（电力系统及其自动化专业论文）电力系统中的间谐波频谱分析.pdf

弦成分数。这些算法有信息论方法、盖氏圆盘方法和典型相关方法。信息论方法 提出了基于最大似然的判别信号源数的a i c 、m d l 和h q 准则；盖氏圆盘方法 通过酉阵变换将协方差矩阵中对应信号和噪声的盖氏圆盘互相分开，并且噪声盖 氏圆盘半径远小于信号的盖氏圆盘半径；典型相关方法是通过判断两个空间不同 线阵接收数据的典型相关系数来获得信号源数。经仿真测试说明信息论中的 m d l 准则、盖氏圆盘方法和典型相关方法都适用于间谐波参数模型的正弦成分 数估计。 ( 5 ) 信号源数的准确估计可以使子空间类算法准确地划分信号子空问和噪 声子空间，利用信号子空间和噪声子空间互相正交或利用信号子空间旋转不变性 质估计正弦成分( 间谐波) 的频率。分析时主要应用子空间类算法中的 r o o t m u s i c 算法和t l s e s p r i t 算法，其中r o o t m u s i c 算法不像m u s i c 算 法那样需要进行谱峰搜索，可以直接求解正弦成分的频率。通过计算多级维纳滤 波器可以直接获得信号子空间的信息，无需对协方差矩阵做特征值分解，使 e s p r i t 算法计算量显著减少，然后通过总体最d - - 乘法考虑总体扰动就可以求 出正弦成分的频率。仿真试验说明了r o o t m u s i c 算法和t l s e s p r i t 算法分析 正弦成分频率的性能。 ( 6 ) 最后，在幅值和相位信息估计后，本文提出了完整的间谐波分析算法。 间谐波参数模型的正弦成分数和频率由空间谱分析获得，在低信噪比时使用支持 向量机或遗传算法估计幅值和相位信息。i e c 改进方法未能给出准确频谱的间谐 波信号时，基于空间谱估计的方法均可以给出准确的分析结果。对实际间谐波数 据进行分析，结果表明基于空间谱估计的间谐波方法优于i e c 方法、支持向量 机和p r o n y 算法。 关键词：电能质量；间谐波；傅立叶变换；空间谱分析；信息论：盖氏圆盘；典 型相关；求根多重信号分类；旋转不变子空间；支持向量机；遗传算法 a b s t r a c t n o w a d a y se l e c t r i ce n e r g yi sm o s ti m p o r t a n ts e c o n d a r ye n e r g y e l e c t r i cp o w e r p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r yp r o d u c t i o na n dh u m a n l i v e s 1 1 1 es t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e ma n dt h eq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e rd i r e c t l ya f f e c tn a t i o n a le c o n o m y a l o n gw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , a l lk i n d so fl o a d sa ler u s h i n gi n t oe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，s o m eo fw h i c ha r en o n l i n e a r o ri m p a c tl o a d s s on e wp r o b l e m sa b o u tp o w e r q u a l i t ya p p e a rw h i c ht h r e a t e nn o to n l yt h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mb u ta l s o n o r m a lp r o d u c t i o no fu s e r s h a r m o n i ci sac o m m o np o w e rq u a l i t ye v e n t ，a n dt h e u t i l i t i e sa n du s e r sh a v ep a i dm u c ha t t e n t i o nt oi t b e s i d e sh a r m o n i cw h o s ef r e q u e n c y i si n t e g e rm u l t i p l e so fb a s i cf r e q u e n c y ，t h e r ei sa l s oi n t e r h a r m o n i cw h o s ef r e q u e n c yi s n o ti n t e g e rm u l t i p l e s i n t e r h a r m o n i cc a nc a u s ef l i c k e ra n dd i s t u r br e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c e so rf i l t e r sb e s i d e st h es a m eh a z a r d so fh a r m o n i c ，s ow es h o u l d a l s op a ya t t e n t i o nt oi n t e r h a r m o n i c t h ep r e c o n d i t i o no fr e p r e s s i n gi n t e r h a r m o n i ci s a c c u r a t e l ya n a l y z i n gt h e s p e c t r u mo fi n t e r h a r m o n i c i e ch a sp r o v i d e dt w om e t h o d st oe v a l u a t ei n t e r h a r m o n i c ， i e cf l i c k e r m e t e rp r o p o s e di ni e c610 0 0 - 4 - 15a n dg r o u p i n gm e t h o db a s e do nf o u r i e r t r a n s f o r mi ni e c6 10 0 0 - 4 7a n di e c6 10 0 0 4 3 0 b e s i d e st h ea f o r e m e n t i o n e d m e t h o d sa rm o d e l ，n e u r a ln e t w o r k ，s v m s ( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ) a n dw a v e l e t a n a l y s i sa r ea l s oa p p l i e dt oa n a l y z ei n t e r h a r m o n i c h o w e v e rt h e s em e t h o d sh a v e s h o r t c o m i n g so fn a r r o wa n a l y z i n gr a n g e ，l o n gt i m ew i n d o w , e a s i l yb e i n gi n f l u e n c e d b yt h en o i s e ，s p e c t r u ml e a k a g ea n da l i a s i n g s oas t e p w i s ep a r a m e t r i cm e t h o db a s e d o ns p a t i a ls p e c t r u ma n a l y s i si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r a r es h o w na sf o l l o w s ( 1 ) f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h eb a s i cc o n c e p t s a b o u ti n t e r h a r m o n i c ， i n c l u d i n gd e f i n i t i o n s ，h a z a r d sa n dl i m i t e dv a l u e s t h e nm a i ni n t e r h a r m o n i cs o u r c e s w e r es h o w n ，s u c ha sc o n v e r t e rd e v i c e s ，i n d u c t i v em o t o r s ，a r cf u m a c e s ，r o l l i n gm i l l s a n dr i p p l ec o n t r o l s i g n a l s i n o r d e rt o i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i n t e r h a r m o n i ca n df l i c k e r ，as i m u l a t i o nm o d e lo fi e cf l i c k e r m e t e rw a sb u i l tu p ，a n d n u m e r o u ss i m u l a t i o n st e s t e dt h ep e r f o r m a n c et h a ti e cf l i c k e r m e t e re v a l u a t e d i n t e r h a r r n o n i c f u r t h e r m o r et h em e c h a n i s mt h a ti n t e r h a r m o n i ci n c u r e dr m s a n d p e a kf l u c t u a t i o nw a sd i s c u s s e da n dt h ei n f l u e n c eo fi n t e r h a r m o n i ct ol i g h t i n gd e v i c e s w e r ea l s os h o w n ( 2 ) a c t u a li n s t a n c e ss h o w e dt h em e a s u r i n gm e t h o do fi n t e r h a r m o n i ci ni e c h a df l a w so ne s t i m a t i n gi n t e r h a r m o n i cf r e q u e n c y , e s t i m a t i n gt h en u m b e ro f i n t e r h a r m o n i c s ，s y n c h r o n i z e ds a m p l i n g ，t h eu s eo fr e c t a n g u l a rw i n d o w , h a n d l i n g t i m e v a r y i n gi n t e r h a r m o n i ca n ds oo n t h o u g ht h em o d i f i e dm e t h o do fi e cp a d d e d z e r o e sa tt h ee n do fs a m p l i n gd a t at os m o o t ht h ef o u r i e rs p e c t r u ma n dh a n n i n g u i w i n d o wa n di n t e r p o l a t i o nw e r ep e r f o r m e dt oc o r r e c tt h ei n t e r h a r m o n i ci n f o r m a t i o n f r o md f t , i ts t i l lc a n n o ts o l v et h ep r o b l e m sa tl o n gs a m p l i n gd a t aa n dc l o s e i n t e r h a r m o n i cr e c o g n i t i o n t h em e t h o d sb a s e do na rm o d e lc a nb r e a kt h r o u g ht h e r e s t r i c t i o nf r o mf r e q u e n c yr e s o l u t i o n ，b u ti t sp e r f o r m a n c ew a se a s i l yi n f l u e n c e db yt h e o r d e ro fa rm o d e la n dt h en o i s e i t sn o tr e l i a b l et h a tt h en u m b e ro fn e u r o n sa n di t s o r i g i n a lv a l u ew a se s t i m a t e df r o mt h er e s u l t so fi n t e r p o l a t i o nd f t o fi n t e r h a r m o n i c s i g n a l sb e f o r eas e l f - a d a p t i n gn e u r a ln e t w o r kt r a i n e dw e i g h tp a r a m e t e r s w h e n a n a l y z i n gi n t e r h a r m o n i c ，s v m sn e e dc a r r yo u tah i g h e rd i m e n s i o n a ll i n e a rr e g r e s s i o n ， a n dh a ds e v e r es p e c t r u ml e a k a g e t h ew a v e l e ta n a l y s i so b t a i n si n t e r h a r m o n i c f r e q u e n c yb ys l i d i n gt h ef i l t e r sw i t hd i f f e r e n tp a s sb a n do nt i m ea x i s ，b u te a s i l y i n f l u e n c e db yw a v e l e ta l i a s i n g i no r d e rt os o l v et h em e n t i o na b o v ep r o b l e m s ，w e n e e dam e t h o dw h i c hc a na c c u r a t e l ye s t i m a t et h en u m b e ro fs i n u s o i d a lc o m p o n e n t si n i n t e r h a r m o n i cp a r a m e t r i cm o d e la tf i r s t ( 3 ) a f t e rt h em a t h e m a t i cm o d e lo fs p a t i a ls p e c t r u ma n a l y s i sw a si n t r o d u c e d ， i n t e r h a r m o n i cs i g n a l sc a l lb et r a n s f o r m e dt os p a t i a ls i g n a l sr e c e i v e db yl i n e a rs e n s o r a r r a yt h r o u g he u l e r sf o r m u l ao rh i l b e r tt r a n s f o r m t h en u m b e ro fs i n u s o i d a l c o m p o n e n t so ft h ei n t e r h a r m o n i cp a r a m e t r i cm o d e lw a sc o r r e s p o n d i n gt ot h es o u r c e n u m b e ro ft r a n s f o r m e ds p a t i a ls i g n a l s ，a n dt h ef r e q u e n c i e so fs i n u s o i d a lc o m p o n e n t s w e r ec o r r e s p o n d i n gt ot h a to ft r a n s f o r m e ds p a t i a ls i g n a l s t h et r a n s f o r m e dr e c e i v e d d a t aa l s oh a dt h es a m es t a t i s t i cc h a r a c t e rw i t hs e n s o ra r r a ym o d e la n dt h et r a n s f o r m e d s p a t i a ls i g n a l sw e r en o tc o h e r e n te a c ho t h e r , s ot h em e t h o d so fs p a t i a ls p e c t r u m a n a l y s i sc a nb ea p p l i e dt oe v a l u a t et h es p e c t r u mo fi n t e r h a r m o n i cs i g n a l s ( 4 ) t h es o u r c en u m b e re s t i m a t i n gm e t h o d sw e r ea p p l i e dt oe s t i m a t et h e n u m b e ro fs i n u s o i d a lc o m p o n e n t so ft h ei n t e r h a r m o n i cp a r a m e t r i cm o d e l ，w h i c hw e r e i n f o r m a t i o nt h e o r y , g e r s c h g o r i n sd i s ka n dc a n o n i c a lc o r r e l a t i o nm e t h o d b a s e do n m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o na i c ，m d la n dh qc r i t e r i o n sf r o mi n f o r m a t i o n t h e o r yw e r ep r e s e n tt o e s t i m a t et h es o u r c en u m b e r t h eu n i t a r yt r a n s f o m lo f c o v a r i a n c em a t r i xm a d et h eg e r s c h g o f i n sd i s k so fs i g n a l sa n dt h a to fn o i s es e p a r a t e d o nc o m p l e xp l a n e ，a n dg e r s c h g o r i n sr a d i i so fs i g n a l sa r eo b v i o u s l yg r e a t e rt h a nt h a t o fn o i s e c a n o n i c a lc o r r e l a t i o nm e t h o de s t i m a t e ds o u r c en u m b e rb ys u r v e y i n gt h e c a n o n i c a lc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so ft h er e c e i v e dd a t a m a t r i c e sf o r mt w o s p a c e s e p a r a t e dl i n e a r s e n s o ra r r a y n u m e r o u ss i m u l a t i o n sp r o v e dt h a tm d lo f i n f o r m a t i o nt h e o r y , g e r s c h g o r i n sd i s ka n dc a n o n i c a lc o r r e l a t i o nm e t h o dh a dw e l l p e r f o r m a n c eo ne s t i m a t i n gt h en u m b e ro fs i n u s o i d a lc o m p o n e n t s ( 5 ) t h ee s t i m a t e ds o u r c en u m b e rm a d ei tp o s s i b l et oa c c u r a t e l ys e p a r a t es i g n a l s u b s p a c ef r o mn o i s es u b s p a c e u s i n gt h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e ns i g n a ls u b s p a c ea n d n o i s es u b s p a c eo rt h ei n v a r i a n c eo fr o t a t i n gs i g n a ls u b s p a c et h ef r e q u e n c i e so fe v e r y s i n u s o i d a lc o m p o n e n tc a nb ef i g u r e do u t r o o t m u s i ca n dt l s e s p r i ta l g o r i t h m b e l o n g i n gt os u b s p a c em e t h o d sw e r eu s e dt oa n a l y z et h ef r e q u e n c yi n f o r m a t i o no f i v i n t e r h a r m o n i cs i g n a l r o o t m u s i cc a nd i r e c t l yo b t a i nt h ef r e q u e n c i e st h r o u g h c a l c u l a t i o nr o o t so fap o l y n o m i a l ，w h i l em u s i cn e e ds e a r c h i n gt h es p e c t r u mp e a k s e s p r i ta v o i d e de i g e n v a l v ed e c o m p o s i t i o no fc o v a r i a v a n c em a t r i xa f t e rm u l t i s t a g e w i e n e rf i l t e r sw e r eo b t a i n e dt of o r ms i g n a ls u b s p a c et h r o u g hf o r w a r dr e c u r s i v e a l g o r i t h m ，s ot h ec a l c u l a t i o nl o a ds i g n i f i c a n t l yc u to f f b a s e do nt h es i g n a ls u b s p a c e t h et o t a ll e a s ts q u a r em e t h o dc a ng e tf r e q u e n c i e s n u m e r o u ss i m u l a t i o n st e s t e dt h e p e r f o r m a n c eo fr o o t - m u s i ca n dt l s e s p r i t ( 6 ) f i n a l l y , a f t e rt h ei n f o r m a t i o no fa m p l i t u d e sa n da n g l ep h a s e sw e r eo b t a i n e d ， w ep r o p o s e da ni n t e g r a t e dm e t h o dt oa n a l y z ei n t e r h a r m o n i cs p e c t r u m t h en u m b e ro f s i n u s o i d a lc o m p o n e n t sa n dt h e i rf r e q u e n c i e sw e r eo b t a i n e db yt h es p a t i a ls p e c t r u m a n a l y s i s ，a n ds v m s o rg ac a nc a l c u l a t ea m p l i t u d e sa n da n g l ep h a s e sw h e ns n rw a s l o w t h ep r o p o s e dm e t h o ds u c c e e d e di na n a l y z i n gt h es i m u l a t e di n t e r h a r m o n i es i g n a l w h i l ei e cm o d i f i e dm e t h o df a i l e d s a m p l i n gd a t af r o ma c t u a li n t e r h a r m o n i cs o u r c e s ， i n d u c t i v em o t o ra n dr o l l i n gm i l l ，w e r ea p p l i e dt ot e s tt h ep r o p o s e dm e t h o d ，a n dt h e r e s u l t ss h o w e dt h a ti tp e r f o r m e db e t t e rt h a ni e cm o d i f i e dm e t h o d ，s v m sa n dp r o n y a l g o r i t h m k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , i n t e r h a r m o n i c ，f o u r i e rt r a n s f o r m ，s p a t i a ls p e c t r u m a n a l y s i s ，i n f o r m a t i o nt h e o r y , g e r s c h g o r i n sd i s k ，c a n o n i c a lc o r r e l a t i o n ， r o o t - m u s i c ，e s p r i t , s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ，g e n ea l g o r i t h m v 浙江大学博士学位论文 1 1 间谐波介绍 第1 章绪论 电能是电力企业向电力用户提供的一种特殊商品，同其它商品一样，其质量 问题也日益引起电力部门和用户的极大关注。我国在2 0 0 6 年底总发电机装机容 量达到6 2 2 0 0 万千瓦，仅次于美国，各种用电负荷大量涌入电网，包括很多非线 性负载、波动性负载等，导致了很多新的电能质量问题；另一方面对电能质量敏 感的精密用电设备也提高了对电能质量的要求。 i e e e 标准1 1 5 9 - 1 9 9 5 将电能质量问题分为暂态、短时变动、长时变动、波 形畸变、电压波动和频率变动六大类，其中波形畸变主要包括谐波、间谐波、直 流、缺口和噪声l l j 。谐波问题是电力系统中比较常见和典型的问题，目前谐波情 况日益复杂，不仅存在频率是基频整数倍的整数次谐波，而且存在着大量非整数 次谐波( 间谐波) 。 在i e c6 1 0 0 0 2 1 中，间谐波被定义为： 在电网频率的电压和电流的谐波之间，频率不是基波的整数倍，可能以离散 频率也可能以宽带频谱存在的频率成分【2 j 。 一 在i e c6 1 0 0 0 2 2 中，间谐波被定义为： 不是基波频率整数倍的任何频率成分都可以认为是间谐波成分【3 1 。 可由下表说明间谐波的定义 表1 1 1 间谐波定义 谐波( h a r m o n i c l产 研，h 是正整数 直流( d c )f ：0 h z 间谐波( i n t e r h a r m o n i c ) 岸厅确，h 是正整数 次谐波( s u b h a r m o n i c )y o 且f a 表中石是电力系统的基波频率( 基频) 。次谐波没有正式的官方定义，可以 看作是频率成分小于基波频率的问谐波特例。 1 2 间谐波源 问谐波源广泛存在于低压、中压和高压电网中。低压间谐波源主要影响它们 附近的设备，中压和高压问谐波源将影响由它们供电的低压网。主要的间谐波源 有：变频装置，感应电机，焊机( 低压) 和电弧炉( 中压高压) 等。i e c 将低 水平的背景噪声也认为是问谐波1 2 l 。下面就详细介绍各种问谐波源。 1 2 1 变频装置 变频装置主要有两种：交直交变频器和交交变频器。 静止变频器( s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r s ，s f c ) ，即交直交变频器，是将电 网电压变换为频率高于或低于电网频率的交流电压的装置，s f c 主要用于变频驱 浙江大学博士学位论文 动，发展迅速。几十k w 的小变频驱动直接连接到低压电网，大功率变频驱动经 专门变压器接入中压电网，中频炉也有使用相似的变频器。s f c 包括两部分： a c d c 整流和d c a c 逆变，如图1 2 1 。直流电压被变频器输出频率调制，导 致在输入电流中产生间谐波电流，从而导致间谐波电压影响电网电压。 直流链 a b c 负荷 图1 2 1 交直一交变频器基本结构 s f c 的频率特征可由以下公式给出： 石2 【p l 研净l 】硝士 ( p z x n ) - a ：1 f( 1 2 1 ) 式中，p l 为整流脉冲数；p 2 为逆变脉冲数；m = l ，2 ，3 ，；r m l ，2 ，3 ，； 为电网基频；f 为变频器输出频率。p z 、，和f 决定了变频器的问谐波成分。 低同步串级调速装置也可认为是一种特殊的交直交变频装置，间谐波注入 水平一般不高。低同步串级调速主要用于绕线式异步电动机，取代传统的转子回 路中辛电阻的调速方法，它是在转子回路中加一整流器，把转差功率变为直流功 率，再用逆变器，将其返馈电网，改变转差功率，即可实现调速。这种调速方式 效率高、损耗小、调速范围宽、性能好，但在逆变器和定子回路中可能产生间谐 波电流【2 ；4 1 。 周波变频器，即交交变频器( c y c l o c o n v e r t e r ) ，将系统三相功率以三相或单 相的低频形式供给大功率低速电机驱动器，一般功率可达几个m w 。交交变频 器从轧钢厂和线性电机驱动到静止无功发生都有广泛的应用。在水泥和采矿行业 作为磨机驱动的周波变频器容量在7 0 年代就达到8m v a ，也有用在电气化铁路 牵引方面的。周波变频器与s f c 相比，没有直流环节，可认为是s f c 的一个特 例，频率特征公式与s f c 相同。由于整流和逆变部分直接连在一起，即交交模 式，如图1 2 2 ，周波变频器的间谐波注入会更加严重1 2 ；5 j 。 ab c 图1 2 2 交交变频器的基本结构 图1 2 3 是一理想交一交变频器工作电流波形，输出频率为5h z ，其经过傅立 2 浙江大学博士学位论文 叶分析后得到的频谱中存在间谐波，如图1 2 4 。 一 图1 2 3 理想交交频率器供电频率为5h z 时的电流波形 0 2 频率，h z 图1 2 4 交交变频器电流的傅立叶频谱 1 2 2 感应电机 感应电机因转子和定子间的缝隙产生不规则的磁化电流，可能与铁心饱和有 关，在低压电网中产生间谐波。在电机正常转速下，干扰频率在5 0 0h z 到2 0 0 0 h z 之问，启动时会超过这一范围。装在长低压架空线末端的电机可能被干扰。 曾经测量到过感应电机的间谐波电压到达额定电压1 的情况，这样的间谐波电 压可能会干扰纹波控制接收裂引。感应电机产生的问谐波频率有时也与电机带动 的负载或电机本身故障有关，此时间谐波频率也会在5 0 0h z 以内。 图1 2 5 为杭州某微粉厂的直径2 2 米球磨机( 动力为感应电机) 的电流实 测波形。 3 浙江大学博士学位论文 图1 2 5 球磨机的电流波形 1 2 3 电弧焊机 电弧焊机是机械、冶金、建筑、化工、能源等行业必需的加工设备，是利用 电弧热量熔化工件结合处而进行焊接的设备。按使用电极的性质可分为不熔化极 弧焊机及熔化极弧焊机：按输出电流的种类可分为交流弧焊机和直流弧焊机。与 交流电源相比，直流电源能提供稳定的电弧和平稳的熔滴过渡。一旦电弧被引燃， 直流电弧能保持连续燃烧；而采用交流电源焊接时，由于电流和电压方向的改变， 并且每秒钟电弧要熄灭和重新引燃上百次，电弧不能连续稳定燃烧1 6 】。所以交流 电焊机比直流电焊机的间谐波发射水平高。焊机大多连在低压电网，由于焊机的 断续工作特性和功率比较大，为了避免干扰闪变效应，供电网阻抗不得不很低， 电网阻抗的限制会显著减少问谐波电压1 2 j 。图1 2 6 为某型c 0 2 气体保护半自动 焊机的平板对焊丝的电流波形，电压为2 8v 。 图1 2 6 电弧焊机工作时的电流波形 1 2 4 电弧炉 电弧炉的应用在世界炼钢生产中占着绝对优势，是供电电网中很大的负载， 在运行中经常产生突然的、强烈的电流冲击。电弧炉的电流控制是通过电弧炉变 压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来实现的。电弧炉的冶炼过程主要分 为两个阶段：熔化期和精炼期。从电气角度看，电弧炉熔化期在空载和短路问变 化。熔化期由于炉内温度较低，电弧持续困难。电弧频繁地时起时断，电流断续， 电流的急剧变化造成电弧炉从供电系统吸收的有功功率和无功功率同时急剧变 化，此时引起的电压波动与闪变也非常剧烈。精练期电弧相对稳定，电流基本不 4 浙江大学博士学位论文 再变动，此时的电压波动与闪变影响较小。由于不规则的电流输入电弧炉会产生 连续但随机改变的间谐波频谱，间谐波最高时发生在熔化过程的起始阶段 2 1 。 虽然2 0 世纪8 0 年代后期，直流电弧炉的应用促使电弧炉炼钢技术步入了发 展的新阶段，但是交流电弧炉的技术仍在继续发展，交流电弧炉部分地采用了高 的二次电压、长电弧、较低的电流，降低了对电网的污染，也降低了电极消耗， 缩小了与直流电弧炉的差距1 7 - 9 1 。直流炼钢电弧炉结构的特点是只有一根炉顶石 墨电极和相应的炉底电极。与交流电弧炉相比，直流电弧炉电流虽也会发生波动， 但由于可控硅整流器能迅速、精确地调节，这些电流波动被较好地控制，直流电 弧炉产生的间谐波要少5 0 石0 。另一方面，由于晶闸管整流器会产生谐波， 直流电弧炉产生的谐波比交流电弧炉更严重，需配用合适的滤波器解决【5 ；8 1 0 】。 3 5 l l o i ( v 段 l # 电弧炉2 # 电弧炉精练炉 其他负载下一级所用电 图1 2 7 某钢铁厂的用电结构图 图1 2 7 为某钢铁厂的主要用电简图，测量了l 拌主变3 5k v 侧的两台电弧炉 同时工作时的母线电流，测量时l 稃主变的6l 【v 侧的精炼炉没有在运行，图1 2 8 为两台电弧炉正常工作时的a 相电流。 t ，s 图1 2 8 两台电弧炉同时工作时的电流波形 直流电弧炉因控制系统的问题也会产生间谐波电流，文献【i l 】中提到由于3 0 m w 直流电弧炉的s c r ( s i l i e o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) 错误触发时间和系统频率响 应造成的电压闪变，电压闪变源为1 8 7h z 的间谐波电流，电流波形如图1 2 9 。 5 浙江大学博士学位论文 6 0 0 3 0 0 0 3 0 0 - 6 0 0 oo 0 2 o o 40 0 60 1 0o 1 2o 1 4 t s 图1 2 9 直流电弧炉在s c r 误触发时的电流波形 1 2 5 轧钢机 用轧制方法生成钢材，具有生成率高、品种多、生成过程连续性强、易于实 现机械化和自动化等优势，约9 0 的钢材都是用此方法生成的【l2 1 。晶闸管整流 供电的轧钢机属于快速变化的冲击负荷，其电气量的变化在几m s 或十几m s 期 间就能观察到，从而产生了连续或离散频率的间谐波。 假设系统电压为“f ) ：s i n ( t o t ) ，负载特性为r ( f ) = 1 r s i n ( c o m t ) ，r l ，m 为负载 变化的频率，则负载电流为： k r ) = v ( t ) r ( t ) = s i n ( c o t ) ( 1 一r s i n ( c o m t ) ) = s i n ( c o o ( 1 + r s i n ( c o m t ) + s i n 上( w m t ) + r 3 s i n 3 ( c o m t ) + ) ( 1 2 1 ) 式( 1 2 1 ) 说明负载电流f i t ) d ? 含有0 ) = t = 0 9 m ，士2 m ，o j 士3 m m ，的频率分量， 所以只要0 9 和0 9 m 不同步，就会产生间谐波电流h 3 1 。图1 2 1 0 为某线材厂的一条 粗轧生产时的实际测量a 相电流波形。 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o fl 18 如 - 1 0 0 u 2 0 0 冉j 、a ip 一心 j j _ tl 。 i ， f o0 0 20 0 40 0 0 8o 10 1 2o 1 40 1 60 18 t | s 图1 2 1 0 粗轧生产线的生成电流 1 2 6 音频控制信号 音频控制又称纹波控制，音频控制系统是将发送器安装在中心点，向处在电 网任意点的、不限数量的接收器发送信息码，通讯信道可以利用电网中现存的电 6 浙江大学博士学位论文 缆、架空线、变压器等。发送器通常安装在变电站内，它将一种称为“纹波控制 码”或“音频码的信号注入到电网，注入点的信号包含串固定音频频率的正 弦电压波，幅值为正常电网电压的l 。这种信号在电网中传播，并激活所有的 接收器响应音频码，接收器将按照已编程序的码指令完成其动作，诸如切断负荷 供电【1 4 ；1 5 】o 纹波控制信号会在电网发射间谐波( 例如：频率户1 7 5h z 、1 8 0h z 、1 8 3 3h z 、 2 8 3 3h z 等，含有率u h = 1 5 ) ；电力线路载波( p l c p o w e rl i n ec a r t i e r ) 信号也 是类似的信号，其频率在3 次谐波和5 次谐波之间，幅值1 - 5 。虽然纹波控制 信号通常幅值很小，但有时对非常敏感的照明设备比如节能灯和铁磁镇流器的管 灯造成闪变。装有老式照明设备的办公楼经常会观察到此类现象，电子整流器的 管灯就感觉不到。 永 。 ： 频率h z 图1 2 11 含有纹波控制信号的电压频谱图 图1 2 1 1 表示含有纹波控制信号除了主要的1 7 5h z 纹波控制信号，还有 因与谐波交频产生其它的间谐波【1 6 1 。 1 3 问谐波危害 间谐波电流与谐波电流类似，也会根据网络阻抗引起间谐波电压，间谐波电 压的频率可能产生基波电压幅值调制。当调制频率接近1 0h z 时将明显影响人的 视觉，即发生闪变1 2 j 。是否发生闪变也是评价电能质量的重要指标之一。 电力系统的调谐滤波器通常用来限制5 次到1 3 次的谐波电压畸变，设计时 滤波器频率会调偏，希望此带宽上没有信号；但