電能質量受電壓偏差與頻率偏差的影響：

1 電壓偏差與頻率偏差

電壓偏差即為實際供電電壓與額定供電電壓之間的差值。引起電壓偏差的因素有無功功率不足、無功補償過量、傳輸距離過長、電力負荷過重等，其中無功功率不足和無功過剩是造成電壓偏差的主要原因。隨著負荷增長和電力市場的開放,電壓偏差越來越受到電力部門的重視。

在穩態條件下,各發電機同步運行,整個電力系統的頻率可以視為相同。頻率是一個全系統一致的運行參數。電力系統頻率偏差是指電力系統內的實際頻率與標稱頻率之間的偏差。引起電力系統頻率偏差的主要原因是負荷的波動,主要包括變化周期在10s～3min的負荷脈動和變化十分緩慢的持續變動分量且帶有周期規律的負荷。頻率對電力系統負荷的正常工作有廣泛的影響,系統某些負荷以及發電廠廠用電負荷對頻率的要求非常嚴格。要保證用戶和發電廠的正常工作就必須嚴格控制系統頻率,使系統頻率偏差控制在允許范圍之內。

1.1電力系統電壓與頻率偏差造成的影響

1.1.1電力系統電壓偏差的影響

用電設備是按照額定電壓進行設計、制造的。如照明常用的白熾燈、熒光燈,其發光效率、光通量和使用壽命均與電壓有關。圖1中的曲線表示白熾燈和熒光燈端電壓變化時,其光通量、發光效率和壽命的變化。白熾燈對電壓變動很敏感。從圖1中可看出,當電壓較額定電壓降低5%時,白熾燈的光通量減少18%;當電壓降低10%時,光通量減少30%,照度顯著降低。當電壓較額定電壓升高5%時,白熾燈的壽命減少30%;當電壓升高10%時,壽命減少50%,這將使白熾燈損壞的數量顯著增加。

許多家用電器(如洗衣機、電風扇、空調機、電冰箱、抽油煙機等)內的單相異步電動機,電壓過低會影響電動機的起動,使轉速降低、電流增大,甚至造成繞組燒毀的后果;電壓過高,有可能損壞絕緣或由于勵磁過大而發生過電流。

1.1.2對電力系統穩定運行的影響

電力系統維持同步運行的能力與電網電壓水平有很大的關系,即：

式中　P：三相功率

E：發電機電動勢

U ：系統線電壓

δ：E、U之間相位角

XΣ：線路總阻抗

式( 1)稱為單機無窮大系統功角特性。當電力系統結構確定, 即XΣ 已確定的情況下,提高系統電壓及發電機電動勢(發電機端電壓也相應提高)就能大大提高系統的靜態穩定極限。

1.1.3對電網經濟運行的影響

輸電線路和變壓器在輸送功率不變的條件下,流過電流大小與運行電壓成反比。電網低電壓運行,會使線路和變壓器電流增大。線路和變壓器繞組的有功損耗與電流平方成正比,因此低電壓運行會使電網有功功率損耗和無功功率損耗大大增加,增大了電力傳輸的成本。

1.2電力系統頻率偏差的危害

1.2.1系統低頻率運行對負荷的影響

系統頻率特性隨運行工況的不同和負荷組成比例的變化而不同。不同的系統有不同的特性,即使同一系統, 在不同的季節甚至不同的時段內, 特性也有不小的差別。我國各地多次的系統頻率特性試驗綜合結果為:在50 Hz系統中,頻率每變化0.1Hz,負荷功率變化0.02 %～0.06 %。

1.2.2電力系統高頻率運行的危害

當電力系統運行頻率高于額定值,但不超出正常運行允許上限時,短期內對電力系統的安全不會造成威脅,但也和低頻率運行一樣,對運行設備有一定的累積損傷。從經濟方面考慮,高頻率運行既浪費了一次能源又減低了效率。對生產設備運轉速度要求嚴格的用戶來說,高頻率運行降低了產品的質量。當電力系統頻率超出正常運行允許上限值時,旋轉機組將超速運行,轉子上的線圈綁線和原動機轉子上的葉片在超出正常轉速10 %以上就可能從轉子上甩出,發電機定子端部也很可能因超速過電壓的沖擊而受損,電動機轉子也會發生類似的損傷。

1.3 治理電壓與頻率偏差超標的對策

1.3.1治理電壓偏差超標的對策

電壓偏差超標治理的主要對策是采取各種調壓手段和方法,在各種不同運行方式下,使用戶的電壓偏差符合國家標準。主要包括以下幾種電壓調整方式。

1)中樞點電壓管理

電力系統電壓的監視和調整可以通過對中樞點電壓的監視和調整來實現。所謂中樞點,是指電力系統中可以反映系統電壓水平的主要發電廠和變電站的母線,很多負荷都由這些母線供電。若控制了這些中樞點的電壓偏差,也就控制了系統中大部分負荷的電壓偏差。根據電網運行經驗,為了滿足中樞點供電電力用戶的電壓要求,一定電壓等級的線路的供電距離和供電容量是有一定范圍的。對于中樞點的電壓調整,也可根據電力網的不同性質,大致確定一個中樞點電壓的變動范圍。

2)發電機調壓

發電機不僅是有功電源,而且也是無功電源,有些發電機還能通過進相運行吸收無功功率,所以可用調整發電機端電壓的方式進行調壓。現在的同步發電機都裝有自動勵磁調節設備,其主要功能是自動調整發電機的機端電壓、分配無功功率,提高發電機同步運行的穩定性。按規定,發電機可以在其額定電壓的95% ～105%范圍內保持以額定功率運行。這是一種充分利用發電機設備,不需額外投資的調壓手段。

3)變壓器調壓

電廠主變和廠變一般采用無載調壓，備變一般情況下采用有載調壓，分接頭數量不定3～7個之間，主變的分接頭通常由上級電網調度管理，廠用變分接頭由電廠調度進行管理。變壓器調壓需要兼顧高壓母線電壓和電廠自身的廠用電電壓在合格范圍內。變壓器調壓是充分利用設備本身的調節電壓的能力，不需要額外投資，應當充分利用這一優勢。

4）改變電網無功功率分布調壓

當線路、變壓器傳輸功率時,會產生電壓損耗。因而如果能改變線路、變壓器等電網元件上的電壓損耗,也就改變了電網各節點的電壓大小。由電壓損耗表達式ΔU = ( PR +QX ) /U 可知,要改變電壓損耗有2種辦法:一種是改變網絡參數,如串聯電容,利用串接的電容、電感上電壓相位差180°的特點,抵消部分電抗;

另一種是改變電網元件中傳輸的功率。

1.3.2 治理頻率偏差超標的對策

治理電力系統頻率偏差超標的主要對策是通過自動或手動方式調整發電機組的調頻器,調節電網中的頻率達到一個新的平衡點,進而使電網中的頻率偏差符合國家標準。頻率調整一般包括一次調整和二次調整。

1)頻率的一次調整

發電機組原動機的頻率特性和負荷頻率特性的交點就是系統的原始運行點,如圖2 中點O。

設在點O運行時,負荷突然增加ΔPLO ,即負荷的頻率特性突然向上移動ΔPLO ,則由于負荷突增時發電機組功率不能及時隨之變動,機組將減速,系統頻率將下降。在系統頻率下降的同時,發電機組的功率將因它的調速器的一次調整作用而增大,負荷的功率將因它本身的調節效應而減少。前者沿原動機的頻率特性向上增加,后者沿負荷的頻率特性向下減少,經過一個衰減的振蕩過程,抵達一新的平衡點,即圖2中點O′。

2)頻率的二次調整

當負荷變動周期較長、幅度較大時,需要借助二次調整。頻率的二次調整就是手動或自動地操作調頻器使發電機組的頻率特性平行地上下移動,從而使負荷變動引起的頻率偏移可保持在允許范圍內。頻率的二次調整如圖3所示。

在圖中,如不進行二次調整,則在負荷增大ΔPLO后,運行點將轉移到O′, 即頻率將下降為fO′, 功率將增加為PO′。在一次調整的基礎上進行二次調整就是在負荷變動引起的頻率下降Δf′越出允許范圍時,操作調頻器,增加發電機組發出的功率,使頻率特性向上移動。設發電機組增加ΔPGO,則運行點又將從點O′轉移到點O″。點O″對應的頻率為fO′,功率為PO″,即由于進行了二次調整, 頻率降低由僅有一次調整時的Δf′減少為Δf″,可以供應負荷的功率則由僅有一次調整時的PO′增加為PO″。顯然,由于進行了二次調整,系統的運行質量得到了改善。