1、電能質(zhì)量概述與節(jié)能案例分析電能質(zhì)量概述與節(jié)能案例分析 于景定 高級工程師/高級能源管理師 青海電力節(jié)能服務(wù)有限責(zé)任公司電能質(zhì)量概論電能質(zhì)量概論 電能既是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式，又是一種由電力部門向電力用戶提供，并由供、用雙方共同保證質(zhì)量的特殊產(chǎn)品。電能質(zhì)量基本要求電能質(zhì)量基本要求 為保證電能安全經(jīng)濟(jì)地輸送、分配和使用，理想供電系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)具有如下基本特性： （1）以單一恒定的電網(wǎng)標(biāo)稱頻（50Hz或60Hz，我國采用50Hz）、規(guī)定的若干電壓等級（如配電系統(tǒng)一般為110kV,35kV,10kV,380V/220V）和以正弦函數(shù)波形變化的交流電向用戶供電，并且這些運(yùn)

2、行參數(shù)不受用電負(fù)荷特性的影響。 （2）始終保持三相交流電壓和負(fù)荷電流的平衡。用電設(shè)備汲取電能應(yīng)當(dāng)保證最大傳輸效率，即達(dá)到單位功率因數(shù)，同時各用電負(fù)荷之間互不干擾。 （3）電能的供應(yīng)充足，即向電力用戶的供電不中斷，始終保證電氣設(shè)備的正常工作與運(yùn)轉(zhuǎn)，并且每時每刻系統(tǒng)中的功率供需都是平衡的。 電能質(zhì)量三要素電能質(zhì)量三要素 上述理想供電系統(tǒng)的基本特性構(gòu)成了供電運(yùn)行對電能質(zhì)量的基本要求，如果將其概括描述可如圖1-1所示。電能質(zhì)量特征電能質(zhì)量特征1、電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量始終處在動態(tài)變化中。2、電力系統(tǒng)是一個整體,其電能質(zhì)量狀況相互影響。電能不易儲存，其生產(chǎn)、輸送、分配和轉(zhuǎn)換直至消耗幾乎是同時進(jìn)行的。3、電能

3、質(zhì)量擾動具有潛在危害性與廣泛傳播性。4、有些情況下用戶是保證電能質(zhì)量的主體部分。5、對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評估非常困難。6、控制和管理電力系統(tǒng)電能質(zhì)量是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求1）電力系統(tǒng)擴(kuò)張與聯(lián)網(wǎng)逐漸形成，系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和可靠性要求不斷提高。2）在保證電力系統(tǒng)一定的自然壟斷特性的條件下，強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)意識與提高信息管理水平已經(jīng)勢在必行。3）電力系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合更加緊密，采用高新技術(shù)（如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow）以提高電力傳輸能力和實(shí)現(xiàn)配電自動化的趨勢方興未艾。4）電力用戶為滿足其對產(chǎn)品的個性化、多樣性生

4、產(chǎn)的需求，從最大經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，在大功率沖擊性、非線性負(fù)荷容量迅速增長的同時，更大規(guī)模地采用科技含量高的器件、設(shè)備與技術(shù)。負(fù)荷類型負(fù)荷類型第一種負(fù)荷分為三類：普通負(fù)荷、敏感負(fù)荷和重要（要求嚴(yán)格的）負(fù)荷。第二種負(fù)荷可分為：感性負(fù)荷、純阻性負(fù)荷、容性負(fù)荷和磁性負(fù)荷。電能質(zhì)量起因電能質(zhì)量起因電能質(zhì)量定義電能質(zhì)量定義從普遍意義上講，電能質(zhì)量是指優(yōu)質(zhì)供電。 電力部門可能把電能質(zhì)量定義為電壓、頻率的合格率以及連續(xù)供電的年小時數(shù)，并且用統(tǒng)計(jì)數(shù)字來說明電力系統(tǒng)是安全可靠運(yùn)行的。 電力用戶則可能把電能質(zhì)量簡單定義為是否向設(shè)備提供了合格電力。電能質(zhì)量類型電能質(zhì)量類型電流質(zhì)量：電流質(zhì)量與電壓質(zhì)量密切相關(guān)。電流質(zhì)量包括

5、電流諧波、間諧波或次諧波、電流相位超前或滯后、噪聲等。 供電質(zhì)量：它包括技術(shù)含義（電壓質(zhì)量和供電可靠性）和非技術(shù)含義（供電部門對用戶投訴與抱怨的反應(yīng)速度和電力價(jià)目的透明度等）。 用電質(zhì)量：它包括電流質(zhì)量和非技術(shù)含義等，如用戶是否按時，如數(shù)繳納電費(fèi)等。電壓質(zhì)量：給出實(shí)際電壓與理想電壓間的偏差，以反映供電部門向用戶分配的電力是否合格。電壓質(zhì)量通常包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電壓瞬變現(xiàn)象、電壓波動與閃變、電壓暫降（暫升）與中斷、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過電壓等。電能質(zhì)量表現(xiàn)形式電能質(zhì)量表現(xiàn)形式n瞬變現(xiàn)象n短時間電壓變動n長時間電壓變動n電壓不平衡n波形畸變n電壓波動n工頻變化一、瞬變

6、現(xiàn)象一、瞬變現(xiàn)象 關(guān)于瞬變現(xiàn)象，IEEEStd100-1992電氣與電子標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語詞典有一個含義更寬、描述更簡單的定義：變量的部分變化，且從一種穩(wěn)態(tài)狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中該變化逐漸消失的現(xiàn)象。瞬變現(xiàn)象兩種普遍類型瞬變現(xiàn)象兩種普遍類型沖擊和振蕩沖擊和振蕩1、沖擊性瞬變現(xiàn)象沖擊性瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流非工頻的、單極性的突然變化現(xiàn)象。最常見引發(fā)其的原因 是雷電。如圖1-5 示。2. 振蕩瞬變現(xiàn)象 振蕩瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流的非工頻、有正負(fù)極性的突然變化現(xiàn)象。常用頻譜成分、持續(xù)時間、和幅值大小來描述其特性。其頻譜分為高、中、低頻，如表1-2所示。高頻振蕩現(xiàn)象中頻振蕩現(xiàn)象

7、低頻振蕩現(xiàn)象二、二、 短時間電壓變動短時間電壓變動 包括電壓暫降和短時間電壓中斷現(xiàn)象。 造成電壓變動的主要原因是系統(tǒng)故障、大容量負(fù)荷啟動或電網(wǎng)松散連接的間歇性負(fù)荷運(yùn)作。根據(jù)所在系統(tǒng)條件和故障位置的不同，可能引起暫時過電壓或電壓跌落，甚至使電壓完全損失。三、長時間電壓變動三、長時間電壓變動 長時間電壓變動是指，在工頻條件下電壓均方根值偏離額定值，并且持續(xù)時間超過1min的電壓變動現(xiàn)象。 長時間電壓變動可能時過電壓也可能欠電壓。 過電壓 欠電壓 持續(xù)中斷四、電壓不平衡四、電壓不平衡 電壓不平衡，時常定義為與三相電壓（或電流）的平均值的最大偏差，并且用該偏差與平均值的百分比表示。電壓不平衡也可利用對

8、稱分量法來定義，即用幅負(fù)序或零序分量與正序分量的百分比加以衡量。圖113給出了采用上述兩種比值表示的某一民用潰電網(wǎng)一周內(nèi)電壓不平衡趨勢。五、波形畸變五、波形畸變 波形畸變，是指電壓或電流波形偏離穩(wěn)態(tài)工頻正弦波形的現(xiàn)象，可以用偏移頻譜描述其特征。波形畸變有五種主要類型，即直流偏置、諧波、間諧波、陷波、噪聲。 諧波畸變水平的描述方法，通常用具有各次諧波分量幅值和和相位角的頻譜表示。圖114給出了典型變速驅(qū)動輸入電流波形和頻譜圖。 六、電壓波動六、電壓波動 電壓波動是指電壓包絡(luò)線有規(guī)則的變化或一系列隨機(jī)電壓變動。通常，其幅值并未超過ANSI C84.11995電力系統(tǒng)與設(shè)備電壓等級規(guī)定的0.91.1

9、p.u.范圍。IEC1000331994低壓供電系統(tǒng)電壓波形和閃變限值（額定電流16A的設(shè)備）則定義了多種類型的電壓波動。七、工頻變化七、工頻變化把電力系統(tǒng)基波頻率偏離規(guī)定正常值的現(xiàn)象定義未頻率變化。工頻頻率的值與向系統(tǒng)供應(yīng)電能的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度直接相關(guān)。大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)極少出現(xiàn)頻率大的波動。有時人們會把陷波和頻率偏差弄錯。電能質(zhì)量的數(shù)學(xué)分析方法電能質(zhì)量的數(shù)學(xué)分析方法 電能質(zhì)量主要的分析方法可以分為時域、頻域和基于數(shù)學(xué)變換的分析方法 三種。時域仿真方法在電能質(zhì)量分析中應(yīng)用最為廣泛。頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量中諧波問題?；跀?shù)學(xué)變換的方法主要指傅立葉變換方法、短時傅立葉變換方法、矢量變換方法

10、以及小波變換方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法。供電電壓偏差供電電壓偏差 n電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其中電壓偏 差是衡量供電系統(tǒng)正常運(yùn)行與否的一項(xiàng)主要指 標(biāo)。電壓偏差定義電壓偏差定義 n供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(通常，電力系統(tǒng)的額定電壓采用標(biāo)稱電壓去描述，對電氣設(shè)備則采用額定電壓的術(shù)語)之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。n供電電壓正常運(yùn)行方式是指系統(tǒng)中所有電氣元件均按預(yù)定工況運(yùn)行。供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，負(fù)荷時刻發(fā)生著變化，系統(tǒng)的運(yùn)行方式也經(jīng)常改變，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓隨之發(fā)生改變，會偏離系統(tǒng)電壓額定值。電壓的這種變化是緩慢的，其每秒電壓變化率小于額定

11、電壓的1%。供電電壓正常運(yùn)行方式供電電壓正常運(yùn)行方式電壓偏差的限值電壓偏差的限值n35kV及以上供電電壓的正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號時(均為正或負(fù)),按較大的偏差絕對值作為衡量依據(jù)。n(2)10kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的7%。n(3)220V單相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的+7%、-10%。電壓偏差產(chǎn)生的原因電壓偏差產(chǎn)生的原因 n電力系統(tǒng)中的負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)組的出力隨時發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著運(yùn)行方式的改變而改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏離標(biāo)稱值的根本原因。 n在系統(tǒng)運(yùn)行中的任何時刻，無

12、功電源供給的無功功率與系統(tǒng)需求的無功功率相等。系統(tǒng)無功功率不平衡意味著將有大量的無功功率流經(jīng)供電線路和變壓器，由于線路和變壓器中存在阻抗，造成線路和變壓器首末端電壓出現(xiàn)差值。以供電線路為例來說明無功功率與電壓損失的關(guān)系。電力系統(tǒng)的無功功率平衡電力系統(tǒng)的無功功率平衡線路的輸送距離和輸送容量線路的輸送距離和輸送容量電壓偏差過大的危害電壓偏差過大的危害 1、對用電設(shè)備的危害 所有用戶的用電設(shè)備都是按照設(shè)備的額定電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的。當(dāng)電壓偏離額定電壓較大時，用電設(shè)備的運(yùn)行性能惡化，不僅運(yùn)行效率低，很可能會由于過電壓或過電流而損壞。 輸電線路的輸送功率受功率穩(wěn)定極限的限制，而線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似

13、與線路的電壓平方成正比。 系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏低時 缺乏無功電源時 頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定破壞時 系統(tǒng)運(yùn)行電壓過高造成系統(tǒng)解列導(dǎo)致電壓崩潰也會威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行給生產(chǎn)生活到來損失2、對電網(wǎng)的危害電能質(zhì)量治理兩種技術(shù)途徑電能質(zhì)量治理兩種技術(shù)途徑n無功補(bǔ)償n諧波治理無功補(bǔ)償（按電壓分類）無功補(bǔ)償（按電壓分類）n高壓補(bǔ)償，6kV以上；n低壓低壓補(bǔ)償，0.4kV以下；n對于鐵合金行業(yè)來說，還存在中壓補(bǔ)償（10kV）的概念。無功補(bǔ)償（按補(bǔ)償接入點(diǎn)）無功補(bǔ)償（按補(bǔ)償接入點(diǎn)）n集中補(bǔ)償（解決力調(diào)電費(fèi)的辦法）n分散補(bǔ)償（小系統(tǒng)的無功優(yōu)化）n就地補(bǔ)償（無功就地平衡途徑）無功補(bǔ)償（按補(bǔ)償裝置的特性）n靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置（如F

14、C，接觸器投切）n動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC，SVG）nTSC：晶閘管投切電容器組；nTCR：晶閘管投切電容器電抗器組；nSVG：靜止無功發(fā)生器；諧波分類諧波分類n諧波分為：低次、高次；n諧波分為：奇次、偶次；n諧波分為：諧波電壓、諧波電流；n如采用雙向晶閘管（可控硅）鍛造加熱爐，就產(chǎn)生偶次諧波，不常見。）諧波治理諧波治理n無源濾波裝置（針對產(chǎn)生諧波的次數(shù)進(jìn)行濾波，采用的是LC結(jié)構(gòu)，治理率60%，主要用于高壓諧波治理）n有源濾波裝置（檢測電網(wǎng)存在的諧波次數(shù)及波形，發(fā)射一種與之相反的波形，進(jìn)行相互抵消，治理率90%以上，主要用于低壓系統(tǒng)。）電能質(zhì)量綜合治理電能質(zhì)量綜合治理nAPF（電力有源濾波器）

15、n電能質(zhì)量綜合治理是指低壓系統(tǒng)，既有不規(guī)則諧波的發(fā)生，有存在大量無功需求，治理時需要雙重考慮，就需要采用APF。諧波與無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)系諧波與無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)系n電容是諧波的放大源之一。無功補(bǔ)償與諧波治理的目的無功補(bǔ)償與諧波治理的目的n提高功率因數(shù)，減少系統(tǒng)無功損耗；n提升電能質(zhì)量，提高用電安全；n節(jié)約電量，節(jié)約電力建設(shè)；n主要是強(qiáng)調(diào)節(jié)約電量與節(jié)約電力建設(shè)節(jié)約電力建設(shè)的體現(xiàn)節(jié)約電力建設(shè)的體現(xiàn)n功率因數(shù)可理解為電能的使用效率；n提高功率因數(shù)，減少無功損耗，就是增加了供電設(shè)備、線路的余量，間接給了設(shè)備與線路進(jìn)行了增容。節(jié)約電量節(jié)約電量n力調(diào)電費(fèi)的問題n降低無功損耗（各種損耗的降低）n降低有功損耗n無功經(jīng)濟(jì)

16、當(dāng)量降低有功損耗降低有功損耗功率因數(shù)下降值功率因數(shù)下降值0.950.950.90.90.850.850.80.80.750.750.70.70.650.65有功損耗增加（有功損耗增加（% %）11112323383856567878104104136136功率因數(shù)提高值功率因數(shù)提高值0.60.60.650.650.70.70.750.750.80.80.850.850.900.90有功損耗降（有功損耗降（% %）6060535346463838292920201010功率因數(shù)提高到0.95對降低有功功率損耗的影響見下表 功率因數(shù)從0.95降低到下表值功率損耗增加的百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系見下表 無功經(jīng)

17、濟(jì)當(dāng)量無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量發(fā)電廠直配線供電時0.03二級變壓供電時0.06三級變壓供電時0.09例如：由發(fā)電廠直配線供電的工廠企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較時，無功補(bǔ)償減少100kvar無功功率，可折算成減少有功功率3kW;若是二級變壓供電的工廠，可以折算成6kW有功損失；三級變壓供電時，折算成9kW有功損失。 案例一案例一 海南州某礦業(yè)公司海南州某礦業(yè)公司存在的主要問題存在的主要問題n1、現(xiàn)場調(diào)查階段，10kV母線電壓只有9.2kV，低壓側(cè)在365V，電壓值明顯偏低；n2、二期高壓電機(jī)啟動，會造成由變頻控制的電機(jī)由于系統(tǒng)欠壓跳機(jī)；n3、二期只能一條生產(chǎn)運(yùn)行，兩條生產(chǎn)線同時運(yùn)行時，10kV母線電壓只有7kV，

18、嚴(yán)重偏低，導(dǎo)致不能正常生產(chǎn)。n總體分析：系統(tǒng)無功損耗過大，需要進(jìn)行系統(tǒng)性動態(tài)無功補(bǔ)償配置，減少線路壓降，提高供電質(zhì)量，節(jié)省電費(fèi)支出。導(dǎo)致原因?qū)е略騨1、貴單位采用的無功補(bǔ)償為普通型，不是高海拔型，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定與電氣參數(shù)會產(chǎn)生一定的影響；n2、一期的系統(tǒng)無功基本上通過0.4kV的集中補(bǔ)償?shù)玫搅私鉀Q，但考慮到系統(tǒng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定與提升，還是需要從負(fù)荷端進(jìn)行處理，減少低壓系統(tǒng)的無功，整體的提升供電質(zhì)量；n3、二期的問題主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：n1）兩臺475kW的高壓球磨機(jī)沒有補(bǔ)償，通過現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，該負(fù)荷的功率因數(shù)在0.70，無功太大；n2）1600kVA變壓器的電容補(bǔ)償配置偏小，只有480k

19、var，對于1200kW的負(fù)荷來說，補(bǔ)償量設(shè)計(jì)明顯偏小，需要系統(tǒng)性增加一部分；n3）需要從負(fù)荷端進(jìn)行處理，減少低壓系統(tǒng)的無功，整體的提升供電質(zhì)量。解決方案解決方案n對兩臺475kW的高壓電機(jī)及10kV電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償；n對全廠37kW及其以上的電機(jī)進(jìn)行就地補(bǔ)償，使得無功就地平衡，不發(fā)生到電網(wǎng)上（變頻控制除外）；n對二期1600kVA變壓器增加一組320kvar高海撥低壓動態(tài)電容補(bǔ)償裝置。 經(jīng)濟(jì)效益分析經(jīng)濟(jì)效益分析（55kW55kW水泵就地補(bǔ)償為例）水泵就地補(bǔ)償為例）n一臺55kW循環(huán)水泵，年運(yùn)行時間8000小時，現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)如下：有功P=48.7kW，電壓U=372V，電流I=100.78A，

20、功率因數(shù)0.75，將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95，求補(bǔ)償容量？年節(jié)約電量？n補(bǔ)償容量 Qc=aP(tg1-tg2)=26kvarna負(fù)荷系數(shù)；tg1補(bǔ)償前功率因數(shù)角正切；tg2補(bǔ)償后功率因數(shù)角正切值。n選擇電容配置（10+20）kvar的智能型就地?zé)o功優(yōu)化裝置n節(jié)約電量計(jì)算：n根據(jù)無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量系數(shù)表K值取0.09，55kW電機(jī)每小時減少的無功損耗為26kvar，n補(bǔ)償系數(shù)為0.85，年節(jié)約的電量為：n26kvar*0.09*0.85*8000=15912kWh案例二案例二 某鉀肥廠某鉀肥廠n110kV專線，線路距離150公里以上；n一邊生產(chǎn)，一邊建設(shè)，由于線路過長，受自然災(zāi)害影響，會出現(xiàn)負(fù)荷波動，以

21、及低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)；n110kV變電站采用三繞組變壓器，110kV進(jìn)線，出線35kV/10kV， 35kV/10kV都有負(fù)荷，無功補(bǔ)償在10kV側(cè)；n無功配置為2M電抗，6M電容（分三組），手動投切。n0.4kV側(cè)的無功補(bǔ)償基本配置到位，但由于質(zhì)量原因均沒有正常使用。存在的主要問題存在的主要問題n存在力調(diào)電費(fèi)問題；n0.4低壓側(cè)功率因數(shù)低于0.60；解決方案解決方案n在10kV側(cè)增設(shè)一臺4M的SVG(動態(tài)無功補(bǔ)償)或MCR（磁控電抗器），將原先FC運(yùn)行納入SVG控制范疇；n將0.4kV低壓側(cè)的無功補(bǔ)償重新、合理配置，正常投入運(yùn)行使用。案例三案例三 某礦業(yè)公司某礦業(yè)公司n供配電系統(tǒng)為110kV/6kV，動力負(fù)荷占90%以上；n由于公司建設(shè)得比較早，所以供用電設(shè)備老舊，部分設(shè)備進(jìn)入了國家強(qiáng)制性淘汰目錄；n公司整體的配電網(wǎng)絡(luò)來看，哪里需要用電就從哪里接，缺少足夠的規(guī)劃，導(dǎo)致變壓器的配置不合理；n0.4kV側(cè)變壓器無功補(bǔ)償配置不到位；n由于公司沒有二級或三級計(jì)量，所有沒有辦法對整個供配電系統(tǒng)的線路及變壓器的損耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；解決方案解決方案n對需要淘汰的設(shè)備進(jìn)行合理性淘汰；n對0.4kV側(cè)變