（控制科学与工程专业论文）300ka级铝电解供电网谐波检测方法与应用研究.pdf

摘要 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置和非线性元 件，特别是各种变流装置在电力系统中的广泛应用，谐波所造成的 危害日趋严重，谐波在线检测和治理也越来越引起人们的充分关 注。本课题针对3 0 0 k a 级铝电解供电网谐波污染情况，系统地研 究了铝电解整流供电网谐波特性、谐波检测方法以及整个谐波检测 系统的设计。为铝电解供电网谐波的在线治理奠定了基础。 论文对3 0 0 k a 级电解铝厂整流供电网的谐波进行分析，其中 包括供电网中主要的谐波源、所产生谐波的特征以及由谐波对生产 所造成的危害，为了减少谐波对整流供电系统的影响，必须进行谐 波治理，而谐波治理的前提是能准确实时的检测电网谐波参数。论 文详细分析了f f t 变换法、瞬时无功功率法、小波分析法和自适应 滤波器检测法等电网谐波检测的主要方法。通过比较分析各种检测 方法的优缺点，结合铝电解整流供电网的谐波特性，提出了一种基 于改进型自适应滤波器谐波检测方法。该方法能使步长因子跟踪实 际要检测谐波分量变化，极大的减少了噪声对算法收敛速度和精度 的影响，同时利用自适应滤波的预测功能，消除了数字滤波本身所 固有的延时特性。仿真实验结果证明了该算法的有效性和实用性。 利用改进的自适应滤波算法，进行了谐波在线检测系统的设 计。给出了谐波检测系统的软硬件设计方案，阐述了各电路模块的 设计方法，开发了谐波检测、数据通讯等软件功能模块。工程应用 的实际情况表明了本文设计的谐波在线检测系统能够准确实时的 检测出整流供电网各次谐波分量的大小，并把各次谐波数据实时显 示到用户界面，为设计整流供电网谐波补偿和治理措施提供了依 据。 关键词：铝电解供电网，电力谐波，自适应滤波器， 谐波检测系统 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , v a r i o u sp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dn o n l i n e a re l e m e n t s ，e s p e c i a l l yo f m a n yk i n d so fr e c t i f i e r a n ds w i t c h e r , w e r ea p p l i e dw i d e l yi np o w e r s y s t e m d a m a g e sr e s u l t e df r o mh a r m o n i cb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oh a r m o n i co n l i n ed e t e c t i n ga n d c o n t r 0 1 b a s e do nt h ec o n d i t i o no f30 0 k aa l u m i n u me l e c t r o l y z a t i o n r e c t i f y i n g e l e c t r i cn e t w o r k , t h ec h a r a c t e ro fh a r m o n i ca n dt h ec h i e f m e t h o d so fd e t e c t i n gh a r m o n i c ，a n dt h ew h o l ed e s i g no fh a r m o n i co n l i n e d e t e c t i o ns y s t e ma r er o u n d l yi n t r o d u c e di n t h i sp a p e r , w h i c hl a i dt h e f o u n d m i o nf o rh a r m o n i c s u p p r e s s i o n i na l u m i n u m e l e c t r o l y z a t i o n r e c t i f y i n ge l e c t r i cn e t w o r k t h ep r e s e n tc o n d i t i o n ，t h ec h a r a c t e r , t h ec a u s ea n dm a i nh a r mo f h a r m o n i ca r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ep r i m a r ye l e c t r o n i cd e v i c e s w h i c hb r i n gm o r ee f f e c ti nh a r m o n i cp o l l u t i o na r ee l a b o r a t e d i no r d e rt o r e d u c et h eh a r mo f h a r m o n i cp r o b l e m ，h a r m o n i cs u p p r e s s i o ni sn e c e s s a r y b u tt h ep r e m i s eo f h a r m o n i cc o n t r o li st h a tt h eh a r m o n i c sp a r a m e t e r sc a n b ea c c u r a t e l ya n dr e a l t i m ed e t e c t e d t h e nt h ec h i e fh a r m o n i cd e t e c t i o n m e t h o d sa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gf f t i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r , w a v e l e ta n a l y s i sa n da d a p t i v ef i l t e ra n ds oo n c o m p a r i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h o s eh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d sa n d a n a l y z i n gh a r m o n i cc h a r a c t e ri na l u m i n u me l e c t r o l y z a t i o nr e c t i f y i n g e l e c t r i cn e t w o r k , an e wm e t h o db a s e do nv a r i a b l es t e ps i z ea d a p t i v ef i l t e r a l g o r i t h mt os o l v et h ed r a w b a c k so ft r a d i t i o n a ll m s ，s u c ha s ，t h es p e e d a n dp r e c i s i o no fa l g o r i t h mc o n v e r g e n c ec a nb es e r i o u s l ya f f e c t e db ys n r ， i sp r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，t h ei n h e r e n tt i m ed e l a yo f d i g i t a lf i l t e r i n g c a nb es o l v e db yt h ep r e d i c t i v ef u n c t i o no fa d a p t i v ef i l t e r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h ev a l i d i t yo ft h em e t h o di ne l e c t r i ch a r m o n i c d e t e c t i o n b a s eo nt h em o d i f i e da d a p t i v ef i l t e ra l g o r i t h m ，an e wh a r m o n i c o n l i n ed e t e c t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi n c l u d e st h ed e s i g ns c h e m eo f s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ed e s i g nm e t h o do fs y s t e mc i r c u i t m o d u l ea n ds o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l e ，w h i c hi n c l u d eh a r m o n i cd e t e c t i o n m o d u l ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds oo n ，i sp r e s e n t e d t h e i i p r a c t i c a le f f e c ta p p l i e dt op r o j e c tp r o v e st h a tt h i sd e t e c t i n gs y s t e mc a n a c c u r a t e l yd e t e c tt h em a g n i t u d eo fe a c hh a r m o n i ce l e m e n t ，a n dt r a n s m i t t h ed e t e c t i o nd a t at ot h eu s e r si n t e r f a c e ，a n dt h e ns u p p l yt h ee v i d e n c ef o r w o r k e r st oc o m p e n s a t ea n dc o n t r o lh a r m o n i ci na l u m i n u m e l e c t r o l y z a t i o n r e c t i 分i n ge l e c t r i cn e t w o r k k e y w o r d s ：a l u m i n u me l e c t r o l y z a t i o n r e c t i f y i n ge l e c t r i cn e t w o r k ， h a r m o n i ci np o w e r s y s t e m ，a d a p t i v ef i l t e r , h a r m o n i cd e t e c t i o ns y s t e m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另t l d i ：i 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：j 衄 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名： 狸窆重导师签名逝必日期：亟煎l 年月望日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代电力系统的谐波问题就引起了人们的注意， 当时由于静止汞弧变流器的使用产生了电压、电流波形的畸变，并且提出了电力 谐波干扰问题。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期谐波检测 的经典论文。但由于当时电力系统中谐波源占的比重很少，谐波干扰不严重，因 此谐波干扰问题没有得到人们的广泛重视。到5 0 年代和6 0 年代，随着科学技术 的进步，高压直流输电技术的发展，特别是高压变流输电的运行，引起了电网电 压、电流的畸变，产生了大量的高次谐波。有关电力谐波问题的大量论文开始在 各种期刊上出现i l j 。2 0 世纪7 0 年代以来，随着大量的电力器件和非线性元件在 电力系统、工业、交通及家庭中的广泛使用，电力系统中的谐波污染日趋严重， 由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网 会议( c i g r e ) 也相继成立了专门的工作组，制定了包括供电系统、各项电力和用 电设备以及家用电器在内的谐波标准，并将谐波干扰问题列入电磁兼容范围之 内。 1 1 电力系统谐波 1 1 1 谐波的基本概念 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。如正弦电 压可表示为 ( f ) = x 2 u s i n ( a ) t + 口) ( 1 - 1 ) 式中u 电压有效值； 口初相角； 彩角频率。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比 例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上 时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也 变为非正弦波。对于周期为t = 2 z r c o 的非正弦电压( 纠) ，一般满足狄里赫利条 件，可以分解为傅立叶级数【2 1 “似) = 口o + ( 口。c o s n o t + b s i n n o t ) ( 1 2 ) n = l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 式中 口o - 去r u ( a j t ) d ( a ，t ) ”妻r 。u ( o j t ) c o s 疗c o t d ( o 。t ) 以= 去f u ( c o t ) s i n n 国t d ( c a t ) g = 1 , 2 ，j 3 - ) 或 z ，) = 口。+ c 。s i n ( n a _ t + 妇p ) ( 1 3 ) 式中，c 矿纯和a 。、b 。的关系为 c 。= 以：+ 研 = a r c t g ( a 。b ) a 月= c s i n 纯 b 。= c nc o s 伊 在式( 1 2 ) 或( 1 3 ) 的傅立叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波，频率为大于 1 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。 以上公式及定义均以非正弦周期电压波形为例，对于非正弦周期电流波形也完全 适用，把式中j i ，( 研) 。转成i ( a ) t ) 即可。 从以上介绍可以看出，谐波是一个周期电气量中频率大于1 整数倍基波频率 的正弦波分量，由于谐波频率高于基波频率，因此谐波也称为高次谐波。谐波次 数刀为非整数时的正弦分量称为次谐波( s u b h a r m o n i e ) 或间谐波 ( i n t e r - h a r m o n i c ) t 3 1 。 此外，暂态现象和谐波是不同的，在进行傅立叶级数变换时，要求被变换的 波形必须是不变的周期性波形。实际供用电系统的负载总是变化的，因此其电压、 电流波形也是不断变化的。进行分析时，只要被分析波形能持续一段时间，就可 以应用傅立叶级数变换。暂态现象在供用电系统中总是不断发生的，有时也会对 供电系统和用户带来不利影响。在采用现代谐波抑制装置时，对这种暂态现象的 不利影响可以起到一定的抑制作用。 1 1 2 谐波产生的原因和危害 1 谐波产生的原因 谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备或负载的非线性，即所加电压与 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 产生电流不成线性正比关系而造成波形畸变。当系统的正弦波形电压加在非线性 负载上时，产生的电流为非正弦波形，波形的畸变即产生了谐波。向公用电网注 入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。 电网中的主要谐波源可分为两大类【4 】：一类是含半导体非线性元件的谐波 源，另一类是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交直流 换流设备、变流器、p w m 变频器、相控制变频器以及现代工业设施中为节能和 控制用的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯和发电机、 变压器及铁磁谐振设备等。 谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非 线性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能量，并将其中一部分工频能 转换为各次谐波能量向系统回送的过程。由此可见，高次谐波是电力系统的一种 “污染 ，据国外的经验，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发 电设备容量增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 2 谐波的危害 谐波电流和电压对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的用电环境恶 化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设备广泛 应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波 污染还不够严重，没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅 速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断 发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的 危害大致有以下几个方面瞪划： ( 1 ) 产生附加损耗，增加设备温升。与基波电流相比，尽管谐波电流的比例 不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁心的电气设备中，铁心的 磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加了电力系统的损耗外，还使 设备温升增加，尤其局部发热的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。 ( 2 ) 恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在 较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升 提高。当电压畸变波形出现尖顶波时，还增大了局部放电强度，从而降低绝缘寿 命。 ( 3 ) 可能引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的 脉动转矩可能使电机发生振动，当电机的机械系统的自然频率在受到上述转矩的 激发而可能引起共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。 ( 4 ) 谐波产生干扰会导致继电保护、自动控制装置和计算机误动作。这些保 护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形而设 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 计的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 6 ) 影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差。 ( 7 ) 对用电设备其他的影响。如电视机图像急变，机内元件加热等。 当然，谐波危害的程度将因谐波量的大小以及设备等其它条件的不同而不 同，但危害是客观存在的。 1 1 3 谐波研究的现状及发展趋势 近几十年来各类谐波源的涌现，电力谐波呈现出系统性、综合性的特点，其 影响也深入到生产、生活的方方面面，电力谐波的研究，已经超过了传统电力系 统的范畴，渗透到了电工理论、电网络理论、电力电子学、数字信号处理、计算 机技术、系统仿真、控制理论与控制技术、监测方法、技术限制标准和管理制度。 目前，谐波研究是一个非常活跃的领域。国际电工委员会( i e c ) 和国际电网会 议( c i g l 疆) 相继组成了专门的工作组，开展了这方面的工作。从1 9 8 4 年开始， 每两年召开一次的电力系统国际谐波会议( i c h p s ) 为这个领域的国际交流提供 了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入展开。 随着现代工业生产的发展和生活水平的提高，非线性负荷的大量增加，使我 国不少电网的谐波成分已大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经 济运行的问题。我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继丌展了谐波研究工 作，在多次学术会议上，交流了这方面的一些成果。目前，我国在谐波研究领域 主要有以下几个方面： ( 1 ) 谐波源的特性研究。电力系统高次谐波源在许多情况下可以当作电流源 来处理，但所有的谐波源均不是理想的电流源。在谐波特性方面尚有大量的问题 需要研究，例如矿井提升机运行时谐波含量及其整流电路谐波特性等。 ( 2 ) 电力系统模型及精度研究。变压器、电机、电容器、输电线路和线性负 荷，均有精确的谐波数学模型。非线性负荷的谐波阻抗目前只有粗略的模型，更 准确的模型尚在探讨中。电力系统谐波与供电系统关系十分密切。畸变波在电网 上传播取决于电网参数，它可能使畸变受到抑制，亦可使畸变放大。 ( 3 ) 谐波电流和电压的分析。大致分成线性分析、非线性频域分析和非线性 时域分析三种方法，显然，系统各部分元件的数学模型直接影响到计算误差。目 前对负荷的模型还研究得很不够，背景谐波对原有谐波路线的影响也不可忽略。 由于元件谐波阻抗的复杂性，加上谐波源的多样性和多变性，给谐波分析工作带 来一定的困难。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 谐波测量仪器、设备及测试方法研究。用计算的方法比较精确地获得电 网谐波参数是很困难的，因此谐波的测试工作在谐波研究中占很重要的地位。 ( 5 ) 谐波的危害研究。主要表现在对电力设备运行的影响；对继电保护和自 动装置的影响；对通讯的干扰；对电量计量及常用仪表指示的影响；对电网损耗 的影响。 ( 6 ) 抑制谐波的措施研究。原则上，在谐波源处采取抑制措施是最有效的。 一是谐波源处加装滤波器，这是普遍的措施，目前广泛采用无源滤波器，而静止 无功补偿装置和有源滤波器已经开始使用；二是对整流设备增加相数，以减少注 入系统的谐波。 1 1 4 谐波检测方法国内外研究的现状 谐波检测装置的研制和开发的关键在于谐波快速分析算法的研究及硬件系 统的设计。谐波分析方法主要有以下六种【7 捌： ( 1 ) 带阻和带通滤波法 最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用带阻滤波器将基波分量滤 波，得到谐波分量；或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测量相减得到谐 波分量。该检测方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易 于控制。但也有很多缺点，如精度不高、误差较大等。 ( 2 ) 傅立叶分析法1 9 - 1 2 】 傅立叶分析法是当今应用最多的_ 种谐波检测方法。广泛应用于各种谐波测 量仪器当中。它的核心理论是建立在傅立叶变化的基础上，根据傅立叶变化理论， 对模拟信号进行采样，经a d 转换，变成离散化数字序列信号后，输入微型计 算机进行傅立叶变换，计算得到频率是基波频率整数倍的多次谐波的幅值和相位， 达到对各次谐波的检测。 优点：检测方法思路简单且成熟，使用方便。 缺点：实时性差，且由于采样同步问题会发生频域泄漏，影响谐波测量精度。 ( 3 ) 瞬时无功功率理论分析法【1 3 舶】 该方法是利用日本学者赤木泰文在1 9 8 3 年提出的瞬时无功功率理论，即 p - q ”理论，得到瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q ，再通过低通滤波器( l p f ) 得 到p 和q 中的直流分量，最后经过反变换可得被检测电流的基波分量。 优点：实时性好，抗干扰能力强。 缺点：对于不对称系统，瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。所以， 该方法只适用于三相电压正弦、对称情况下的三相电路谐波和基波无功电流的检 测，且系统硬件实现复杂。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 “) 小波变换分析法1 1 5 乏o l 小波分析作为调和分析的重大进展，克服了傅立叶变换的频域完全局部性， 而在时域完全无局部性的缺点。通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解， 利用多分辨的概念，将低频段( 高尺度) 上的结果看作不含谐波的基波分量。基于 这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节，同时由于其计算速度快，能快速跟 踪谐波的变化。小波变换应用在谐波测量方面处于初始阶段。 优点：能很好地检测出谐波中的基波信号，并且有较快的跟踪速度。 缺点：小波变换在稳定信号的检测方面并不具有理论优势，且小波变换运用 到谐波检测上尚处于初始阶段，且还存在相当多的缺陷，如缺乏最佳小波基的选 择方法。 ( 5 ) 基于神经网络谐波检测方法【2 卜2 4 l 运用基于神经网络的谐波检测方法主要依据神经网络的逼近能力和学习理 论，通过不断的训练来修正权值。实现大体过程：以原电网电流的采样数据直接 作为神经网络的输入，以要获得谐波次数作为神经网络的输出。 优点：测量精度高，计算量少，实时性好，能测量任意整数次谐波。 缺点：目前这种方法还处于初步探索阶段，还存在一些缺点。如没有规范的 神经网络结构方法，没有规范的确定样本数的方法 ( 6 ) 基于自适应滤波器的谐波检测方法1 2 5 。圳 在通常情况下定义滤波器性能指标要求有一个参考信号，该参考信号通常隐 含在设计固定滤波器的近似步骤中，也就是说设计固定( 非自适应) 滤波器需要知 道输入信号和参考信号的完全特征。然而在实际环境中，输入信号的全部特征是 不易掌握的，这一问题可采用自适应滤波器解决。这是因为自适应滤波器可以只 利用环境中的可用信息，通过算法在线修正滤波器参数，达到对有用信号的提取。 优点：测量精度高，实时性好，能测量任意整数次谐波。 目前国内外生产谐波测量分析装置的厂家主要有电力部电科院能电公司、深 圳中电技术有限公司、南京自动化研究所、许昌电力电子研究所、美国f l u k e 公司、英国a v p o w e r 公司等。从这些公司提供的产品资料来看，大部分产品 都是从谐波测量和分析角度进行设计的。有的产品由数据采集装置、可移动存储 卡另配p c 机谐波分析软件构成，这些产品虽然测量、分析、显示、打印功能集 成一体，但数据存储量偏小，显示和打印功能仅能满足测量要求。 国外产品般可测量电流真均方根值、电压真均方根值、电流及电压谐波畸 变率、总谐波畸变率，精度在1 - - - 2 之间。美国f l u k e 公司手提式谐波分析 仪虽然操作方便，但功能较简单，测量精度在2 8 之间。国内电科院能电公 司的产品是以长期监测电网谐波情况为目标设计的装置，功能为1 1 9 次谐波测 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 量和谐波超限报警。但是其测量精度较低，电压玑( 3 ) ，电流l ( l 1 0 ) 。 u 、，。分别为疗次谐波电流。深圳中电公司产品为集散形式，现场仪表负责数 据采集，通过串1 2 1 将数据送到主计算机，谐波分析计算在计算机上进行，该产品 是针对电厂和变电站数据采集系统而设计的。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于“国家发改委国家专业技术装备研制和重大专业技术专项 3 0 0 k a 级铝电解槽生产综合节能技术开发”项目。 目前，该电解铝实业股份有限公司为铝电解整流供电系统配套了6 台均为 1 2 脉波的大功率整流装置，总容量接近2 0 0 m w ，运行时产生大量的特征谐波和 部分非特征谐波。为了抑制电网谐波，公司为每台整流装置配套5 、7 、1 1 次谐 波无源滤波装置，对降低公司电网谐波污染起到了一定的作用。然而由于供电系 统实际负荷的不均衡性、无源滤波装置的局限性及电网谐波的随机性等原因，整 流供电系统因谐波导致的隐患仍然存在。 虽然谐波问题已经逐渐引起关注，由于受谐波分析算法和硬件等制约因素， 使得国内外对谐波测量和分析的研制与所要达到的要求还有一定的差距。论文从 铝电解生产现场的实际情况出发，研制一台高精度、数据容量大，集多回路在线 检测、分析、显示、和报警于一体的谐波检测装置。 同时电力系统中的电容器，如无功补偿器，它们与系统其它部分组合，在某种 频率下，可能造成系统的局部谐振。这些谐振可能是串联谐振，也可能是并联谐 振。谐振会使并联电容补偿装置中的电容器和串联的电抗器产生谐振过电流、过 电压，致使电容器等电气设备异常发热，加快电气设备绝缘老化，经过一段时期 的积累，促使电容器和电抗器损坏，影响电网的供电安全，还有可能引起跳闸f 3 i l 。 影响整个铝电解生产的顺利进行。因此也非常有必要研究电网的谐波在线实时检 测系统。 1 3 论文的主要研究内容和结构 论文分析了铝电解整流供电网的谐波源特性及谐波污染水平，根据现场情况 制定了系统设计方案，并开发了一套谐波检测系统。 论文首先介绍电力谐波的基本概念，谐波产生的原因及危害等，说明了谐波 检测的研究现状以及课题来源。 第二章介绍该工厂铝电解整流供电网基本情况，分析铝电解整流供电网主要 谐波源谐波特性和对生产的影响。 第三章阐述电力谐波检测系统的主要检测技术，并提出了一种高精度，高实 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 时的检测方法。 第四章阐述电力谐波检测系统的设计方案，简要介绍谐波检测系统各硬件软 件模块电路的设计。 第五章介绍电力谐波检测系统的应用，包括谐波动态检测系统上层界面设计 和用户界面视图的描述。 第六章是本文的最后一章，对论文进行总结，提出今后改进的方案和研究方 向。 8 中南大学硕士学位论文第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 对铝电解供电系统中的谐波进行有效治理前提是必须对整个供电系统的特 征( 包括供电系统中的主要谐波源、铝电解用电特征和潜在的谐波特征) 进行详细 的分析。这样才能设计出一套满足铝电解供电性能要求的谐波检测系统。 2 1 铝电解整流供电网基本情况 某铝厂整流所供电系统如图2 1 所示：总共有4 条进线，分别是：1 1 0 k v 电网 进线i 和i i 、厂内1 撑和2 拌发电机组供电线路。4 条进线经过变压器变为1 1 0 k v 电 压通过断路器接入东母线和西母线。采用双母线供电方式，一般是西母线给整流 机组和两台动力变压器供电。正常运行时6 台整流机组投入运行；当一台机组检 修时，其它5 台仍能满足电解生产需要。每个机组有2 台整流变压器，其中一台一 次侧为星形曲折接法，另外一台一次侧为三角形曲折接法，二次侧也有两个三 相绕组，都采用三角形接法，但绕向相反，每台整流变压器接两个反并联整流桥， 6 台机组网侧分别移相+ 1 2 5 0 、士7 5 0 、士2 5 0 ，每台机组之间移相5 0 ，因此6 台运行 时输出7 2 脉动的直流电流。 臀1麓p麓9 1 k 1 ，0 i 警上 翠皇攀皇 背上 言每亍= 三j = 兰寺彳兰= e ! j 哥 j 匕 图2 1 铝电解整流供电网结构简图 铝电解整流供电系统主要参数： 母线电压：1 1 0 k v ，母线公共连接点最小短路容量：1 6 2 8 m v a ，厂发电机组 容量：1 3 5 m wx 2 台，总的有功功率：1 8 2 8 m w ，总的无功功率：4 0 9 m w ，直流 9 中南大学硕士学位论文 第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 母线电压：5 1 2 v ，直流母线电流：3 2 0 k a 。 主要设备参数： ( 1 ) 有载调压变压器 有载调压变压器型号：z h s p t f 一1 0 5 3 0 0 1 1 0 ，共6 台，额定容量为1 0 5 3 m v a 1 1 0 5 3 m v a 2 8 m v a ，额定电压为1 1 0 k v 1 1 0 k v 3 0 k v ， 有载调压变压器出厂负 载损耗及短路试验数据如表2 1 ( 按额定容量折算到7 5 摄氏度) ： 表2 i 有载调压变压器出厂测试数据 档位 11 83 6 5 47 29 01 0 2 负载损耗( k w ) 8 2 36 5 0 21 1 8 6 11 3 3 2 89 8 7 1 4 1 8 18 2 7 9 空载损耗( k w ) 2 8 52 0 7 23 7 9 9 5 2 9 42 7 9 611 2 2 518 9 6 堕亟皇墨堕( 墅! ：! ! ：垒21 ：坠! ：! ! ! ：q !q ：兰!q ：! 兰 ( 2 ) 整流变压变压器 整流变压变压器1 2 台，额定容量：s 2 。= 1 0 8 8 8 2 k v a ，网侧额定电压： u 2 e = 1 0 8 7 8 1 v ，阀侧额定电压1 0 9 9 v ，短路损耗：x p 。= 7 6 1 1 4 k w ，阻抗电压百 分值：v 。= 1 0 4 5 。 ( 3 ) 电容补偿与滤波装置 六台整流机组中都有5 次、7 次、1 1 次电容补偿与滤波装置各一套，单套滤 波装置额定工作电压3 0 k v ，额定频率5 0 h z 。 ( 4 ) 饱和电抗器 饱和电抗器的调压深度a u = 6 0 v ，电流为i = 2 1 7 k a 。 2 2 铝电解整流供电网谐波源分析 整个铝电解供电系统的谐波源有1 2 脉动整流器，有载变压器，整流变压器， 和从l1 0 k v 电网传递过来的背景谐波。 2 2 1 整流装置产生的谐波 整流装置由六台整流机组组成，每个机组两台整流变压器并联运行，其中的 一台次侧用星形曲折接法，另一台的一次侧采用延边三角形接法，其二次侧同 名端线电压相差3 0 0 ，这样构成1 2 脉动整流单元，每台整流机组包含一组这样 的整流单元，6 台机组网侧分别移相+ 1 2 5 0 、士7 5 0 、士2 5 0 ，每台机组之间移相5 0 ， 每台机组之间产生5 0 角差，意味着每隔5 0 就有一个桥臂的整流元件切换导通，整 套整流装置产生7 2 脉波直流电压输出。因此6 台整流机组运行时输出7 2 脉动的 l o 中南大学硕士学位论文第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 直流电流，电网特征谐波为7 2 k 4 ：l ( k = 1 ，2 ，3 ) ，但由于六台整流机组参数并不 完全一致，还会产生3 ，5 ，7 ，1 1 ，1 3 等奇次非特征谐波。 十二相桥式整流电路拓扑结构如图2 2 所示【3 2 1 。忽略变流器漏抗，认为电抗 器电感为无穷大，设三绕组变压器匝数之比为1 ：1 ：3 。设变压器网侧线电流为f ， 其值等于阀侧y 形和形联结绕组折算到网侧的电流。与i l i a 之和1 3 引。设i 桥触 发角为口，i i 桥触发角为口，则触发角差口= 口，一吼。当= 口，a n = 0 时， 则图2 2 电路工作模式为1 2 脉动相整流电路，网侧电流见图2 3 ( a ) 。 a b c i l a + i l la 图2 - 2 十二相桥式整流装置主电路 屯一2 - 万- 鱼i d ( s ；n 纠一三s ；n 5 纠一号s i n 7 耐+ 六s i n - 硝+ 击s i n 3 研， ：堕 l 如耐+ 巫 。弘，峰n 刀研 q 。 也：等以s i n 硝+ 扣5 纠+ 扣7 研+ 扣，- 研+ 扣3 一协2 ， 故合成的网侧电流为： = 也+ = 了4 4 3 乃( s i n 研+ 六s i n l l 研+ 击s i n l 3 耐+ ) ( 2 3 ) 由式( 2 - 3 ) 可得电流基波和各次谐波有效值分别为 中南大学硕士学位论文第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 厶：坐l l ：鱼l ( 2 卅 月7 z l ( 以= 6 k 1 ，k = 1 , 2 ，3 ，) j 当i 桥和i i 桥晶闸管触发角不同时，特征谐波将有所变化，为了分析触发角 不同时对谐波的影响，设一个桥的触发角固定，另一个桥的触发角处在连续的变 化或某一个固定角，但两桥触发角不相等。这里设q = 0 ，口2 在0 - - - 1 8 0 。范围内 任意变化，对应的网侧电流如图2 3 ( b ) 所示。从图2 3 ( b ) 波形中可以看出，屯傅 立叶级数 ( a ) 口l = 口2 = 0 ；( b ) 口l = 0 ，口2 = 3 0 。 表达式与式( 2 - 2 ) 一致，但i i l 4 的波形在相位上较图2 3 ( a ) 波形滞后了a n ，则 m ：兰鱼i d s i n ( 耐一口) + 三s i n 5 ( 耐一口) + 三s i n 7 ( 研一口) + 万 5， ( 2 - 5 ) 一1s i n l1 ( 纠一口) + 一1s i n l 3 ( t o t - a 口) + 1 利用叠加原理求合成的网侧线电流为 2 札咖2 雩乃 【s i 删“蛔一蚴】一扣妇“咖一酬一扣? 一。2 劫 万i ) ，。 s i n 一删】+ 三【s i l l lk “1 1 l 一酬+ 去f s i i l l 姒“1 1 l 辅酬+ 通过式( 2 6 ) 可以看出，5 、7 、1 7 、1 9 、次谐波依然存在，它的基波和各次 1 2 中南大学硕士学位论文第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 谐波的幅值均与a c t 有关【3 4 1 。 2 2 2 变压器产生的谐波与背景谐波 1 变压器产生的谐波 变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路【3 5 1 。在不计磁滞及铁芯未 饱和时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后它就是非线性的，即外加电压是纯正 弦波时电流也要发生畸变。且饱和程度愈深，电流波形的畸变愈严重。 忽略磁滞并不计漏磁的空载变压器，当外加电压为正弦波”= 2 u s i n r o t 时， 由端电压和铁芯磁通之间关系得： ”：wd e ( 2 7 ) 式中为线圈匝数，痧为交变的主磁通。于是 矽：一婴：丸(ati7)(2-8)coscot s i nr o t矿= 一 = 矿。一_ ) 1 w “h 2 。 即外加电压为正弦时，磁通也是正弦的，只是相位滞后电压等。若铁芯为线 性的，则其电流也是正弦的，当铁芯饱和变为非线性后，电流就会发生畸变。一 般可将铁芯磁化曲线近似表示为 i=口i矽+613(29) 则有 f = 口，九s i n ( 倒一吾) + 6 l 妃s i n 3 ( 纠一了7 1 ) = ( q 九+ 百36 妃) s i n ( 饼一三) 一百16 - 以s i n 3 ( a t 一三) ( 2 1 。) = 而ls i n 似一i 7 ) + 历3s i n ( 3 r 力t i 7 1 ) 从式( 2 1 0 ) 可以看出电流发生了畸变，含有三次谐波，若在式( 2 - 9 ) 中加入更 多的高次项以便较好拟合铁芯的磁化曲线，则电流中将会有更多的谐波项。由于 电流波形正、负半波对称，所以电流只含有奇次谐波，其中主要是三次谐波。 对于三相变压器，其铁芯的结构和变压器绕组的连接方式都对励磁电流的畸 变有很大影响。一般变压器往往有一侧接成三角形接线，零序性谐波电流在三角 形内流动而不会注入电力系统。当三相对称且三角形接法时，3 的倍数次谐波不 会注入电力系统，但实际上由于磁路不对称，3 次谐波并不平衡，它不同于3 次 谐波相位的零序分量，故一部分3 次谐波还是可以通过变压器感应到三角形侧来 1 3 中南大学硕士学位论文第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 的。 此外，变压器励磁电流的谐波含量和铁芯饱和程度直接相关，即和其所加的 电压有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁芯基本工作在线性范围内，谐 波电流含量不大。但在轻载时电压升高，铁芯工作在饱和区，谐波电流含量就会 大大增加。当然变压器产生的主要是3 次奇次谐波，但相对于整流装置的谐波可 忽略不计。 2 背景谐波 背景谐波一方面来自1 1 0 k v 供电网的谐波电压的渗透，另一方面来自整流 供电网内部其它谐波源，如发电机升压变压器产生的励磁谐波电流；由于电网元 件参数不完全对称引起负序电流，在其发电机组内产生逆向旋转磁场，也可能产 生一部分谐波电流。 2 3 铝电解整流供电网特点与谐波产生的危害 2 3 1 铝电解整流供电网特征 目前铝电解主要是对熔盐进进行电解以提取熔盐中所含有的金属铝。在电解 铝冶炼过程其电网供电具有以下特征： ( 1 ) 用电量大 电解铝过程中的直流耗能一般为1 3 2 0 0 1 3 7 5 0 k w h t ，且能耗具体值与原料 和生产方法有关，耗能大。 ( 2 ) 对供电可靠性要求高 电解铝生产是连续过程，对供电可靠性要求高。如果发生短时停电，恢复供 电后，电解铝设备在几小时内只是耗电而不能生产。如果停电超过l 小时将无法 恢复生产甚至可能损坏电解槽内衬，损毁电解槽。一般而言电解铝厂的日用电负 荷率要求达到9 5 以上，这对供电提出了较高的性能要求。 ( 3 ) 功率因数低 电解铝的供电系统包括有载变压器、调压变压器、整流变压器故导致无功损 耗大、功率因数低、电能利用率低。 ( 4 ) 谐波污染严重 电解铝的直流电源需通过大功率大电流晶闸管整流系统获得，而整流系统会 产生的大幅值高次谐波对电网污染严重，在某种工况下还会出现非特征谐波。不 但会提高供电系统电能损耗、降低功率因数，而且引发电解铝供电系统波动，降 低铝锭质量。 1 4 中南大学硕士学位论文第二章3 0 0 k a 级铝电解供电系统谐波分析 2 3 2 铝电解整流供电网的谐波危害 根据铝电解供电系统的特征，电网谐波对生产的主要危害表现在以下几个方 面： ( 1 ) 提高电能损耗，减低电能利用率；同时因为电网波动影响铝锭质量。 ( 2 ) 对电力电容器的危害 在铝电解生产现场通常并联各种r c 电力滤波电路，对电网中特定次谐波进 行消除和系统功率因数进行补偿。当电网存在谐波时，投入电容器