电能质量的分析与测量

电能质量的分析与测量

AnalysisandMeasurementoftheQualityofElectricEnergy

山东工业大学科苑公司(250061)　章山东工业大学电力学院(250061)　孙济南机械职工大学(250100)　孙

　艺

　怡　悦

【摘要】电力系统电网中逐渐增多的“污染性”负荷(如非

线性负荷、时变负荷等)正在使电网中的电流、电压出现越来越多的、显著的畸变。本文主要阐述了有关电能质量、电能质量的标准及其相关检测的方法等基本内容。关键词:电能质量,畸变,谐波,闪变

Abstract:Theeverincreasingnumberandpowerofpollutingloads(non2linear,time2variantloadsandsoon)connectedtotheelectricpowernetworkcauseasignificantdistortioninthelinevoltageandlinecurrent.Thequalityofelectricen2ergy,itsmeasurementmethodsandsoon,arediscussed.Keywords:qualityofelectricenergy,distortion,har2monics,flicker电力系统中存在一些时变负荷(如含有铁磁材料的电工设备),这类负荷的电气特性是随时间的变化而变化。根据流经该负荷的电流波动周期分解的傅立叶级数,可能不是基波的整数倍谐波,而是它的分数谐波(fractionalharmonics)或称为间谐波(interharmonics)。而低于工频的间谐波,通常称为次谐波(subharmonics)。例如时变电导G(t)=G0sinωgt表示的是一个电导随时间作正弦波规律变化的线性时变元件,它的I2U关系依然由欧姆定律确定,即i(t)=G(t)×u(t)。若元件两端电压为u(t)=2U1sinωtt,则流过此线性时变电导的电流为i(t)=2/2u1G0[cos(ω1-ωg)t-cos(ω1+ωg)t]。式中若ωg不是ω1的整数倍,则在此电流中就存在着间谐波或次谐波。在电力系统中,具有周期性或非周期性开关功能的各类电子器件,它们的电压和电流特性都属于此类情况,都可用一个时变元件来表示。

⑵短时间谐波。

变压器空载合闸时,会产生短时的冲击电流(励磁涌流)。例如由可控硅控制的轧钢机,当钢锭通过轧辊或电力机车、绞车启动时,都会产生短时间的冲击电流。这种电流称为短时间的谐波电流或快速变化的谐波电流。通常,这种谐波不是周期性变化的。从理论上讲,它不能用傅立叶级数来表示,而且它的分析比周期信号的谐波分析要复杂得多。1.1.2　谐波的危害

电网中谐波含量的增加,将导致电气设备的寿命缩短,网损加大,系统发生谐波谐振的可能性增加,严重时会造成危险的过电压、过电流。同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪表指示和电度计量不准、使通信系统受干扰等一系列问题。1.2　电压波动和闪变1.2.1　电压波动

电压波动(voltagefluctuation)是指工频电压包络线的一系列变动或周期变化。电压的快速波动会使电动机转速不均匀,这不仅危及电动机的安全运行,而且会

1　电能质量的基本概念　　所谓电能质量,是指将发电厂发出的电能,看作一种商品,从而对它的各种技术指标作出规定,以判断其是否合格。在理想的交流供电系统中,三相交流电压是平衡的,电压和电流的波形呈正弦波无畸变状态。然而,在实际情况下,电能在输送过程中会受到各种用电负荷的影响,到达用户的电能会偏离正弦波形而发生畸变。高压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉、电动机车等的应用,使电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压波动和闪变日趋严重。同时,由于上述负荷的存在,使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形,其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。当非正弦波形的电流在供电系统中传输时,将迫使沿途电压下降,其电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变。这种电能质量的下降会给电力系统和用电设备带来严重的危害。1.1　电力系统谐波及波形畸变1.1.1　谐波的定义和性质

国标规定,谐波是指对周期性交流进行傅立叶级数分解后得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量。

⑴间谐波和次谐波。

・62・《测控技术》2000年19卷第8期

在一定程度上影响一些产品的质量。三相电压允许不平衡度是指三相电力系统中三相

1.2.2　电压闪变不平衡的程度。造成三相电压不对称的原因较多,但

电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异主要有两类:一类是大容量非对称负荷的接入,如电力常的视觉感受,它通常是以白炽灯的工况作为判断。机车等;另一类是电网中的谐波造成三相不平衡。闪变可分为周期性和非周期性两种,前者主要是由于

2　电能质量的标准周期性的电压波动引起的,如往复式压缩机、电弧炉

等;后者往往与随机性电压波动有关,如电焊机等。干扰性负荷会引起电能质量的恶化,为了保证电网

影响闪变的其他因素还有照明装置、人的视感度和用电设备的安全运行,各先进工业国、国际组织都制等。通常人对照明变化需要有一定的视觉暂留时间,订了相应的电能质量标准。供电负荷的干扰其实质是高于或低于某一段频率的照明变化,普通人便察觉不电磁兼容(EMC)问题,即干扰发射者和干扰承受者能否到。若将载波电压的调幅波进行频谱分析,则会发现在同一电磁环境下都能正常运行,亦即它们是相互兼容它是由1/2f1(f1为基波电压频率)以下的低频成分所的。目前国际上流行的标准主要有IEC标准、UIE标准组成。在所有这些低频成分中,人眼对8.8Hz的电压等。我国也在1990～1995年之间相继颁布了《供电电压波动最为敏感。因此,IEC(InternationalElectrotechnical偏差》《电压允许波动和闪变》、《、公用电网谐波》以及Commission)标准以S=1(S为瞬时闪变视觉度)为察《电力系统频率允许偏差》的电能质量的有关标准。觉单位,对1/2以下的低频成分以8.8Hz为标准作归

3　电能质量的测量一化处理,并通过在S=1下的电压波动频率、电压波

动及视觉系数之间的关系将不同频率下的低频电压波电能质量虽然只有五个指标,但是需要计算的量动转化为一个特定频率(如8.8Hz)的电压波动,以该却很多。它们包括:电压有效值U;电流有效值I;系特定频率电压波动的限值作为判断是否发生闪变的标统频率f;三相有功功率P;三相无功功率Q;三相视

(以上我们称之为基本量);准,大于该限值则判断为发生了闪变;反之,则没有。在功率S;功率因数cosФ

由此可见,闪变与电压波动有着直接的关系,但由电流、电压的各次谐波分量及谐波总畸变率YHD;各于引起闪变的某些量值难以量化,而且它还需要对电次谐波含有率;电压波动值ΔV;反映电压闪变的Pst、压波动(调幅波)频谱分析度进行统计,因此对闪变的Plt和CPF以及三相电压不平衡系数εu等。计算远远比计算电压波动要复杂得多。到目前为止还3.1　基本量的测量没有准确计算闪变的公式。由于对电能质量的检测信号大都是高度畸变,在1.3　电能质量的其他几个指标这种情况下,一般感应式电压表、电流表、瓦特表、功率

除了上面介绍的电力系统谐波、电压波动和闪变因数表以及相位表都不能作出精确的测量。所以对上之外,电能质量还包括电压允许偏差、电力系统频率允述基本量的检测目前常采用数字式采样原理的仪表,许偏差以及三相电压允许不平衡度等指标。下面将作以充分利用数字信号运算法及微处理器的长记忆和运简单介绍。算能力,对多种量值作出较为精确的测量。1.3.1　电压允许偏差3.1.1　电压偏差的测量

电压允许偏差是指电力系统在正常运行的条件为检测电压偏差,需要进行电压有效值的计算。下,供电电压对额定电压的偏差。考虑到输入信号含有谐波分量,输入电压瞬时值和电

电网用户负荷一般由异步电动机、同步电动机、电压有效值可通过下式求出

HH热电炉、整流和照明设备等组成,其中异步电动机占的

2

ωU=2∑Uksin(kt+θUkk),　Urms=∑比例最大。当电动机轴端负荷为恒定时,电压减少k=1k=1

　　另外,还可以用离散求和的方法得到。在求出电10%,则滑差约增大0.6%;负荷率为85%的电动机,

力系统各相电压的有效值后,利用电压偏差计算公式,电压降低10%～15%时则可能失去稳定。国标GB755

就不难得到被测的电压偏差值。规定,电动机在额定频率下电源电压的偏差不超过

3.1.2　频率偏差的测量±5%时才能维持额定出力。

电网频率的测量计算通常都是通过测量周期的方1.3.2　电力系统频率允许偏差

法来实现的。该方法是通过硬件检测输入波形的过零频率允许偏差是指电力系统频率的实际值和标称

点,控制计数器计数以实现频率偏差的测量。这种方值(50Hz)之差。国标GB1980规定,电力供电系统及

法的优点是编程方便,其主要缺点是:当输入信号谐波设备的额定频率允许偏差为±1%(即±0.5Hz)。

较多时,测量误差较大。1.3.3　三相电压允许不平衡度

电能质量的分析与测量

另外还有一种测量方法,该方法对用交流采样法得到的采样数据进行数字滤波,滤出其中的基波后,通过检测波形过零点的时刻,进而求得相应周期T。在此基础上,只要求出T的倒数就可以得出电网的频率。采用这种方法只要保证采样速率足够高,即可以使测量及算法具有很高的精度和效率。3.1.3　功率因数的测量

电能质量标准中尽管不包含各种功率及功率因数的检测指标,但功率因数作为电力系统的一个重要参数,在各种电能质量监测装置中总是要相应求出并加以显示。

功率因数cosΦ是通过有功功率P和视在功率S求出。其中有功功率P定义为

P=

・63・

电网电压u(t)经过平方后,再通过滤波器去除直流分量和两倍2频分量,可以提取调幅波^u(t)。所以与其他检波方法相比,平方检波应用更为广泛。

对电压闪变的检测,通常是以模拟方式进行的。IEC已经给出了闪变检测仪的设计标准,但它对数字检测方法没有具体的指导,但只要符合要求,采用数字式方法也是可以的。另外,由于闪变被测信号的动态范围较大,模拟技术对电路要求较高,实现起来难度较大。而采用数字化技术则可以妥善解决这类问题,并能保证有足够的精度。

目前,电压闪变检测仪大多是由微处理器构成的数字信号处理装置。这些仪器能够通过数字滤波器等装置对检测到的电压和电流信号的调幅波进行FFT分析、处理,求出其平均值,并与闪变察觉曲线相比较,以此判断是否发生闪变。3.4　三相电压不平衡的测量对于三相不平衡系统的检测,常用方法是利用对称分量法把三相量分解为三组对称的正序、负序、零序分量。并以负序分量与正序分量之比作为三相电压不对称度。三相电既可以指三相电压,也可以指三相电流。但无论U、I都是工频电压或工频电流。因此计算三相不平衡之前应先对被测三相电压或电流进行滤波得到相应电压或电流的基频分量,然后利用对称分量计算出负序和正序分量,从而得到三相不对称度εu或εi(电压及电流计算正序及负序分量公式推导从略)。

εu=

U2I2ε×100%,　×100%i=U1I1

1T

∫t

0

t+T

0

P(t)dt=

1T

∫u(t)i(t)dt

t

0

t+T0

　　在监测时,必须同时对电流和电压采样才能保证P的正确性。其视在功率定义为S=U3I,其中U、I分别为电压、电流的有效值。在求出有功功率和视在功率后就可以方便地求出cosΦ=P/S。3.2　谐波的测量

谐波测量通常是先利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波(电压或电流)的幅值和相角,然后由相应公式可以方便地求出总谐波畸变率THD、谐波功率Pn、谐波阻抗Zn等值。对于不同的谐波,有着不同的分析方法。对于稳态谐波通常采用FFT算法、FHT算法以及离散ω变换等;对于暂态谐波,则有改进的FFT分析及小波变换等。3.3　电压波动和闪变的测量3.3.1　电压波动的测量

电压波动的测量通常采用以下方式:在1min内测量各个周波(20ms)的有效值,然后对上述有效值进行比较,取最大的差值(Umax-Umin)再乘以2,再除以额定电压,即是电压波动值。3.3.2　电压闪变的测量

我国于1990年颁布的《电能质量电压允许波动和闪变》,采用了ΔV10标准,即把电压波动的调幅波进行FFT分析后,分别乘以相应的视感度系数,化为电压波动调幅波在10Hz时的值。而实际上,人眼对电压波动频率在8.8Hz时最为敏感,因此IEC标准推荐使用ΔV8.8标准,该标准目前已逐渐被国际社会认可。我国目前已对原有的标准进行了修改,使之符合IEC标准,并由此产生相应的检测方法。

电网电压的波动可以看成是由正弦波工频电压作为载波信号,被一个频率在几分之一赫兹到二十几赫兹低频信号进行处理的结果。故对闪变的测量离不开对调幅波的检测。目前有几种常用的检波方法,如平方检波、整流检波和有效值检波。其中平方检波是使

其中,U1、I1为电压、电流正序分量的有效值;U2、I2为

电压、电流负序分量的有效值。

4　结论

由于电能质量的不断恶化和电力市场的逐步形成,使人们对电能质量的优劣越来越重视。因此对电能质量进行有效地分析和检测不仅必要而且十分迫切。从检测的方法上看,电能质量指标中基本量的分析、计算和检测已经比较成熟,对谐波的分析计算主要使用FFT算法进行稳态谐波的计算。电压波动和闪变的计算大都以IEC标准作为参考进行计算。

参考文献

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(收稿日期:2000-07)□