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浙江大学硕士学位论文 油田电网谐波分析及软件开发研究 中文摘要 随着近代工业的不断发展，电力系统中各种负荷不断增加，特别是非线性负荷的增 加，使得电网中谐波的畸变日益严重，甚至已经达到了危害电力系统本身及其各种用电 设备安全运行的程度，谐波的研究和治理己经成为一项的重要研究课题。 本文介绍了谐波的基本概念、谐波的危害和研究意义，并以胜利油田电网为研究背 景，分析了电网谐波实际测量数据，建立了油田电网中主要谐波源一整流负荷的谐波源 模型，以及电网中各元件的谐波模型，给出了电网谐波潮流的计算方法。同时，本文提 出采用自适应遗传算法对电网进行滤波器优化配置仿真，即在负荷、谐波源等变化条件 下搜索出电网中滤波器的最佳节点，然后计算并设计出在此节点安装的滤波器的大小和 类型。 在此基础上，采用d e l p h i 编程语言研制开发了电网谐波分析计算软件包。该软件包 可以对电网的谐波状况进行详细的分析与计算，并对电网进行滤波器的优化配黄；通过 o l e 控件与w o r d 、e x c e l 等常用软件实现了链接；可以把现场测试仪表原始数据输入和计 算结果转换为w o r d 文档或e x c e l 图表。 最后，通过对油田配电系统的一个实例计算，证明了算法及软件包的有效性和实用 性。 关键词：谐波，畸变率，潮流计算，遗传算法，自适应，软件 游江失学硕士学位论文油田电鄹谐波分褥及软件开发辑究 a b s t r a c t w i t ht h eg r a d u a l l yd e v e l o p m e n to ft h em o d e r ni n d u s t r y ，t h ep r o b l e mo fh a r m o n i c d i s t o r t i o ni nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mh a sb e e nm o r ea n dm o r es e r i o u s ，e s p e c i a l l y w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h en o n l i n e a rl o a d s t h e ye v e nt h r e a t e nt h en o r m a lr u n o fp o w e rs y s t e ma n do t h e re q u i p m e n t s 。t h eh a r m o n i ca n a l y s i sh a sa l r e a d yb e e na n i m p o r t a n tr e s e a r c ht a s ki nt h ef i e l do fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t sb r i e f l yt h eb a s ec o n c e p to fh a r m o n i e ，t h eh a r mo fh a r m o n i c a n dt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ht h eh a r m o n i c 。r e g a r ds h e n g l io i l f i e l dp o w e r s y s t e ma st os t u d yt h eb a c k g r o u n d ，t h ep a p e ra n a ly z e dt h em e a s u r e dh a r m o n i cd a t a o ft h eo i lf i e l dp o w e rs y s t e ma n ds t u d i e dt h eh a r m o n i cs o u r c em o d e l so fr e c t i f i e r a n de l e m e n t so fp o w e rs y s t e m t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fh a r m o n i cv o l c a g ea n d h a r m o n i cc u r r e n to fp o w e rs y s t e mw a sa l s op r e s e n t e d t h e nt h ep a p e rp r e s e n t sa n i m p r o v i n gs e l f - a d a p t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( g 匐a i m e da tt h eo p t i m i s t i c c o m p u t a t i o no fp t a c e m e n to ff i l t e r s a sar e s u l t ，i tc a r ls e a r c ho u tt h en o d e s t h a ts h o u l db es e tf i l t e r st oi m p r o v et h ed i s t o r t i o no ft h es y s t e m lsh a r m o n i c u n d e rt h ev a r i a b l ec o n d i t i o n t h e n ，i tc a nc a l c u l a t et h ec a p a b i l i t ya n dd e s i g n t h ec o n f i g u r a t i o no ff i i t e r sd e p e n d i n go nt h ec o n c l u s i o n 。 b a s e do nt h ea b o v es t u d i e s ，t h es o f t w a r eo fh a r m o n i ec a l c u f a t i o no fp o w e r n e t w o r ki sd e v e l o p e du s i n gd e l p h i t h es o f t w a r ec a nb eu s e dt oc a l c u l a t eh a r m o n i c v o l t a g ea n dc u r r e n td e t a i l e da n do p t i m i s t i cp l a c e m e n to ff i l t e r s ：t h ei n p u td a t a a n dc a l c u l a t e dr e s u l t sc a nb et r a n s f o r m e dt ow o r da n de x c e lf o r m a tt h ee n do ft h ep a p e r ，a ne x a m p l eo fs h e n g l io i l - f i e l dd i s t r i b u t i o ns y s t e m i sd o n e t h ei n s t a n c es h o w st h a tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h es o f t w a r ep a c k a g e o fh a r m o n i ce a l e u l a t i o no fp o w e rn e t w o r ki se f f i c i e n c ya n dp r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：h a r m o n i c ，d i s t o r t i o nr a t i o ，f 1 0 wc a l c u l a t e s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， s e l f a d a p t ，s o f t w a r e 浙江大学硕士学位论文 油田电网谐波分析及软件开发研究 1 1 引言 第一章绪论 随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负荷( 如电气化铁道牵引负荷、整 流负荷、交流不间断电源u p s 、变频调速装置等) 接入电力系统，据国外有关文献估 计，电力半导体装景的生产量将以每年1 0 的速度增长。由于这些非线性负荷在系统 电压作用下，供电电流发生畸变，含有大量的谐波成分。非线性负荷的谐波电流注 入系统后，在系统阻抗上产生谐波电压，引起电网电压畸变，造成电力系统谐波污 染。目前，电力系统的谐波问题日益严重，不但降低了电能质量，还威胁到电力系 统的安全运行。所以，对电力系统的谐波问题进行计算、分析和研究，并进而采取 相应的抑制措施，是一项非常迫切的任务。 近年来，国内外油田日益广泛地采用高技术、高效益的交直流传动系统。油田 钻采系统与油气集输系统的驱动装置逐步由恒速的交流电动机传动改为可调速的电 气传动系统，于是，在油f | ； 电系统中电力半导体装置日益增多。另外，油田电系统中有 大量的电焊机、抽油机电变压器等非线性负载都会在电网中产生无功和不同频率与 幅值的高次谐波，其中以电力半导体装置所产生的高次谐波最为严重，约占总谐波发 生源的7 0 以上。检测分析研究均证明，谐波会对大量的用电设备和系统设备产生严 重危害。例如，谐波会使并联补偿电容器发热增加，从而降低电容器的使用寿命甚 至损坏电容器；谐波会使电动机、变压器等具有铁心的设备损耗增加，负荷能力降 低，还会使噪声增大，造成环境污染；谐波还有可能引起继电保护误动，给电力系 统安全稳定运行造成威胁；谐波会引起电能计量减少，造成供电部门少收电费：在 特殊情况下，并联补偿电容器会与系统电抗发生谐波谐振，引起谐波电压与谐波电 流的急剧增大，造成设备损坏、开关误动。目前，谐波污染已被公认为电网的公害， 为此，在电力系统、电机、电器、供用电以及所有涉及电力电子应用的工业部门中， 大都把谐波干扰及分析处理作为重要技术课题，一些国际学术组织( i e c ，c i g r e 等) 及许多国家还制定了控制谐波的标准或管理办法。我国在1 9 8 4 年由水利电力部颁布 了电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) ，1 9 9 3 年由能源部组织制定并经国家技 术监督局批准发布了谐波国家标准电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ，谐波 浙江大学硕士学位论文油田电网谐波分析及软件开发研究 国家标准既为谐波治理提供了政策依据，也为谐波治理提出了具体要求。另外，供 电企业为了创一流的需要，也要对谐波进行治理，并满足有关指标的要求。从油田 电网的情况看，众多的谐波源，如整流负荷、变频调速装置、家用电器等主要分布 于l o k v 及以下的电网，这些谐波源产生的谐波电流最终注入上一级电网，增加了上 一级电网的谐波污染，并降低了本级电网的电能质量。 目前，油田开展了谐波电力系统谐波治理研究科研攻关项目，开始着手进行有 关谐波问题的测试、分析、计算和治理工作，这些工作将首先从电网开始，重点是 针对容量较大的整流负荷和变频器用户。研究谐波问题主要还是针对供电系统谐波 的分布和传递。谐波潮流仿真是谐波分析工作中的重要内容之一，它为供电部门进 行谐波分析、研究谐波治理对策以及供电系统继电保护和自动装置的参数整定提供 重要依据。现场的工程技术人员急需要有关电网谐波分析方面的计算机软件，以便 为谐波管理和治理提供有利工具。 本课题将对油田电网中谐波源状况进行分析，研制一套适合于电网的谐波分析 软件包。该软件包将以通用采用d e l p h i 语言编写，数据库采用a c c e s s ，供电网谐波 分析软件采用目前流行的窗口人机界面，全中文菜单操作，可以对电网的谐波电流、 谐波电压、谐波阻抗等参数做出较为详细和全面的计算与分析，为电网的谐波治理 提供重要的基础数据。可操作性强，具有良好的用户界面。另外，在软件包中实现 与其他的优秀的常用计算机软件的数据共享，便于用户对数据进行分类整理和撰写 报告。用户输入电网的原始参数后，即可对电网进行谐波潮流计算。计算结果为各 条母线的谐波电压、电压畸变率。数据输出分为表格输出和图形输出。最后，在谐 波治理方案中应用遗传算法对安装的滤波器进行综合优化。所以，本课题的研究既 具有一定的理论意义，又具有重要的实用价值。 1 2 谐波概念及数学表达 1 2 1 谐波的基本概念 “谐波”一词起源于声学w 有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定 了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛使用a 电力系统的谐 波问题早在二十世纪二、三十年代就引起了人们的注意。到了五、六十年代，由于 浙江大学硕士学位论文油田电网谐波分析及软件开发研究 高压直流输电技术的发展，有关科研人员发表了关于变流器引起电力系统谐波问题 的大量论文。七十年代以来，电力电子技术的飞速发展使得各种电力电子装黉在工 业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日益严重。世界各国对此 问题予以了充分的关注，国际学术组织也制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波 的标准的规定。在国际上，各个国际组织：如国际电气电子工程师协会( i e e e ) ，国际 电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 也纷纷提出了各自建议的谐波标准，其 中较有影响的是i e e e 一5 1 9 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 2 0 1 9 8 4 ，我国参照国外标准，制定了电 力系统谐波管理暂行规定。该规定对我国电网在不同电压等级下电压波形畸变率 极限值和谐波电流极限值做出了规定。之后，国家技术监督局于一九九三年又发布 了中华人民共和国标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量，公用电网谐波。 国际上公认的谐波含义固是：“谐波是一个周期电气量的f 弦波的分量，其频率为 基波频率的整数倍”。从定义中可以看到： 1 谐波次数必须是个正整数。例如我国电力系统的额定频率是5 0 h z ，2 次谐波为 l o o h z ，3 次谐波为1 5 0 h z ；有些国家电力系统的额定频率为6 0 h z ，其基波为6 0 h z ，2 次 谐波为1 2 0 h z ，3 次谐波为1 8 0 h z 。谐波次数不能为非整数，因此也不能有非整数谐波 2 间谐波、次谐波和分数谐波。 按照i e c 有关文件中定义的间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 是指频率不是工频的整数 倍的谐波分量，即介于工频与谐波之间的傅立叶频谱分量。其主要来源于静态变频 器、换流器、感应电动机、电焊机和变频器等。 次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 为频率低于工频基波的分量。 分数谐波( 部分的一和声学) 是频率非基波频率整数倍的分量。 次谐波和分数谐波对基波产生调幅并影响电视。f u c h s 等发现，分数谐波即使只 有0 5 ( 相对于额定端电压) ，也将对阴极射线管的图象产生周期性的放大和缩小。 本文主要讨论第1 种情况。 1 2 2 谐波的数学表达 在供用电系统中，通常认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行 谐波分析时，j 下弦电压通常由下数学式表示： “( ，) = , - 2 u s i n ( o x + d ) ( 1 一1 ) 浙江大学硕士学位论文 油田电网谐波分析及软件开发研究 其中，u 为电压有效值，口为初相角，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，其电源和电压分别为比例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当j 下弦电压施加在非正弦电路上时，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。 理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式，称为谐波分析或频域分 析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方法。对于 周期为t = 2 疗的非正弦电压“( 甜) ，一般满足狄力赫利条件，可以分解为如下形 式的傅立叶级数 “) = + c o s ( n 耐) + b 。s i n ( n o x ) ( 1 2 ) n _ 式甲 铲去n ( a g ) d ( e x ) = 去f 4 “( 删) c 。s 。耐) d ( 甜) 瓦= 去f 4 ( 甜) c 。s 仰删) d ( 甜) ( n = t ，2 ，3 ，) 在傅立叶级数中频率的分量称为谐波，均以非正弦电压为例，频率为1 v 的分量称 为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率的整数比。对于非正弦电流的情况也 弃今适用。 1 2 3 衡量谐波的主要指标 ( 1 ) 第1 3 次谐波电压含有率h r u 。 删。= 鲁圳o 式中 u 。第n 次谐波电压有效值； u 一基波电压有效值。 4 ( 卜3 ) s j 型 出 燔 脚 鲻 典 赵 繇 鲻 磐 蘑 咖 冬 h 藕肄 妻 出 廿： 磐尝 蠖 培农杖爆锄释磐g鲻蜊球对 6 0 07 06 04 02 51 8 表1 4 9 列出了i e c l 0 0 0 - 3 4 对所有奇次谐波的限制值，该标准限制熬个 浙江火学硕+ 学位论文油田电力系统谐波治理研究应_ l ；| 装置谐波最大不超过2 0 ，如果三相不平衡，则每相都应服从单相的谐波标准。 表1 4 9i e c l 0 0 0 - 3 - 4 对所有谐波的限制标准 所允许的谐波电流所允许的谐波电流 谐波次数r l谐波次数n ( i o i 。) ( i 。i 。) 31 91 91 1 5 9 52 l0 6 76 52 3 o 9 93 82 5o 8 1 13 12 7o 6 1 32 o2 9o 7 1 50 73 lo 7 1 71 2 3 30 6 1 5 谐波的抑制 对谐波抑制和消除的方法目前主要有两种途径，一类是从改进电力电子装置 入手，使注入电网的谐波电流减少，也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避 免谐波的产生。这类方法可防止谐波影响波及众多的供用电设备。电网质量的提 高可节省消除谐波影响的大量人力和物力。将高水平的技术和相对集中的财力用 到控制谐波源上，则对电力电子装置改进技术的突破十分有利，这样的方法有： 1 5 1 增加整流相数法 由谐波产生的机理知，随着整流相数的增加，网侧电流谐波成分减少，电流 波形接近于正弦波。在晶闸管三相桥式整流电路中，电流只含有n 次奇次谐波， 但高次谐波的振幅值只有基波振幅值的1 n ，这说明谐波次数越高，其振幅值越 小。在多相整流电路中，谐波的影响就显著减少当然整流相数提高，会使设备的 1 4 濒江大学硕士举往论文演羽魄力系统谐波派理研究应璃 造价相_ 呶提高。 1 5 。2 。波形叠如法 逆变器输出端的魄压谐波严羹地影响了d c 一交流变换嚣的应魇。但如襞用两 台遂交嚣输赉的电毯在菇透叠热，使两台遵交瓣的输窭波形每半周内都保持6 0 。 间隙，然后第二台逆变器输出波形相对第台逆变器输出波形相移3 6 ，这样第 一台逆变器的输出波形中的五次谐波和第二台递变器输出波形中的五次游波懿 穗位蓑为1 8 0 ，五次港波在交疰器翮边互稆抵消，迭臻了同时消除三次积驻次谐 波的目的，逆变器输出电压波形搂i 琏于正弦波。 1 5 。3 。躲赛调钢法 采用p w m 在所需的频率周期内，将煮流电臌调制成等幅不等宽的系列交流输 基毫疆欺游露潋达到撵鼷滢波熬爨瓣。 抑制和消除谐波的另一太类方法是在电力电子装置的燮流侧利用l c 无源滤 波器和电力有源滤波器对谐波电= i j ；c 分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿。这类 方法矮予对己产生黪渗滚送费有散薹枣裁熬方法。 1 5 4l c 无源滤波法 m 冤源滤波器楚静鬻弼豹港渡补偿装黉。宅豹基本工捧原理是剩蓠l c 谐振 回路的特点抑制向电网注入的谐波电流。当谐振网路的谐振频率和某一高次谐波 电流频率襁网鞋，则可将该次谐波魄流滤除，使篡不会进入电网。多个不弼谐振 频率静谐 x 浙江大学硕士学位论文油田电力系统谐波治理研究应用 无功发生器( s v g ) ，它既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。如 果单纯用于补偿无功，可用移相多重联结的方法来降低其补偿电流中的谐波。再 使用适当的控制方法，s v g 可在补偿无功功率的同时对谐波电流进行补偿。 1 5 6 电力有源滤波器补偿法 如上所述的l c 滤波器及静止无功补偿装景虽然能减少谐波分量，抑制某些谐 波，但却不能对变化的高次谐波动态补偿。随着电力电子技术的不断发展，人们 将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。早在1 9 7 1 年日本h i s a s a k i 和t i m a c h i d a 首 先提出有源补偿装置的原始模型，由当时是采用线性放大器来抑制谐波电流，效 率低，在实际电力系统中并无实用价值。之后于1 9 7 6 年，美国西屋电气公司的 l i g y u g y i 等提出了采用p w m 变流器构成的电力有源滤波器，并确立了有源补偿抑 制无功与高次谐波的概念。这些采用p w m 变流器构成的电力谐波抑制装置已成为 当今有源滤波器基本结构。然而，在7 0 年代由于缺少大功率快速器件，因此对电力 有源滤波器的研究，几乎没有超出实验室的范围。进入8 0 年代以来，随着大功率晶 体管( g r t ) 、大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 和静电感应闸管( s i t ) 等器件的快速 发展，电力有源滤波器的研究开始活跃起来，并且正朝着实用化的方向发展。在发 展过程中取得的有代表意义的成果有：1 9 8 3 年r 本长岗科技大学的h i a k a g i 等提 出的瞬时无功理论，这一理论为电压型有源滤波器的控制提供了一个谐波补偿电 流的基本算法，并研制出7 k v a 的瞬时无功和高次谐波补偿器。采用4 个三相p w m 电 压型四象限变流器四重联接，以提高系统的工作频率。用于补偿2 0 k v a 三相整流器 在交流侧所产生的高次谐波和无功电流，补偿效果较好，证明了有源高次谐波补 偿器的可行性和实用性。 其后的1 9 8 5 年东芝府中工场的秦野章彦等研制的2 4 0 k v a 专用于抑制高次谐波 的有源滤波器已投入至u 6 1 6 k v 的电系统中运行，该装置可以对2 1 3 次的谐波进行 补偿，其补偿率都在8 0 以上。再后的1 9 8 6 年，日本k a z u n a r i k o m a t r s u g i 等研制了 一套用于三相整流补偿容量为1 5 k v a 的两重型有源滤波器，可以补偿1 9 次以下的 高次谐波，补偿率达9 0 以上。以上成果表明，有源型无功与高次谐波补偿装置已 进入工业试验阶段。有源补偿器的控制系统大致可分为模拟控制和微机控制。模 拟控制中目前占主导地位的日本长岗科技大学的h i a k a g i 等提出的瞬时无功补偿 浙江大学硕士学位论文 油田电力系统谐波治理研究应用 理论，这一理论为无功与高次谐波补偿理论提供了基本依据。这一理论是建立在 三相电压、电流平衡的基础上，根据功率相等的原则，把三相电压、电流变换到两 相正交轴系。在正交轴系中区分为实功和虚功两个分量，实功和虚功的脉动部分 对应着谐波功率，虚功的恒定部分对应着无功。由电流与功率的对应关系可以计 算出两相系统的无功和谐波电流，并以此作为补偿器的输出电流指令。再将输出 电流指令由正交轴系变换到三相轴系，即可得到有源补偿器输出指令，从而控制 电压型有源补偿器。基于瞬时无功补偿理论所研制的控制系统多采用模拟器件组 成，这类控制系统的特点是跟随速度快，适用于无功和谐波快速变化负荷的补偿。 微机控制方法比较有代表性的是韩国汉城国立大学c y c i h a c h o e 等提出的优化注 入法。该方法的主要思想是对谐波电流等间隔采样，以采样点为中心构成脉冲， 脉冲的宽度决定于采样值，脉冲的高度为1 。对于三相系统只构成一相的脉冲列， 其它两相移相后即可获得相应的补偿电流脉冲列。这种方法用于电流型有源补偿 器。 1 6 谐波问题研究的现状 从国内外的情况看，对谐波问题的研究自从上个世纪六十年代初开始就一直相 当活跃，内容涉及有关谐波的基本理论、谐波分析计算、谐波源特性、谐波的危 害、谐波测量方法、谐波的抑制等多方面内容。从1 9 8 0 年左右开始，我国一些科 研单位、生产部门和高等院校也陆续开展了谐波方面的研究工作，出现了很多研 究成果，并于1 9 9 3 年制定出了谐波国家标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 。谐波源分析方面， 各种类型的大、中容量的整流负荷谐波模型己较为完善，其特征谐波电流可以较 为准确地计算出来。但其它谐波源如家用电器、电弧炉等则建模较为困难，目前 还没有十分有效的分析方法，一般是采用实测的方法，然后再给出一个统计范围。 研究谐波对电力系统和电气设备的危害是制定谐波标准和采取治理措施的重 要前提。国内外均对谐波的危害问题进行过大量的分析计算和试验研究，取得了 不少重要数据，并发表了大量文献。但是，由于谐波问题的复杂性，在很多方面 认识与分析程度还有所欠缺，一些方面人们还存在着不同的看法。例如，谐波对 电能计量的影响问题，至今还未能给出一个明确的结论。谐波测量是评定电网谐 波水平和采取抑制措施的最终手段，在谐波问题的分析研究中占有极其重要的地 浙江大学硕士学位论文油田电力系统谐波治理研究应用 位。随着计算机技术的迅速发展和快速傅立叶分解技术的普遍采用，谐波的测量 不论是在精度方面，还是测试数据的分析处理方面，都发展到了较高的水平，并 且向多功能、智能化方向发展，测量功能也从单纯的谐波测量向电能质量测量方 面发展。目前，谐波测量仪器已基本上能满足中低压电网的谐波测试需要。 目前，电力系统谐波研究领域概括起来，其研究的主要内容包括以下几个方 面： ( 1 ) 不同谐波源的产生机理”】。电力系统高次波源在许多情况下可以当作电 流源来处理，在谐波源特性方面尚有大量的问题需要研究，例如各种型号电铁机 车运行时谐波含量及牵引供电臂谐波特性等： ( 2 ) 电力系统元件在谐波下的特性f 3 】。这个问题也可以称为电力系统模型及 其精度。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。非纷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 ) 谐波在电力系统中的分布” ，谐波潮流分析。谐波潮流分析大致分成线 性分析、非线性频域分析和非线性时域仿真三种方法【b 】。显然，系统各部分元件 的数学模型直接影响到计算值的误差。目前对负荷的模型还研究得很不够，背景 谐波对谐波源线路的影响也不可忽略。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 ) 谐波对测控装置、继电保护装置、通信线路的危害； ( 5 ) 畸变波形下谐波电压、电流以及各种电量的测量方法和装置。用计算方 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。文献咧对测量方法、数据处理及测试条件作了分析，提出了综 合负荷和特殊负荷谐波的概念与估计方法。我国的国家标准g b t 1 4 5 9 3 也对谐波 的测量作了明确的规定。 ( 6 ) 谐波抑制的方法和装置1 8 1 。原则上，在谐波源处采取抑制措施是最有效 的。目前广泛采取抑制措施是最有效的，一是在谐波原处加装滤波器，这是普遍 的措施。目前广泛采用无源滤波器，静止无功补偿装置和有源滤波器也开始使用； 二是对整流设备增加相数，对电气化铁道牵引变电站的接入相序换相，以减少注 浙江大学硕士学位论文油田电力系统谐波治理研究应用 入系统的谐波； ( 7 ) 系统中谐波水平的管理及谐波标准的制定。1 9 9 3 年国家技术监督局批准 并颁发了电能质量公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 9 3 ( 以下简称“国标”) ，促 使电力部门和电力用户采取措施，把电网的谐波水平控制在允许范围内，保证供 电质量，防止谐波危害，以获得良好的社会经济效益。 研究内容( 1 ) 、( 2 ) 的实质是解决谐波源理论建模问题，研究内容( 3 ) 、( 4 ) 是揭示谐波对系统和设备的影响，研究内容( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 则是提供抑制谐波 的手段和管理标准。 1 7 谐波潮流分析软件 电力系统谐波分布和渗透就是要分析各种谐波源在供电系统中各个节点如 何分布，通常称之为谐波潮流计算。谐波潮流计算是谐波分析和监测的基础，而 对谐波的分析和监测则是电能质量研究中很重要的一个内容。谐波的计算分析常 被认为是谐波测量前的准备工作和测量后的分析工具，在电网的规划设计中作为 谐波评估的重要手段之一。 关于谐波的分析计算，人们较早就进行了研究，并提出了很多计算方法，从 理论角度看，这些计算方法己相当完善。谐波计算的精度固然与计算方法有关， 但电网谐波参数、谐波源的模拟更为重要。在电网元件中，输电线的谐波参数能 较为精确的计算出来，但负荷的谐波参数、等值系统的谐波参数却难以把握，在 谐波计算中只能非常粗略地进行考虑，因而成为制约谐波计算精度的重要因素。 在谐波源模型方面，一些谐波源模型还很不完善，如变频器、分布于电网的大量 家用电器设备等。特别是，分布于电网不同地点的谐波源其谐波电流的相位处理 对谐波计算结果具有举足轻重的影响，但谐波源谐波电流的相位计算理论上还是 一个没有解决的问题，一般是根据实际问题的需要。采取某些假设或采用某种近 似计算方法。 目前国内外谐波潮流计算主要有三种方法：线性分析法、非线性时域仿真法和 非线性频域分析法。线性分析法目前应用较多，它主要有两种类型，一种是由夏 道止和h e y d t 提出的牛顿一拉夫逊法口】，另一种是由p i l e g g i 等人提出的节点导 纳矩阵法。1 和m a h m o u d 等人提出的节点阻抗矩阵法【4 】，导纳阵和阻抗阵方法之 1 9 浙江大学硕士学位论文油田电力系统谐波治理研究应用 间无重大差别。前两种只能用于求解稳态谐波潮流，后一种可用于求解暂态谐波 潮流。就谐波网络数学模型而言，现在主要有单相和三相模型两种| 4 】。单相模 型过去主要用来计算对称的谐波网络，但应用对称分量及其解耦一补偿理论6 】 后，也可用于计算不对称网络。三相模型既适用于对称网络，也适用于不对称网 络( 包括注入电网的谐波电流) 。该模型目前在实际工程中应用较普遍。 总之，由上述种种原因，目前谐波潮流的计算还远不能向基波潮流计算那样 达到较高的计算精度和令人信赖程度。但即使如此，谐波潮流的计算仍然具有重 要的意义，它可以与谐波测试数据互为补充，为电网的谐波管理、抑制提供重要 的基础性数据。采用传统的手工计算谐波的方法己不能满足实际的需要，在目前 计算机技术迅速发展的今天，采用专用的谐波分析软件进行谐波计算已是必然趋 势。从电力系统谐波分析软件的研制工作来看，国外大体始于上个世纪八十年代 左右，丽国内始于八十年代后期。国外在八十年代中后期就已经推出了商品化的 电力系统谐波计算软件包，九十年代后，国内对此类软件包已有初步应用，如北 京供电局、中国电力科学研究院以及河北电力试验研究所使用的谐波分析软件包 c h p ( c y m eh a r m o n i cp r o g r a m ) 。国内在电力系统谐波分析软件研制方面也进行了 一些工作，但还未见真正商品化的软件包，只是一些高校根据自己的研究需要， 开发了一些其有特定功能的谐波分析软件，软件功能与界面方面也不完善，还不 能在生产部门推广应用。从目前所了解的情况看，国内的供电部门基本上还是依 靠国外研制开发的谐波分析软件包进行谐波的分析和计算工作，这些软件都是基 于w i n d o w s 操作系统，人机界面友好，使用方便，但是价格昂贵。随着计算机技 术及其应用软件的迅速发展，老的谐波分析程序不能与用户常用软件( 如 w o r d ，e x c e l 等) 实现数据共享，用户在进行数据分类整理、汇总报表和撰写报告 时非常不方便，往往要把大量的计算结果先打印下来，然后再人工录入计算机， 劳动强度大，而且容易出错。另外，专门用于电网，能考虑诸如电弧炉等此类负 荷的不对称性和随机因素，并能根据谐波国家标准计算用户允许注入系统谐波电 流的分析程序还未见到报道。 电力负荷谐波在电力系统中的分布计算是电力牵引负荷谐波研究内容中的 重要问题。至少以下几个原因可以说明谐波分布计算是十分必要的： ( 1 ) 在电力系统设计阶段或是改造阶段电网并未完成，不可能进行现场实测，只 能通过仿真来计算各种谐波源在系统中产生的谐波畸变清况； 浙江大学硕士学位论文油田电力系统谐波治理研究应用 ( 2 ) 由于谐波分布计算可以方便地模拟不同负荷条件以及系统不同运行方式谐波 源，在电网母线和支路上所引起的谐波畸变隋况，这是现场无法完成的； ( 3 ) 现场测得到的是系统总的谐波畸变情况，包含了谐波源引起的畸变，也包括 了电力系统自身产生的背景谐波和其他谐波源，难以具体分析具体谐波源对 系统的影响。 1 8 本文主要工作 随着电力市场的逐步建立和供电企业创一流的需要，电网的谐波治理问题将 成为供电部门一项非常重要的工作，而对电网的谐波状况进行分析并研制相应的 计算软件，具有重要的实用价值。本文以油田地区电网为研究背景，主要工作如 下： ( 1 ) 对油田电网谐波测试数据进行分析，建立大、中容量油田整流负荷的谐 波源模型： ( 2 ) 从实际需要的角度，确定电网谐波分析计算的主要内容，并给出实用的 谐波计算方法： ( 3 ) 研制电网谐波分析计算软件包，实现电网的谐波源分析、不对称谐波潮 流计算、谐波阻抗计算、用户允许注入最大谐波电流计算等功能，计算结果为各 条母线的谐波电压、电压畸变率。数据输出分为表格输出和图形输出。最后，在 谐波治理方案中应用遗传算法对安装的滤波器进行综合优化。并实现软件包与 w o r d ，e x c e l 等常用软件的数据共享： ( 4 ) 针对油田地区电网进行实例计算，分析计算结果，并验证软件包的实用 性。 2 l 浙江大学硕士学位论文油田电力系统谐波治理研究应用 的测量结果看，谐波畸变率普遍小于1 o ，谐波情况不是很严重 表2 1 油田电网部分变电所电压总畸变率( ) 测试汇总表 序 变电站 1 l o k v3 5 k v6 k v 号 l东一变0 7 90 6 71 0 8 2尔二父0 8o 6 60 9 5 3渤南变 1 7 9 1 6 71 3 8 4兴河变o 6 20 8 30 8 7 5滩海变1 1