（电气工程专业论文）江北电网典型谐波源的组成及治理方案研究.pdf

重庆人学1 氍硕+ 学位论文 摘瑶 摘要 江北供电局的供电辖r 包括江北区、渝北区、北豁新区，随着辖区经济的快 速发展，大宗工业用户的增加，大量晶闸管整流电源和电弧炉、接触焊接设备、 硅铁炉、高频炉等的使用直按对江北电网造成了谐波污染，严重影响着江北电网 的电能质量和电网安全运行。去年年初对1 0 k v 电网主要工业用户的用电负荷性 质进行了调查。其中：重庆电镀总厂、渝北回兴轧钢厂、长安福特汽车厂、望江 厂、中南铝厂等二十多家大宗用户都是江北供电局l o k v 电网的谐波源。接着对 江北电网l o k v 配网可能造成严重谐波影响的三个重要谐波源用户进行了现场初 步测试，谐波含量超标。为此，我们对中南铝厂及重庆电镀总厂进行了进一步的 谐波测试分析。 针对这种情况，我们主要选取了几种主要的电”乜予装簧进行仿真研究，分 析其对电网所造成的谐波影响。通过分析可以看出这些电力 乜f 装置都会产生比 较严重的谐波污染。所以在使用中要考虑其产生的谐波对f l i 网的影响，芹采取相 应的谐波治理措施，使它们注入电网的谐波在国标限制范围之内，另外介绍r 几 种典型的谐波源的谐波治理方案。进行了电力滤波器的设计，在原电路c p 加入设 计好的滤波器再次进行仿真，仿真结果表明，设备电源电流巾的高次谐波含量大 大减少，波形接近雁弦波。这证明了谐波治理方案设计的萨确性。 本论文的工作可以为江北! o k v 电网及其它地区电网的谐波治理提供i 定的参 考价值。 关键词：谐波测曩与分析，谐波治理，电力滤波器设计 里堕叁堂! ：型堕! 兰堡堕苎 一! 堕生 a b s t r a c t t h ea r e a ss u p p l i e db yj i a n g b e ip o w e rs u p p l yb e r e ai n c l u d ej i a n g b e is e c t i o n ， y u b e is e c t i o na n dt h en e wd e v e l o p e da r e ao ft h en o r t h w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h i sa r e ae c o n o m 弘t h e s ee q u i p m e n t sa l eu s e dw i d e l y , w h i c hc o n s i s to fag r e a td e a lo f t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e g u l a t i o nc i r c u i t sa n dr e c t i f i e r s ，a r cs t o v e ，t o u c hj o i n t i n ge q u i p m e n t s i l i c o ni r o ns t o v e h i g h - f r e q u e n c yw e l d i n gd e v i c e sa n ds oo n ，i td i r e c t l yl e a d st ot h e p o l l u t i o no fj i a n g b e ip o w e rg r i da n db a d l yi n f l u e n c e st h ep o w e rq u a l i t ya n dt h es a f e t y o p e r a t i o no f j i a n g b e ip o w e rg r i d a tt h eb e g i n n i n go f l a s ty e a r t h ep r o p e r t yo f e l e c t r i c a l l o a d so ft h em a i ni n d u s t r i a lc o n s u m e ri nj i a n g b e ia r e aw a si n v e s t i g a t e d t h e r e f o r e t h e m a i nh a r m o n i cc o n s u m e r so fj i a n g b e ia r e ai n c l u d et h ee l e c t r o p l a t ep l a n t y u b e i h u i x i n gr o i l i n gm i l t ，c h a n g a nt o r dv e h i c l ef a c t o r y w a n 由i a n gp l a n ta n ds oo nw ed i d s o m ep r i m a r ym e a s u r e m e n t sa ts o m ep l a n t sa n dt b u n dt h a ts o m eh a r m o n i cc o n t e n t s g e n e r a t e db yt h el o a d se x c e e dt h el i m i t e dl e v e l so f t h es t a t es t a n d a r d s t h e r e f o r e s o m e f u r t h e rm e a s u r e m e n t sa n da n a l y s i sw e r ep e r f o r m e d a c c o r d i n gt ot h i sc o n d i t i o n s e v e r a lk i n d so fe l e c t r i c a ll o a d sw e r ec h o s e nt ob e s t u d i e df o rs o m es i m u l a t i o nr e s e a r c h b yt h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，i tc a nb es e e nt h a t a l lt h o s ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t sc a np r o d u c eb a d l yh a r m o n i cp o l l u t i o n ，w h i c hs h o u l db e c o n s i d e r e di nt h eu s e s w es h o u l dt a k es o m er e l e v a n tm e a s u r e st or e d u c et h eh a r m o n i c e f f e c t sw i t h i nt h el i m i t o nt h eo t h e rh a n d ，as e v e r a lk i n d so ft y p i c a lh a r m o n i cf i l t e r m e a s u r e sa r ei n t r o d u c e d t h e n ，p o w e rf i l t e ri sd e s i g n e da n da d d e dt oo r i g i n a lc i r c u i t s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec i r c u i tw i t hf i l t e ri n d i c a t ed e c r e a s eo ft h eh a r m o n i c si nc u r r e n t o fp o w e rs u p p l na n dt h ew a v e f o r r ni sc l o s et os i n u s o i d a lw a v e w h i c hp r o v ec o r r e c t n e s s o ft h es o l u t i o nt oh a r m o n i c sp o l l u t i o n t h i st h e s i sp r o v i d e sr e f e r e n c et ot h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o no ff o rj i a n g b e ip o w e r g r i da n do t h e ra r e a l sp o w e rg r i d k e yw o r d s ：h a r m o n i c sm e a s u r e m e n ta n ds i m u l a t i o n h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，p o w e r f i l t e rd e s i g n 重庆人学i ：群硕。卜学位论丘 l 绪论 1绪论 1 1 谐波问题及其研究意义 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置得到了广泛的应用。如冶金、 化工、矿山等部门大量使川晶闸管整流电源，工业生产中大量使用变频调速装黄， 电气化铁道中采用单相整流供电的机车及高压直流输电中的换流站等。此外工业 应用中广泛使用的电弧和接触焊接设备、硅铁炉、高频炉以及电力变压器等也属 非线性电力负荷。这些非线性负荷将从电网吸收或注入谐波电流和无功电流，产生 大量的零序、负序和谐波电流，从而引起电网电压畸变。通常称这些非线性负荷为 谐波源。 供电系统中的非线性负荷的增加给电网往入了大量的高次谐波，使供电电压波 形发生畸变，出此造成的经济损失极为可观。文献指出，公用电网中的谐波源主 要是备种电力电子装置( 含家用电器、计算机等的电源部分) 、变压器、发电 几、电 弧炉和荧光灯等。在电力f 邑子装置大量应用之前最主要的谐波源是电力变哐器的 励磁电流，其次是发电机1 2j ；当电力电子装胃得到了大量应辟j 之后它就成旬了最 主要的谐波源。在各种电力电子装置中整流装置所占的比例最大。目前。常用的 整流电路几乎都是采用晶闸管相控整流电路或者一二极管整流电路【3i ，其中以三相桥 式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流1 电路所产生的渚波污染和功率因 数降低已经为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波 污染源，这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位基本相同，因而基波功 率因数接近于1 ，但其输入电流的谐波分量很大，在给电网造成严重污染的同时， 也使得其总的功率因数很低。此外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流 器等电力电子装置也会在输入懊| i 产生大量的谐波电流。除了上述电力电子装置外， 逆变器、直流斩波和间接d c d c 变换器的应用也较多，这些装置所需要的直流电 源主要柬自整流电路，i 丑而其谐波问题也比较严重。在这类装黄中，各种丌美电源、 不问断电源和电压型变频器等的使用越来越普遍，它们对电网的谐波污染问题也同 益突出。 为了保汪咆网的供电! 丘量，必须加强谐波的管埋和治州，戳极推广规“抑制谐 波的有效措施，加强谐波源的管理，努力把电网电压1 乍诈弦波畸变率限制n ：觇定的 范围内。 噬庆是重一】：业化城市，经渊查j 知，l 业生j “： h i u 山总售 c i 量的5 8 毖f l 冶 会行业占工业7 e 产用电的1 7 2 ，化_ - h ：q k 占r 业7 l 三产用也的1 5 89 6 。2 0 0 年重庆 电力公司埘飘庆电网进行r 第：次谐波普查，但重庆电网特波状况令人担忧在所 重庆人学l ：科硕十学侍论文 l绪论 测的6 3 坐变电站中有1 2 座变电站的谐波电压超标，1 8 座变f 包站的总路谐波电流超 标，有1 0 条专线谐波电流超标，且谐波成分以3 次，5 次等奇次波为主。壁l f 供电 局龙壁线谐波超标导致多家居民电视机被烧毁；北碚供电局紧钢线谐波超标致使用 户柜式空调压敏电阻烧坏。由于无功补偿电容器组的不同组合在某些方面对谐波电 流的放大作用，也加速了电容器的老化和损坏。江北供电局的供电辖区包括江北区、 渝北区、北部新区，随着辖区经济的快速发展，大宗工业用户的增加，大量晶闸管 整流电源和电弧炉、接触焊接设备、硅铁炉、高频炉等的使用直接对江北电网造成 了谐波污染，严重影响着江北电网的电能质量和电网安全运行。年初对1 0 k v 电网 主要工业用户的用电负荷性质进行了调查。其中：重庆电镀总厂、渝北回兴轧钢厂、 长安福特汽车厂、重庆合成制药厂、望江厂、中南铝厂、山峰铸造厂、利特公司等 二十多家大宗用户都是江北供电局i o k v 电网的谐波源。接着对江北电网1 0 k v 配 网可能造成严重谐波影响的三个重要喈波源用户进行了现场初步测试，谐波含量超 标。 随着电网中电力电子装置的用量和容量越来越大电网中电压和电流畸变问题 也r 盏严重。谐波和无功电流对电力系统及其他用电没备可以带来非常严重的影响， 主要表现在以下几个方面： 1 无功功率的影响 无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增大，从而使发电机、变压器硬 其它电气设备容量和导线容量增加，同时总电流增大，设备及输电线路的损耗也增 大。另外，无功功率的增加还会使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功 功率负载，还会使电压产生剧烈波动，大大影响供电质量。 2 谐波电流的影响 i ) 使公用电网中的用电设备产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使 用效率，增加电网线损、在三相四线制系统中，大量的三次及其倍数次谐波电流流 过中线，容易引起中线过热，甚至会引起火灾。 2 ) 谐波会产生额外的热效应引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿 命。 3 ) 谐波容易使电网与补偿电容器等无功补偿装置发生串联或诈联营振，使潴波 乜 流放大几倍至儿十倍，造成过流，使得电容器或电抗器烧毁。 4 ) 谐波电薛还会对旋转电机产生影响，除引起附加损耗和过热外，还会产，e 机械 振动、噪声和谐波过电压，缩短电机的使用寿命，情况严重时基至会损坏电机。 5 ) 谐波会引起些保护设备如继电器、熔断器等洪动作。川呲还会对电一锄m 超仪 表产生f 扰，影响测量仪表的精度，造成电能计量误差。 6 ) 谐波会通过电磁感应阳传导耦合等方式，对附近的电j - 设备和通信设施f t 重庆人学l ：群硕十学位论文 l 绪论 扰，严重时导致它们无法正常工作。 谐波研究的意义，还在于它对电力电子技术自身发展的影响。 电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有科学家预言，电力电子连同 运动控制将和计算机技术一起成为二十一世纪最重要的两大技术f 引。然而，电力电 子设备产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术自身发展的极大障碍，它使得电 力电子研究领域的科学家和工程师们不得不努力对谐波问题进行更深入的研究。 1 2 谐波研究现状 在谐波问题上，目前共同关心的研究方向有： 1 ) 电能质量测量和评估方法，对测量评估中涉及到一些电气参数重新进行了定义， 继续提出新的测量方法和测量手段，研制了多通道谐波分析仪和电能质量测量 仪等： 2 ) 在分析与计量技术方面分析了电网参数变化、模型与元件参数的精度对谐波 计算的影响：针对非稳念波形畸变，寻求新的数学方法，如近年发罹较快的小 波变换、神经网络等： 3 ) 浩波抑制措施。对无源与有源滤波混合方式的研究更加广泛和深入认为混合滤 波器可降低治理投资、改善传统滤波器的技术性能是未束抑带谐波的麻甩方 向； 4 ) 对换流器谐波源进行广泛深入的研究。如对p w m 换流器提出了采用空问矢量法 使其所产生谐波电置最小化的方法：对于不对称触发的a c d c 换流器，提出了 采用离散小信号模型的分析方法； 5 ) 提出了混合牛顿一高斯算法，并采用并联校萨技术以改善收敛性：研究电网中装 设滤波器的最佳安装位置： 6 ) 随着互联网技术的发展，研究基于网络的电能质量监控与分析及多种数据源的 兼容等。 1 2 1 与谐波有关的功率定义和功率理论的研究 在证弦电路中，负载是线性的电路中的电压和电流都是f 弦波。假发电压和 电流可以分别表示为 “：及，s i n 耐 f ：西s i n ( 0 2 t 一咖= 届c o s ps i n 研一西s i n 妒c o s 肼：f 。“ 式中的铲为电流滞后f 电压的翱角。 式( t - 1 ) 中， 【l 流f 被分解为和也眶幸 j 纯柏川的分璧f ，和比f l 【垭滞后9 0 。的分 量t ，。i ，和f 。分别为 里鏖苎堂! ：壁堡堂壁堡茎 ! 堕笙 f 。= 2 ，c o s 妒s i nt o t i 。= 一2 ，s i n 妒c o s m r 电路中的有功功率p 就是其平均功率，即 p = 去耐c 鲥，= 去2 f r e 呜捌c 鲥，= 叫c 。s 妒 电路中的无功功率定义为 q = u l s i n p 在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， 是电气设备最大可利用容量。因此，引入如下的视在功率 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 这个值也就 s = w ( 1 - 5 ) 由式( 1 - 3 ) 和式( 1 5 ) 可以看出，有功功童的最大值为视在功率s ，p 越接近 s ，电气设备的容量越得到充分利用。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五，即 五：一p f 1 6 ) s 可以看出，在正弦电路中，功率因数是由电压和电流之问的年h 角之差决定的。 在含有谐波的非i f 弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义都和一般 正弦电路相同。有功功率仍然被定义为瞬时功率在一个周期内的平均值。视在功率、 功率因数仍然分别由式( 1 - 5 ) 和式( 1 - 6 ) 柬定义，这些量的物理意义也和讵弦电 路一样。 非正弦周期函数可以用傅立叶级数表示成如下形式： f ( c o t ) ；吼+ c 。s i n ( n c o t + f o 。， ( 1 7 ) 在上式中，s i n ( c o t + 纸) 、s i n ( 2 0 , f + 妒2 ) 、s i n ( 3 a t + 纸j 、等都是互相萨交的， 也就是说，上述函数集合中的两个不同函数的乘积在一个周期内的积分为零。所以 其有功功率p 为 p = 百1p 耐( 甜) = f ，。，。c o s ， ( i - 8 ) 0 ，；i 电压和电流的有效值分别勾 ，= i = ( 1 9 ) 一u 一一 画厣 重庆人学1 程硕十学位论文 l 绪论 所以有 s = u =辱露 ( 1 1 0 ) 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况较为复杂，迄今为止还没有被广泛 认可的权威定义。但是，仿照正弦电路，可以将其定义为 d = s 2 一p 2 ( 1 1 1 ) 在此，无功功率q 只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的消 耗，它与正弦电路中无功功率的基本物理意义是一致的。但是，这个定义对无功功 率的描述太过粗糙，它没有区别基波电压电流产生的无功功率与同一频率谐波电压 电流产生的无功功率，以及不同频率的谐波电压电流产生的无功功率，因此这个 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，都没有实际 的指导意义。 总而言之，当电压和电流中台有谐波时，如何定芝各种功率的问题迄今尚未得 到很好的解决。要使得功率的定义严谨科学，又能满足： 程和管理的需要，有待研 究的问题还有很多。 与谐波有关的功率定义和功率理论的研究，还包括谐波对系统的功率因数的影 响方面。当电流中含有谐波成分时，功率因数定义为： p f = ，c o s 矿。( 1 1 2 ) 式中：c o s # ，称为相移因子。 毋，为电流基波分量与电压基波分量的相位差。 r 称为畸变因子。 畸变因子，定义为 i 。东蠹2 茬 当波形中含有谐波成分时， d i s t o r t i o n ) 定义为 t h d = 艟，k ( 1 1 3 ) 其总谐波畸变率( n i d 一t o t a lh a m l o n i c s ( 1 - 1 4 ) 由式( 1 - 1 3 ) 和式( 1 - 1 4 ) 可以得出总谐波畸变率t h d 与畸变驯产r 的关系为 l ，2 - 7 彳 ( 1 - 1 5 ) l 十( t h d ) 2 由式( 1 - 1 2 ) 、( 1 - b ) 、( 1 一1 4 ) 、( 1 - 1 5 ) 町以看出，与电流中1 i 禽谐波寸，畸变因f 重庆人学i ：程硕十学能论j 1 绪论 r = l ，当电流中包含谐波分量。( n 1 ) 时，斥1 ，这时候助率因数p f 也随之降低；当 电流中不含谐波时，总谐波畸变率t h d 为零当电流中包含谐波分量。n 1 ) 时， t h d 大于零，谐波分量越大，t h d 也越大。因此，减小电流中的谐波含量，不仅意 味着可以降低总谐波畸变率，而且还能提高负载功率因数。 1 2 2 与谐波有关的测量问题和限制谐波的标准的研究 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的 伤害，世界上很多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或者由权威机构制定限 制谐波的标准。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流， 把电网谐波电压控制在允许的范i 鲴之内，使得连接在电网中的电气设备不会受到谐 波的干扰。 电力系统中谐波问题早在二十世纪二三十年代就引起了人们的注意。目前人们 已经认为谐波污染为电网的公害。谐波的污染与毪害已经引起人们的广泛重视，世 界各国都对谐波问题给予了极大的关注，多次召i r 困际性学术讨论会。为了减小偕 波危害，提高电能的质量，不少困家和国际组织制定厂限制用电殴备的谐波柯；准。 国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 2 年制定了i e c 6 0 5 5 5 2 标准，对负载产生的潴波进 行限制，使负载注入电网的谐波危舰定的范围内。浚标准在1 9 9 5 年修订，修订焉 的标准为i e c 6 1 0 0 0 3 2 。我国国家技术髓督局也f1 9 9 3 年分别颁佰了电能质量、 谐波方面的国家标准一一电能质量公用电网凿波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ，泼标准已 于1 9 9 4 年3 月1 只起在我国全面丌始实施，用以限制供电系统及用电设备的谐波 污染。 1 2 3 谐波的补偿和抑制的研究 为了减轻谐波对电力系统和用户本身所造成的危害，当前，治理谐波n r 以采取 将非线性负荷与线性负荷隔离，分别接在不同的母线上；改善电网结构降低供电 系统的短路阻抗；增加变流装置的触发脉冲：研制谐波电流含量低的受电器减少 和控制负荷注入电网的谐波电流等方法。其中，在用户和供用电网络中安装尢源或 有源滤波器来抑制谐波，使之满足国家所制定的谐波标准，是迄今为止的h种有 效措施。下面对各种滤波器进行分机比较。 传统的谐波补偿装置趾震用l c 无源滤波器。这种力_ 法既- 叮以补偿凿波，义。1 r 以补偿无功功率，而目结构简单因此卣被广泛使j 月。不过，这种方法的1 要缺 点是其补偿特性受电阐阻抗干运h 状念影响，容易和系统发生片联谐振甘毂谐波 放大，使l c 滤波器过载其伞损坏。另外，它 l 能补偿固定频率的谐波，i h 偿效噪 也差强人意。由卜这种补偿杖旨一i j 构和原理简单，成本较低，所以它仍然址 i 目i 蟥 主要的谐波补偿方法，罔卜1 为，l 种l c 厄源滤波器的，示意图l i ： 里盎叁竺l ；矍堡堂堡堡苎j ! 兰l a ) 一阶b ) 二阶c)=断d)c里 幽1 i 几种l c 光源滤被器 f i g l - is e v e r a lk i n d s o f l cp a s s i v e f i l t e r s ：a ) l i r s to r d e r ，b ) s e c o n do l d e r t cj t h i r do r d e r d ) c t y p e 另外的一种谐波治理装置式功率因数校币器( p f c ) 。它是在整流桥与负载之间 接入一个d cd c 歼关变换器，使用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输 入正弦电压波形可以有效的提高功率因数，使电，电子装置不产生谐波。但大多 数p f c 部属于电流整形其功率要通过半导体器件这一方面要求半导体器件能够 承受高电压，大电流：另。方面引起较定的功率损耗。所以p f c 技术通常适用于中 小功率，而且p f c 也不便于加入到已存在的电力电子凝嚣中去。 现阶段谐波补偿和抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a p f a c t i v e p o w e r f i l t e r ) i ”i o 有源电力滤波器是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿的对 象中检测出谐波电流，出补偿装置产生一个与这个谐波电流大小相等而极性相反的 补偿电流，使得电源电流( 即电网电流) 只含基波分量。a p f 可以对频率和幅值同 时变化的谐波进行跟踪补偿，并且其补偿特性不受电网阻抗的影响，因而有着良好 的应用前景，f 越来越受到人们的重视。有源电力滤波器的基本思想在六七十年代 就已经形成，8 0 年代以束，由于大中功率全控型半导体器件发展豹成熟，以及脉冲 宽度调制( p w m ) 控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检 测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展【：o 2 3 i 。有源电力滤波器的变流电 路可以分为电压型和电流型，目前实际应用的装置中，9 0 以上都是电压型的。从 a p f 与补偿对象的连接方式来看，又可以分为并联型和串联r 目前运行的a p f 几乎都是片联型的，这是闻为虽然串联型a p f 构成的系统具仃仃源装置容是小、运 行效率r 矧以及对谐波电压源类型的负荷仃较好补偿特性等优点f i _ _ l 却存在绝缘强度 高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，因此，其工程 实用性受到了限制【2 4 io 有源电力滤波器可以单独使用，也川以与l c 无源滤波器混 合使用， 1 3 论文的主要工作 本沧正的卜蜃 作是计江北电网1 0 k v 配纠- i f 能造成严r f 嘴波影响的i 个萤要 重庆人学i 样硕十学俺论文 l绪论 谐波源用户进行了现场用电设各分析，确定测量点，进行现场测试。并对测量结 果进行了分析，鉴定谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定。另外， 通过对现场用电设备的分析，建立谐波源用户的负载数学模型进行了计算机 m a t l a b 仿真研究，确定谐波治理的一些方案。 具体而言，本论文的主要工作如下： l 进行调查研究，确定可能对江北电网1 0 k v 配网可能造成严重谐波影 的三个重要谐波源用户，并分析确定测量点； 2 确定测量谐波的测量设备及现场测量，我们采用重庆电力研究院 的p q g rl 0 0 0p o w e rq u a l i t y a n a l y z e r 。 3 分析测量结果，鉴定谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定 包括对谐波源用户的设备投运时的测量。 4 研究典型谐波源负载的性质和类别： 5 建立负载数学模型，并进行仿真分析，方真结果表明了各种电力电 子装置注入电网的谐波状况。验证了测量结果。 6 分析负载谐波特点确定谐波治理方案并进行仿真研究。庄治理 措施方面对滤波装置进行研究，设计了一种有教的目源电力滤波器 a p f a 仿真结果表面电源侧电流谐波有较大下降，波形接近i f 弦波，从而证妇滤波 器设计正确。 本论文已完成的工作可以为江：i e 电网及其它地区电网的谐波治理提供一定的参 考价值。 1 4 本章小结 本章介绍了本论文的背景、意义和e 要工作。首先提出了谐波问题，分析了谐 波污染对电力系统和信号系统的危害，分析了重庆电网，特别是江北地区电网的谐 波状况 然后对目f i i r 谐波研究的现状进行了综述，主要从与谐波有关的测量问题和 限制谐波的标准以及谐波的补偿和抑制两个方面进行阐述；最后介绍了本沧文所完 成的主要工作。 里丛苎堂! ! 矍堡三堂生堡茎 ! 坚塑墨丝堕鲨翌坚 2电力系统谐波测量 2 1 概述 对电网中谐波源及其传播的定量的分析与计饽，是保证电网和用电设备的安全 和经济运行的前提，由于l u 网中谐波问题复杂，用数学汁算的厅法，不能进行准确 的分析，最终还是要以实际测量的结果为依据，因此，要求有可靠的测量手段和装 置，而且要求测量结果可信。 对于大多数情况，畸变的负载电流是由用户的非线性负载或是由电压源存在的 畸变所引起的。然而，当把能产生谐波电流的负载注入存在谐波电压的电压源时， 要判断在送电支路中流动着的谐波电流是由用户还是由电网本身所产生，则唯一的 办法就是利用专用的谐波测量仪器。 电力系统谐波测量的主要作用： ( 1 ) 签定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平足甭符合标准的舰定，包括对所有 谐波源用户的设备投运时的测量。 ( ，) 电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保没备投运后电力系统和设籍的安全 及经济运行。 ( 3 ) 偕波故障或异常原因的测量。 ( 4 ) 谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。 2 2 谐波测量的基本要求 ( 1 ) 睹波测量方法和数据处理必须遵照1 9 9 3 年国家颁布的标准g b i 1 4 5 4 9 9 3 ，即电 能质量公用电网谐波 ( 2 ) 凿波测量的主要参数。应包括下述备量：谐波电压u 。；谐波电流i 。；谐波相位角； 谐波电压、电流波形畸变率等。 ( 3 ) 精度要求。为达到减少误差和准确测量的f 1 的谐波测量需制定一些测量精度 以农示抗噪音、杂波等非特征信号分量的能力。喈波测量的准确度要求一般不高 约为百分之几的数量级，相! 与于工业测试范畴。 ( 4 ) 速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力，删鞋时滞性小 ( 5 ) 浔棒性好。在电力系统的f r 常、拌常运行情j 址f 部能测出i 皆波。 ( 6 ) 实践代价小。在达到应用要求的前提下，成0 求获得较高的性价比。 2 3 谐波测量的主要方法 2 3 1 采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波 最的谐波测量是采用模 = l ；l 滤波器实现的，川刘2 1l 叮见，输入信号- 经放大后送 入绀辟行联结的带通滤波器滤波擀的t h 巴，蝴车i ，1 ，7 - 矗是悯定的，为f i 频 重庆人学i ：程硕 学傅论文 2 电力系统谐波删姑 的整数倍，且 f 2 矗( 其中n 是谐波的最高次数) ，然后送至多路髭示器显示被测 量中所含谐波成分及其幅值。该检测方法的优点是电路结构简单，造价低，输 珏阻 抗低，品质因索易于控制。但浚方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参 数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性，当电网频率 发生波动时。不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量， 要求有源补偿器的容量大，运行损耗也大。 t 亟匦 伍受乎 一 堕亘) 叫至匾j 一 耄 案 嚣 图2 1 漠拟并行滤波式谐波测量装簧方框图 f i 9 2 - lf r a m e w o r ko f h a r m o n i cd e t e c t i n ge q u i p m e n tw i t ha n a l o gp a r a l l e lf i l t e rm o d e 2 ，3 2 基于傅立叶变换的谐波测量 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它山离散 傅立时变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。使用此方法测量谐波，精度较 高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时问的电流值，且需进行2 次变换，计 算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样 过程中，当信号频率和采样频率不一致时，即当式( 2 1 ) 不成立时，使用该方法会产 生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数( 即频率、幅值和相位) 不准确， 尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。 ( 2 1 ) t s 为采样周期；磊物采样频率；i 为信号频率；l 为币整数， 重庆人学硕十学1 ： 7 ：论文 ：j 中南钢厂鐾重庆蝴璺 塑堕鲨型堕兰坌塑 3中南铝厂及重庆电镀总厂的谐波测试与分析 3 1 测试目的 测试中南铝厂及重庆f u 镀总厂1 0 k v 母线及主变和进线侧l 色压和电流的正弦波 形畸变情况，为抑制谐波超标提供现场测试数据。 3 2 测试分析仪器 p q p t1 0 0 0p o w e rq u a l i t y a n a l y z e r ( l e m 公司) ( 重庆电力研究院) 3 3 测试内容 根据江北1 0 k v 配网的实际情况，我们对e 要谐波源用户进 亍了分析，确定了 可能对电网电能质量造成比较严重影响的三个重爱用户，包括中南铝合会轮毂有限 公司、重庆电镀总厂及山峰铸造厂。我们使用江北供电局的谐波钡试仪器对这三个 谐波源用户进行了初步测试，测试数据在阶段性报告tf i 已经给出。经过初步测试后， 经分析觉得有必要进行进一步测试分析。所以于2 0 0 4 年1 1 月3 0r 对中南铝厂及重 庆电镀总厂进行了进一步测试。测量完毕后利用仪器的后台分析功能，对定时测量 的存盘数据文件作统汁分析，得到各次谐波的9 5 概率值、最大值，并以最大相的 9 5 概率值作为最终测量结果，与国标限值或允许值比较来确定谐波电流是否超标。 3 3 1 中南铝合金轮毂有限公司简介及测试情况 3 3 1 1 中南铝厂供电系统简介 中南铝厂供电为来自回兴变电站的1 0 k v 母线，它为单母线分段制母线。该母 线经过总路g y 6 0 1 刀闸丌关对中南铝厂的设备进行调度管辖。分段制母线经过 g y 6 1 i , g y 6 1 2 ，g y 6 1 3 刀闸开关后分别接l # 变压器、2 # 变压器、3 # 变压器，带动 不同的负载运行。其中3 # 变压器的容量为1 6 0 0 k v a ，电流互感器c t 变比为2 0 0 5 ， 电压互感器p t 为1 0 k v 1 0 0 v , 它是热处理专用供电漫备，其负荷变化较为平稳，没 有接任何无功补偿装置。2 # 变压器的容量为2 0 0 0 k v a ，c t 变比为2 0 0 5 ，p t 为 1 0 k v 3 8 0 v , 它用于热加工车怕j ，静处理连烧千胪，喷漆线，喷粉线等的供电，接育 两台电容补偿装置。1 # 坚压器的容量为2 0 0 0 k v a ，c t 娈比为2 0 0 5 ，p t 为 1 0 k v 3 8 0 v , 它用于中央供风系统、机加 车、空j e 机、模修乍削、冷加： 车间等 的供电，其负荷运行时变化较大。 3 3 ，1 2 中南铝厂满负荷运行时i o k v 母线现场测试情况 2 0 0 4 年3 爿3 0h 卜- 午9 点3 0 分j 1 ：始对柯镑1 11 0 k vi 乜力母线进行测试，测 量到中午l 点4 0 分结柬，测量地点任浚1 0 k v 高j k 配电窀，测量时设备满负荷运 行2 # 变的两台电容器补偿装胃也令部投入测艟点分制选取为3 # 变i k 器、2 # 里壅叁堂堡竺堡堡茎 ! 主塑塑! ：垦里鉴生簦璺 望坐墅堕塑堕皇三：盟 变压器、1 # 变压器及变压器总路。电压监测信号从1 0 k v 母线电压互感器p t 的_ 二 次侧抽取，电流监测信号从电流互感器c t 二次侧抽墩。测量参数为三相相电压及 a 、c 相电流。其铡量目的是为了了解中南铝厂用电设备注入1 0 k v 母线的谐波情况n 3 3 2 重庆电镀总厂简介及测试情况 于2 0 0 4 年3 月3 0 号下午3 点对电镀总厂1 0 k v 电力母线进行测试。重庆电镀 总厂为6 1 2 # 店王线进线。有两台容量均为8 0 0 k v a 的变压器供电，其c t 变比为 1 0 0 5 ，l r r 变比为i o k v 1 0 0 v 。电压监测信号从1 0 k v 母线电压互感器盯的二次侧 抽取，电流监坝4 信号从电流互感器c t 二次侧抽取。其测量目的是为了了解重庆电 镀总厂用f 乜设备注入1 0 k v 母线的谐波情况。由于条件限制，当时设备运行情况不 是很清楚，所以所做分析，可能与实际有所出入。 3 4 谐波允许值的标准 根据g b f r l 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波的j ；见定： 表3 1 电压畸变率允许值、各次谐波相电压含有率允许值 l 电压等级 1 0 k v 总谐波相电压畸变率允许值 4 o 各奇次潴波相电压舍有搴允许值 3 ，2 各偶次谐波相电压含有率允许值 1 6 供电电压允许偏差 l o k v 技以p = 楣供电电j l i 冗评偏茬为被 定电压的7 三相电压允许不平衡度 长期：2 短款：4 电压闪交限制 对于中等电压等级( m v ) p 。l = o 9 ( 1 0 ) p “= o 7 ( 0 8 ) 对于1 0 k v 电压等级，基准短路容量为1 0 0 m v a 的线路来讲，注入公jl 连接点 的谐波电流允许值见表3 - 2 谐波次数谐波电流允许值a谐波次数谐波电流允许值a 22 61 43 7 32 01 54 i 4 1 31 63 2 52 01 76 0 68 51 8 2 8 71 5 1 95 4 86 42 0 2 6 9 6 82 l 2 9 l e 5 。l2 22 3 l i9 32 3 4 5 1 24 3 2 42 1 1 1 37 9 2 54 1 谐波电姐三和谐波电流的数：表达式 重庆人学硕士学何论文 ：j中南铝厂及重庆电镀总厂的谐波测试与舒析 a 第h 次谐波电压含有率h r u h 艘u h = 百u h l 。( ) 式中：u h 一一第h 次i 皆波电压( 方均根值) u ，一一基波电晤( 方均根值) 。 b 第h 次谐波电流含有率h r i h h r i h = 争l o o ( o o ) 式中：h - 一第h 次谐波电流； i - 一一基波电压( 方均根值) 。 c 谐波电压含量u h 厂一 u 。= 、“，7 。) 2 vh = ! d 谐波电流含量【h r 一 “2 j 丕n r e 电压总谐波畸变率t h d 。 觋= 争l o o ( ) f 电流总谐波畸变率t h d i t h d 【= 孕1 0 0 ( ) q 注入p c c 的谐波电流 ：艮值i h = 导“，。 式中：s k l 一- - p c c 点的最小短路容量( m v a ) ： s k 2 一一基“i ! 短路容量( m v a ) ： i 帅一一第h 揪谐波电流允许值； 【h 一一短路i 鸶勾s k i 时的第h 次谐波电流允许f | j i 。 3 5 测试方案 奉论义针种现场情况斑出t 具体的测试方案，选取了合适的测试改备，址1 j 进 行了现场测餐。为了能自# 圣伞i 卜确的测取现场数据，h 不影响i f 常的 i k q - l ，特 针对各个j 的情况，提j t 体的测试方案。 重庆大学硕十学位论文 3 中南铝厂及重庆电镀总厂的谐波测试与分析 1 测试点的选取：在满足测量数据要求的同时，尽可能少的选取测量点，以最 大限度的减小测试设备可能对系统工作产生的影响。 2 测试时问的选取：只有机组系统正常工作时才会产生较大含量的谐波，因此 应该在系统工作时进行测量，而且应该尽量在相同的工作条件下对不同的物理量进 行测量。 3 测试量的选择：整个机组系统含多个谐波源，要分别对不同的谐波源进行测 量，然后对总谐波进行测量。 3 6 谐波畸变率结果分析 在中南铝厂，我们对三台主变压器及总路电压、电流的谐波状况进行了测试， 重庆电镀总厂也进行了相应的测试，详细测试结果及分析见总结报告。这里仅列出 中南铝厂总路情况，其它测试分析类似。 变压器总路测试统计分析结果 1 ) 总路电流有效值( a 、c 相) 2 ) 总路谐波电流 重庆大学硕士学位论文 3 中南铝厂及重庆电镀总厂的谐波测试与分析 重庆大学硕七学位论文 3 中南铝厂及重庆电镀总厂的谐波测试与分析 重庆大学硕士学位论文3 中南铝厂及重庆电镀总厂的谐波测试与分析 重庆人学硕士学位论文3中南铝厂及重庆电镀总厂的谐波测试与分析 1 3 ) 总路电压波形 8 餐 豁瓣 彗 瓣艇萄艇瓣瓣 瓣 凝 嫠 累 黼嘲 瑚 瞄瑚j譬椒划 嘲 藿 f萋 委 i 萋 曩 霉 嚣 萋嚣 嚣薰雹萤 p 一 _ _赫_ _ 嗍 _ _硝二 “ 霎 麓 ! 冀 踅 蝌t 羹 “ 冀 h 譬 _ 蕊囊蠢 鬻 馨 锹 耄 8警蠢龆矗 嚣 尝 铀絮 蔼 m _ =臻= 馨 蜀 蕊 蓉n 罐鋈 薹誊羹蓥 o 尊耄 a 。6o舀 一 鎏 ? 豁瓣艇赣 瓣艇澳毒g潼罄 瀣 瓣 嚣 _瘩 r 型猢 嘲魁崔q。二崮叫 。鼍 霆 量羹 。 蔻藿 霉 蕊薏霉 嚣 o 墓 、o 州州 。 蕊一n一n 器 m产n 蕊 一一- 翟 鬻m# 口b 德 盘 茗 霪 。 霪 鼬爱 善豁 基譬 譬鬟 s。 西： 龠盏 若d 拿 蓑 撕 一 t f m一 藿 霪蕊 峨 藿 昏 量 t 气葛。嚣 o 蒿 拳i = 薯i ； 。 铋 。 。 = d蠢 拳 磷 _ _ 、尊 蓊 潞瓣濯 霉孽趣 艇 饕 蓄 潼瓣 涎瓣 豢 4 糊甾瑚随l 彗浏偌 跨越 墨 ；蓬蚕罨霉墓薰罨 客霪 萎 霉s 篝鼍垮嗨骢 蕊 _硝一m pn - _ e 一 - _ f 唧 璎爨