电能质量知识介绍

 

电能作为一种商品,质量就是衡量它价值的尺度,不同的人对电能质量的认识不同。这次就和大家一起扒一扒什么是电能质量。 


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什么是电能质量?

电能质量,从普遍意义上讲是指优质供电,包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。


其可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差,其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。


在现代电力系统中,电压暂降和中断已成为最重要的电能质量问题。其中:


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。 

衡量电能质量的主要指标

衡量电能质量的标注包括:电压偏差、频率偏差、电压三相不平衡、谐波和间谐波、电压的波动和电压的闪变。

1
电压偏差 

电压偏差指的是供电电压不稳定,存在电压上升或下跌情况。

2
频率偏差 

所有电网对电网频率要求相同,不会因不同的电能用户而改变,频率偏差每个国家都有相应的规定。

3
电压三相不平衡

三相电压的值超过规定标准。

4
谐波和间谐波

频率是基波整数倍表现为正弦的电流或电压称之为谐波。非整数倍的则统称为间谐波。

5
电压波动和闪变

电网内电压有规则的变动称为电压波动,或是变化幅度倍数在0.9-1.1之间的随机变化。闪变则是指电压的不稳定对灯泡照明的视觉影响。 

电能质量的特点

电力生产企业并不能完全控制电能质量,有些电能质量的变化是有电力用户引起的(比如,谐波、电压波动和闪变等),或是自然灾害及非控制因素引起的。


 在不同的时间内供用电的电能指标通常是不相同的,即电能质量在空间和时间上是处在不停的变化之中的。

1
电力系统元件存在的非线性问题

电力供电系统中元件的非线性问题有:发电机正常工作中产生的谐波;电网中各变压设备产生的谐波;直流输电产生的谐波;经过高压后的输电线路对谐波的放大作用。另外,并联电容器在变电站中的设置等因素也都会造成谐波的出现。这些因素中直流输电因素是现在电力系统中产生谐波的主要因素。

2
非线性负荷

 非线性负载在工业和生活用电中的比例很大,这是电力系统中产生谐波的主要根源。非线性的主要负载是电弧炉,电弧炉起弧的时延及电弧的严重非线性产生了谐波。

居民的日常生活和生产的负荷中,使用的荧光灯的伏安特性也是非线性的,也会有严重的谐波电流产生,其中含量最高的是3次谐波。此外,使用大功率的整流和变频装置也会有严重的谐波电流产生,严重影响了电网的安全。

3
电力系统故障

电能质量也会受到电力系统运行时的内外故障影响,例如,各种自然灾害、人为的非正常操作、各种线路短路、电网出现故障时发电机及励磁系统工作状态的改变等都会对电能的质量造成很大的影响。

电能质量有哪些国家标准?

1
供电电压偏差
(GB/T 12325—2008)
2
电压波动和闪变
(GB/T 14549—1993)
3
公用电网谐波
(GB/T 14549—1993)
4
三相电压不平衡
(GB/T 15543—2008)

电能质量所涉及的小行业/产品

电能质量所涉及的小行业主要包括:

1
无功补偿

 交流电在通过纯电阻的时候,电能都转成了热能,而在通过纯容性或者纯感性负载的时候,并不做功。也就是说没有消耗电能,即为无功功率,当然实际负载,不可能为纯容性负载或者纯感性负载,一般都是混合性负载,这样电流在通过它们的时候,就有部分电能不做功,就是无功功率,此时的功率因数<1,为了提高电能的利用率,就要进行无功补偿。


国家规定在达到0.9以上(我不会告诉你,其实部分地方电网也有规定0.85的哦,还蛮人道的吧),如果达不到就要加收力率调整电费。



主要产品包括:

按电压等级划分:主要分为高压无功补偿和低压无功补偿;

 按不同的产品和功能划分TSC、SVC、SVG。

1. TSC:Thyristor-Switched Capacitor,中文名称“晶闸管投切电容器”。用于动态补偿无功功率。
其工作原理是:以容性元件平衡感性负荷的无功。
TSC的优点主要是结构简单、易于控制、价格较低。但它只能分组投切,也就是说是有级差的补偿;而且对负荷波动的跟踪补偿速度较慢,一般为几十秒甚至更长时间;它的补偿能力受系统电压的影响,电压低时补偿能力反而变小;它导致系统稳定性变差:由于向电网并联了电容,有可能因此引起谐波放大,甚至引起谐振短路,因此在谐波较大的场合无法应用。

2. Static Var Compensator(简称SVC),中文名称“静止无功补偿器”。
它一般有FC+TCR和TSC+TCR两种形式。其中FC(Fixed Capacitor)是“固定电容器”,TCR(Thyristor-Controlled Reactor)是“晶闸管控制的电抗器”。
SVC也是利用容性元件平衡感性无功。它先用电容器补偿感性无功(一般造成无功过补),然后再通过并联的TCR平衡过补的无功。由于TCR是连续调节,因此SVC能做到无级差连续调节。但是,SVC会引入大量谐波,同时它又将大量电容并入电力系统,容易引起系统谐振。如果考 虑滤除SVC引入的谐波,那么,对低压中小容量的SVC设备,其成本并不比STATCOM低,而技术上又劣于STATCOM。在高压、大容量的场合,SVC的成本将比STATCOM低,因此SVC比较适合应用于高压大容量的场合。

3. SVG静止同步补偿装置 STATCOM:Static Synchronous Compensator,中文名称“静止无功发生器”,又称为ASVG(Advanced Static Var Generator):先进的静止无功发生器。STATCOM的工作原理是,利用瞬时功率理论检出负荷的当前时刻无功成分,然后利用逆变技术发出需要补偿的无功电流;它相当于一个无功发电机。STATCOM是目前先进的技术,它真正做到无级差连续调节、动态跟踪补偿,可以做到20ms内完全跟踪负荷的变化而进行补偿,而且根据结构不同,还可以实现对三相电流不平衡和功率不平衡的补偿。但是由于大量电力电子器件的应用,该设备的成本较高,可以认为这是目前它唯一的缺点。

2
谐波治理

“谐波”一词起源于声学。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波,称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量,使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制,其频率范围一般为2≤n≤40。

产生电力谐波的设备非常广泛,主要有变频调速器、直流调速系统、整流设备、中高频感应加热设备、晶闸管温控加热设备、焊接设备、电弧炉、电力机车、不间断电源、计算机、通讯设备、音像设备、充电器、变频空调、晶闸管调光设备、电子节能灯等。


主要产品包括:有源滤波器(APF)、LC型无源电力滤波器

1. APF有源滤波器:有源滤波器具备超强的滤波能力,能同时滤除2-50次谐波,滤波能力可高达97%以上,对阶跃变化的谐波完全补偿时间小于10ms。APF可多台同时并联运行,完全适用于工业、民用领域各种情况,是非线性负载谐波治理的最佳解决方案。

APF通过外部电流互感器实时采集电流信号,通过内部检测电路分离出其中的谐波部分,通过IGBT功率变换器产生与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流,实现滤除谐波的功能。
APF输出补偿电流根据系统的谐波量动态准确变化,不会出现过补偿的问题。另外,APF内部有过载保护功能,当系统的谐波量大于滤波器容量时,装置可以自动限制在100%额定容量输出,不会发生过载。

2. LC型无源电力滤波器:LC无源电力滤波器 利用电容电感串联谐振的原理,调整电容电感串联电路的谐振峰,提供某次谐波的低阻抗通路,从而吸收该次谐波。
LC无源滤波器的优点是:在补偿谐波的同时还可以补偿无功,而且成本较低,控制简单。不过LC无源滤波器也有很多局限性:第一,一组滤波器只能主要补偿一次谐波,而且谐波滤除率较低,一般只能达到70%左右;第二,在功率因数较高的场合容易造成无功过补;第三,电容器参数存在衰减问题,衰减后大大影响谐波抑制效果,而且电容器的大量使用容易引起系统谐振,稳定性差;第四,无功补偿不可连续调节。

3
电能质量检测

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其他电能质量问题   

谐波的危害

1、引起串联谐振及并联谐振,放大谐波,造成危险的过电压或过电流;

2、产生谐波损耗,使发、变电和用电设备效率降低;

3、加速电气设备绝缘老化,使其容易击穿,从而缩短它们的使用寿命;

4、使设备(如电机、继电保护、自动装置、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等)运转不正常或不能正确操作;

5、干扰通讯系统,降低信号的传输质量,破坏信号的正确传递,甚至损坏通信设备。

治理谐波的方法

谐波治理措施主要有三种:

一是主动治理,即从谐波源本身出发,通过改进用电设备,使其不产生或少产生谐波;

二是受端治理,即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高它们抗谐波干扰能力;

三是被动治理,即通过安装电力滤波器,阻止谐波源产生的谐波注入电网,或者阻止电力系统的谐波流入负载端。


由于谐波源的广泛性和复杂性,主动治理方法受设备结构、效率、成本、可靠性等因素影响,只能解决部分问题,受端治理方法和被动治理方法仍是目前治理电力谐波问题的主要方法。例如通过串联失谐电抗器抑制无功补偿电容器导致的谐波共振放大,通过在系统中安装无源电力滤波器和有源电力滤波器进行滤波等等。

改善电能质量的措施

 改善电能质量的措施有:

1
调整负荷

降低负荷的敏感程度,如果遇到要求负荷电能质量特别高的电力用户仅依靠电力企业采取的措施不能在短期内满足要求时,电力企业必须和电力用户共同采取必要措施,使负荷减少敏感程度及降低电能质量不良程度。

2
改进电网

电力企业安装抑制或消除电力扰动的必要设备。


经常见到的电能质量调节装置功能相对单一,例如,有源滤波器APF、动态电压恢复器DVR等,全面实现电力用户电能质量的设备是电能质量调节器,其组成主要是一个电容把一个并联逆变器和串联逆变器耦合在一起。


并联逆变器进行非线性负载谐波电流及无功补偿使用的是PWM电流控制技术,起到调节电容直流电压的作用。而串联逆变器使用的是PWM电压控制技术,其主要是对输出的电压进行控制以达到抑制谐波、降低负荷的敏感程度。


电能质量调节器由于其是有一个串联和并联的逆变器组成的,因此其具有两者的结构特征,对网络中电流和电压的波形可同时调节,电能质量调节器的应用极大的解决了电网中电能质量问题的出现。


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