为事故性和正常性两大类。事故性的不平衡是由于三相系统中一相或两相出现故障所致。正常的不平衡则是负荷不平衡、系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐所致。作为电能质量指标之一的电压不平衡是针对正常不平衡运行工况制定的。三相不平衡度的度量可用下式表示 （2-5）式中

42、：三相电压对称分量分解后的负序分量的幅值；三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值。2、三相不平衡产生的主要原因系统阻抗的不对称会引起背景电压的不平衡，其不平衡度一般不超过0.5%，但是，在高峰负荷或者高压线停电时，不平衡度有时超过1%。一般架空电网的不对称度或者不平衡电压不超出0.5%1.5%的范围，其中1%以上的情况往往是分段的架空电网，其换位是在变电所母线上实现的。对于电缆线路，其不对称度为零，因为，无论是三芯电缆还是单芯电缆，各相芯线对接地来说都处于对称的位置。在中性点不接地系统（6、10、35KV）中，当消弧线圈调谐不当和系统对地电容处于串联谐振状态时，会引起中性点电压过高，从而引起

43、三相对地电压的严重不平衡。3、三相不平衡的主要危害及其对策与其他电能质量问题一样，三相不平衡同样对电力系统本身以及电力用户造成一系列的危害，具体表现在（1）引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力。（2）引起以负序分量为启动元件的多种保护发生误动作（特别是当电网汇总同时存在谐波的时候），对电网的安全运行具有严重的威胁。（3）电压不平衡使半导体变流设备产生附加的谐波电流（非特征谐波），而这种设备一般设计上只允许2%的电压不平衡度。（4）电压不平衡使发电机容量的利用率下降。这是因为不平衡时最大相电流不能超过额定值。在极端情况下，只带单相负荷时，则设备利用率仅为。（5）变压器的三相负荷

44、不平衡，不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其寿命缩短，而且还会由于磁路不平衡，大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热，造成附加损耗。（6）在低压配电线路中，三相不平衡会影响计算机正常工作，还会引起照明电灯寿命缩短（电压过高）或者照度不足（电压过低），以及电视机的损坏。（7）三相平衡时，将引起电网损耗的增加。（8）使电热炉的电能损耗增加，产量减少，炉子的效率降低。（9）低于通信系统，电力三相不平衡时，会增大对其干扰，影响正常通信质量。解决三相不平衡通常使用的方法为，将不对称负荷分配到不同的供电点；将不对称负荷合理分配到各相；将不对称负荷接到更高电压等级上供电，以使连接点的短路容量足够大；采用平衡装置

45、等等25。2.3 电能质量下降问题分析2.3.1 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，它已成为最主要的谐波源26 。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%

46、。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26。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26。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

47、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。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已为人们所熟悉。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l。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

48、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26。 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、个人计一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26。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

49、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27 。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27 。2.3.1 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31：1.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

50、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

51、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通.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

52、升增高，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。对于架空线路来说，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，但由于谐波的存在，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可能要比正常时大得多，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，从而使断路器无法断开以致损坏。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

53、。因正常情况下中性线电流比各相电流小得多，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、电缆等设各过热、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

54、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干扰，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，对此己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

55、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

56、美元以上32。 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害。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-11 A型高频保护动作，使220 kV长冶变电站及9个35-220 kV变电站全部停电，甩负荷100 MW以上，使电网和用户均受重大损失33。 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

57、量，并引起照明的闪变，使人眼疲劳而降低工效等38。电压闪变还可能导致共同藕合点电压下降。 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敏感的，若频率变化过大，便可能出废品，还会使一设备受损。 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。2.4

58、 电能质量分析2.4.1 电能质量的分析方法为了分析带有许多不同频率的复杂信号，过去的多年研究中提出了许多数学算法51，每一种分析方法的适用范围和使用缺点各不相同，针对不同类型的电能质量扰动，可以根据每一种方法的适用范围来选择一种加以分析，其中采用傅立叶级数对非正弦连续时间周期函数进行分析是谐波分析的最基本的方法51 ，且在实际中它们具有可行性，应用也比较广泛。现对几种常见的电能质量分析方法进行简要的分析、介绍。2.4.1 .1非正弦周期函数分解为傅立叶级数在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形，正弦电压可表示为 (2-12)U电压有效值；初相角；角频率；（）f频率;T周期。当

59、正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压也变为非正弦波；对于周期的非正弦电压U(wt)，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下的傅立叶级数： (2-13)式中：（）或 (2-14)式中：的关系为：在式(2-12)或式(2-13)的傅立叶级数中，频率为1/T的分量称为基波，频率大于1的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比，以土公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式u(wt)转成I(wt)即可。2.4.1.2 傅立叶级数的指数形式为了从理论上的傅立叶级数分析，过渡到电力系统实际波形实用而快速的谐

60、波分析，需要利用傅立叶级数的指数形式，直接计算各次谐波的幅值和相位。傅立叶级数的指数形式为 (2-14) (2-15)2.4.1.3 均方根、小波变换等其他分析方法1、均方根法（RMS法）均方根法不是一种通用的信号处理工具，但在电力信号分析和描述中经常用到。根据RMS法可以近似计算电力信号的幅值，却无法提取信号中的基频分量和其它谐波分量。该方法最大的优点是计算简单、计算速度快、内存要求低。RMS法主要用于信号幅值估计，应用RMS法得到的RMS值变化曲线也可以用于扰动分类，文献41采用该方法进行电能质量扰动分类。2、傅里叶变换（FT）长期以来，电力信号分析的大量工作集中在基频及谐波分量的幅值、相

61、角估计上，离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）在这方面充分显示了其优势，各种改进的DFT和FFT已经称为电力信号频谱分析和谐波分析的基础42，这些改进算法大大提高了FFT的计算精度和速度，文献43提出了基于线性插值原理和抛物线插值原理两种改进的FFT方法，分别称为LFFT算法和PFFT算法。测试表明，改进算法的计算精度明显提高，对采用频率的要求也有所降低。文献44对FFT的泄漏误差进行了分析，提出了多项余弦窗插值算法，结果表明新算法可以有效地提高测量精度、抑制谐波之间的干扰。实际上，FFT方法和各种改进的FFT方法只适用于平稳信号分析，对非平稳信号却无能为力，不足以描述电力信号的

62、快速幅值变化或频率变化。这是因为傅里叶变换是在整个时域积分实现的，任何时刻的信号突变，其频谱散布在真个频段。3、短时傅里叶变换（STFT）45短时傅里叶变换又称加窗傅里叶变换，是一种局部化时频分析方法。这种方法的基本思想是：将信号划分为许多小的时间间隔，用傅里叶变换分析每一个时间间隔内的信号，以便确定该时间间隔内存在的频率。即将非平稳信号看作是一系列短时平稳信号的叠加，而短时性则通过时间窗来获得。短时傅里叶变换在一定程度上克服了标准傅里叶变换不具有局部分析能力的缺陷。该方法的不足在于：当窗函数确定后，只能改变窗口在相平面上的位置，而不能改变窗口的形状，对应一定的时刻，只能对其附近窗口内的信号进行分析，若选择的时间窗窄，则时间分辨率高，频率分辨率低；而如果为了提高频率分辨率使时间窗变宽，则短时平稳假设的近似程度便会变差，与小波变换相比，该方法更适合于电压暂降扰动分析。4、小波变换（WT）46小波变换最早是由法国地球物理学家Morlet于80年代初在分析地球物理信号时提出的。经过二十年的发展，小波变换方法不仅在理论和算法上取得突破性进展，在多个领域得到了广泛应用。小波变换是一种窗口面积固定而窗口形状可以改变的时频分析方法，在低频部分具有较高的频率分