（测试计量技术及仪器专业论文）剔除奇异点监测电网谐波的方法研究.pdf

摘要 摘要 电能质量是随着电力系统的出现而产生的。随着电子控制设备的广泛应用， 电能质量问题受到越来越多的关注。谐波，作为电能质量的一个重要方面，随着 非线性负荷的增长日益突出。谐波对电力系统中的设备和装置会造成巨大的危 害。为了监测系统状态、抑制谐波干扰，对其进行准确测量成为一个关键性的问 题。电力系统中的分析对象相当复杂，电压电流信号中包含大量的噪音和标志系 统运行状况的突变信号，需要对其进行合理分析。谐波分析方法众多，主要有传 统的快速傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波变换，它们分析的侧重点有很大不 同。本文从理论上介绍了上述几种方法，并针对同类对象用不同方法进行仿真比 较。在此基础上，本文探讨了将快速傅立叶变换和小波变换相结合的方法，即剔 除奇异点监测谐波。利用小波变换突出的奇异点监测效果和较高的时域分辨率， 结合快速傅立叶变换准确的频域分辨能力进行电力系统谐波分析。本文给出了该 方法的具体步骤，并与传统的谐波分析方法进行仿真比较。其仿真结果明显优于 传统分析方法。 关键词：电能质量谐波监测快速傅立叶变换短时傅立叶变换小波变换 奇异 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rq u a l i t yh a sb e e na p p e a r e ds i n c et h ei n c e p t i o no fp o w e rs y s t e m t h et o p i c so f p o w e rq u a l i t y h a v er i s e nt ot h ef o r e f r o n tb e c a u s eo fa ni n c r e a s ei n w i d e r a n g i n g e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e de q u i p m e n t h a r m o n i c ，a so n eo ft h ei m p o r t a n ta s p e c ti n p o w e rq u a l i t y ，h a sb e c o m ev e r ye v i d e n tw i t ht h en o n l i n e a rl o a di n c r e a s i n g i th a s g r e a th a r m f u le f f e c t o ne l e c t r i c e q u i p m e n t sa n dd e v i c e si n t h es y s t e m i no r d e rt o s u p e r v i s e t h e s y s t e m s t a t u sa n dr e s t r a i nh a r m o n i cd i s t u r b a n c e ，a c c u r a t eh a r m o n i c m e a s u r eh a sb e c o m ea p i v o t a lp r o b l e m t h ea n a l y s i so b j e c t si np o w e rs y s t e ma r ev e r y c o m p l i c a t e d ，t h e r ea r eal o to fn o i s ea n db r e a k sw h i c hi n d i c a t es y s t e m so p e r a t i o n s t a t u si n v o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l ar a t i o n a la n a l y s i si sn e e d e d t h e r ea r em a n y m e t h o d si nh a r m o n i ca n a l y s i s ，s u c ha st r a d i t i o n a lf a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，s h o r tt i m e f o u r i e rt r a n s f o r ma n dw a v e l e tt r a n s f o r m t h e yh a v ed i f f e r e n ta n a l y t i c a le m p h a s i s t h e i rt h e o r i e si si n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，a n dc o m p a r ei sm a d ew i t ht h es a m eo n e c t b ye m u l a t e b a s e do fa l l ，am e t h o du s i n gf a s tf o u r i e rt r a n s f o r mc o m b i n i n gw i t h w a v e l e tt r a n s f o r mi s d i s c u s s e d ，n a m e de l i m i n a t i n gs i n g u l a r i t yp o i n ta n dd e t e c t i n g h a r m o n i c s u r v e y i n gp o w e r h a r m o n i cu s i n gt h es p e c i a le f f e c to n d e t e c t i n gs i n g u l a r i t y p o i n ta n dh i g hr e s o l v i n gd e g r e ei nt i m ed o m a i no fw a v e l e t ，c o m b i n e dw i t ht h ee x a c t f r e q u e n c yr e s o l v i n ga b i l i t yo f f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m t h em a t e r i a lp r o c e s si sg i v e ni n t h et h e s i s ，a n di ti sc o m p a r e dw i t hr a t i o n a lm e t h o d b ye m u l a t ea sw e l l t h ee m u l a t i n g r e s u l t sa r eb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lh a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o d s k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , h a r m o n i cm o n i t o r , f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，s h o r tt i m e f o u r i e r t r a n s f o r m ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，s i n g u l a r i t y 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本论文中不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个体和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者( 签名) ：蒜产砌确 0 妒年多月 第一章绪论 1 1 课题背景2 1 第一章绪论 随着世界经济的不断发展，电能这种最为广泛使用的能源，已经成为人们生 产生活过程中必不可少的一项基本条件，短时间甚至瞬时的电力中断都会产生巨 大的经济损失和严重的生活不便。美、加“8 1 4 ”大停电对国内生产总值带来的 经济损失在每天2 5 0 亿到3 0 0 亿美元之间，人民生活陷入一片混乱。由此，现代 社会对可靠电力供应的依赖性可见一斑。电能，作为一种产品，不仅有大小数量 之分，也有优劣质量之别。在电力发、输、配、用之间的多个供求环节上都存在 着量与质的要求与制约。这种由各个方面共同保证质量的特殊商品，并不是只有 发生供应中断时才会造成损失。电能质量的恶化会导致电气设备的寿命缩短、网 损加大、造成过电压、过电流，并引起继电保护和自动装置的误动作。据美国 e p r i 统计，每年由于电能质量和供电可靠性的冲击，美国的经济损失高达1 8 8 0 亿美元；我国某3 5 k v 变电所的年谐波损失电量也达到2 7 万k w h 。随着现代用 电设备逐渐趋于电子化，较传统设备而言，现代用电设备对电能质量的要求更高， 对电能质量的影响也更普遍。这样的一对矛盾给电能质量提出了更高的要求。如 果不从自身进行合理控制，提高电力系统的兼容性，将会引起事故的发生，导致 严重的经济损失。 随着经济技术的不断发展、各种新能源的不断拓宽，预计到2 0 5 0 年，世界 的电力供应将能基本满足大多数用户的生产生活需求。那时，人们对电能供应关 注的交点必然会放在受电质量的好坏上。可以说，现代社会中，电能的应用程度 已经成为衡量一个国家发展水平的主要标志之一。然而，电力系统覆盖面广、结 构复杂、易于受到外界环境的干扰，因此，在发、供、用电过程中存在很多问题 会引起电网的污染，导致电能供应不能符合用户用电设各的需求，所以，很有必 要对电能质量的好坏给出一个定量的、统一的评价方法，从而有针对性地对其进 行监测、控制，达到向用户供应合格电力的目的，这对于电力的发展将起到深远 的影响。 河海大学硕士学位论文 1 1 1 电能质量的概念 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦波形，按规定的电压 水平对用户供电。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，相位相差1 2 0 度的对称状态。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或对称的，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，这种理想状态实际上并不存在， 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 量的概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术 含义还存在着不同的认识，这是由于人们看问题的角度不同所引起的，如电力企 业可能把电能质量简单看成是电压( 偏差) 与频率( 偏差) 的合格率，并且用统 计数字来说明电力系统电能9 9 或更高是符合质量要求的；电力用户则可能把电 能质量笼统地看成是否向负荷正常供电；而设备制造厂家则认为合格的电能质量 就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要，但实际上不同厂家和不 同设备对电源特性的要求可能相去甚远。另一方面，对电能质量的认识也受电力 系统发展水平的制约，特别是用电负荷的性能和结构。 什么是电能质量? 这一研究领域出现过的相关术语如下：( 1 ) 电压质量，即 用实际电压与理想电压间的偏差( 包含幅值、波形、相位等等) ，反映供电企业 向用户供给的电力是否合格。此定义能包括大多数电能质量问题，但不能或不宜 将频率造成的质量问题包含在内，同时不含用电( 电流) 对质量的影响。( 2 ) 电 流质量，即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电 电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。这个定义有助于电网电能质量的改 善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题，而后者往往并 不总是由用电造成的。( 3 ) 供电质量，应包含技术含义和非技术含义两部分：技 术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，包括供电企业对用 户投诉与抱怨的反应速度和电力价格等。( 4 ) 用电质量，应包括电流质量和非技 术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等它反映供用电双方相互作用与影响 中用电方的责任和义务。 第一章绪论 i e e e 给电能质量的定义是：“合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电 力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。这个定义的缺点是不够简 明和直接，另外的定义是：“导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或 频率偏差”。 电能是一种特殊产品，同样具有产品的若干特性，如可被测量、其质量可以 用各种指标加以描述等。电能质量与一般产品质量不同，有如下特点：( 1 ) 不完 全取决于电力生产企业，有的质量指标( 例如谐波、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；还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏 ( 如雷击) 引起的：( 2 ) 对于不同的供( 用) 电点和不同的供( 用) 电时刻，电 能质量指标往往是不同的。也就是说，电能质量在空间和时间上均处于动态变化 之中。 1 1 2 评价电能质量的指标 ( 1 ) 国际电能质量研究对象 目前，世界各国对电能质量的定义、研究控制的重点都不完全相同。概括起 来，衡量电能质量好坏的指标主要包括电压、频率、和供电可靠性三个方面。其 中具体重点集中在对电压、谐波和三相不平衡的限制上，电力系统中每个参数都 是相互关联的，当对某个量采取合理控制时，电能质量的其他方面也会有所改善。 电压指标 电压中断( 断电i n t e r r u p t i o n ) ：在一定时间内，一相或多相完全失去电压( 低 于0 8 d u ) 称为断电。 电压下跌( s a g ) ：持续时间为0 5 周波l m i n ，幅值为0 1p u o 9p u 。 电压上升( s w e l l ) ：电压或电流持续时间为o 5 周波l m i n ，幅值为1 1p u 1 8 p u 口系统频率仍为标称值。 瞬时脉冲i m p u l s e ( 突波t r a n s i e n t s ) ：瞬时脉冲为在两个连续稳态之间的一 种极短时间内发生的电压或电流变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲， 也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波的第一个尖峰。 河海人学硕j ：学位论文 电压波动( f l u c t u a t i o n s ) 与闪变( f l i c k e r ) ：电压波动是在包络线内的电压 有规则的运动，或是幅值不超过0 9p p 1 1p u 电压范围的一系列电压随机变化。 闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。 电压切痕( n o t c h ) ：电压切痕是一种持续时间小于0 5 周波的周期性电压扰 动。主要是由于电力电子装置在两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相 产生的。电压切痕频率非常高，用常规的谐波分析仪器很难测量出来。这就是过 去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。 过电压( o v e r v o l t a g e ) ：电压或电流持续时间为大于l m i n ，幅值为1 1p u 1 2 p u ，系统频率仍为标称值。 欠电玉, ( u n d e r v o l t a g e ) ：电压或电流持续时间为大于i m i n 。幅值为o 8p u - 0 9 p u ，系统频率仍为标称值。 几种典型的电压干扰波形如图1 1 所示。 啪州删 a 欠电压 m mu mm _ c 电压切痕 t i m 阳s 喇脚m b 过电压 图1 - 1 几种电压干扰波形 d 电压波动 谐波( h a r m o n i c s ) 指标 含有基波整数倍频率的正弦波电压或电流称为谐波，产生畸变后的波形可分 4 第一章绪论 解为基波和许多谐波之和。 间谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) 含有基波非整数倍频率的电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数次谐 波( 次谐波f r a c t i o n a lh a r m o n i c s ) 也属于此类。问谐波的主要来源是静止变频器、 循环换流器、感应电动机和电弧发生装置。间谐波可使显示装置发生闪变。 三相不平衡指标 在三相交流电力系统中，如果系统总功率瞬时值与时间无关则该系统是平衡 的。由于存在种种因素，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。事故性的不平衡是由于三相系统中某一相( 或两相) 出现故障所致，例如一相或两相断线、单相接地故障等。这种不平衡工况是系统 运行所不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系 统恢复正常。正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所致。作为电 能质量指标之一的“不平衡度”，是针对正常不平衡运行工况制定的，通常用负 序分量与正序分量的百分比表示。 ( 2 ) 国内电能质量研究对象 我国通过参考其他国家的经验并结合自身情况陆续制定了电能质量的国家 标准，从1 9 9 0 年到2 0 0 0 年按时间顺序有：供电电压允许偏差、公用电网谐 波、三相电压允许不平衡度、电力系统频率允许偏差和电压波动和闪变。 并且，按照上述国家标准对电能质量进行约束。与国外发达国家相比，以上我国 电能质量的研究对象还不十分全面，例如标准没有对暂态现象进行规定。随着我 国科学技术的持续发展、各种制度的逐步完善，对电能质量进行更加全面限定的 要求也不断提高，因此，在2 0 0 2 年开始实施暂态过电压和瞬态过电压这一 最新补充的电能质量标准。由以上六款标准组成的电能质量系列国标，起到了限 制研究范围，制约相关参数的作用。 河海大学硕j j 学位论文 1 2 课题研究意义吣1 6 1 1 2 1 问题的由来 一个理想的电力系统是以单一恒定频率和规定幅值的稳定电压供电的，它的 电压和电流应是纯粹的正弦波形。电压与频率的偏离程度以及控制它们的方法是 传统电力系统分析的主题，而波形畸变问题则一直没有得到重视。随着我国科技 水平的不断提高，现代工业、交通等行业使用的换流设备数量越来越多、容量越 来越大，另外电弧炉、家用电器等非线性用电设备接入电网，将其产生的谐波电 流注入电网。所有这些都造成了谐波成分的上升，使公用电网的电压波形畸变程 度与日俱增。因此，把公用电网的谐波量控制在允许范围内，防止谐波对电网和 用户的电气设备造成危害，从而保持电力系统安全经济运行，成了大家普遍关心 的问题。 供电电压的波形是供电质量的一项重要指标。向用户供电的电压应为正弦 波，当供电电压不满足正弦波时，就认为电压发生畸变。畸变的程度可用谐波含 量来定量表示。谐波概念的提出为分析非正弦量提供了有效的手段。从信号分析 的理论来讲，用谐波的概念来分析非正弦波就是用“频域”的特性表示方法代替 “时域”的特性表示方法。谐波是一个频率为基波频率整数倍的周期性波形分量。 例如：5 次谐波是基波频率的5 倍，即频率为2 5 0 h z 的周期分量，如图1 - 2 ( a ) 所示。图1 2 ( b ) 给出了基波和5 次谐波叠加后的波形，很明显电压波形发生了 畸变。 r l v ( a ) 基波及5 次谐波( b ) 叠加后的波形 图1 - 2 谐波的叠加 在电能质量的多项指标中，受干扰性负荷影响最普遍的是谐波。随着非线性 负荷的快速增长，电网的谐波水平也在不断提高。由于谐波干扰引起的电气设备 第一章绪论 异常和事故有逐年增加的趋势。谐波对电网的污染，危及到各种用电设备的运行 安全和使用寿命。虽然谐波危害大、范围广，但是谐波污染不象水资源和大气污 染等那么直观，人们感觉不到它的存在，许多人是在事故发生后，才开始了解和 认识谐波。 1 2 2 研究的意义 谐波作为引发事故的一个关键因素、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，以判断供电系统谐波含量和波形畸变程度是否 符合相关要求。由于电网谐波问题的复杂性，采用近似的程序计算很难反映出电 网的真实谐波，通常采用谐波实际测量数据作为发现问题、研究问题和解决问题 的最终依据。实测电网谐波的干扰状况，已成为保证电网安全经济运行、高质量 供电必不可少的措施之一。为此，世界各国都相应研制和开发了一系列的谐波测 量装置和仪器。谐波测量的历程大致可分为三个阶段：第一阶段是从1 9 世纪初 至2 0 世纪4 0 年代，谐波成分的分析主要依靠对实测波形的傅立叶计算，即利用 信号波形的录波图，人工手动等间隔地量取数值，然后采用手算的方法进行谐波 分析计算，计算过程十分费时费力，精度很低，谐波分析次数也不高。这一方法 在我国一直沿用到7 0 年代。第二阶段是5 0 年代至8 0 年代，这一时期选频测量 技术获得了广泛的应用和普及，相应研制了一系列选频式谐波测量仪器仪表，测 量方式是利用失真度式的仪器测量谐波总畸变率，外差选频式逐项测试各次谐波 分量，带通滤波式逐次选取各次谐波分量，现在使用的有些谐波监测仪、报警仪、 谐波电压表和电流表就是以此原理制成的。这类谐波分析仪虽然较早期的人工分 析方法有了很大的提高，但测试的结果只能给出谐波的幅值，不能测出相位，调 节过程也比较麻烦。第三阶段是8 0 年代至今，由于集成电路、微处理器及计算 机的迅速发展，生产了一系列基于傅立叶变换的谐波分析仪和频谱分析仪，这类 设备测试操作简单方便，计算结果快速准确，可以同时进行多路测量，具有很大 的优势。 但是，所有上述谐波测量装置都只适用于谐波变化不太复杂、变化过程比较 平稳的在线测量，对研究供电系统波形短时严重畸变、暂态冲击波形的突变，如 变压器、电容器、电抗器等切合过程、电动机启动过程、电弧炉或电力机车的迅 7 洲海大学坝】：学位论文 速变化过程、晶闸管受冲击电压损坏过程等，则显得不能胜任。而这些突发信号 是电力系统运行状况的重要标志，往往蕴涵着某些重要的信息，在谐波测量的过 程中不能将其忽视。因此，必须找到行之有效的谐波分析方法，对最为直观的电 压或电流进行分析，从而了解电压、电流畸变的程度；探究电力系统中产生影响 的罪魁祸首；对事故进行预先的防范；保证电力系统的安全运行。 第二章国内外谐波硼f 究的现状 第二章国内外谐波研究的现状 我们通常所说的谐波是一个频率为基波频率( 即发电机产生的主要频率) 整 数倍的周期性波形分量。随着对谐波研究的深入，对谐波的分类更加细微，出现 了基频分数倍的间谐波和低于工频基波频率的次谐波，除此之外还有在很小范围 内发生的暂态谐波，这种谐波虽然不是持续变化的周期量，但有时也可以在一个 很小的范围内把它看作是重复的或有衰减的周期量。随着近些年来电力电子技术 的发展及其在各行业中的广泛应用，使得谐波对稳定、优质电力供应的影响越来 越严重，甚至会导致故障的发生。 对于被测的谐波信号按其波动变化的快慢可以分为四类：准稳态( 慢变化) 谐波、波动谐波、快速变化谐波、谐间波和其他虚拟成分。前三种情况难以精确 划分，一般认为准稳态谐波和波动谐波的持续时间大于三秒，而快速变化谐波由 冲击性的畸变负荷引起。在测量不同精度的谐波时对测量仪器的技术要求不同 【1 6 1 。如： ( 1 ) 对准稳态谐波可以不用连续采样分析( 即无时间间隔的连续测量) 。如对供 电系统的谐波作长期监测。主要是考察谐波的热效应而不必考虑谐波的“瞬时” 效应，此外对基本恒定的谐波电流( 如变压器空载电流、电视机的电流等) 测量 也是如此。 ( 2 ) 对波动谐波需要连续采样实时分析。如对电弧炉供电电压和电流进行的谐 波监测等。 ( 3 ) 对快速变化谐波一定需要连续采样实时分析，而且要求仪器有较高的测量 准确度。如对大功率轧钢机谐波电流的测量。 从谐波干扰的角度，可将供电系统的供电设备分为两类，其一是产生谐波干 扰的电气设备，即谐波源，它产生的谐波电流( 电压) 通过电磁传导、感应和辐 射三种形式影响其他电气设备；其二为谐波感受设备，它容易受到谐波干扰的影 响，运行性能降低，有时甚至造成损坏。有些电气设备可能同时属于上述的两类 设备。由于其双向性，国际上许多国家用电磁兼容来论述谐波问题。 河海大学硕士学位论文 2 1 电力系统的谐波源2 1 电力系统稳态方式下的谐波，都是来自于各种谐波源。所谓“谐波源”，通 常是指各类特定的用电设备，即非线性电力负荷。引起波形畸变的谐波源是多种 多样的。发电机、太阳能和风能发电都在不同程度上存在谐波问题。变压器在额 定状态下运行时，其铁心工作在线性范围内，谐波含量不大，但在夜间，尤其在 一些偏远地区，由于负载较轻、运行电压较高，铁心饱和程度变大，励磁电流占 总电流的比例增大，励磁电流中的三次谐波分量将对电网波形产生很大的影响。 大容量的晶闸管换流装置和硅整流器的出现使电力电子技术在高压直流输电、无 功功率补偿等方面得到广泛应用，从而提高了电能的传输和转换效率，但同时也 产生了高次谐波，特别是大型轧钢机、电力机车、电镀装置等非线性负荷，若不 对其采取措旖，将给电网造成严重的谐波污染。一些家用电器，如冰箱、彩电、 微波炉等，虽然单台容量并不很大，但是当数量达到定程度时，它们所产生的 谐波电流也是不可忽视的。综上所述，谐波源主要是各类非线性用电设备、变压 器和各类铁心电抗器。其中非线性用电设备是最主要的，并且可以划分为：电力 电子装置、电弧炉、家用电器、高新技术应用等多种设备。国外的经验表明，各 种非线性用电设备容量的增长大大超过电网的发电设备容量的增长率。这一事实 决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 另外，并联电容器对电网谐波的影响也很大，电容器本身不产生谐波，但是 当负荷出现谐波电流时，电容器将使谐波放大，并导致谐波电压升高，电压质量 下降。当电容器与系统电抗的并联谐振频率等于或接近于负荷谐振频率时，就发 生了谐波的并联谐振，这时流入系统的谐波电流有可能达到谐波源电流的2 3 倍。 并联谐振的后果是相当严重的，主要反映在：谐波电压被严重放大；电容器支路 的谐波电流大幅度增加，使电容器发热、损坏；变压器、电动机等设备损耗大幅 度增加，引起设备事故，降低使用寿命。显然，电网的谐波大小不仅与非线性负 荷所产生的谐波电流有关，而且与其安装的并联电容器有关。在未安装电容器时， 非线性负荷容量达到变压器容量的3 0 以上就会使谐波电压畸变率超出国标要 求( 5 ) ；在安装了电容器后，非线性负荷达到变压器容量的1 5 时，谐波就有 可能超标。 1 0 第一章 国内外谐波研究的现状 总体来说谐波源可分为静止变流器和电弧设备两类。其中，交流器是产生谐 波成分与幅值基本上保持不变的稳态谐波源；电弧炉、电气机车等是产生具有明 显随机性谐波的动态谐波源。 变流器中的换流和变频装置产生的谐波电流具有一定的特点，其谐波量一般 是可以用数学表达式来描述的。如对三相6 脉动桥式整流装置，若供电系统的三 相电压是平衡且对称的，各晶闸管的触发脉冲等间隔，则在其交流侧只产生5 、 7 、l l 次电流谐波。概括而言，若整流装置在每个工频周期内的触发脉冲个 数为p ，则整流装置只产生如下次数的谐波： h = k p 1 ( 2 1 ) 其中k = 1 ，2 ，3 ，次数为k x p l 的谐波称为换流装置的特征谐波。一 般整流装置产生的第h 次特征谐波电流含有率为，。j ，= l l h ( l 、j 。分别为第h 次谐波电流和基波电流的均方根值) ，而基波电流的大小与直流电流有关。在一 个工频周期内，触发脉冲个数越多，则特征谐波的次数越高，其谐波的幅值就越 小。当整流装置的交流侧三相电压不对称或产生畸变时，整流装置将产生2 、3 次等特征谐波以外次数的谐波，将这类谐波称为非特征谐波。 整流以及其他换流装置等谐波源产生的谐波电流的大小只与这些设备的运 行电压和基波电流的大小有关，而与供电系统的阻抗无关。一般谐波电流源的内 阻抗远大于电力系统的谐波阻抗，因其运行电压变化范围不大，可作为恒流源对 待。 2 2 谐波对电力系统设备的危害 1 5 - 1 7 2 2 1 随着科技进步，非线性负荷的种类、数量和比重都迅速增加，谐波对电力系 统的污染日益严重，大量谐波的产生会给电力系统的安全及经济运行带来极大的 危害。下面是谐波对部分电力设备的影响情况： 2 2 1 变压器 对变压器而言，谐波电流会导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁 1 1 河海大学硕士学位论文 损。与纯正弦波运行情况相比，谐波对变压器的整体影响是温升较高。值得注意 的是：这些由谐波引起的额外损失将以与电流和频率的平方成比例的形式上升， 进而导致变压器的基波负载容量下降。所以，当为非线性负载选择正确的变压器 额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。另外， 由于谐波造成的额外损失将按所消耗的能量( 千瓦时) 大小反应在用户的电费上。 同时谐波也会导致变压器噪声增加。 2 2 2 电力电缆 在导体中非正弦电流所产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流相 比，非正弦波会产生更高的热量。该额外温升是由集肤效应和邻近效应所引起的， 而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加了导体的交 流电阻，进而导致损耗增加。 2 2 3 电动机和发电机 谐波电流和电压对感应和同步电动机造成的主要影响是铁损和铜损的增加， 从而导致额外的温升。这些额外损耗将使电动机效率降低，并影响转矩。当设备 负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质 量。例如：人造纤维纺织业和一些金属加工业。 对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。例如五次和七 次谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。机 械振动是由振动的扭矩引起的，而扭矩的振动则是由谐波电流和基波电流磁场所 造成。如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，就会发生共振进而产生很高的机 械应力，损坏机械装置。 2 2 4 电力电子设备 电力电子设备对供电电压的谐波畸变非常敏感，这种设备常常需要靠检测 电压波形的过零点或交替点( 一个相间电压高于另一个相间电压的位置点) 取得 同步运行。电压谐波畸变会导致电压过零点和交替点的漂移或改变。这两点对不 同类型电力电子电路的控制是至关重要的。控制系统对这两点( 电压过零点和电 压交替点) 的判断错误会导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容 第二章国内外i 肯被研究的现状 性偶合也可能造成对通讯设备的干扰。计算机和一些其它电子设备，如可编程逻 辑控制器p l c ，通常要求电压总谐波畸变率t h d 小于5 ，且个别谐波电压畸 变率低于3 。较高的畸变量将引起控制设备误动作，进而造成生产或运行中断， 导致较大的经济损失。 2 2 5 开关和继电保护 与其它设备一样，谐波电流也会引起开关的额外损失，并提高温升使基波电 流承载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。旧式低压 断路器的固态跳脱装= 霞，是根据电流峰值来动作的，这种形式的跳脱装置会因为 馈线供电给非线性负载所引起的谐波而导致不正常跳闸。因此，新型跳脱装置改 进为根据电流的有效值动作。保护继电器对波形畸变的响应很大程度取决于所采 用的检测方法，目前并没有通用的准则可以用来描述谐波对各种继电器的影响， 但是，可以肯定的是，如果测量方法选取不当，则有可能在谐波的作用下使继电 保护装置误动作。 2 2 6 补偿电容器 电容器与其它设备相比有较大区别，因为它的电容特性，在系统共振情况下 可以显著改变系统阻抗。电容器组的容抗随着频率升高而降低，因此，电容器组 可以起到吸收高次谐波电流的作用，该作用将降低温升并增加绝缘材料的介质应 力。但是，如果频繁地切换非线性电磁组件，如变压器，将会产生大量的谐波电 流，这些谐波电流将增加电容器的负担。由谐波引起的发热和电压增加意味着电 容器使用寿命的缩短。因此，在电力系统中使用电容器组时，必须考虑系统产生 谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电压和电流明显高于正常情况的电压电流 值。 谐波与并联谐振 i 1 1 f 晦大学硕上学位论文 1 0 k v 电压等级的并联谐振回路及其等效电路如图2 一l 所示。谐波经过由电 容器和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大l o 1 5 倍。被放大的谐波电流流 经电容器后会导致其内部组件过热。值得注意的是，在相同电流幅值条件下高频 谐波电流所造成之损失要高于基波电流。 0 k v1 5 0 m v a5 0 h z 谐波与串联谐振 图2 - 1 并联谐振回路及其等效电路 容器组 1 0 k v 电压等级的串联谐振回路及其等效电路如图2 2 所示。在上一级电网 系统中，在电压发生波形畸变的情况下，由电容器组和供电变压器短路电感形成 的串联谐振回路将会吸收高次谐波电流，使之流入电容器组，抬高电容两端的电 压。因此，串联谐振会使变压器的低压侧产生较高的波形畸变。 1 0 k v1 5 0 m v a5 0 h z 组 图2 - 2串联谐振回路及其等效电路 1 4 电容器组 第二章 周内外谐波研究的现状 2 3 国内外谐波的研究现状n 5 1 1 2 3 2 5 2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国相继制定并颁布了限制电力系统谐波的标准， 或由有关权威机构制定限制谐波的规定或导则，其目的都是控制电网的谐波电压 和谐波源注入电网的谐波电流的大小。英国、美国、瑞典、荷兰、澳大利亚、前 苏联、西德、新西兰等国家都先后颁发了供电网谐波限制或防止谐波干扰的标准。 国际大电网会议( c i g r e ) 和国际电工委员会( i e c ) 都成立了专门工作组制定 电网谐波以及用电设备的谐波限值标准。各国标准都从两方面对谐波进行规定： 一方面是对各电压等级下，供电部门提供给用户的电力供应中各次谐波的含有量 及总谐波畸变率的限制；另一方面是对用电设备在使用过程中注入电网的谐波大 小的限制。标准的制定完全符合谐波的“双向”特性。 其中，涉及到的指标参数有： 第h 次谐波电压含有率见式( 2 2 ) ： h r u = 眇 u 1 ) 1 0 0 ( 2 - 2 ) 其中，“、u 。分别是第h 次谐波电压和基波电压的均方根值 第h 次谐波电流含有率见式( 2 3 ) ： h r l = ( l 1 1 ) 1 0 0 嚷。 其中，j 、，。分别是第h 次谐波电流和基波电流的均方根值； ( 2 3 ) 电压总谐波畸变率t h d 和电流总谐波畸变率珏礁分别见式( 2 - 4 ) 、 ( 2 5 ) ： t h d = 匹( 乩) 2 p i u i x 1 0 0 ( 2 4 ) h s 2 7 h d f = 【( ， ) 2 1 1 1 lx 1 0 0 ( 2 5 ) = 2 河海大学硕士学位论文 2 3 i 国外谐波研究现状 各国标准规定的t h d 限值比较接近，其中美国的标准中除了规定公用电网 t h d 的限值外，还对特殊的用户或专供变流装置供电网的t h d 作了规定。前 苏联的标准规定了t h d 的正常允许值和最大允许值两个指标。其正常允许值是 指在电网正常运行情况下一天2 4 小时之内9 5 的时间不得超过的限制值：最大 允许值是指在电网事故运行情况下，不得超过的限制值。近年来国际电工委员会 ( i e c ) 陆续发布了i e c6 1 0 0 0 系列电磁兼容( e m c ) 标准。i e c6 1 0 0 0 3 6 中 压和高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估中对系统电压u 。等级划分作了 如下规定： 低压( l v ) 中压( m v ) 高压( h v ) ( u 。i k v ) ( 1 k v u 。3 5 k v ) ( 3 5 k v u 。一 1 20 2 2 5 l5 2 50 2 + 1 2 5 ，l l 可以看出，i e c 的规定对谐波次数比较重视。将不同次的谐波作不同的规定。 其中谐波次数较高的谐波电压限值要严于谐波次数较低的限值，而“3 的倍数” 次谐波限值要严于“非3 的倍数”次谐波限值。这些规定总体上和负荷产生的谐 波水平相符合。对于电压总谐波畸变率t h d ，i e c 为8 ，这要求电网中的用电 设备有很高的电磁兼容水平，否则将很难正常运行。 另外，i e c 也对间谐波范围进行了规定。文献【2 4 】证明，间谐波电压必须限 制到足够低的水平： ( 1 ) 2 5 h z 以下间谐波应限制到o 2 以下，以免引起灯光闪烁； ( 2 ) 对于音频脉冲控制( r i p p l ec o n t r 0 1 ) 的接收机，间谐波电压应限制到o 3 以下，否则会被干扰。 ( 3 ) 2 5 k h z 以下的间谐波电压应不超过0 5 ，否则会干扰电视机，且引起感应 式电动机噪声和振动以及低频继电器的异常运行； ( 4 ) 2 5 - - 5 k h z 的间谐波电压如超过o 3 ，则会引起无线电收音机或其它音频 设备的噪声。 鉴于以上研究结果，i e c 6 1 0 0 0 3 6 中建议将间谐波电压水平限制到o 2 以 下。 i e c6 1 0 0 0 - 4 7 对谐波测量装置作出了相关规定。首先，将谐波按变化形态 河海大学颁j ：学位论文 分为三类：准稳态( 慢变化) 谐波、波动谐波和快速变化谐波，并分别对测量这 三类谐波所用仪器的快速傅立叶变换( f f r ) 的取样窗口宽度提出了基本的要求， 如表2 2 所示。 表2 - 2f f t 仪器窗宽的基本要求 谐波的类型建议的窗宽附加要求 准稳态谐波0 1 - 05窗口问町以有间隔 波动 03 2 ( 矩形) 无间隔 谐波0 4 05 ( 汉宁) 窗口一半交叠 快速变化谐波0 0 8 01 6 ( 矩形)无间l 辑 对不同波动性质的谐波测量间隔作如下建议。 很短间隔( t 。) 短间隔( t s h ) 长间隔( t l ) 日间隔( t d ) 周间隔( t w k ) 2 3 2 国内谐波研究现状 为了有效地对电网谐波进行限制， 共电网谐波标准( g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 ) 。 其中谐波电压规定见表2 3 。 3 s 1 0 m i n l h 2 4 h 7 d 我国也于1 9 9 3 年颁布了电能质量公 国标对谐波电压和谐波电流做出了规定， 表2 3公用电网谐波电压( 相电压) 限制值 电网标称电压电压总谐波畸变率 各单次谐波电压含有率( ) ( k v )( ) 奇次偶次 0 3 8504 02 0 6 - - 1 04 03 21 6 3 53 02 41 2 1 l o2 o l608 同时，国标规定了用户向电网公共连接点注入谐波电流( 2 2 5 次) 的允许 值，而且规定位于同一公共连接点( p c c ) 的每个用户向电网注入的谐波电流允 许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配， 以体现供配电的公正性。国标也对一些测量的细节进行规定，如：谐波电压或电 流测量应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波源工作周 第二章国内外谐波研究的现状 期中产生的谐波量大的时段进行( 例如：电弧炼钢炉应在熔化期测量) 。当测量 点附近安装有电容器组时，应在电容器组的各种运行方式下进行测量。对于负荷 变化快的谐波源( 例如：炼钢电弧炉、晶闸管变流设备供电轧机、电力机车等) ， 测量的时间间隔不大于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，对于负荷变化慢的谐波源( 例如：化工整流器、直流输电换流站等) ，测 量间隔和持续时间不做规定。测量的谐波次数一般为2 到第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。谐波测量的数据应 取测量时段内各相实测量值的9 5 概率值中最大的一相作为判断是否超过允许 值的依据。 2 3 3 比较 对于电压谐波，国标规定了电压总谐波畸变率t h d 为5 ( 低压) ，与i e c 中的8 相比差距较大，这主要是考虑到我国接入电网的电工产品抗电磁干扰的 能力较弱的原因。另外，对照表2 - 1 和表2 3 ，发现国标中对谐波电压的限制也 远没有i e c 标准中的详细。 比较i e c6 1 0 0 0 一一7 ，表2 2 的规定没有在国标中得以反映，国内的仪器似 乎约定俗成：窗宽均取工频的1 个周期。这样的仪器在测量一般带有波动性的谐 波时会造成附加误差。( 所谓波动性，系指谐波中含有频率小于5 0 h z 的次谐波 分量。因为次谐波分量会造成工频1 个周期的波形上下偏移，也就是前半周和后 半周的大小和形状发生变化。) 国标中没有关于间谐波、次谐波的规定，仅限于对整数次谐波的研究。 在突变信号的处理方面，国内外谐波标准机构对此都少有提及。 通过比较，可以看出：一方面，我国对于谐波的研究还有很长的路要走，需 要结合自身的情况，参考先进的经验，尽早适应相关的国际标准；另一方面，尽 管世界范围内谐波的研究工作已经取得了巨大的进步，但是在该领域的某些方面 还是存在着空白，需要继续进行探索。 1 9 河海大学硕士学位论文 2 4 电力系统谐波的抑制方法2 6 】 谐波抑制方法很多，根本上讲，可以分为主动型和被动型两种方式。主动型 是指通过整体布局来减少谐波；或者通过局部拓扑、控制的方法来改变非线性负 载的特性，使之从电网汲取正弦电流，从电网侧看负载等效为线性负载。被动型 是指通过外加设备达到这一目的，如在谐波源附近加装无源滤波器、有源滤波器 和混合滤波器等。 2 4 1 主动型谐波抑制方法 电网短路容量越大，承受谐波的能力就增大。而高压电网的短路容量均大于 同系统的低压电网的短路容量，因此，只要条件允许，大容量的谐波源设备应由 高一级电压电网供电。 利用脉宽调制( p w m ) 技术降低谐波的方法、利用多重化技术降低谐波的 方法以及这些方法的组合也可以起到抑制谐波的作用。例如，利用变压器不同连 接方式的移相作用与一般整流电路结合，可以构成多脉整流，消去一定次数的谐 波。目前在主动型谐波抑制方案中，很重要的发展趋势就是将各种方案融合在一 起，使各个方案优势互补。 但是，主动型谐波抑制方法也存在不足：成本高，效率低；对于整流过程中 用到的大功率电力电子装置，不但由于脉动数过多太复杂的原因使该技术很少使 用，而且由于延迟角的偏差和三相不平衡等因