（电力系统及其自动化专业论文）电力用户谐波发射水平评估.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 近年来，大量的非线性冲击负荷接入内蒙古乌兰察布市区域电网，这对我 市电能质量造成了严重的污染，而且导致电力用户的电耗增加。这些非线性负 荷主要是利用交流电弧炉冶炼生产电石、铁合金、硅钙、硅铁、硅锰等。占乌 兰察布地区负荷8 0 以上，目前还在陆续增加。为解决我市谐波污染的问题， 从源头上把电能质量关，在高耗能用户接入电网供电时，就对其谐波发射水平 进行预测评估，确认其是否满足我局电网发展的规划水平和电磁兼容水平。本 文介绍了电弧炉的用电特性及其谐波的特殊性，并阐述了对电弧炉谐波发射水 平和发射限值预测评估的原则、计算公式的导出以及应用实例。 关键词：电弧炉，谐波，特殊性，评估方法 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p l e n t yo fn o n l i n e a ri m p a c tl o a d sh a v e b e e nc o n n e c t e dt oi n n e r m o n g o l i au l a n q a bu r b a nr e g i o ne l e c t r i c a ln e t w o r k t h i s h a sc a u s e ds e r i o u s p o l l u t i o nf o ro u rc i t y sq u a l i t yo fe l e c t r i c a le n e r g y ，a n di n c r e a s eo ft h ep o w e r c o n s u m p t i o no fp o w e ru s e r t h e s en o n l i n e a rl o a d sa r em a i n l yu s i n gt h ea r cs t o v eo f a l t e r n a t i n gc u r r e n tt os m e l tc a l c i u mc a r b i d e ，f e r r o a l l o y ，s i l i c o nc a l c i u m ，f e r r o s i l i c o n a n ds i l i c o nm a n g a n e s ee t c t a k ea r e al o a d8 0 m o r e ，n o w ，i ti ss t i l l i n c r e a s i n g s u c c e s s i v e l y t o s o l v et h e p r o b l e m o fo u r c i t y h a r m o n i c p o l l u t i o n ，f r o m f o u n t a i n h e a d ，w h e nh i g h 。c o n s u m p t i o nu s e rw i l lb ec o n n e c tt op o w e rs u p p l y ，p r o j e c t f o ri t sh a r m o n i cl e v e lf o r e s e ea s s e s s m e n t c o n f i r mi tw h e t h e rt h ep r o g r a ml e v e la n d e l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b l el e v e lt h a ts a t i s f i e so u rd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a l n e t w o r k t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ea r cs t o v e s p a r t i c u l a r i t yo fe l e c t r i c a l p r o p e r t ya n di t sh a r m o n i c ，t h ep r i n c i p l e so ff o r e c a s ta s s e s s m e n t ，t h ed e d u c t i o no f c a l c u l a t i o nf o r m u l aa n dt h ea p p l i c a t i o ne x a m p l e s b a ih u a z h i ( p o w e rs y s t e m a t i ca n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f a ix i n k e yw o r d s ：a r cs t o v e ，h a r m o n i c s ， c h a r a c t e r i s t i c s ， e v a l u a t i n gm e t h o d 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力用户谐波发射水平评估，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：白军翌日期：4 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：垃导师签名： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和研究意义 第一章绪论 电力供应是现代化社会赖以生存的重要支柱。电能质量历来是发、供、用电部 门十分关注并且刻意完善的重要指标。过去，电能质量通常是指供电的可靠性、稳 定性以及供电电压的幅值、频率、波形等参量与规定值的偏差。近十多年来，随着 高新技术、尤其是信息技术的发展，众多基于计算机、微处理器、电力电子装置控 制或管理的现代化工业与民用用电设备，对电能质量更加敏感，受电能质量影响所 造成的经济的社会损失问题日趋突出，它们对电能质量提出了新的更高的要求，同 时也使电力系统面对着空前广泛的谐波、闪变、不对称等污染【1 】。 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电 网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。围绕电能质量的含义，从不 同角度理解通常包括电压质量、电流质量、供电质量、用电质量【2 】。我国电力法第 二十八条规定，供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准，对公用供电 设施引起的供电质量问题，应当及时处理。但是，电能质量不完全取决于电力企业， 诸如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度往往由用户的干扰决定，还有难以 预测的事故和外力破坏( 如雷击) 会影响电能质量，而且电能质量在空间和时间上 均处于动态变化之中3 】。 在一个理想的电力系统和供电系统中，电能是以单一恒定的工业频率( 5 0h z 或6 0 h z ) 和规定的电压水平向用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和 电流应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 。的对称状态 4 】。由于系统各元件( 发电机、 变压器、线路等) 参数并不是理想线性和对称的，负荷性质各异且随机变化，加之 调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实 际中并不存在，由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就 产生了电能质量问题5 】。 国际电力电子工程师协会i e e e 正式采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 这一术语， 定义为合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合该 设备正常工作的；而国际电工委员会i e c 提出使用“e m c ”( 电磁兼容) 。在i e c 提 出的电磁兼容概念中，采用“e m i s s i o n ”( 发射) 来表示由设备产生的电磁污染，它 反映出电流质量问题，采用“i m m u n i t y ”( 抗扰) 来表示设备免除电磁污染的能力， 它与电压质量相关。并以此为基础，制定出一系列相关的电磁兼容标准6 1 。 从技术角度讲，提供优质电能质量是由供用电双方共同保证的( 可以将发电厂 华北电力大学硕士学位论文 视为理想的正弦电压源) ，对电能质量日益关注的原因主要如下：现代用电设备 对电能质量的要求比传统设备更高，带有基于微处理机的控制器和功率电子器件的 设备对各种电磁干扰都极为敏感。对电力系统允许总效率的重视程度不断加强， 特别在用电设备方面表现突出。但这些设备的使用会导致电气环境污染，致使供电 电压干扰水平加重。电力用户对电能质量的认识逐步提高，为满足高效生产流程 的需要，维护用电设备的正常运行，许多用户通过签订供电合同和质量协议的方式 以确保电能质量。电力网的各个部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重 要。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免遭受用电设 备产生的电力干扰，维护电网安全运行。因此，电能质量问题已成为一项系统工程 问题【7 】。 随着我国工农业生产的发展，非线性负荷在现代工业中的应用大量增加：如冶 金、化工、矿山等部门大量使用的晶闸管整流电源，工业生产中大量使用的变频调 速装置，电气化铁道中采用单相整流供电的机车，高压直流输电中的换流站，电力 电子装置，铁芯设备，电弧炉，铁合金炉、电石炉，以及家用电器。这些典型的非 线性负荷将从电网吸收或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变。通常称这些非线 性负荷为谐波源。 8 。非线性设备的广泛应用，在带来技术经济上一系列效益的同 时，使电网谐波含量增加，导致了电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐 振的可能性增加，并列电容器不能正常运行，同时引发继电保护和自动装置的非故 障性动作，导致仪表指示和电度计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题【9 】。 近几年，随着内蒙古地区工业的迅速发展以及国家产业结构的调整，乌兰察布 地区电网接入了许多使用交流电弧炉冶炼生产电石、硅铁、硅锰、硅钙、铁合金的 高耗能企业，成为内蒙古电网负荷增长最快的地区，这些企业在带来经济效益和带 动地区经济发展的同时，也带来一些负面影响造成本地区电网电压的波动和闪变以 及谐波污染和负序污染。由于地区政府招商引资的宽松政策，引入的高耗能企业， 大多数采用的设备比较陈旧，技术落后，对电力系统的谐波污染普遍未做任何治理， 己对地区电力系统的安全稳定运行构成一定的威胁。电力谐波不仅对用电设各造成 极大危害，并使电力系统的能耗增加，谐波源注入电网引起的有功损耗通常为负荷 的o 2 1 0 】。乌兰察布地区电网的谐波问题日益受到供电部门和用户的普遍关注。 为保证供电质量和相关服务水平，确保系统与用户在额定的范围内正常交易，对高 耗能用户投入系统运行前所产生的谐波污染进行合理的评估，这样才能从源头上避 免电力系统的谐波污染。因此，就有必要在用户接入电力系统前，对其谐波发射水 平进行定量和定性的预测评估，确定是否超出地区电网的谐波规划水平和兼容水 平，若超出则令其采取相应的谐波治理措施，满足要求后方可连接到公共联接点用 电。所以，制定畸变负荷能否接入公用电力系统的基本原则，寻找一套精确的、实 用的、切合本地区电网实际情况的用户谐波发射水平评估方法将是当务之急，同时 ， 华北电力大学硕士学位论文 对电力系统谐波污染的控制和治理也有着非常重要的意义。 1 2 国内外研究动态及趋势 从历史的发展来看，早在6 0 年代，国外就已经开始认识到电能质量的重要性， 并着手从事有关课题的研究。i e e e 和i e e 等国际知名学术刊物上也发表了大量有 关电能质量的论文，就电能质量的定义、分类、数学分析手段、统计分析方法及在 电力系统运行中的应用展开了较为广泛、深入的探讨。 就全球范围而言，从8 0 年代末开始电力工业放松管制，引入竞争机制，开发 电力市场成为世界潮流。为了适应这种需求，1 9 8 6 年美国的n g _ h i n g o r a n i 博士提 出了f a c t s ( 灵活交流输电系统) ，主要通过控制电力系统的基本参数来灵活控制 系统潮流，使输送容量更接近线路的热稳极限，是提高输电系统输送容量的有效措 施。在1 9 8 8 年n gh i n g o r a n i 博士又提出了c u s t o m e rp o w e r ( 用户电力技术) 的 概念，这是一种应用现代电力电子技术、计算机技术和控制技术，按用户特定要求 提供电力供应并实现对电能质量控制的技术。我国的一些学者称c u s t o m e rp o w e r 为d f a c t s ，认为是f a c t s 技术在配电系统的延伸，并做了大量的研究。 1 9 9 6 年，日本北海道大学和茨城大学的学者正式提出了f r j e n d s ( f l e x i b l e r e l i a b l ei n t e l l i g e n te l e c t r i ce n e r g yd e l i v e r ys y s t e m ) ，并组织“f r i e n d s 研究会” 【1 1 。f r i e n d s 是一种新的电力传输概念，建立灵活可靠的电力供电系统，更好的 为用户服务。利用分散电源供电、能量存储系统、电力电子技术、通讯技术和智能 装置获得以下功能。系统在正常运行和故障状态时都可以灵活的重新配置。高 可靠性供电。多菜单的用户电能质量服务，用户可以选择电力质量和供电商。 保持能量守恒和负荷水准测量。用户信息服务功能的增强。高效率的需求侧管 理 1 2 】。 在电力市场条件下，用户与供电企业都在追求自己的最大利益。电力作为种 商品，其质量的标准就由市场自动定义，包括供电质量和供电可靠性指标。我国目 前颁布的电能质量国家标准中尚无明确的将供电可靠性纳入其中，会给用户带来标 准概念的模糊，从一定程度上影响电力企业的服务效果。完善和健全电力作为商品 的质量标准，将使对电力供应条件苛刻的用户得到想要的电力供应，电力企业也从 电力市场的价格上得到相应的回报 1 3 】。 电网谐波问题早在2 0 年代就已提出。6 0 年代前后，一些工业发达国家对此开 展了大量的研究，内容涉及有关基本理论，各种谐波源的特性，谐波的危害，谐波 在电网中传递的分析计算，测量仪器和测量方法，限制谐波的措施以及谐波标准等 方面。从1 9 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议( i c h p s ) ，为这 华北电力大学硕士学位论文 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开展。 目前，各国在电能质量问题的研究方面，取得了一些进展，但仍有很多问题难 以达成共识。其中较为突出的问题有：电能质量的定义及以此为基础的电能质量等 级的划分；对各瞬变量的实时检测及有效补偿：为改进电能质量问题，变电站、用 户及装置生产厂家之间的合作与协调；合理的电能质量评估体系的建立等。为解决 这些难题，科研工作者能地不懈的努力，对一些问题提出了独到的见解，研制出一 些新型试验装置。日本、美国、德国等发达国家投入运行的试验装置已取得了预期 的效果【1 1 】。 电力系统稳态方式下的谐波，都来自各种谐波源，即非线性用电设备或非线性 电力负荷。关于电力负荷的谐波建模对分析网络谐波具有重要意义。电力负荷的谐 波特性最早是用无源阻抗模型来描述的，如国际大电网会议电磁兼容工作组 ( c i g r ew g3 6 0 5 ) 提出的负荷模型就是通过对基波等效阻抗的简单修正来模拟 电力负荷的谐波响应 1 4 1 。但是这种模型忽略了可能的负荷群谐波产生效应，因此 非常不适用于现代电网中小容量非线性负荷不断增加的情况。1 9 8 9 年，t h i y a m a 提出了电力负荷的有源模型，并用于研究配电网的谐波扩散问题 1 5 。国际大电网 会议于1 9 9 6 年阐明了建立负荷有源模型的必要性 1 6 1 。理论上通用的负荷谐波模型 则是由e a m a k r a m 于1 9 9 3 年提出的 1 7 。1 9 9 7 年，s a s o l i m a n 等人提出了利用 负荷电压和电流采样值进行模型参数辨识的时域状态估计技术 1 8 】。1 9 9 9 年，e t h u n b e r g 等人提出了配电网建模的诺顿等效法 1 9 】，为电力负荷的有源模型找到了 理论依据。电力负荷的谐波响应可以用其集总效应来描述。文献【2 0 提出了通用谐 波模型和利用系统辨识技术建立电力负荷谐波模型的新方法，通过对星形和三角形 不同联接方式下负荷模型的分析，导出了描述三相负荷集总效应的数学表达式，并 将单相负荷谐波的建模方法推广到三相负荷谐波建模。 目前，国际已公认“谐波污染”为电网的公害【8 。谐波的治理是以谐波的监测和 评估为前提的，只有对谐波问题进行确切的分析评估，明确症结所在，才能对不同 的谐波问题进行治理。因此，对电网的谐波进行综合评估分析，是一个亟待解决的 重要课题。关于对非线性用户的谐波分析评估方法，许多专著进行了论述。文献 2 1 1 就电力系统中存在的主要电能质量问题作了归纳，对几种基于变换的分析方法尤 其是小波变换。电能质量分析算法有时域、频域和基于变换方法3 种类型。f o u r i e r 变换法，窗口傅立叶变换法( w f f t ) 、小波变换法、连续小波变换、离散二进小波 变换、离散正交小波变换、二次变换法。小波变换最吸引的地方是时频定位和多尺 度近似能力。文献 2 2 】针对f f t 算法存在的问题，提出了一种基于两根谱线的加权 平均来修正幅值的双峰谱线修正算法，利用距谐波频点最近的两根离散频谱幅值估 计出待求谐波的幅值。同时，利用多项式逼近方法获得了频率和幅值修正的计算公 式，这些改进能够进一步降低泄露和噪声干扰，提高谐波分析的正确性。文献2 3 】 d 华北电力大学硕士学位论文 一种新的基于神经网络的高精度电力系统谐波分析算法，提出了一神新的基于三角 基函数的人工神经网络算法，可一次性获得电力系统基波及各次谐波的频率、幅值 和相位，提出并证明了该神经网络算法的收敛定理，仿真结果表明，文中提出的谐 波测量方法的计算精度极高，且计算量较小，在电力系统谐波测量中有较高的应用 价值。文献 2 4 】提出利用参考阻抗和等值电流源的思想把系统侧和用户侧谐波电流 对公共联接点谐波电压的贡献的方法进行介绍。其核心思想是利用谐波阻抗相对参 考阻抗的变化转换为谐波等值电流的变化。在电网系统侧，参考阻抗为根据电网资 料确定的系统阻抗；在用户侧，参考阻抗为根据负荷资料确定的用户阻抗。由于通 过系统侧与用户侧运行资料确定的参考值与实际运行值存在较大巧若拙偏差，因而 估计存在许多问题。文献2 5 同样根据系统侧与用户侧等值电路讨论了多种谐波发 射水平的估计方法，最后提出了较为实用的谐波阻抗，该方法现己被法国电网采纳 实施。文献 2 6 】在假定系统稳定和系统侧谐波阻抗为纯感性的条件下，根据系统侧 戴维南等值与用户侧诺顿等值电路，通过两个一元线性回归方程求取系统侧谐波电 压源估计值，进而计算谐波发射水平。文献 2 7 1 从负荷变的角度来研究负荷支路对 谐波污染的贡献。文中把负荷分为畸变负荷和非畸变负荷。畸变负荷指引起电压波 形畸变的负荷。非畸变负荷指在电压波形畸变情况下不引起电压变化的负荷。畸变 负荷又分为三种：良性畸变负荷、非良性畸变负荷和畸变源负荷。良性负荷是指在 谐波畸变环境下降低谐波水平的负荷，非良性畸变负荷指在谐波畸变环境下使谐波 水平上升的负荷。谐波源负荷指即使在正弦电压下，电流波形也发生畸变的负荷。 由于线路阻抗的作用，电压也产生畸变。文中分6 种情况对谐波扰动进行了分析， 虽然没能真正识别扰动源，但是对谐波扰动进行了有意义的探索性研究。文献 2 8 1 提出负荷支路的诺顿等值法，但它把系统侧支路用戴维南等值电路等效，这造成系 统侧参数的计算非常繁琐，有时甚至无法求出。文献 2 9 、3 0 、3 1 1 对使用统计工具 估计用户谐波发射水平的必要性进行了介绍。文献1 3 2 提出了一个统计方法对谐波 进行测量和计算，它被用在一个新的畸变负荷接入系统情况下。文献【3 3 、3 4 、3 5 1 对谐振波阻抗的实际估算方法进行了介绍，而谐波阻抗的估计对于计算公共联接点 谐波电压极为重要。文献【3 6 】针对关于用户谐振波发射水平的一部分实验以及计算 的方法进行了讨论总结。由于谐波阻抗随电力网络以及负载运行条件的变化而变 化，也就是说他们是时变的。文献 3 7 】依照最小二乘法原理的“二元线性回归统计方 法”相对于基于线性回归原理的“双线性回归统计方法”，更能计算出谐波阻抗的电 阻分量，从而能够对用户谐波发射水平的估计更为准确。 关于谐波的预测评估，针对电气化铁道比较多一些。文献1 3 8 介绍了电弧炉谐 波的特殊性及其对谐波评估方法的影响，并阐述了评估的原则、计算公式的导出和 应用实例等。该谐波预测评估方法比较实用和先进，是一种对接入高压电网前的电 铁牵引畸变负荷进行谐波预测评估计算的方法，该方法既符合电铁谐波特殊性，又 5 华北电力大学硕士学位论文 符合国家标准化指导性技术文件g b z1 7 6 2 5 4 2 0 0 0 中第三级评估方法的原则。文 献 3 9 】对国际电工委员会第三类技术报告i e c6 1 0 0 0 3 6 ：1 9 9 6 电磁兼容限值 中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估中提出的谐波电压叠加方法进行了 研究。通过大量实测数据统计和计算发现：该报告中提出的叠加指数不完全适用于 电气化铁道牵引负荷在电力系统侧引起的谐波电压叠加。本文通过对大量牵引负荷 谐波数据的统计和计算给出了适用于牵引负荷谐波电压的叠加指数。通过验证，本 文提出的叠加指数优于i e c 报告中的叠加指数，计算结果更接近实际情况。 我国现在仍沿用的谐波标准是1 9 9 3 年颁布的g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用 电网谐波，规定了电力用户注入电力系统谐波的限值。国标颁布后，为了和国际 标准接轨，国家质量技术监督局于2 0 0 0 年又发布了国家标准化指导性技术文件 g b z1 7 6 2 5 4 2 0 0 0 电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评 估，该指导性技术文件等同采用国际标准i e c6 1 0 0 0 3 6 ：1 9 9 6 电磁兼容第 3 部分：限值第6 分部分：中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估。 文献【4 0 论述了在公用电网( 1 3 5 k v ) 中，为满足电力部门对谐波源负荷用户的管理 规定而采用的谐波源负荷谐波输出限值的一种计算方法。该方法基于随机矢量加法 法则，考虑到不同电压等级之间谐波的相互渗透作用，提出了可行的解决途径。 该方法适合对容量、负荷工作特性和谐波发射特性不同的负荷谐波( 电压和电流) 限值的确定。所述及的谐波限值满足母线兼容水平要求。文献【4 1 】分析了办公大楼 配电系统的特点，应用公用电网谐波国家标准，确定了两层公共联接点f c c 上的 限值，然后进行了谐波测量和评估。 对电力系统的谐波进行管理和治理，就得分析电力系统中的谐波分布或谐波状 态。根据有限点上的谐波测量值来估计整个网络的谐波状态，这就是电力系统谐波 状态估计问题。谐波状态估计的根本目标在于建立起谐波情况下的三相电力系统的 数学模型，进而提出一套适合于电力系统谐波状态估计的计算方法，根据有限的量 测数据，通过所选择的估计器实现对谐波源位置、类型和注入电流大小的识别，从 而为电力系统谐波的管理和抑制提供依据。评价谐波状态估计的性能指标有四种： 加权最小方差法则最大似然法则条件期望值法则最小方差法则【4 2 】。随着， 谐波源正在迅速由局部地区向整个电网进行扩散，谐波源扩散理论非常不适合目前 谐波问题全网化的发展形势。而电力系统谐波状态估计技术能够利用安装在选定母 线和线路上的同步谐波量测设备所提供的数据推断整个电网的谐波状态。谐波状态 估计理论以d s p 与g p s 技术为基础，选择电压和电流相量为状态量和量测量，将 状态估计理论应用于谐波监测领域 4 3 】。文献【4 4 主要介绍了电力系统谐波状态估 计技术的可观性分析理论、质量评估算法以及实际应用情况。谐波状态估计问题的 可观性依赖于测量值的性质、数量、位置以及网络的拓扑结构。可观性分析与质量 评估算法是谐波状态估计技术完整不可分割的一部分，谐波状态估计量测配置的原 6 华北电力大学硕士学位论文 则与性质以及数学模型的特征赋予其可观性分析和质量评估算法具有与潮流状态 估计明显不同的特征。 1 3 本文所做的工作 本文的工作就是要从源头上解决高耗能企业对乌兰察布地区电网的谐波污染。 在用户接网供电前，对谐波源用户产生的谐波进行评估，确定电力用户和电力部门 之间的责任划分，进而为制定谐波治理的合理方案提供依据。 具体做了以下几方面的研究工作： ( 一) 针对高耗能企业普遍使用的交流电弧炉入手，从用电特性和数学模型及其产 生的谐波方面进行了详尽的分析。特别是通过三年多跟踪测试高耗能用户谐 波的实测数据，利用数理统计方法，进行各种情况下的测试与分析，得出 结合本地区电网结构、本地区高耗能负荷特点及种类的电弧炉谐波电流典型 频谱，用以作为评估新上电弧炉用户谐波电流发射水平的第一手资料。 ( 二) 通过单台电弧炉谐波的典型频谱，结合现场实际供电方式，考虑用户侧的炉 变及滤波器等因素。进而确定出用户注入p c c 处的谐波电流发射水平的计算 方法。 ( 三) 依据国家标准化指导性技术文件g b z 1 7 6 2 5 4 2 0 0 0 电磁兼容限值中、 高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估，结合国家标准g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波，根据本地区电网的特征参数和电弧炉畸变负荷 的特殊性，对电弧炉谐波源产生的谐波限值进行了三级评估。 ( 四) 选取本地区典型电弧炉进行实例验证，开展了评估方法的现场应用工作。从 实际应用中发现本文谐波评估方法是合理可行的，计算和实测相比在误差允 许范围内。该谐波预测评估方法比较实用和先进，是一种对接入电网前的电 弧炉畸变负荷进行谐波预测评估计算的方法，该方法既符合电弧炉谐波的特 殊性，又符合国家标准化指导性技术文件g b z 1 7 6 2 5 4 2 0 0 0 中评估原则。现 我局已采纳这一谐波评估方法，广泛应用于乌兰察布地区的高耗能用户的谐 波预测评估工作中。 华北电力大学硕士学位论文 第二章谐波问题概述 我们现在电力市场的形成和推进，要求供电企业不仅要满足用户对电量不断增 长的需求，还必须能够提供一定标准的电能质量。电能质量意味着经济问题。谐波 作为电能质量中的一个指标，目前引起有关部门的普遍关注和深入探讨。以下对谐 波问题进行一下基本介绍。 2 1 谐波的相关概念及分类 谐波是一种波形畸变现象，是指具有电源系统指定运行频率整数倍频率的正弦 电压或电流。一个非正弦的周期波如电压、电流、磁通等，可以分解为一个同频率 和很多整数倍频率的正弦波之和。其中频率与原非正弦波频率相同的正弦波称为基 波，频率为基波整数倍的正弦波称为高次谐波或谐波。谐波是一个周期性电量的正 弦分量，其频率为正弦频率的整数倍。实际电网中有时存在一些频率不是基波整数 倍的正弦分量，其中称为分数次谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 和间谐波 ( i n t e r - h a r m o n i c s ) ，低于工频的间谐波又称为次谐波( s u bh a r m o n i c s ) 。间谐波是指 不是工频频率整数倍的谐波。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所 引起，所有非线性的波动负荷如电弧炉、电焊机等均为间谐波源。 电压谐波是指电力系统各公共连接点的电压谐波含有率允许值。我国目前执行 的电压谐波标准是g b t1 4 5 4 9 - 1 9 9 3 公用电网谐波，标准中对电网0 3 8 ，6 ，1 0 ， 3 5 ，6 6 ，1 1 0 k v 电压等级公共连接点的电压谐波含有率允许值做了明确的规定。 谐波的集合效应是指作为向量和的结果，两个谐波源产生的两个同次谐波电流 相叠加，其总的该次谐波电流小于等于这两个谐波电流的算术和。同类设备产生的 谐波在相位角上相接近，集合效应比较小，异类设备产生的谐波在相位角上差异较 大，集合效应比较明显。因此，利用谐波的集合效应，对非同类的非线性负荷同路 供电也是抑制谐波的一个有效措旖 4 1 1 。 谐波根据频率可分为2 次谐波、3 次谐波，以及问谐波；根据相序旋转作 用可分为负序谐波、零序谐波、正序谐波三种。分别对应2 、3 、4 次谐波，并可依 次类推。其中正序谐波包括基波频率，为正向旋转。负序谐波为逆向旋转，产生的 磁场抵消基波产生的磁场。零序谐波不旋转，但会叠加到三相四线制系统的中性线 上。 国际电工委员会( i e c ) t 示准的规定，把谐波按其波动快慢和性质分为四类： 准稳态( 慢变化) 谐波；波动谐波；快速变化谐波；间谐波及其它虚拟部分 华北电力大学硕士学位论文 4 5 1 。 2 2 谐波产生的主要原因 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，即 所加的电压与产生的电流不成线性( 正比) 关系而造成的波形畸变。主要来自两方 面：来自用户的非线性负荷。非线性用电设备是产生谐波的主要原因，由于非线 性设备产生的谐波电流通过系统网络注入到系统电源中，畸变电流流经系统阻抗使 母线电压发生畸变，使电能质量受到污染。来自系统的影响。其一，系统中交流 发电机内部的定子和转子间的气隙，由于受到铁心齿、槽或工艺的影响，分布不均 匀，虽然各相电势的波形对称，但三相电势中含有一定数量的奇次谐波；其二，系 统电网中大量变压器的励磁电流含有奇次谐波成分，当变压器空载或过励磁时则更 为严重，并由此构成了主要的稳定性谐波源；其三，当电网中投切空载变压器或电 容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源 1 】。 2 3 谐波源的特点及分类 造成系统正弦波形畸变、产生高次谐波的设备和负萄，称为高次谐波源或谐波 源。切非线性的负荷和设备都是谐波源。当电力系统向非线性设备及负荷供电时， 这些设备或负荷在传递、交换、吸收系统发电机所供给基波能量的同时，又把部分 基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸 变，电能质量降低，损坏系统设备【4 6 。 谐波源产生的谐波与其非线性特性有关。当前电力系统的谐波源，其非线性特 性主要有三大类：铁磁饱和型：主要指各种带铁芯的电力设备，如变压器、电抗 器、互感器等。铁芯饱和时的特性呈非线性。可饱和设各是非线性设备，其铁心材 料具有非线性磁化曲线和磁滞回线，可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐 波源。变压器空载时，铁心的饱和程度越高，谐波电流就越大。电子开关型：主 要指各种交直流换流设备，如整流器、逆变器、双向晶闸管及可控硅开关设备等。 冶金、化工、电气化机车等企业，以及家用电器、节能灯具和电力系统直流输电等 都是谐波源。其负载性质一般分为感性和容性两种，感性负载的单相整流电路为含 奇次谐波的电流型谐波源。而容性负载的单相整流电路，由于电容电压会通过整流 管向电源反馈，属于电压型谐波源，其谐波含量与电容值的大小有关，电容值越大， 谐波含量越大。电弧型：主要指各种电弧炉、金属熔化设备、电焊机等。在熔化 期间或焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波 华北电力大学硕士学位论文 动。其非线性表现在电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。 1 】 谐波源根据其特性分为电压源型和电流源型两种类型：电压源型谐波源的特 点是其谐波电压与外接阻抗无关，产生的谐波量较小，对系统供用电的影响不大。 电流源型谐波源的特点是其谐波含量与电力系统的参数无关，主要取决于电流谐 波源本身的参数和工作情况，并以配电网络中非线性用电设备产生的谐波源为主。 电流源型谐波源产生的谐波量最大，系统供用电中谐波的影响主要是电流源型谐波 源。电流源型谐波源的内阻抗很大，当外阻抗发生变化时其电流基本不变。谐波电 流源的负荷是整个供电系统，包括主系统和所有用户的电力设备。气体电光源属于 电流源型谐波源【1 】。 谐波源根据产生谐波的规律分为以下四种：稳态谐波源：特点是当系统网络 中感性和容性负荷不变时注入网络中的谐波电流的谐波幅值也不变。包括系统网络 中的发电机、变压器、电动机、整流设备等。暂态谐波源：特点是网络稳态运行 时不会向系统注入高次谐波，仅在过渡过程中产生暂态性谐波电流，持续时间在数 毫秒到几十毫秒之间。如变压器空载投运时励磁涌流中的谐波电流、电容器合闸涌 流中( 2 、3 、4 次) 的谐波电流，经常会引起系统谐振和过电压。动态谐波源： 特点是谐波随负荷的变化而剧烈变化。包括大容量的冲击负荷、电弧炉的启动、电 气机车的换流设各等。间谐波源：特点是放大电压闪变和音频干扰，影响电视机 画面及增大收音机的噪声，使感应电动机异常，使无源滤波器不能投运或损坏。间 谐波源包括所有非线性的波动负荷( 如电弧炉) 、各种变频调速装置、同步串级调 速装置及感应电动机，广泛存在于电力系统中 1 】。 2 4 谐波产生的主要危害及影响 谐波对电力网的污染日益严重，其产生的主要危害有：大大增加了电力网中 发生谐振的可能性，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。增加 附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备的利用率。使电气设备运行 不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。使继电保护、自动装置、计 算机系统，以及许多用电设备运转不正常或者不能正常动作或操作。使测量和计 量仪器、仪表不能正确指示或计量。干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏 信号的正常传递，甚至损坏通信设备 4 7 。 谐波对系统和设备的影响，详见表2 1 4 8 1 。 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 谐波对各种设备和系统的影响汇总表 受影响的设备、系统影响的内容 同步电机 感应电机 变压器 电容器 电缆 消弧线圈 断路器 避雷器 换流装置 电压互感器 电视机 收音机 计算机、遥控、数据传送 电力系统 电能表 继电保护及自动装置 通信系统 转子表面局部过热，定子过热，机械振动； 定子绕组过热，危及绝缘，机械振动， 绕组、硅钢片、外壳、金属紧固零件发热，降低输出功率 引起噪声和振动 增加介质的局部放电和热老化，机械振动 增加浸渍绝缘局部放电和温升，缩短寿命 延迟或阻碍消弧作用 降低遮断能力，延缓甚至阻碍熄弧，有时损坏断路器 涌流延长其放电时间，导致设备损坏 使燃弧间隔不匀，个别不能运行 引发参数谐频谐振而损坏 图像变坏、翻滚 引起杂音 引起数据丢失、误显示、误动、误传、元件损坏等 增大线损，降低安全 增加误差，其净影响是增大供电线损率 误动、拒动、损坏，引起事故或扩大事故 音频干扰、电话杂音，出现过电压 2 5 谐波的测量与分析 谐波作为表征电能质量的一个重要指标，有必要在电力系统日常运行中加以监 测，以保证供电系统谐波含量和波形畸变率符合国标要求。由于电网谐波问题的复 杂性，通常采用谐波实际测量数据作为发现、研究、解决问题的最终手段。谐波的 测试方法应建立在谐波源和电网运行方式变化特点的基础上，测量数据应该用统计 分析方法进行处理。 我国一般电网在较小运行方式时谐波电压含量较大，谐波对电网的影响相对较 为严重，所以在谐波测量时应选择电网正常供电可能出现的最小运行方式，并且选 取谐波源工作周期中产生较大谐波的时段内进行，例如电弧炉应在熔化期测试。测 量方式的确定还应考虑到测量点和邻近地点的容性阻抗对谐波产生的放大效应，也 要考虑谐波源本身可能出现的非正常运行工况，产生比正常运行方式下大得多的谐 波。例如，当测量点附近安装有电容器组或存在其它谐波滤波器组时，有可能会产 生某次谐波放大或谐振，应在电容器组，或滤波器组的各种运行组合的方式下进行 测量。通常试验测量的谐波次数一般为2 1 9 次，根据谐波源的特点或测试分析结 果，可以适当变动谐波次数测量的范围。对于负荷变化快的谐波源，测量的间隔时 间应不大于2 分钟，测量次数应满足数理统计的要求，一般不少于3 0 次。对负荷 华北电力大学硬士学位论文 变化慢的谐波源，测量间隔和持续时间不作规定。为了区别暂态现象和谐波，测量 应采用能进行3 s 有效值平均，并且采用统计分析方法，测量数据取测量时段内各 相实测值的9 5 概率值中最大的一相值，作为判断谐波是否超过允许值的依据。对 于负荷变化慢的谐波源，可选五个接近的实测值，取其算术平均值【4 9 】。 在电网中主要谐波监测点应安装固定的谐波监测仪，进行连续监测或选择某时 段监测，并定期统计监测点谐波超标情况。当谐波源用户新投或增容时及时进行测 量，正常情况至少每年测量一次。电力部门为全面掌握电网的谐波水平和谐波特性， 应每隔2 3 年对电网谐波状况进行一次普测，普测范围和内容应根据电网结构变 化特点和谐波源分布情况确定，普测的测试时间应在2 4 小时或更长时间内连续测 量。当容量较大的非线性用电设备、并补电容器组( 或滤波器) 和大型发变电设备 投运时，应进行谐波的专门测量，以确定其接入电网前后的谐波状况，谐波源的实 际谐波发生量，对电网产生的影响情况。此外，当电网内运行设备或用户设备受到 谐波不良影响，电网发生谐波异常放大时，都需进行谐波的专门测量。在谐波测量 分析中，有时为确定多个谐波源的叠加，谐波源与谐波电压的相关性，电网谐波分 布等问题，需在同一测试点或多个测试点进行谐波的同步测量。国标对谐波测量仪 器按误差要求分a 级仪器和b 级仪器两种。准确度较高的a 级仪器用于谐波源的 鉴定性测量，能测量谐波相角，b 级供一般监测使用。 文献 5 0 指出目前电力系统谐波测量的主要方法：采用模拟带通或带阻滤波 器测量谐波。基于傅立叶变换的谐波测量。基于瞬时无功功率的谐波测量。 基于神经网络的谐波测量。 2 6 谐波的评估及相关标准 2 6 1 谐波评估的相关概念 电磁环境：指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。既包括给定场所内设备 所产生的电磁现象，也包括由外部传给该场所的电磁现象。 电磁兼容性：指设备或系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物 构成不能承受的电磁骚扰的能力。 发射：从源向外发出电磁能的现象。 谐波发射限值：规定的谐波源最大可发射的水平。 谐波电流( 电压) 放大或谐振：是基于系统中的谐波源主要是电流源，电流源 的内阻抗很大，当外阻抗发生变化时其电流基本不变。谐波电流源的负荷是整个供 电系统包括电力系统和所有用户作为无功补偿的电容器。当电容器谐波容抗与系统 华北电力大学硕士学位论文 谐波感抗相匹配时，在一定条件下就会产生并联谐振和谐波电流( 谐波电压) 成倍 的放大，使电容器和与其相串联的电抗器产生谐波过电流和谐波过电压。 最小短路容量：电力系统最小运行方式时的三相短路容量。在国标中用于谐波 电流限值计算。 用户的用电协议容量：用户申请报装用电的设备总容量，一般包含用户厂区内 的备用容量。 公共连接点的供电设备容量：是指公共连接点p c c ( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g ) 可以提供的最大的供电容量，一般取决于变电站变压器的带负荷能力，有全容量也 有半容量等，同时也受变电站其他设备的影响，如电流互感器的过载能力、导线的 载流量，有的简化计算直接按变压器容量的8 0 给出，需综合考虑得出方可得出。 兼容水平是用来协调组成供电网络的设各或由供电网络供电的设备发射和抗 扰度的参考值，以保证整个系统( 包括网络及所连设备) 的电磁兼容性( e m c ) 。 利用表示骚扰的时间和空间的概率分布，兼容水平一般以整个系统的9 5 概率水平 为基础。由于供电公司不可能在所有时间对网络的所有各点进行控制而允许有偏 差，因此，应该以整个系统为基础，按兼容水平进行评估，而不对某个特殊位置的 评估提供评定方法。本文为评估电弧炉谐波发射水平从i e c l 0 0 0 2 4 工业设备低 频传导干扰的兼容性水平摘录出一部分值，见表2 2 。按照该标准电弧炉属于快 速变化的负荷，属于第三类电磁环境，即适用于特殊工业环境下系统或装置内部的 连接点，其兼容性水平高于公用电网水平。 表2 2 第三类电磁环境中谐波电压兼容性水平 谐波次数 u h ( ) 2 3 4 5 6 7 总谐波畸变率t h d 2 6 1 5 8 1 7 1 0 规划水平是在规划时评估所有用户负荷对供电系统的影响所用的水平。规划水 平一般小于或等于兼容性水平，它是由电网的业主规定的。供电部门为系统中的所 有电压等级都规定了规划水平，因而规划水平可以认为是供电部门的内部质量目 标a 由于随着网络结构和环境条件的不同而有不同的规划水平，所以i e c 6 1 0 0 0 3 ，6 只给出了指示值，目前尚无国际标准，根据我国情况，g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 的公用电 网谐波标准可以被认为是起规划水平作用【1 。本文采用g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 作为对电 弧炉谐波第二级评估用的规划水平，见表2 3 。 发射水平在每一谐波( 谐间波) 频率，畸变负荷的发射水平是谐波( 谐间波) 华北电力大学硕士学位论文 电压( 电流) 。如果没有其他畸变负荷出现，那么由该负荷引起的谐波( 谐间波