（电力系统及其自动化专业论文）专家系统在电能质量仿真决策系统中的应用研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h em o r ea n dm o l eu s eo fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi np o w e rs y s t e m , p o w e rq u a l i t yp r o b l e mb e c o m e sa s e r i o u sp r o b l e m a n dw i t ht h em o l ea n dm o r ee x a c t i t u d eo ft h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t ，u s e l l 3h a v em o r ea n d m o r cr e q u e s tt ot h ep o w e rq u a l i t y i nm o d e mp o w e rs y s t e mt h e r ei sn op e r f e c tm e t h o dt oi m p r o v ep o w e r q u a l i t y , t o t a l l yb a s e do nt h eo p e r a t o r se x p e r i e n c e s ，s ot h e r ei sm u c hb l i n d n e s sa n ds h o r t a g e b a s e do nt h e p r o b l e m sa b o v e t h i sp a p e rs t u d i e se x p e r ts y s t e m sa p p l i c a t i o ni np o w e rq u a l i t , sa n a l y s ea n dd e c i s i o n , w h i c h i sam o s tp a r to fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i te s t a b l i s h e st h ep r o p e re x p e r ts y s t e mb a s e do nt h er e a ls y s t e m , w h i c h c a l ls o l v et h ep o w e rq u a l i t ys o u r c e so c c i l l t e n c e r a d i a t ea n de l i m i n a t e n l i se x p e r ts y s t e mh a sam o s t s i g n i f i c a n c et ot h ep o w e rn e t i nt h i sp a p e r , i ta n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fp o l l u t es o u i c e $ , f o r m st h e i rm a t h e m a t i c sm o d e l 。p r o v i d , sa k n o w l e d g eb a s et ot h ee x p e r ts y s t e m t h e ni ta n a l y s e st h ei m p r o v ee q u i p m e n t si nm o d e mp o w e rn e t , o p t i m i z e s t h ep a r a m e t e rd e s i g np f o c e s s w h i c hp r o v i d e sa n o t h e rk n o w l e d g ed a t at ot h ee x p e r ts y s t e m n s p a p e rm a i n l yd e p i c t s t h e d e s i g np r o c e s so fk n o w l e d g eb a s e , i l l a t i o nc o u i s c d a t a b a s ea n d m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i tt o t a l l ye s t a b l i s h e st h r e ek n o w l e d g eb a s e s , t h r e ei l l a t i o n sa n df i v ed a t a b a s e s , w h i e h f i n i s ht h ew h o l ef u n c t i o no ft h ee x p e r ts y s t e m i nt h e 出t h em a l l m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g n st h ee x p l a i n 锄 s t u d yf u n c t i o n , t h ee x p l a i nf u n c t i o nm a k e st h ee x p e r ts y s t e mm o l eh u m a n i s ma n dt h es t u d yf u n c t i o np r o v i d e s e n o u g hp r e p a r a t i o nt ot h ee x p e r ts y s t e m sd e v e l o p m e n t f i n a l l yi ta p p l yt h ee x p e r ts y s t e mt ot h ep o w e rq u a l i t y s i m u l a t i o ns y s t e m ，c o m p l e t et h ew h o l ep r o c e s so f p o w e rq u a l i t , a n a l y s i s i nt h ee n do f t h i sp a p e r , i tu s e saw a r t s f o r m e rs u b s t a t i o nd a t aa n dar e a ln e td a t a , t op r o v et h ee x p e r ts y s t e m t h r o u g ha n a l y s i so f t h er e a ln e t , i n d i c a t e st h er a t i o n a l i t ya n de x a c t i t u d eo f t h ee x p e r ts y s t e m k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ；p o w e rq u a l i t y ；h a r m o n i e s ；f i l t e r ； 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特别加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，也不包含为获得东南大学或其它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。 签名：趁墼e l 期：鱼翌- f 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 签名：者长取疋 导师签名：e l 瓤：泸s 1 f l 雾t 顿 11jjf， 第一章绪论 1 1 电能质量的概念 第一章绪论 从普遍意义讲，电能质量指优质供电。目前，电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不正常工 作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差电压波动和闪变、三相不平衡、暂时 或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。i e e e 给出的电能质量问题的一 般解释为在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如电压凹陷、过电压、暂 态、谐波畸变和电气噪声等。 从电力系统与电力用户共同关心的内容看，电能质量= 供电质量= 电压质量+ 供电可靠性。国家标准 明确定义了电压频率、偏差、波动与闪变、三相电压不平衡度、谐波等电能质量参数的标准。 1 1 1 相对于标称电压的电压变动嘲 电压变动：供电电压在两个相邻的，持续l s 以上的电压方均根值q 和之间的差值。通常多以标 称电压的百分数来表示电压变动的相对百分值d ，即： d ：u 1 - u s , 1 0 0 ；兰竺1 0 0 ( 1 一1 ) u n u m 国际电工标准( i e c ) 规定，在低压民用电力网中，稳态的电压变动应不超过3 ，最大的电压变 动矗。应不超过4 ，电压变动超过3 的持续时间不应超过2 0 0 m s 。 电压偏差：供电系统总负荷或其部分负荷正常改变，导致供电电压逐渐偏离标称电压的电压变动。 计算公式为： 电压偏舭) ：掣警* 1 0 0 - 2 在电力系统正常状况下，3 5 k v 及以上供电电压的正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的1 0 ， i o k v 及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的7 ，2 2 0 v 单相供电电压正负允许偏差为标称电压的 卜7 和一1 0 ； 电压骤降：供电电压在短时间突然下降，一般持续时间为l o m s 1 5 s ，随着时间的不同幅值在额定 电压的9 0 一1 之间。同理，当另一相短路或甩负荷时会引起电压骤升，电压骤升是暂时的电压上升， 持续时间一般在半个周波到1 分钟之间，幅度在正常值的1 0 6 1 3 0 之间。 电压中断：供电电压低于1 0 d i n ，则称为电压中断，即停电。停电时间小于l m i n 称为短时间停电。 1 1 2 电压波动和闪变 电压波动为一系列电压变动或连续电压偏差。电压波动值为电压方均根值的两个极值u 皿和u 。之 差a u 。相对百分值为： d ：u m - u * 1 0 0 ( 1 - 3 ) 闪变是人对照度波动的主观视感，以白炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。闪变的 主要决定因素有：供电电压波动的幅值、频度和波形；白炽灯的瓦数和额定电压：人对闪变的主观视感。 据统计，自动化程度很高的工业用户一般每年要遭受1 0 5 0 次与电能质量问题有关的干扰。其中因 包括电压波动和闪变在内的动态电压质量问题造成的事故数约占事故总数的8 3 。 电压波动和闪变主要由具有冲击性功率的负荷引起，如变频调速装置，炼钢电弧炉，电气化铁路和 东南大学硕士学位论文 轧钢机等。 电压波动分量，就是在基波电压上叠加有一系列调幅波，即： ( f ) = 爿( 1 + m c o s 国f ) c o s 一 一 ( 1 4 ) 其中a 为工频载波电压幅值，纯为工频载波电压角频率，m 为调幅波电压幅值，为调幅波角频率， m c o s o j f 为波动电压“。 电压闪变是电压波动的一种特殊反映，闪变的严重程度必将与负荷变化引起的电压变动相关。电压 变动量通常按下式计算，其中墨为评价母线上的三相系统短路容量“”。 = ( a p 兄+ q x ) 碍1 0 0 在l o k v 以上系统中。由于r x ，故有： a u 蛔x | u ；1 0 0 = 鲍f s x 1 0 0 1 1 3 三相不平衡啪 ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按a 、b 、c 顺序互成2 9 3 角，这样 的系统叫做三相平衡( 或对称) 系统。然而由于存在种种不平衡因素，实际电力系统并不是完全平衡的。 不平衡因素可以归结为事故性和正常性两大类。 事故性不平衡是由于 相元件或负荷不对称所蜀 1 4 4 波形畸变 波形畸变，是指电压 畸变有五种主要类型，即直流偏置、谐波、间谐波、陷波、噪声。 把含有供电系统设计运行频率( 简称工频，我国为5 0 i i z ) 整数倍频率的电压或电流定义为谐波。可 以把畸变波形分解成基频分量与谐波分量的总和。电力系统中的非线性负荷是造成波形畸变的源头“1 。 1 2 电能质量问题的危害 髓着电力电子技术在电力系统中的应用，电能质量问题越来越成为电网的一大公害，精密用电设备 的应用，又使用户对电能质量的要求也越来越高。有些大用户既是电能质量的污染源，又对电能质量的 好坏非常敏感。炼钢用的电弧炉、轧钢机，铝厂用的换流装置，交通上的电力机车和地铁，还有近年来 普及的计算机等，都会对电网的电能质量产生较大影响。 电能质量对电网及电网中的设备危害表现在以下几个方面： ( 1 ) 对电网： 电能质量问题会使系统元件损耗增加，寿命下降，使继电保护装置误动作等。电压下降，会引起系 统无功缺乏，造成系统崩溃；频率下降或上升，都会引起发电机的转速异常，从而导致整个系统崩溃： 谐波会引起谐振，损坏系统中的电容器、电缆、变压器、电动机等设备，恶化系统的电能质量，尤其会 击穿并联电容器组；三相不平衡电压会产生负序和谐波，造成系统中元件损坏，同时降低发电机、变压 器等元件容量利用率下降。 ( 2 ) 对电动机： 电压变化，引起电动机的转矩、效率和电流都会发生变化，从而导致电动机停转：频率变化会影响 电动机转速，影响生产的效率和质量；谐波会造成电动机发热增加。降低其寿命，妨碍其正常运行；三 相不平衡会引起电动机效率下降，功率因数降低。 2 第一章绪论 ( 3 ) 对家用电器： 电压降低会造成电视机色彩变坏，亮度变暗，电子计算机和控制设备出现错误结果和误动作，照明 设备寿命下降，发生闪变等：谐波会使电视机、照明灯、计算机、变流装置等产生低压中性线过负荷； 三相不平衡会对照明和家用电器正常安全用电造成威胁。 ( 4 ) 对通讯系统： 主要是谐波的干扰，会引起电磁感应、通讯噪声干扰通信。 ( 5 ) 计量设备： 造成计量设备的误差。 1 3 电能质量问题研究的现状及意义 近年来，一方面，用电负荷日趋复杂化和多样化，如半导体整流和逆变装置以及变频调速装置等电 力电子设备的应用，这些具有非线性、冲击性和不平衡特征的负荷会影响到供电电网，给电能质量提出 了新的问题。另一方面，用户对供电可靠性的要求越来越高，众多基于计算机、微处理器控制的精密电 子和电力电子装置在电力系统大量使用，对供电质量的敏感程度越来越高。目前，尤其是国内，对电能 质量问题还是主要以监测分析为主。对电能质量的研究存在以下几个方面的问题“。： ( 1 ) 测点的配置需要大量的费用，系统中不可能大范围进行实施： ( 2 ) 系统中有很多节点的电能质量情况比较重要，但是又不便于安装监测装置： ( 3 ) 对于电能质量中比较引人关注的谐波问题，主要停留在监铡治理的水平。当系统的结构需要 有改变的时候，如系统中有新的谐波源进入时，运行人员很难迅速对系统电能质量问题的变化做出准确 的判断。 ( 4 ) 运行人员对于系统中各种电能质量的判断和处理方式主要凭借自己丰富的运行经验，而不是 科学的理论依据。这样，对于复杂的问题尤其是系统中新出现的问题，在决策过程中就会存在困难。 专家系统是人工智能的四种工具之一，是一个具有智能特点的计算机程序，它的智能化主要表现为 能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。目前专家系统在各个领域中已有广泛的应用， 在电力系统中专家系统用于故障诊断、操作票、发电厂在线监测等。专家系统可以替代现场运行专家对 出现的事故进行分析处理。 综上所述，建立专门用于电能质量分析的专家系统具有重大意义，对现场的运行情况进行分析、评 估、决策可以为现场实际运行提供巨大的参考价值。 1 4 本文的主要工作 针对以上电能质量研究过程中存在的问题，本文在对电能质量污染源及其在电网扩散特点研究的基 础上，建立了一套关于电能质量的专家系统，并将其嵌入到电能质量仿真决策系统中，应用到工程实际 中去。 本文的主要工作及成果如下： ( 1 ) 对电网中的典型电能质量污染源进行了数学建模。包括电弧炉、电气化铁路、换流装置等， 根据他们各自的特点，及对电网造成的电能质量污染情况，如谐波、电压波动和闪变、三 相不平衡等，建立了他们的电流源模型。丰富了谐波潮流计算元件模型库，构成了“污染 源类型判断知识子库”，丰富了专家系统的知识库； ( 2 )研究了电能质量污染的治理措旆。分析了每种电能质量问题的治理方法，将电能质量问题 分为谐波问题和电压与无功问题两大类。分别分析其所采用的治理设备，重点设计了无源 滤波器和静止无功补偿器的参数选择过程。构成了“治理方案选择知识子库”，进一步丰富 了专家系统知识库的内容； ( 3 )建立了关于电能质量的专家系统的框架，设计了知识库、推理机、数据库及人机交互界面。 3 东南大学硕士学位论文 其中三个知识子库，五个数据库，采用正向推理机制完成整个专家决策功能。人机界面包 括解释功能和学习的功能。采用s q ls e r v e r 作为该专家系统的支持数据库； 将该专家系统应用到电能质量仿真分析和决策过程中，形成一套完整的电能质量仿真决策 系统。在原有谐波潮流计算的基础上，添加专家系统决策功能，对计算结果进行评估和决 策，给出治理方案建议，为用户提供参考； 通过对某变电站和某地区电网的具体数据仿真，验证了该电能质量仿真决策系统的性能。 仿真证明，应用本文建立的专家系统，所形成的电能质量仿真决策系统，其方案准确可行。 可以应用到工程实际中去，其决策功能可以满足现场运行的要求。 4 第二章典型电能质量污染源的特点及模型的建立 第二章典型电能质量污染源的特点及模型的建立 2 1电网中的电能质量污染源 一般说来，电力电子装置是电力系统中数量最大的电能质量污染源。非线性负荷在波形、幅值、相 位等方面影响电能质量。表现在：谐波、电压波动和闪变、负序电压和电流、电压偏差、频率等“。 其中电弧炉、轧钢机、电气化铁路等非线性负荷。不仅产生谐波，还会产生电压波动和闪变、三相 不平衡等，对系统的电能质量产生较大的威胁。 2 1 1 高压电网 高压电网中的污染源主要有： ( 1 ) 系统中的各种非线性用电设备，如：换流设备、调压装置、电气化铁路、电弧炉以及各种电 子控制设备。这些设备的谐波含量决定于它本身的特性和工作状况，可视为谐波恒流源。 ( 2 ) 供电系统本身存在的非线性元件，主要有变压器激磁支路、交直流换流站的可控硅控制元件、 可控硅控制的电容器、电抗器组等。 电力变压器是一种谐波源。由于经济原因，变压器所使用的磁性材料通常在接近非线性或就在非线 性区域运行。在这种情况下，即使所加的电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含谐 波( 主要是3 次谐波) 。同样，如果励磁电流是正弦的，则电压就是非正弦的。在三相变压器中，三角形 联结或不接地星形联结使得零序的3 倍数次谐波电流不能流通。变压器个体一般产生的谐波较小或很小， 但其群体产生的谐波总和则是电力系统中背景谐波的主要构成部分。 ( 3 ) 发电机，线圈被嵌入线槽中，由于这些线槽不可能严格按正弦形分布，从而使得产生的磁动 势是畸变的，因此发电机也产生主要构成零序分量的3 次谐波。但是大型发电杌通常是通过三角形联结 的变压器接入电网的，因而阻断了3 次谐波的流通，故不向电网输出3 次谐波。另外，在三相电机中线圈 的布置方式被用来减少5 次谐波和7 次谐波，因此大、中型发电机产生的其它次( 主要是5 次) 谐波电动 势都很小，而这些发电机的巨大短路容量则是电力系统承受谐波能力的支柱。一般来说，普遍不把发电 机看作谐波源，而看作吸收谐波的末端支路。 2 1 2 低压电网 低压电网中的谐波源主要有电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、计算机、激 光打印机、充电器、各种医疗和科研用的仪器和设备、调速驱动。例如空调用压缩机、高层建筑用的大 型电梯等，它们大都是用晶闸管、小功率的整流装置等电力电子元件，有的电器带小容量变压器。其励 磁电流所占比例较大，虽然其单个容量小，数十瓦到数千瓦，但数量较多且分布很广，它们产生的高次 谐波也会对电力系统造成影响，加重电力网的谐波污染”。 据统计，彩色电视机的3 次、5 次、7 次及9 次谐波含量较多；荧光灯主要含有3 次谐波：空调机 谐波分布为2 1 7 次；电冰箱主要含有3 次、5 次和7 次谐波；洗衣机3 次、5 次、7 次谐波含量较大； 计算机和各种打印机、复印机、游戏机等3 一1 7 次谐波含量丰富，日益成为低压电网中的主要谐波源； 另外，电池充电器也会产生大量谐波。 另外，低压电网中，生活用电大都不是三相供电，因此会造成系统三相不平衡。这种情况可以根据 线路布置方式，三相换向来改善。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 典型电能质量污染源的特点及其数学模型 为了有效地改善电能质量问题，必须首先弄清电网中电能质量污染源的状态。正确定量的估计综合 负荷中线性和非线性部分所占比重，是潮流计算、滤波器配置以及谐波奖惩管理等问题的基础。只有在 已知电能质量污染源的谐波电流注入、不平衡系数、电压波动率、功率因数大小的情况下，才能准确地 分析这些电能质量问题在电网中的分布和扩散，并设计安装相应的改善装置，从而降低对电网的威胁。 因此，本文对电网中影响较大的电能质量污染源进行了数学建模。 2 2 1 电弧炉 2 2 i 1 特点 电孤炉是生产钢的一种重要设备，也是供电系统中重大的波动性负荷。电弧炉的供电系统示意图及 伏安特性曲线见图2 - 1 所示： 电力秉统口 h纨h h旷i n 嘭 。 ， 供电蒹辑税田奄弧炉伏安特性曲墟 圈2 - 1电弧炉供电系统示意图及伏安特性曲线 电弧炉冶炼基本分为两个阶段，熔化期和精炼期，熔化期由于存在大量固体未熔物，炉子状态不稳 定，这时电流波形不规律，谐波含量大，主要是2 、3 、4 、5 、6 、7 等较低次谐波，并且含有大量丰富 间隙波。精炼期电弧炉稳定，谐波含量不大。 电弧炉分为交流电弧炉和直流电弧炉。交流电弧炉运行时的功率因数很低，其自然功率因数在0 7 5 以下，短路时只有o 2 左右，许多情况下需要无功补偿，如果无功补偿设计不合理，易与系统发生谐振 或对某些频率的谐波严重放大。 交流电弧炉除了产生谐波以外，还会产生负序电流，造成系统的不平衡，同时会伴随有电压波动和 闪变，对系统产生无功和有功的冲击。在各类波动性负荷中，电弧炉对闪变的影响最大。 直流电弧炉对系统的影响比交流炉小，电压闪变约为同容量交流炉的i 2 ，基本不产生负序分量， 负荷基本平衡。直流炉所产生的谐波也相对较小，主要为特征谐波。 2 2 l 2 教学模型 由于电弧炉工作不稳定，在熔化期和精炼期的工作特性不相同，在熔化期的谐波较大，变化较频繁； 而在精炼期工作较稳定，谐波含量不大。因此对电弧炉的建模应该着重考虑谐波含量较多的熔化期。而 熔炼期又分为起弧阶段和主熔炼期，在两个时期的电弧特性也不大相周，因此，分别考虑这两种情况对 电弧炉进行谐波电流源建模。 ( 1 ) 主熔炼期 在主熔炼期内，电弧电抗可忽略，只考虑电弧电阻的影响。可采用参考文献 2 6 2 7 中的经验公式， 如公式2 一l ： 1 月叠+ 互二甄1 一d m t + d + 9 m z 盼2 r 。盼= c 0 8 4 24 “ ( 2 1 ) 6 第二章典型电能质量污染源的特点及模型的建立 舯c o “酽n 甬( o j * l * ；c t g 伊- 而r ) ，其帆为弧柱最低溅在觥删k 之间妣五为弧 柱最高温度，经验公式1 ；= _ ；_ ；口= 3 3 2 3 1 0 4 ；d 为弧柱受热惯性的影响值。在一3 0 - 5 0 之间； 。古一吉h i 0 3 为外加正弦电压激励的角频率，m = 2 口厂= 1 0 0 a ；0 为电弧电流滞后电源初相的角度，首先用一线性 时不变电阻来等效替代电弧电阻。替代后的电路的功率因数应等于电弧炉的平均功率因数，然后用正弦 稳态电路的方法计算电弧电流的初相角，以此作为0 的估算值，取d 。= d + 口l 7 一l 蝴；l 为经过 等效去藕化简的一相等效电阻；t 为电弧电流周期，在工频为5 0 h z 的情况下，t = o 0 2 s ；n 一般取6 0 。 ( 2 ) 起弧阶段 在熔炼期的起弧阶段，电弧的电抗值不可忽略， z ：( f ) = r o ) + j x o ( f ) = r ( t x l + j t a n 6 ) 可按参考文献 2 8 的方法进行计算，如公式2 2 ： ( 2 2 ) 式中j ：1 尘堡；呈墅竺兰垒二! ：! ! ：丝一。为相电压幅值；u 为电弧相电压幅值；口为线路阻 j ( 孟) 2 - ( s i n a + d ) 2 一阳 抗角( 口= o ! t a n 7 ) ：厂为线路参数，一般y = 8 1 5 ；口= 口5 0 。 将上述计算所得的阻抗值带入电路中得，i ( t ) = 1 1 ( t y z ( t ) ，再将l o 进行傅立叶分解即可得到各次 谐波电流x o ( h 1 。 2 2 2 换流装置 2 2 2 1 特点 换流器负荷相当稳定，对电网的影响主要是谐波，随着电力电子技术在电力系统中的应用，已经成 为电力系统中数量最大的谐波源。随着社会的发展，越来越多的设备需要直流电源进行工作，如铝厂、 化工厂、换流器、调压装置等，所以换流设备容量越来越大。这些谐波称为三相全波换流器的特征谐波。 换流器在正常运行时，由于电压波形畸变成不对称等原因，还可能产生特征谐波以外次数的谐波，这些 通称非特征谐波”1 。常用的换流电路几乎都采用二极管整流桥电路和晶闸管相控整流桥电路。换流装置 的特征谐波次数为h = 如1 。非特征谐波电流理论上是零值，实际上也较小。 2 2 2 2 数学模型 根据参考文献 7 中的分析，换流装置产生谐波的情况与下列因素有关： ( 1 ) 换流装置的脉动数p ； ( 2 ) 换流装置导通的延迟角( 或控制角) 口； ( 3 ) 换向重叠角， ( 4 ) 换流装置的控制形式，分为非相控、全控和半控型； ( 5 ) 换流装置是否处在检修工况； ( 6 ) 供电电源的电能质量。 ，本文对换流装置进行数学建模，基于以下假设： ( 1 ) 各换流管触发角完全对称，即各管依次触发的间隔都正好是3 6 0 p ； ( 2 ) 通过各换流管的电流波形和幅值完全相同； ( 3 ) 输出电流厶恒定而无纹波。 ( 4 ) 控制为全控方式，且相控深度口不是太大； 为构成这些假设，要求换流装置的电源( 即交流供电网) 电压有理想的质量，即：三相完全对称； 波形为纯工频正弦波；电源三相换向阻抗完全平衡。若偏离这些条件，就会使换流装置产生非特征谐波 电流。 7 东南大学硕士学位论文 当不考虑换向重叠角，控制角口= 0 时，换流装置的特征谐波只与脉动数，即一个工频周期中的导 通次数p 有关，即： 趣= 咖1(t=1,2，3，)(2-3) 但是实际上由于换向电路中存在电感，教换相不能瞬间完成，即y 0 ；并且由于整流管有阈限电 压，以及相控整流器的延迟角受到控制，所以口 0 。因此，通过整流管的电流不是矩形波，而是如图 2 - 2 所示的类梯形波。 h 工a ? & 出、 2 ；，i 口一- | 图2 - 2 通过整流管的波形 用式子表示图2 2 中的波形为： = 鲁呼一刚当嘶瑚 = 厶( 当叫= 似+ ( 孚+ 口) ) ( 2 - 4 ) = 毛一鲁胁a c o s 似一和当肼= 学+ 一辱+ a + 炒 式中c k 为整流管组交流侧的相电压有效值，五为交流侧每相的换相电路总电抗。对上式在一个周 期内进行积分，求得平均电流为； 1 ：广l( 2 5 ) 2 i , d o j t ( 2 5 ) 对上式进行傅立叶分析，可求得在换流装置交流电路中的特征谐波电流为： 厶= ； 从总体趋势上看，特征谐波将随着，的增大而下降。随着口的增大而上升。 2 2 3 电气化铁路 2 2 3 1 特点 电气化铁路包括电力机车和牵引变电所。一般情况下，电力系统l l o k v 双电源供电经牵引变降压， 电力机车采用2 5 k v 单相工频交流电压供电，如图2 3 所示。同时电力机车所产生的谐波电流，也由牵 引变流向系统，牵引变的接线方式不同，对系统谐波的影响也不同。 s 竺 鬟 第二章典型电能质量污染源的特点及模型的建立 烃 历h 站b r 一 b p 告告c 告 厶。 u 擗 圈2 - 3 电气铁道牵引供电系统简图 电力机车为波动性很大的大功率非线性单相整流负荷，负序功率大、谐波含量丰富、功率因数低。 电力机车采用单相整流桥，其脉动数只有2 ，特征谐波的次数是h = 2 k l ，因此电力机车在稳态正常工 况下，产生所有奇次谐波电流，而不产生偶次谐波电流。在负荷快速变化的过程中，则也产生偶次谐波 电流，并且最大时接近相邻的奇次谐波电流，但历时很短。电力机车通过牵引变电所由系统供电，我国 现有牵引变电所主要有y ，d 接线，v ，v 接线和s c o t t 接线方式。 电力机车是单相大容量负荷，产生大量不平衡电流，危及电力系统的安全和经济运行。牵引负荷具 有波动性大和沿线分布广的特点，因此对于电力系统来说，电气化铁路是影响面较大的非线性不平衡动 态干扰性负荷。 2 2 3 2 数学模型 电力机车向供电臂上产生的谐波也可以用式2 6 进行计算，得到a 臂和b 臂上的h 次谐波厶( 。) 和0 ) 接着，谐波由供电臂通过牵引变向电力系统输出的谐波电流，参考文献 7 给出计算公式，如式2 7 ： 厶( 彳) = 州) i a a ) + 墨删) ( 6 ) 厶( 占) = 巧汹) ( + 蚝( 唧厶( 6 ) ( 2 7 ) 厶( c ) = 瓦( 目厶( + 心( w ，厶( 6 ) 式中，系数吒州) 为高压侧a 相电流的， ( 椰中单独由a 供电臂提供的谐波比例( 计入牵引变变比) 其他同理，各个系数k 根据变电所类型的不同而有所变化。 ( 1 ) y 。d 牵引变电所 供电臂a ，b 各连接在a b 、c 各相上，系数k 的取值如表2 - 1 所示。 表2 - 1y 。d 牵引变电所k 的取值 a a b - ba b b - c川b - ha b b - ha - c ，b - ba _ a b - c e ，kk u z h 8 s 置h z 礁k 厶岛 砀l h e c瓦 毛x h z h 8 ax q z t 8 c晚瓦 x z 1 8 8k h 8 c 蚝( x h z h 8 ak m z h 8 ck k z h 8 b毛。么 吃翰 t k h z 以置概z 而如kk h z 硝8矗，厶峨 毛( ， k h z h 8 8k i z 1 8 ck z h 8 8k h z h 8 ck 墨， k z 1 8 8k h 阳cx h z 硒8 k h h 8 c 上表中“a - a ，b - b ”表示馈电臂a 对应系统a 相，馈电臂b 对应系统b 相，由此类推。j 、，分 9 东南大学硕士学位论文 别为负荷较小、较大时馈电臂的系数，蜀。为非馈电臂的系数，岛= 一1 2 0 ，易= 1 2 0 ，h = 3 ，5 ，7 ，。 当牵引变电所未装设滤波器时，2 壶，k5 翰2 诱- i 1 ，辱为牵引变变比 当牵引变电所已装设滤波器，系数会有所不同，如式2 - 8 所示： 0 = i ( 焉+ 2 ) 【( r + l x 焉+ 3 ) 岛】 h = 一订，【限+ 3 ) 晦) 1 ( 2 - 8 ) 。k 。= 一i ， ( 墨+ l 墨+ 3 ) 巧) 1 其中，焉= 3 z 。，z 。，z ，为每臂滤波器第h 次谐波阻抗，z 。为系统和牵引变总的第h 次谐波阻抗。 以上阻抗单位均为标幺值。 ( 2 ) v ，v 牵引变电所 由于牵引变a 、b 馈电臂在牵引变电所低压侧不构成换流通路，计算较简易，各系数如表2 2 所示 表2 - 2v 。v 牵引变电所k 的取值 a - b 或b a ba - b c 或b b ca _ c a 或b 吒a 毛( 叫) 或蚝( 鲋)k h z 1 8 n 0 一瓦么 屯 蚝( 衄) 或e ( 蛔)一x h z h e n毛么 0 毛( 酊) 或心( 6 c ) 0 一瓦么 只。毛么 表中“a a b 或b - a b ”表示a 、b 馈电臂关系相当，对应于系统的a b 线，由此类推。 = 3 0 ，= - 9 0 。，屯= 1 5 0 。 若未装滤波器毛= 若已装滤波器，有：局= i 丽l，其中焉= 警，乙( 却为高压侧系统h 次谐波阻抗，z f ) 为变压器( 短路) h 次谐波阻抗，乙为每臂滤波器组h 次谐波阻抗，均为标幺值 ( 3 ) s c o t t 牵引变电所 系数关系如表2 - 3 所示。 表2 - 3s c o t t 牵引变电所k 的取值 a 一 b b ca _ b b c aa c b - a b 瓦( 鲥)kx hz 硒b 2一k 么豫2 墨( 船)0一j z b 屯k 4 啪n e ( 以)一k 【b 仡 k h z l e lk 么豫2 k h 姬趵 x h 8 z h 8 k 0 一k h a z l b n 瓦【葩) 一x h7 2一x hz h 8 87 2k d h o c 吒( 6 c ) x h b z l 西e蜀口z h o c ，0 表中“a _ a ，b b c ”表示馈电臂a 对应系统a 相，馈电臂b 对应系统b c 线，由此类推。 当未装设滤波器时，x 。= l 巧。，x = l 玛，。局。，白分别为主变口相和，相的变比与自偶变变比 的乘积，砀2 瓦2 b 、各为主变压器口相和，相的变比和a t 翻接触网的自耦变压器变比的 乘积。 1 0 第二章典型电能质量污染源的特点及模型的建立 若已装设滤波器，系数为： j 耻面昂 。：呻， 卜2 南 式中j k ：兰兰笔；! 兰遗，j ；兰三笔；! 兰盟，其中互。印、z 扣) 乙、乙各为高压侧系统、主变a 相 山 ，- ( ，) ( 短路) 、主变口相( 短路) 和每臂滤波器组的h 次谐波阻抗标幺值。 我国的电气化铁路除了这三种接线方式外，还存在其他接线方式，如单相牵引变电所、采用阻抗匹 配平衡牵引变压器的变电所等，由于应用较少，本文不予考虑。 2 3 本章小结 本章分析了各电能质量污染源的类型、特点和对电网的影响，并且对典型的电能质量污染源进行了 数学建模，主要是谐波电流模型的建立。完善了谐波潮流计算谐波源数学模型库，构成了第四章专家系 统知识库的“污染源类型判断知识子库”的内容。 东南大学硕士学位论文 第三章用于改善电能质量的设备 3 1 各种电能质量问题的治理设备 ， 电力系统电能质量控制是以提高最终供给用户的电能的电压、频率及波形的水平为耳标的。实现这 一目标必须通过采取一系列的措施，即所谓电能质量控制技术。现代电能质量问题中，谐波的抑制、电 压波动与闪变的控制、电压暂降与短时间中断的缓解等已成为电能质量控制的重要内容。 传统电能质量问题中，电压偏差的控制是通过发电机励磁调节、变压器分接头调整及无功补偿等手 段实现的；颧率偏差的控制则通过发电机出力的调整、抽水蓄能机组的调节等实现；三相不平衡的控制 通常包括供电回路的平衡化、负载分配的平衡化以及平衡补偿措施。 现代电能质量控制中，电流谐波的抑制可通过降低谐波源的谐波水平、将谐波负载接入短路容量大 的电源、安装滤波器等控制措施来实现：电压波动与闪变的控制也可通过改变负载特性、增强供电能力 及装设动态无功补偿器等方法进行；动态电压调节器、不问断电源设备等则已在电压暂降与短时间中断 中获得应用。 3 1 1 谐波的治理措旌 电力谐波的抑制或减缓措施通常可分为预防性和补偿性两种”。 预防性措施包括： ( 1 ) 供电设备( 如电容器、变压器、发电机等) 在设计、制造、配置等方面采取减少谐波的措施； ( 2 ) 通过增加换流器的脉动数或采用可控换流来限制电力谐波的主要来源换流器的谐波； 换流装置产生的特征谐波电流次数与脉动数p 有关，h = 如l ( k = 1 ，2 3 ，) 。当脉动数增多时，换流 器产生的谐波次数也增高。而谐波电流近似与谐波次数成正比，因此，一系列次数较低、幅度较大的谐 波得到消除，谐波源产生的谐波电流将减小。 用两个6 脉动三相整流桥通过采用y ，y 1 2 和y ，d 1 1 接线的整流变压器使二次电压移相3 0 。，组成了 1 2 脉动换流装置，使5 、7 、1 7 ，1 9 次谐波在装置内部成对抵消。同理，可以用三个6 脉动依次移相2 0 。 组成1 8 脉动，p 6 个6 脉动移相3 6 0 p 4 组成p 脉动换流装置。 补偿性措施包括： t 订赫线参数； ( 2 ) 采用滤波器； 无源交流滤波器、有源电力滤波器，详见3 2 ，3 3 节。 3 1 2 电压波动和闪变的治理措施 电压波动与闪变通常由具有一定统计特征的波动性负荷造成，其大小与供电系统短路容量的大小、 供电网络的结构以及负荷的用电特性等有关，因而，电压波动和闪变可从以下几个方面加以抑制： ( 1 ) 用电设备特性的改善； 功率较大( 大于7 5 k w ) 而频繁启动的异步电动机必然给系统造成很大的冲击，可通过降压启动、 串接电阻启动、软启动等方式实现电动机启动特往前改善。 ( 2 ) 供电能力的提高； 改造供电方式可使电压波动和闪变问题的严重程度得到缓解，有以下措施：为大容量波动性负载架 第三章用于改善电能质量的设各 。返童田线路斗采用母线分段或多设配电站的方法将波动性负荷与一般性负荷适度隔离；在易受扰动的灵 敏负荷附近安装再豫设否季_ 一 ( 3 ) 补偿措施的采用： 静止无功补偿器s v c 、静止无功发生器s v g 、动态电压恢复器d v r 、其他f a c t s 器件如：统一电能质 量控制器u p q c 、晶闸管投切电容器型t s c 、可控串联补偿电容器t c s c 、不间断供电系统u p s 等，详见 3 4 ，3 5 ，3 6 。 3 1 3 三相不平衡的改善措旌 由不对称负荷引起的电网三相电压不平衡可采用下列方法解决： ( 1 ) 将不对称负荷分散接到不同的供电点，以减小集中连接造成不平衡度超标问题； ( 2 ) 使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化； ( 3 ) 将不对称负荷接到更高电压及上供电，以使连接点的短路容i s , 足够大( 例如对于单相负荷， 瓯大于5 0 倍的负荷容量时，就能保证连接点的电压不平衡度小于2 ) ； ( 4 ) 采用平衡装置，常用的有：静止无功补偿器s v c 、静止无功发生器s v g 等。 3 2 无源滤波器改善谐波的原理及参数设计 电力无源滤波器p f ( p a s s i v ef i l t e r ) ，由电容元件与电感元件按照一定的参数配置、一定的拓扑 结构连接，可形成无源滤波器，能够有效滤除某次谐波。理论上讲，当某次谐波滤波器调谐到该频率时， 滤波器所呈现的阻抗为零，因而能够全部吸收该次谐波。 无源滤波器的类型见表3 - 1 ： 表3 - 1 无源滤波器类型 名称单调谐双调谐 一阶减幅型 接线方式面 c = t - 丁 墨6 厂i 申 ， 胄申 。乏翮： 。旧z i 闭 阻抗一频率 v 以 特性示意 f，f 常用 大容量装置中有时采用，实际 主要用作抑制甚高频率 对于某一次谐波滤波效果较 应用少 振荡的阻尼电路，很少用 评价好于谐波滤波 对于等值频率失谐较敏感 同时吸收两个频率的谐波 简单，但基波功率损耗 附加电阻并联在电感上则可 基波功率损耗较小 大。一般不采用 东南大学硕士学位论文 降低损耗 只有一个电抗器承受全压冲 击 减少了滤波器支路 结构复杂，调谐较困难 名称二阶减幅型三阶减幅型c 型 c = = 帚： c - 。- 。1 - - 接线方式 t 辩。 哼* 【一 1 2 | | j z i - i z | _ 阻抗一频率 一 价 沙人 特性示意 | 一 厂 ，一 在大容量装置中用得较 常用 多 具有较好的高通滤波特性 大容量装置中有时采用，应用 基波功率损耗可以降到 很小( 取决于和电阻并联 其特性对等值频率失谐不敏 不多 的l c 支路对基波调谐的准 评价感 基波功率损耗比二阶型的小 确度) 可以减少滤波支路，但须较 阻抗频率特性比二阶型的差 阻抗频率特性介于二阶 大的电容器容量 些 和三阶型之间 基波功率损耗仍较大 对工频失谐和元件参数 漂移较敏感 工程上常用的p f 是几组单调谐和一组高通滤波器的组合，高通滤波器常用的是二阶减幅型滤波器。 滤波器装置的方案主要是指用几组单调谐滤波器，选取高通滤波器的截止频率，以及用什么方式满足无 功补偿的要求。目前，工程上无源滤波器的设计方法一般是根据工程经验来选择参数，没有进行优化设 计。根据单一的技术经济指标进行设计的方法很多，有：基于安装容量最小法；梯度法使电压畸变率最 小；序列无约束最小法使电压畸变率最小；还有迭代法、非线性规划法、一维搜索法等。采用比较广泛 的是安装容量最小法。 3 2 1 滤波器参数的初步设计 采用文献 7 中的方法进行无源滤波器初步参数的选择，假设： ( 1 ) 谐波源电流厶不放大且全部通过相应滤波器； ( 2 ) 滤波器处于全谐振状态，即呈