（农业电气化与自动化专业论文）低压配电网的谐波分析与治理.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文低压配电网的谐波分析与治理，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 叁! 笙：兰日期： w i s , ；p 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： i 亟1 坌!导师签名： 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着社会的的发展和技术的进步，各种新型的用电设备在社会的各个领域得到 的广泛的使用。由于设备运行所要求的高安全性和精确性，对电能的使用和需求产 生了更高的要求，但非线性负载大量使用却带来了严重的电力污染，给系统安全运 行和供用电设备造成影响及危害。本文介绍了电力谐波的基本概念，分析讨论了低 压配网中各类常见谐波源的特点。针对目前感应加热装置网侧功率因数低、且电流 波形畸变对低压配电网影响严重的情况，以1 0 0 k w 4 0 0 k h z 感应加热设备的实体参 数为依据，搭建了一个感应加热装置简化仿真系统，详细研究了感应加热设备在恒 定负载情况下网侧无功及电流谐波含量变化规律，并设计了一套补偿方案，然后搭 建了整个补偿器的仿真模型，做了详细的仿真补偿实验，结果显示补偿装置能大大 降低电流的谐波含量、提高功率因数。 关键词：非线性负载，谐波，功率因数，感应加热 a b s t r a ct w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n dt e c h n o l o g y , v a r i o u sn e w c l e r i c a ld e v i c e sh a v eb e e n w i d e l yu s e di na l lf i e l d si ns o c i e t y b e c a u s et h ed e v i c e sn e e dh i g hs a f e t ya n dh i 曲a c c u r a c y ，i t i sm o r ee x a c t i n go nt h eu t i l i z a t i o na n dd e m a n do fe l e c t r i c i t y h o w e v e r , t h em a s s i v eu s eo f n o n - l i n e a rl o a d sh a si n c u r r e dh e a v yp o l l u t i o no fe l e c t r i c i t ya n dj e o p a r d i z e dt h es a f e t y f u n c t i o no ft h es y s t e ma n dt h ee l e c t i c a ld e v i c e s 1 1 h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t so f e l e e t i ch a r m o n i c s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sc o m m o nh a r m o n i c si nl o w v o l t a g ee l e c t r i c i t y d i s t i b u t i o ng r i da r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d b e c a u s et h ep o w e rf a c t o ro ft h ep o w e rg r i do f i n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e a mi sl o w t h et h do f p o w e rs i d ec u r r e n ti sh i g h t h ep a p e rb u i l d sa s i m p l i f ys i m u l a t i o ns y s t e mo fi n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e a mb a s e do nt h er e a lp a r a m e t e r so fo n e 10 0 k w 4 0 0 k h zs y s t e a m m a k e sar e s e a r c ha b o u tt h et r e n do f c h a n g eo ft h er e a c t i v ep o w e r a n dt h ec u r r e n tw a v eh a r m o n i c sw h e nt h e1 0 a di sc o n s t a n t d e s i g hac o m p e n s a t i o np r o j e c t b a s e do nt h ei d e n t i t yo fr e a c t i v ep o w e ra n dc u r r e n tw a v eh a r m o n i c s t h e nb u i l d sas i m u l a t i o n m o d e lo fc o m p e n s a t o r , a n das e r i o u se x p e r i m e n th a sb e e nd o n eb a s e do ni t t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ec o m p e n s a t o rc a nr a i s et h ep o w e rf a c t o rg r e a t e rt h a n0 9 0a n dt h et h da l s of a l ld o w n z h a n gj u n s h i ( a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db y p r o f p e n gy o n g l o n g k e yw o r d s ：n o n - l i n e a r l o a d s ，h a r m o n i c s ，p o w e r f a c t o r i n d u c t i o nh e a t i n g 华北电力大学硕十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言l 1 1 选题的背景与意义1 1 2 国内外研究现状一2 1 3 本文的研究内容3 第二章谐波的基本概念4 2 1 谐波的基本概念4 2 1 1 谐波的定义4 2 1 2 电力系统谐波的特性6 2 2 低压配电系统中典型的谐波源7 2 2 1 磁饱和装置7 2 2 2 电弧炉7 2 2 3 家用电器7 2 2 4 整流装置8 2 3 谐波的影响和危害8 第三章感应加热装置网侧功率因数的理论分析1 1 3 1 功率因数的概念l l 3 1 1 正弦电路的功率因数1 1 3 1 2 非正弦电路的功率因数1 2 3 1 3 三相电路的功率因数1 5 3 2 感应加热装置的模型简化1 5 3 2 1 整流器部分1 6 3 2 2 滤波器部分1 6 3 2 3 逆变器部分1 8 3 2 4 简化模型2 0 3 3 网侧功率因数理论分析2 0 3 3 1 电感滤波时的功率因数分析2 0 3 3 2 电容滤波时的功率因数分析2 2 华北电力人学硕+ 学位论文目录 3 3 3 感容滤波时的功率因数分析2 4 3 4 本章小节2 6 第四章晶闸管投切滤波器原理2 7 4 1 晶闸管投切滤波器的运行原理2 7 4 2 主电路接线方式分析2 8 4 2 1 三相控制的星形接线方式2 8 4 2 2 三相控制的三角形接线方式2 8 4 2 3 两相控制的“2 + 1 电路2 9 4 2 4 两相控制的“2 + 2 电路3 0 4 3 滤波器投切判据分析3 1 4 3 1 功率因数作为投切判据3 1 4 3 2 无功功率作为投切判据3 2 4 3 3 电压作为投切判据3 4 4 3 4 复合投切判据3 4 4 4 滤波器组无过渡过程投切分析3 5 4 4 1 晶闸管投切时刻的选取3 5 4 4 2 晶闸管投切的过渡过程3 7 4 5 本章小结3 8 第五章仿真分析3 9 5 1 仿真系统模型建立3 9 5 1 1 感应加热装置的工作原理3 9 5 1 2 实际感应加热装置建模3 9 5 1 3 仿真系统合理性验证与分析4 0 5 1 4 补偿器结构及参数设计4 l 5 1 5 无功及功率因数检测模块4 2 5 1 6 投切动作执行模块4 3 5 1 7 投切控制模块4 4 5 2 补偿实验4 5 5 3 本章小节4 8 第六章结论4 9 参考文献5 0 i i 华北电力人学硕士学位论文目录 致谢5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 i i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 第一章引言 随着我国人民生活水平的提高以及经济的发展特别是第三产业的兴起，随着我 国电力的发展和电力市场的建立，人们对电力的需求日益增长，同时对供电安全性、 可靠性和电能质量也提出了更高的要求。在电力的生产和供应中，低压配电网系 统是电力系统的最后一个环节，也是直接面向客户供电的一个十分重要的环节。客 户端电能质量的达标是供电企业产品质量的标识。提供合格的电能，不断提高售电 量，降低供电线路的线损是供电企业的经营考核指标，准确计量售电量，提高运行 经济效益是供电企业面临的一项长期课题。 在理想的电力系统与供电系统中，电能是以单一恒定频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和规定 的电压水平向用户供电的。在这种条件下，电能质量是用频率和电压来衡量的，波 形畸变、电压闪变和供电系统中三相电压或电流的不平衡也是电能质量的重要因素 乜3 。但在实际的电力系统运行中，由于负荷的变化，电力系统的频率和电压是随之 变化的。 近年来，由于电力电子技术的发展及其在工业、交通部门及用电设备的广泛应 用，使得谐波对电力设备、电力客户和通信线路等的有害影响已经十分严重口1 。发 达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的数量、种 类和用电量也将迅猛增加。例如美国i e e e 学会认为，伴随着当代一项最重要的科技 进步，即电力电子技术的发展，作为非线性用电负荷的敏感电子器件已经大量涌现， 其负荷在9 0 年代中后期的美国要上升到1 9 9 2 年的4 - 5 倍。英国有学者认为，自6 0 年 代以来由于电力电子技术的发展，若不能进行有效的谐波控制，在8 0 年代末，英国 的供电电压畸变率可能高达1 0 。日本电气协同研究会论述说：日本当前的重要谐波 源依次是电力换流器( 占谐波源总数的6 6 ) 、家用电器( 占谐波源总数的2 3 ) 以及大 型电弧炉。在高技术的电力电子领域中，换流装置占核心地位h 引。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重晦1 。谐波使电能的生产、传 输和利用的效率降低，使电气设备产生振动、过热和噪声，并使绝缘老化，使用寿 命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使 谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作， 使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重 干扰m 5 1 。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是 华北电力大学硕士学位论文 未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术 一起成为2 1 世纪最重要的两大技术1 。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成 为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波 问题进行更有效的研究。 谐波研究的意义，更可以上升到从维护绿色环境、治理环境污染角度来认识。 对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色的主要标志之一口一1 。在电力电子技 术领域，要求实施“绿色电力电子的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护 已成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工科学技术界所必需 解决的问题。 1 2 国内外研究现状 电力系统谐波问题早在2 0 世纪初期就引起人们的注意。当时在德国，由于使用静止 汞弧变流器造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论 文是早期有关谐波研究的经典论文嘲。 到了2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关 变流器引起电力系统谐波问题的大量论文，f w k i n b a r k 在其著作中对此进行了总 结n 叫。7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在工业、交 通及家庭、电力系统中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也同趋严重，世界各国 都对谐波问题予以充分的关注，国际上召开了多次有关谐波的学术会议，不少国家 和国际学术组织都制订了限制电力系统谐波和用电设备的标准和规定。 电力系统的谐波测量方法通常采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现n ，然而电力 系统的频率并非始终为额定工频，无法保证采样频率为实际工作频率的整数倍，因 而存在栅栏效应和频谱泄漏现象，导致信号参数即频率、幅值和相位的计算结果不 准确，特别是相位的计算误差很大，无法满足谐波测量要求。文献【1 2 】提出了利用 插值算法消除栅栏效应引起的误差；用加窗函数的方法消除频谱泄漏引起的误差。 该算法具有较高的计算精度，但是，由于各次谐波的幅值、频率和相位都需要进行 单独校正，计算量大，无法满足电力系统谐波实时监测的要求。 近年来，人工神经网络和小波变换在电力系统谐波的分析中已获得了广泛的应 用【1 3 , 1 4 】。特别是“自适应人工神经网络在已知系统的精确基波频率下能进行精确 的谐波分析；然而多层前馈自适应人工神经网络的训练过程不确定，在应用之前一 般需要进行大量的训练，因而计算量较大；文献 1 5 】先采用加窗插值算法获得电力 系统的基波频率，然后用自适应人工神经网络算法获得基波和各次谐波的频率、幅 值和相位，取得了良好的电力系统谐波分析效果。此外，文献 1 3 】和 1 5 】分别采用加 布莱克曼一哈里斯窗的插值算法和加海宁窗的f f t 插值算法获得了高精度的电力系 2 华北电力大学硕士学位论文 统基波频率。 目前，谐波治理措施主要有预防性和补救性两类。 预防性的解决方法是指避免谐波及其后果出现的措施，包括：变流器中的相位 抵消或谐波控制；开发有效的过程和方法来控制、减小或消除电力系统设备的谐波。 文献【1 6 】指出换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为p 七+ l 和砧 p 为整流相数或脉动数，k 为正整数) ，当脉动数由p = 6 增加到p = 1 2 时，可以有效的 消除幅值较大的低频项( 其特征谐波次数分别为1 2 k l 和1 2 幼，从而大大地降低了 谐波电流的有效值。文献【6 】指出双p w m 变流器不仅输出电压和电流均为正弦波， 输入电流也为正弦波，且功率因数为l ，代表了这一技术领域的发展方向。独到的变 压器联结方式可以减小谐波。三角形联结变压器隔断了零序3 倍数谐波的流通，它 的作用就像一个双通滤波器，既保护了电源侧，又保护了负载侧。 补救性的解决方法是指为克服已存在的谐波问题所采取的技术，包括使用谐波滤波 器和电路解谐。 1 3 本文的研究内容 目前，各种谐波源遍布低压配电网中，对电网造成了严重的污染。其中，大功率的 整流装置对电网的危害最为严重，本文以低压配电网中具有代表性的谐波源一高频感应 加热电源的实际参数为依据，设计一套补偿方案，具体工作如下： 1 以实际感应加热装置为研究对象，对感应加热装置的等效模型进行简化，并对三 类滤波状态下感应加热装置网侧功率因数的进行理论分析。 2 以感应加热装置实体参数为依据，设计了晶闸管投切滤波器的，在m a t l a b 中建 立了感应加热装置和晶闸管投切滤波器的仿真模型。然后做了各主要触发角度下的补偿 实验，对仿真结果进行了分析。 3 华北电力大学硕+ 学位论文 2 1 谐波的基本概念 2 1 1 谐波的定义 第二章谐波的基本概念 在供电系统中，通常总是希望交流电流和交流电压是正弦波形。正弦电压可表 示为： “( f ) = , f 2 vs i n ( c a t + a ) ( 2 - 1 ) 式中：u 为电压有效值，a 为初相角，为角频率； 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时，其两端电流和电压分别 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。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于 周期为t = 2 x c o 的非正弦电压u ( c o o ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的 傅立叶级数： u ( c o t ) = 口o + ( qc o s n o t + b s i n n t o t ) ( 2 2 ) n = l 式中：铲去知研) 砌 铲三r 石u ( c o t ) c o s ，z 删耐 屯盏昙r 第u ( c o t ) s i n n 国耐耐 ( n = 1 ，2 ，3 ，) 或： “( 国f ) = 口o + c 。s i n ( n c o t + a p 。) n = l c 。= 厢 纯= a r c t a n ( a 。吃) a 2c s i n 吼 4 ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 吃= 巳c o s 纯 在式( 2 - 2 ) 或式( 2 3 ) 的傅立叶级数中，频率为i t 的分量称为基波，频率 为基波频率的整数倍且大于l 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电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用， 把式中u ( c o t ) 转成i ( c o t ) 即。n 次谐波电压含有率以h r u n ( h a r m o n i cr a t i o 玩) 表示。 ， h r u , , = = 生1 0 0 ( 2 4 ) ( i 式中：巩为第n 次谐波电压有效值( 方均根值) ，阢为基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率以h r 。( h a r m o n i cr a t i o 厶) 表示。 ， h r i 。= 争1 0 0 ( 2 - 5 ) 1 l 式中厶为第n 次谐波电流有效值，j l 为基波电流有效值。 谐波电压含量和谐波电流含量妇分别定义为 吣蹂 k 辱 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 电压谐波总畸变率t h d 。( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 并q l 电流谐波总畸变率t h d f 分 别定义为 t h d u = u u l t 1 。 ( 2 8 ) t h d r = 等赳o o c 2 胡， 数字国际上公认的谐波定义为“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此谐波又称为高次 谐波【1 2 1 。 实际的电网中还存存一尴颇率不县基波颇率罄辑倍的诈棱分量玟此分量称为 5 华北电力人学硕士学位论文 分数次谐波和间谐波。低于工频的间谐波又称为次谐波，但电网中主要存在的还是 整数次谐波。 就谐波的概念可见谐波有以下特征： ( 1 ) 谐波的次数n 必须是大于1 的整数倍即2 、3 、4 、5 。 ( 2 ) i g 波和暂态现象必须加以区别，谐波的波形是周期性的和不变的，而暂态现 象的波形每个周期都在发生着变化，为了区别暂态现象和谐波一般在计算电流( 电压) 畸变率时，采用谐波电流( 电压) 的平均有效值或畸变率，其时间区间取3 秒。 ( 3 ) 短时间谐波和暂态中的谐波分量，短时间谐波问题是指大功率晶闸管在工作 时产生的短时间突发电流脉冲，这种突发的脉冲包含着暂态分量和谐波分量，如果 它引起的电压畸变是间断性的持续时间不超过2 5 m s ，两个脉冲不小于3 0 m s ，这种 暂态分量和谐波分量是允许的。暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸 变波形，但尽管暂态过程中含有高频分量，暂态和谐波却是两个完全不同的现象： 谐波按其定义来说是在稳态情况下出现的，并且其频率为基波频率的整数倍。产生 谐波的畸变波形是连续的，或至少持续几秒钟，而暂态现象则通常在几个周期后就 消失了。暂态常伴随着系统的变化，例如投切电容器组等，而谐波则与负荷的连续 运行有关。 2 1 2 电力系统谐波的特性 ( 1 ) 对称性 奇对称性的特点是厂( 一d = 砍力，展开成傅里叶级数时没有余弦项。 偶对称性的特点是以一幻钒力，展开成傅里叶级数时没有正弦项且只有余弦项。 半波对称性的特点是火t t 2 ) = - j ( t ) ，没有直流分量且偶次谐波被抵消。这个特 点使我们可以忽略电力系统中的偶次谐波，因为电力系统一般是由双向对称的元件 组成的，这些元件产生的电压和电流具有半波对称性。 ( 2 ) 相序性 在一个平衡的电力系统中，单频率谐波分量只能是完全正序的，或完全负序的 或完全零序的这一点可以从相电压的傅里叶级数展开式中看出。 ( 3 ) 独立性 平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，因此可以将各次 谐波分别处理，也就是说，在频域中，对各次谐波分别建立等效电路，求解电流和 电压。总的响应可以通过时域中将所有谐波分量相加来得到。 6 华北电力人学硕士学位论文 2 2 低压配电系统中典型的谐波源 高次谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性所 造成的，即所加电压与其产生的电流不是线性关系而造成的电压畸变。系统中产生 谐波的设备称为谐波源，是具有非线性的用电设备。当前，电力系统的谐波源，就 其非线性特性而言主要有铁磁饱和型、电弧型、电子开关型三大类【4 1 。 2 2 1 磁饱和装置 该类装置包括变压器和其他带有铁芯的电磁设备以及电机等。它们铁芯的非线 性磁化特性将引起谐波。变压器的励磁回路实际上就是具有铁芯绕组的电路。当变 压器运行点在磁饱和特性曲线拐点下方时，处于线性状态；而当其运行点位于拐点 上方时，铁芯为非线性，即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸变，从而产生 低次的谐波电流。 虽然在额定运行电压下变压器励磁电流中含有丰富的谐波电流，但一般情况下 它小于额定满载电流的1 。变压器不像功率换流器和电弧装置那样受人们关注， 这些装置所产生的谐波电流可能达到其额定值的2 0 或更高，三倍频谐波电流有较 大幅值的增加。这是由于负荷量小和电压升高因此变压器励磁电流增大所致。 单相或三相星形接线中性点接地变压器电流中含有大量的三次谐波电流。三角 形接地和星形中性点不接地变压器，可防止像三倍频率这样的零序性谐波电流的流 通。 2 2 2 电弧炉 由于电弧炉炼钢在技术、经商上具有优越性，因而它在炼钢工业中发展很快。 根据电弧炉的容量及冶炼要求，炼钢周期约为3 8 小时不等。炼钢前的o 5 2 小时 为炉料的熔化时期，此阶段电弧极不稳定，因此电弧电流具有数值大而且不平衡、 畸变和不规则波动的特点。在后一阶段的精炼期，电弧电流比较稳定，波动大为减 小，电流的数值相对较小且比较平衡，畸变也较小。 交流电弧炉为三相不平衡的谐波电流源，冶炼过程中还有基波负序电流注入系 统。此外，三相电流的剧烈波动，还会引起公共连接点电压变动，导致白炽灯闪烁， 对电视机、电子设备产生有害影响。 2 2 3 家用电器 家用电器中，有不少用电器含有非线性元件，也会有谐波电流产生。随着城市 供用电系统的发展和人们生活水平的提高，家用电器给供电系统带来的问题和负面 7 华北电力大学硕十学位论文 影响已不可忽视。家用电器中采用的电子电路多种多样，下面介绍产生谐波对系统 影响较大的桥式整流电容平波电路和电力调节电路。 桥式整流电容平波电路广泛用于电视机等家用电器中，由于采用平波电容，整 流元件要等到整流电压大于电容器的储能电压时才能导通，故交流侧的电流只有正 弦波的波头部分，含有大量的奇次谐波，当整流电路中加入晶闸管控制时，谐波含 量更大。有关谐波的实测调查表明，在具有大量电视机负荷的供电系统中，在电视 机收看率达到高峰时段内，各级电压的谐波畸变率也相应升高。 电力调节电路用于照明调光及电热调温等家用电器中，通过用晶闸管切除正弦 电流的一部分来调节负载电流的大小。晶闸管的控制角越大，给系统带来的谐波电 流就越严重。 2 2 4 整流装置 目前，电力系统中最重要的非线性负荷是能产生谐波电流并具有相当容量的功 率换流器。换流器是指能将电能从一种形态转变成另一种形态的电气设备，如典型 的a c d c 整流器、d c a c 逆变器以及变频设备等。各种各样的换流器遍布于电力 系统的各个电压等级。 2 3 谐波的影响和危害 随着电力电子技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是以开 关方式工作的静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交直流变换 装置都有着广泛的作用，它是一种非线性时变负荷，不可避免地会产生非正弦波形， 向电网注入谐波，已成为电网中的公害之一。供电系统中还有电弧炉、电焊机、变 压器、旋转点击等其他非线性负载，都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波，甚 至像电视机、荧光灯、电池充电器等装置也会产生谐波，虽然单个装置的容量不大， 但由于数量很多，因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视n 引。谐波不仅会 消耗系统的无功功率储备，其危害还主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在 谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波 形畸变比谐波电压的波形畸变大的多，即使电压中谐波所占的比例不大，也会产生 显著的波形电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐 波电流，从而导致电容器因过流而损坏。 增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定 子和转子铁心中引起附加损耗。由于涡流和肌肤效应的关系，定子和转子导体内的 这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪声和 8 华北电力人学硕士学位论文 产生脉动转矩。 ( 2 ) 增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产 生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。 在电缆输电的情况下，谐波电压以正比喻其幅值电压的形式增强了介质的电场强 度，这会影响电缆的使用寿命。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命 平均下降约6 0 。 ( 3 ) 增加变压器的损耗变压器在高次谐波电压作用下，将产生肌肤效应和 临近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3 的倍数次零 序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过 额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起 变压器的磁路饱和，从而大大增加交流励磁电流的谐波分量。 ( 4 ) 造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特 性，这与继电器的设计特点和原理有关。当谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作 的数字继电器容易产生那个误差。谐波对过电流、欠电压、距离、频率等继电器均 会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可 能引起接低保护误动作。 ( 5 ) 引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果? 供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外 的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为1 0 0 0 h z 时，电能表将停止转动。 ( 6 ) 干扰通信系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧 变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包括的谐 波频率较高，甚至达到1 m h z ，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产 生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通信线路， 谐波的影响都很大。 ( 7 ) 延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使电弧 熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的谐波分 量同样会延迟或消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的电流变化率 过大，导致断路器熄弧困难，影响断流能力。 以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导，开关器件功率处理能力和 切换速度有了显著提高，电力电子装置的工业市场和应用领域正在不断扩大。有资 料分析，2 0 0 0 年一些发达国家5 0 以上负载通过电力电子装置供电。在电价较高的 国家，电力电子技术的应用市场可能会更大。有专家统计，我国目前电能的3 0 是 9 华北电力大学硕十学位论文 经过各类功率转换后供电用户使用的。随着功率变换装置的不断增大、使用数量的 迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置的潜在负作用将日益突出。同时， 家用电器、精密仪器设备发展迅猛，越来越多的电气用户对取用电能形态和功率流 动的控制与处理提出了新的要求。这样，越来越严重的谐波污染与越来越高的电能 质量要求形成一对日趋尖锐的矛盾。 综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已 成为电能质量另一个重要指标。因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济 运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将 其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章感应加热装置网侧功率因数的理论分析 2 0 世纪8 0 年代以来，我国的电力工业取得了飞速的发展，不仅发电机装机容 量空前增加，输变电设备质量以及电力自动化水平也取得了日新月异的变化。与此 同时，各类负荷的种类与容量发展更快，尤其是大功率非线性负荷产生的谐波给电 网造成很严重的影响。低压配电网处于电网的末端，用户多为低压用户，因此，低 压配电网谐波治理的关键就是从低压用户着手开始治理。从源头治理好低压配电网 中的谐波，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可提高用户配电变压器的利 用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效地降低电能损失，减少用户电费，提 高设备寿命【1 8 】。整流和有源逆变的变流装置在工业广泛应用，大功率整流器已成为 危害低压配电系统电能质量的重要谐波源之一，本文以感应加热装置为例，通过分 析和治理其谐波来降低配电网侧的谐波含量，提高电能质量。 3 1 功率因数的概念 3 1 1 正弦电路的功率因数 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电流和电压都是正弦波。设电压和电 流可分别表示为： “：f 2 u s i n c o t ， f = 2 s i n ( t o t 一伊) = 西c o s 缈s i n 研一x 压s i n t p c o s t o t = f p + i q ( 3 1 ) 式中缈为电压超前电流的相角。电流f 被分解为与电压同相位的分量i p 和比电 压滞后9 0 。的分量i q 。知和岛分别为： f p = 4 互i c o s 矽s i n t o t = 一压s i n 缈c o s t o t 电路中有功功率p 就是其平均功率，即： p = 去知+ “i q ) d t o t = 去r ”“抛 电路的无功功率定义为： ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 华北电力人学硕士学位论文 q = u i s i n 孽o ( 3 4 ) 可以看出，q 就是式( 3 - 3 ) 中被积分函数的第2 项无功分量“如的变化幅度。 甜岛的平均值为零，表明了其有能量交换且不消耗功率，q 则表示了这种能量交换的 幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在具有储能元件的负载和电源之间进行 的。从式( 3 - 2 ) 中可以看出，真正的功率损耗是由被积分函数的第一项有功功率 分量喀产生的。因此，把式( 3 - 2 ) 所描述的易和分别称为正弦电路的有功电流 分量和无功电流分量n 引。 对于变压器和发电机等电器设备来说，其额定电流值与导线的截面积及铜损耗 有关，其额定电压和绕组电气绝缘有关，当工作频率一定的情况下，它的额定电压 还和铁芯损耗有关。因此，工程上把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计 极限值，这个值也就是电气设备最大可利用容量。因此，引入如下视在功率的概念： s = w ( 3 - 5 ) 从式( 3 3 ) 可知，有功功率p 的最大值为视在功率s ，j p 越接近s ，电气设备 的容量就得到充分利用。为了反映p 接近s 的程度，定义有功功率和视在功率的比 值为功率因数a ： 尸 力= s ( 3 - 6 ) 从式( 3 3 ) 和式( 3 5 ) 可以看出，在正弦电路中，功率因数是由电流和电压 之间相角差决定的。在这种情况下，功率因数常用c d s 9 来表示。 应该指出，视在功率只是电压和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交 换和消耗的强度。在一般电路中，视在功率不遵守能量守恒定律。 3 1 2 非正弦电路的功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和正弦 电路相同。有功功率仍为瞬时功率在一个周期内的平均值。视在功率、功率因数仍 分别由式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) 来定义。这几个量的物理意义也没有变化。 非正弦周期函数可用傅立叶级数表示为式( 2 - 3 ) 。式中的s i n ( c o t + 伊1 ) 、 s i n ( 2 0 j t + ( p 2 ) 、s i n ( 3 c o t + 伊3 ) 、都是相互正交的。也就是说，上述函数集合中的任意 两个不同函数之间的乘积在一个周期内的积分为零。所以其有功功率p 为： 1 2 华北电力大学硕十学位论文 p ：去f 2 。“耐研：c o j o 虬lc 。s 纸 2 兀三“i “1 电压和电流的有效值分别为： 因此： s 堋= 画辱 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 在含有谐波的非正弦电路中，无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受 的权威性的定义。仿照式( 3 - 7 ) ，可以定义无功功率： ( 3 - 1 1 ) 这里，无功功率q 只是反映了能量交换的和流动，并不反映能量在负载中的消 耗。在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的物理意义完全是一致的。因此， 这一定义被广泛接受。但是，这一定义对无功功率的描述很粗糙。它没有区别基波 电压、电流之间产生的无功功率，同频率谐波电压电流之间产生的无功功率，以及 不同频率谐波电压和电流之间产生的无功功率。也就是说，这一定义，对于谐波源 和无功功率的辨识，对于理解谐波和无功功率的流动，都缺乏明确的指导意义。这 一定义也无助于对谐波和无功功率的监测、管理和收费。 仿照式( 3 4 ) 也可以定义无功功率。为了和式( 3 - 1 1 ) 区别，采用符号q 厂。 三 q z = u 。ls i n q ， ( 3 - 1 2 ) n = l 这里9 是由同频率电压电流正弦波分量间产生的。在正弦电路中，通常规定 感性无功功率为正，容性无功功率为负。把这一规定引入非正弦电路中，就可能出 现一些很不合理的现象。同一个谐波源，可能某些次谐波的无功功率为感性无功功 1 3 一啡 一砖 五树 五嘲雁唇 = = u ， 华北电力大学硕士学位论文 率，而另一些次谐波的无功功率为容性无功功率，从而出现两者相互抵消的情况。 而实际上，不同频率的无功功率是无法互相补偿的，这种互相抵消是不合理的。在 这里，9 已没有度量电源和负载之间能量交换幅度的物理意义了。尽管如此，因为 式( 3 1 2 ) 中9 的定义可以看成正弦波情况下定义的自然延伸，它仍然被广泛采 用。 在非正弦的情况下s 2 p 2 + q ；，因此引入畸变功率d ，使得： ， s 2 = p 2 + q ；+ d 2 ( 3 一1 3 ) 比较式( 3 - 1 3 ) 和式( 3 - 1 1 ) ，可得： ( 3 - 1 4 ) 和q ，不同，d 是由不同频率的电压、电流正弦波分量之间产生的。 在公共电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大。 因此，一般情况下，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦 波的情况有很大的实际意义。设正弦电压有效值为阢畸变电流有效值为，其基 波电流有效值及与电压相角差分别为乃和仍，n 次谐波有效值为厶。考虑到不同频 率的电压电流之间不产生有功功率，按照上述定义可以得到： p = u i , c o s q o l 缈= v i , s i n q ，l 户2 + 彰= u 2 矸 s 2 = u 2 1 2 + u 2 露 n - 2 d 2 = s 2 - p 2 一谚= u 2 ，： n = 2 ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) 在这种情况下，q 和d 都有明确的物理意义。9 是基波电流所产生的无功功率， d 是谐波电流所产生的无功功率。这时功率因数为： 名：i p ：9 1 1 cos缈l：量cos仍=veosfp,(3-20)uiis 一 1 4 华北电力大学硕士学位论文 式中，y = 1 1 i ，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而 c o s t p 。称为位移因数或基波功率因数。可以看出，功率因数是由基波电流相移和电流 波形畸变两个因素决定的。总电流也可以看成由三个分量，即基波无功电流、基波 有功电流和谐波电流组成。 3 1 3 三相电路的功率因数 在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路总 的功率因数等于各相的功率因数。在三相电路中，影响功率因数的因素除波形畸变、 电流和电压的相位差外，还有一个因素就是三相不对称。三相不对称电路的功率因 数至今没有统一的定义。定义之一为： y p a = 牛 s ( 3 - 2 1 ) 式中，各相的s 为其电流与各线到人为中点电压的乘积。可以看出，即使三相 都是线性电阻负载，只要三相不对称，功率因数仍小于1 。该定义简单明了易于计 算，考虑了不对称的因素，但其依据不充分。另一定义称为矢量功率因数： yp 肚自 式中，s 为矢量，各相s 的相角为该相电流滞后电压的角度。 3 2 感应加热装置的模型简化 ( 3 - 2 2 ) 随着电力电子学以及大功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不 图3 - 1 感应加热装置基本结构图 1 5 华北电力大学硕+ 学位论文 断的完善，已形成一种固定的a c d c a c 变换形式，基本结构如图3 一l 所示。一般 由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成n 引。 3 2 1 整流器部分 感应加热装置的整流器部分主要由三相桥式整流电路构成，如图3 2 所示，通 过控制整流器触发延迟角a ，实现对整流器的电压和功率控制。整流器的作用是把 交流电能转换成直流电能。在感应加热装置中，整流器的负载是逆变器，对整流器 的基本要求如下： ( 1 ) 为了满足感应加热的工艺要求，向负载提供的直流功率应连续可调。 ( 2 ) 电流型逆变器要求整流器输出电流