電能質量研究簡介

1、電能質量研究簡介朱守真清華大學電機系2006年11月10/17/20221內容電能質量量的概述述歷史、研研究方向向、定義義、擾動動因素、影響電能質量量的指標標諧波、閃閃變、電電壓驟降降、電壓壓中斷、電壓突突升、電電壓裂痕痕、暫態(tài)態(tài)沖擊及及暫態(tài)振振蕩、過過電壓或或欠電壓壓、三相相電壓不不對稱電能質量量檢測設設備檢測內容容,測試試儀類型型電能質量量的標準準主要標準準、探討討1/17/20202電能質量量研究的的歷程19世紀紀中葉直直至20世紀初初3次諧波波Steinmetz提提出變壓壓器的三三角-星星型不接接地連接接20世紀紀初到40年代代提出更廣廣泛的諧諧波治理理方法研究處于于相對停停滯期50年

2、代代到80年代其他更多多的現(xiàn)象象被發(fā)現(xiàn)現(xiàn)80年代代提出電電能質量量概念90年代代至今美EPRI著手手DPQ項目PQ研究究熱潮開開始1/17/20203電能質量量研究方方向電能質量量相關術術語的定定義以及及標準的的建立電能質量量的測量量方法以以及監(jiān)測測儀器電能質量量的建模模、仿真真以及分分析電能質量量的擾動動源確定定電能質量量的改善善電能質量量問題所所產(chǎn)生的的影響1/17/20204電能和電電能質量量的歸類類理想三相相交流系系統(tǒng)：1、恒定定的頻率率；2、確定的的電壓等等級；3、完好好的電壓壓波形且且能連續(xù)續(xù)的向負負荷供電電；合格的、安全的的電能在一定指指標或閾閾值范圍圍內的不滿足規(guī)規(guī)范要求求的電

3、能質質量1/17/20205電能質量量的分類類（1）電壓質量量（電壓壓幅值質質量）狹義電能能質量會影響用用戶設備備正常運運行的不不理想的的系統(tǒng)電電壓，包包括電壓壓的閃變變、瞬時時過電壓壓或跌落落、諧波波畸變、各相電電壓不平平衡等情情況；電流質量量指電力電電子設備備等非線線性負荷荷給電網(wǎng)網(wǎng)帶來的的電流畸畸變，包包括流入入電網(wǎng)的的諧波電電流，以以及無功功、不平平衡負荷荷電流、低頻負負荷變化化造成的的閃爍等等。頻率質量量1/17/20206電能質量量的分類類(2) 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)電能能質量問問題以波波形畸變變?yōu)樘卣髡鳎饕ㄖC諧波、間間諧波、波形下下陷以及及噪聲等等； 暫態(tài)暫態(tài)電能能質量問問題通常常是

4、以頻頻譜和暫暫態(tài)持續(xù)續(xù)時間為為特征，可分脈脈沖暫態(tài)態(tài)和振蕩蕩暫態(tài)兩兩大類。1/17/20207更廣泛的的電磁兼兼容問題題非技術成成分質量量問題1/17/20208電能質量量的特點點電能質量量往往是是由用戶戶干擾所所決定的的電能質量量在空間間和時間間上均處處于動態(tài)態(tài)變化之之中電能質量量和用電電設備的的性能密密切相關關1/17/20209引起電能能質量的的四大因因素自然現(xiàn)象象和災難難電力設備備及裝置置故障或或保護誤誤動作終端用戶戶非線性性、沖擊擊性污染染型負荷荷的大量量使用人為事故故1/17/202010電能質量量的定義義電力公司司用戶設備制造造商IEEEIEC電能質量量是任何何導致用用電設備備故

5、障或或不能正正常工作作的電壓壓、電流流或頻率率偏差1/17/202011電力公司司定義電能質量量相當于于供電可可靠性，通常用用統(tǒng)計數(shù)數(shù)字來量量化utilitiesdefine power qualityasreliabilityand showstatisticstoquantifyit1/17/202012用戶定義義導致用戶戶設備失失效或不不能正常常工作的的電壓、電流或或頻率偏偏移稱為為電能質質量1/17/202013設備制造造商定義義能使設備備正常運運行的供供電特征征稱為電電能質量量Themanufactureofloadequipmentdefine power qualitypower

6、asthosecharacteristics of thepowersupplythatenablethe equipmenttowork properly.1/17/202014IEEE定義電能質量量是對向向敏感設設備提供供電力和和設置接接地系統(tǒng)統(tǒng)以保持持其正常常運行能能力的一一種概念念描述PowerQuality is theconcept of powering andgroundingsensitive equipmentina matterthat is suitable to theoperationofthatequipment1/17/202015IEC定定義電能質量量是指供供

7、電裝置置在正常常工作情情況下不不中斷和和不干擾擾用戶使使用電力力的物理理特性Powerquality is setofparameters defining theproperties of thepowersupplyasdelivered to theuser in normaloperatingconditionsintermsofcontinuity of supplyandcharacteristics of voltage(symmetry,frequency, magnitude,and waveform).1/17/202016電能質量量的影響響國標GB755電機機基本技技術要

8、求求規(guī)定定，電動動機在額額定功率率下電源源電壓的的偏差不不超過5時時才能維維持額定定出力；紡織機、造紙機機等生產(chǎn)產(chǎn)機組對對于頻率率敏感，如果頻頻率變化化過大就就可能出出現(xiàn)廢品品，甚至至使設備備受損；頻率降低低會使汽汽輪機的的葉片承承受壓力力加大，嚴重時時會發(fā)生生機械共共振，使使葉片斷斷裂；電壓的快快速波動動會使電電動機轉轉速不均均勻，不不僅危及及電動機機的安全全運行，而且還還影響一一些產(chǎn)品品的質量量，并引引起照明明的“閃閃變”。1/17/202017電能質量量問題的的影響電網(wǎng)諧波波含量的的增加，將導致致電氣設設備壽命命縮短，電網(wǎng)網(wǎng)網(wǎng)損增大大，系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)生諧諧波諧振振的可能能性增加加，同時時可能引

9、引起繼電電保護和和自動裝裝置誤動動，儀表表指示和和電度計計量不準準等一系系列問題題。，由由諧波引引起的損損耗和電電氣設備備絕緣壽壽命的縮縮短所造造成的等等值損耗耗也很可可觀，約約為用電電量的0.7。三相電壓壓不平衡衡（即存存在負序序分量）會引起起電機附附加振動動力矩和和發(fā)熱。額定轉轉矩的電電動機，如負序序電壓含含量為4，由由于發(fā)熱熱，其絕絕緣壽命命縮短約約一半。如果某某相電壓壓高于額額定值，則其壽壽命縮短短更嚴重重。一些些保護也也會因負負序的干干擾而誤誤動作。1/17/202018電能質量量問題造造成的經(jīng)經(jīng)濟損失失一個計算算中心失失去電源源2就就可能破破壞幾十十小時的的數(shù)據(jù)處處理結果果或上百百

10、萬元的的經(jīng)濟損損失。在大型機機器制造造廠,0 1的電壓壓突降就就可能造造成異常常的生產(chǎn)產(chǎn)狀況和和質量破破壞。自動化設設備控制制的連續(xù)續(xù)精加工工生產(chǎn)線線,它們們對配電電系統(tǒng)中中的干擾擾異常敏敏感,幾幾分之一一秒的不不正常供供電就可可能在工工廠內部部造成混混亂,其其損失是是難以估估量的。這些用用戶對不不合格電電力的容容許度可可嚴格到到只有1-2周周波?，F(xiàn)代化的的商貿(mào)中中心、銀銀行、醫(yī)醫(yī)院也是是如此。諧波的的嚴重危危害和所所造成的的損失經(jīng)經(jīng)常被人人們所提提及。而而無人值值守變電電站中計計算機系系統(tǒng)突然然出現(xiàn)的的死機現(xiàn)現(xiàn)象，大大多屬于于電能質質量問題題。據(jù)估計，因電能能質量問問題每年年給美國國企業(yè)造造

11、成的損損失累計計達150億到到300億美元元之多，尤其是是那些對對電壓變變化敏感感的電子子、信息息、半導導體行業(yè)業(yè)。1/17/202019北京地區(qū)區(qū)電能質質量問題題北京供電電局了解解，北京京第11屆亞運運會期間間網(wǎng)球中中心在舉舉行開幕幕式時全全場照明明突滅一一半，究究其原因因則是電電壓波動動引起；2001年大運運會期間間清華大大學游泳泳館等部部分場館館均出現(xiàn)現(xiàn)過較為為嚴重的的、因電電能質量量問題影影響場館館正常比比賽用電電的事件件；據(jù)北京化化工集團團統(tǒng)計，3年來來因供電電問題化化工生產(chǎn)產(chǎn)裝置停停車56起，其其中因電電壓跌降降的有43起，其中最最危險的的是由于于這是電電壓突變變過程，供電部部門并

12、未未察覺也也未記錄錄，造成成了一定定區(qū)分責責任的糾糾紛；首鋼日用用電子有有限公司司等大企企業(yè)也有有同類的的情況發(fā)發(fā)生。1/17/202020電氣設備備對電壓壓凹陷的的敏感性性分析主要原因因短路故障障引起較較嚴重的的電壓凹凹陷（驟驟降）電機啟動動引起較較長的凹凹陷時間間。特征量幅值：偏偏離額定定值的最最大值（60）持續(xù)時間間：均方方根值超超出指定定門檻值值的一段段時間發(fā)生頻次次特定幅幅值及持持續(xù)時間間情況下下發(fā)生的的次數(shù)。1/17/202021產(chǎn)生電壓壓跌落的的原因超高壓電電網(wǎng)故障障造成大大范圍的的配電網(wǎng)網(wǎng)的電壓壓波動。雷擊引起起的絕緣緣子閃絡絡或線路路對地放放電系統(tǒng)故障障當保護動動作后伴伴隨著

13、重重合閘時時，由此此而引起起的電壓壓跌落次次數(shù)將成成倍數(shù)增增加，并并且規(guī)定定時間間間隔的連連續(xù)跳閘閘是造成成瞬時供供電中斷斷的主要要因素之之一。電壓跌落落統(tǒng)計結結果表明明大部分分的電壓壓跌落幅幅值都低低于（2030）的額定定值。1/17/202022設備對電電壓凹陷陷的敏感感圖非正常工作狀態(tài)正常工作狀態(tài)Vmin1tmsxt（持續(xù)時間）V(幅值)1/17/202023暫態(tài)電能能質量暫態(tài)電能能質量問問題通常常是以頻頻譜和暫暫態(tài)持續(xù)續(xù)時間為為特征檢測暫態(tài)態(tài)持續(xù)時時間的問問題轉化化為檢測測信號奇奇異點的的問題1/17/202024電壓跌落落Meyer小波分析析DB6小波分析析1/17/202025電壓

14、切痕痕Meyer小波分析析DB6小波分析析1/17/202026電能質量量擾動（1）擾動類型子類/類屬特征屬性幅值持續(xù)時范圍 (pu)間劃分暫態(tài)沖擊納秒級上升時間5ns - 50 ns微秒級1 us-50 ns - 1 ms毫秒級1 ms-1 ms - 1 cycs暫態(tài)振蕩低頻頻譜 5 kHz0 - 4 0.3 50 ms中頻5 500 kHz0 820 us高頻0.5 5 MHz0 - 4 5 us供電中斷即時- 1 min電壓驟降即時-0.1 0.90.5 36 cycs瞬時-36 cycs 3 s暫時-3 - 60 s電壓突升即時-1.1 1.80.5 36 cycs瞬時-36 cycs

15、 3 s暫時-3 - 60 s1/17/202027電能質量量擾動（2）擾動類型子類/類屬特征屬性幅值持續(xù)時范圍 (pu)間劃分電壓不平衡穩(wěn)態(tài)不平衡度0.5 2 %-閃變暫態(tài) 25 Hz0.001 0.07 -直流偏置穩(wěn)態(tài)-0 0.001 -諧波準穩(wěn)態(tài)2 - 100th 0 0.2-間諧波穩(wěn)態(tài)0 5 kHz0 0.02-裂痕暫態(tài)= 0.5 cyc電噪聲暫態(tài)very brand0 0.01-削平暫態(tài)-相角不對稱穩(wěn)態(tài)-頻率波動穩(wěn)態(tài)-= 10 s1/17/202028主要電能能質量指指標量化目的的除經(jīng)濟性性指標外外，目前前沒有統(tǒng)統(tǒng)一的指指標能描描述全部部電能質質量問題題指標往往往是與擾擾動類型型相關

16、聯(lián)聯(lián)1/17/202029諧波各次諧波波的相位位和幅值值諧波含有有率HR總畸變率率THD諧波功率率諧波阻抗抗K因子1/17/202030閃變白熾燈的的光通量量短期覺察察度Pst長期覺察察度Plt累積概率率函數(shù)曲曲線CPF閃變覺察察曲線PFC1/17/202031電壓驟降降閾值指標標持續(xù)時間間、電壓壓幅值統(tǒng)計指標標系統(tǒng)電壓壓有效值值變化平平均指標標（SARFIx）面積、能能量型指指標電壓缺失失電壓驟降降“面積積”能量損失失特殊指標標1/17/202032電壓驟降降電壓壓缺失電壓缺失失(LV)是指指電壓驟驟降過程程中跌落落電壓積積分1/17/202033電壓驟降降電壓壓驟降面面積借鑒發(fā)電電機暫態(tài)態(tài)

17、穩(wěn)定的的面積方方法來描描述電壓壓驟降，是一種種電壓幅幅值對時時間的積積分電壓驟降降面積指指標不等等同于能能量1/17/202034電壓驟降降能量量損失損失能量量指標指指電壓驟驟降中系系統(tǒng)未能能正常傳傳輸給負負荷的能能量多少少，也是是缺失電電壓和持持續(xù)時間間的函數(shù)數(shù)或1/17/202035電壓驟降降特殊殊指標電壓驟降降評分1/17/202036電壓中斷斷統(tǒng)計評價價指標SAIFI：系系統(tǒng)平均均中斷頻頻率指標標CAIFI：用用戶平均均中斷頻頻率指標標SAIDI：系系統(tǒng)平均均中斷時時間指標標CAIDI：用用戶平均均中斷時時間指標標ASAI：平均均可用服服務指標標ASUI：平均均服務不不可用指指標AEN

18、S：平均均未供能能源1/17/202037電壓突升升指標比較較類似電電壓驟降降1/17/202038電壓裂痕痕1/17/202039暫態(tài)脈沖沖擊擊振蕩暫態(tài)態(tài)1/17/202040過電壓、欠電壓壓1/17/202041三相不對對稱NEMA定義IEEE定義正負序定定義瞬時定義義1/17/202042電能質量量的檢測測的基本本作用評價電網(wǎng)網(wǎng)和供電電點電能能質量的的優(yōu)劣調查干擾擾源的發(fā)發(fā)射干擾擾和敏感感用戶所所承受干干擾的手手段是供用雙雙方簽訂訂合同及及明確電電能質量量責任的的重要考考查依據(jù)據(jù)是進行電電能質量量治理的的先決條條件是電能商商品按質質定價的的技術依依據(jù)1/17/202043理想的電電能質量

19、量檢測算算法能夠獲得得信號的的準確頻頻譜特性性能夠準確確分析電電能質量量變化的的發(fā)生時時間算法得到到的系數(shù)數(shù)應該在在時域和和頻域上上具有明明確的的的物理意意義算法效率率要高，適用于于實時分分析1/17/202044電能質量量檢測算算法框圖圖1/17/202045研究現(xiàn)狀狀對于配電電網(wǎng)絡的的電能質質量分析析，主要要的問題題是配電電網(wǎng)中負負荷，尤尤其是新新型負荷荷的精確確數(shù)學建建模以及及如何利利用計算算機來實實現(xiàn)智能能建模；重要設備備的擾動動下異常常行為、性能變變化的分分析暫態(tài)電能能質量擾擾動在配配電網(wǎng)中中的傳輸輸特性及及其合理理的仿真真算法；擾動源的的辨識和和定位；電能質量量治理措措施；用戶電力

20、力技術CustomPower或或者配網(wǎng)網(wǎng)無功補補償技術術D-STATCOM在配電電網(wǎng)中的的應用效效果評判判。1/17/202046時Fourier變換與小波分分析的時時頻窗口口的對比比短時Fourier變換小波分析析1/17/202047原理結構構圖TMS320C5402 DSP Generation, Fixed PointDATAA/D1A/D2A/D3A/D4A/D5A/D6高速采樣SRAMFLASHCPLD串口通信（RS323/RS485）液晶顯示鍵盤輸入紅外通信時鐘EEPROM1/17/202048指定標準準的國際際組織組織簡單說明IEEE有多個工作組就測量、描述、術語、指標等多方面

21、進行研究，研究成果較公開。IEC主要研究諧波和電磁兼容問題，涉及測量、指標等方面，在歐洲應用的較為廣泛ANSI美國國家標準學會，近期主要是與IEEE等組織合作研究。SEMI半導體行業(yè)委員會，主要關注半導體處理裝置抗電壓驟降干擾問題CBEMAITIC國際商用制備制造聯(lián)合會和信息技術工業(yè)委員會，致力于信息終端設備受電壓驟降干擾的曲線和圖形化描述UIE電力應用國際聯(lián)合會UNIPEDE電能生產(chǎn)、輸配國際聯(lián)合會CENELEC歐洲電工標準化委員會CIGRE國際大電網(wǎng)會議CIRED國際配網(wǎng)會議U.S. Military美國軍方，主要從飛行器、船只、基地安全角度考慮FIPS美國聯(lián)邦信息處理標準委員會NFPA美

22、國國家防火協(xié)會，從防火和建筑安全角度考慮NIST美國國家標準化和技術學會ULUnderwriters實驗室BSI不列顛標準研究院1/17/202049基本功能能運行電量量的采集集、計算算和顯示示實時三相相電壓、電流有有效值；當前有有功功率率、無功功功率，總諧波波含量，三相電電壓不平平衡度，頻率；液晶屏屏幕首頁頁顯示當當前電量量數(shù)據(jù)。諧波分析析13次諧諧波或更更高次諧諧波監(jiān)測測，檢測測諧波畸畸變率；記錄各各次諧波波含量；記錄當當天發(fā)生生畸變嚴嚴重的時時刻。供電電壓壓偏差檢檢測和記記錄檢測并記記錄三相相電壓偏偏差；記記錄當天天發(fā)生嚴嚴重偏差差的時刻刻。三相電壓壓不平衡衡度檢測測和記錄錄記錄三相相電

23、壓不不平衡度度；記錄錄當天發(fā)發(fā)生嚴重重電壓不不平衡的的時刻。頻率偏差差檢測記錄當天天發(fā)生嚴嚴重頻率率偏離的的數(shù)據(jù)及及時間。瞬時電壓壓凹陷檢檢測檢測持續(xù)續(xù)時間10300ms的瞬瞬時電壓壓跌落。瞬時斷電電以及恢恢復次數(shù)數(shù)和時間間的紀錄錄記錄斷電電時刻/來電時時刻；記記錄斷電電次數(shù)，第一次次斷電和和最后來來電的時時間。竊電紀錄錄，提供供與電度度表數(shù)據(jù)據(jù)輸出的的連接口口具有電度度表功能能，顯示示電度數(shù)數(shù)值；監(jiān)監(jiān)測用戶戶是否有有竊電行行為。非正常電電量的記記錄、存存儲提供紅外外遙控數(shù)數(shù)據(jù)傳輸輸與外部部計算機機串口、并口通通訊;提供任意意移動閃閃存（U盤）通通訊接口口，下載載記錄的的數(shù)據(jù)。液晶顯示示、鍵盤

24、盤接口2擴展展功能暫態(tài)電能能質量檢檢測，包包括閃變變、電壓壓跌落等等；可配置GSM模模塊，實實現(xiàn)GSM通訊訊；利用已有有的通訊訊接口建建立多點點電能質質量網(wǎng)絡絡監(jiān)測系系統(tǒng)；配置分析析軟件，對保存存的故障障或非正正常數(shù)據(jù)據(jù)進行處處理及分分析；1/17/202050其它負荷曲線線；負荷持續(xù)續(xù)率用戶負荷荷率；用戶需要要系數(shù)；最大/最最小用電電負荷（有功、無功）；峰谷差。1/17/202051主要電能能質量標標準(IEEE/ANSI)標準號時間描述5191992電力系統(tǒng)諧波控制1433 D1999電能質量術語詞匯定義11591995電能質量監(jiān)測中的若干問題，包括數(shù)據(jù)采集、描述和數(shù)據(jù)格式1564 D20

25、02電壓驟降指標13461998評估具有電子處理設備的電力系統(tǒng)兼容性評估，從設計和規(guī)劃角度提出經(jīng)濟損失的計算方法12501995短暫電壓擾動下計算機等設備靈敏度分析，減緩擾動影響的方法等1421991工業(yè)和商業(yè)性電網(wǎng)的接地考慮4461995應急和備用電源的使用、設計和維護6021996醫(yī)療場所電源的設計和運行11001999電子設備的供電和接地實施15472003分布式電源電能質量考慮1453電壓閃變1409用戶電力改善電能質量1/17/202052主要電能能質量標標準(IEC)標準號描述61000-1-x有關電能質量的定義和一般方法61000-2-x電磁環(huán)境61000-3-x諧波污染限制61000-4-x測試和測量61000-5-x改善電