（电工理论与新技术专业论文）电力负荷对电网电压和电流的影响.pdf

声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 电力负荷对电网电压和电流的影响 ， 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:日 期: 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、 缩印或其他复制手 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。 ( p密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 本课题的提出 随着科学技术和国民经济的发展， 对电能的需求量日益增加， 同时对电能质量的 要求越来越高， 电力部门和用户对电能质量的关注也日益增加。 尤其是随着信息技术 的飞速发展， 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、 谐波丰富、 冲击性和不平衡 特征的负荷会影响到供电电网的安全稳定运行， 给电能质量提出了新的问题; 另一方 面， 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， 使得用户中一些电压敏感性负荷对供电可靠性的要求越来越高，如大型的半导体行 业，如果其供电中断超过几个工频周波， 就会造成芯片烧毁。目前电力企业对电能质 量的评估主要依据国家质量技术监督局颁布的系列标准，分别为 g b 1 2 3 2 5 -9 0 供 电电压允许偏差，g b / t 1 4 5 4 9 -9 3( 公用电网谐波，g b / t 1 5 5 4 3 -1 9 9 5 三相电 压允许不平衡度，g b / t 1 5 9 4 5 -1 9 9 5( 电力系统频率允许偏差)，g b 1 2 3 2 6 -2 0 0 0 电压波动和闪变，这五个指标均是针对供电系统稳态性能方面的要求而制定，由 于大型的电力工业用户如钢铁厂， 其交直流电弧炉等冲击性负荷以及可控硅整流设备 等非线性负荷比较多，以及电容器组的投切所引起的电压波动和闪变及谐波尤其严 重，因此现又增加了另一项新国家标准g b / t 1 8 4 8 1 -2 0 0 1 暂时过电压和瞬态过电 压 川 . 电力系统谐波就是用来描述不同频率和幅值的电压、 电流所引起的波形畸变的正 弦波。不同频率和幅值的系列正弦波叠加在基波上可使系统原本呈正弦波形的电流、 电压波产生不对称。 谐波是随电力生产的开始与生俱来的， 只是在电力系统发展的早 期谐波的有害影响并不突出罢了。 然而随着现代电子工业的迅猛发展， 非线性负荷大 量出现， 使电能生产环境日益复杂化， 谐波畸变的危害也日 趋严重。 以前人们谈论电 能质量时， 往往只注意电力系统的电压和频率是否符合标准要求， 而谐波所引起的波 形畸变却在一个相当长的时期内未受到人们的重视。随着电力系统及负荷结构的发 展， 尤其是由于工业的发展， 用户中出现大量的非线性负荷， 使得谐波引起的波形畸 变对电能质量的影响越来越大， 以至于到了非解决不可的地步， 近些年谐波畸变的大 小已成为考核系统电能质量的重要指标。 电力系统中各种因素所造成的谐波畸变对电 网的正常生产运行也构成了污染， 恶化了电网安全稳定运行的环境， 不采取必要的治 理措施势必危及到系统和用户的安全， 并导致电能的浪费 2 1 。 谐波频率为基波频率的 整数倍( 1、 2、3 “ ) ，至于频率不是基波频率整数 ( 频率小于基波的)称作分谐 波， 此处不作讨论。 文献 3 中描述了电 压质量和电流质量的概念:电压质量( v o l t a g e q u a l i ty ) 即用实际电压与理想电压间的偏差 ( 应理解为广义偏差，即包含幅值，波形、 1 华北电力大学硕十学位论文 相位等等) ， 反映供电企业向用户供给的电力是否合格。 此定义虽然能包括大多数电 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) 对电能质量的影响. 电流质量( c u r r e n t q u a l i ty) 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。 因此， 随着当前电网中非线性负荷 的增加， 由其所引起的谐波问题需要深入具体地分析， 以便认识非线性负荷对电网电 压和电流的影响，从而减小当其投切时对电网安全稳定运行所带来的危害。 电压暂降是指供电系统某点电压有效值短时下降后又迅速恢复到标称值附近电 压波动的过程，电压幅值的标么值在0 . 1 到0 . 9 之间，持续时间一般从0 . 5 周波到3 0 周波之间4 1 ，主要是由系统中某处电流短时增加引起的， 如系统或用户内部故障、开 关操作、变压器以及电容器组的投切、大型负荷起动等。据统计，超过 8 0 %的电压 暂降是由系统故障引起。 电压暂降是最为严重的电能质量问题之一，由此引起各种敏 感负荷误操作而导致生产中断的经济损失相当可观。 电压暂降的指标是通过持续时间 和暂降深度来衡量的。 一般认为引起电压暂降有两种原因， 短路故障和感应电动机起 动。由短路故障所引起的暂降的持续时间较短 ( 大约 l o m s )而暂降深度较明显，约 为额定电压的 1 0 %:由感应电动机起动过程所引起的电压暂降的持续时间较长 ( 约 持续6 0 0 m s ) 而暂降深度较弱1 5 1 在电压稳定问题分析的文献中，凡提及对电压稳定的影响因素及仿真元件模型 时，必然首推负荷特性和负荷模型， 这是因为负荷特性是电压失稳过程中最活跃、最 关键的因素 161 。 在1 9 8 3 年瑞典电 压崩溃事故的仿真计算中， 开始采用的简单的静态模 型无法解释电压崩溃全过程， 而后采用计及感应电动机、 照明、冰箱、空调等非线性 用电设备特性比较详细的负荷模型时， 才给整个过程以合理解释。电力系统负荷建模 是一个非常复杂的问题， 这是因为: 电力系统负荷是由许多各不相同的用电设备集 合而成的， 种类繁多; 负荷组成以及负荷量是随时间随机变化的; 缺乏负荷组成 的精确数据: 许多负荷的不确定性或非线性， 它们随电压和频率变化。 负荷建模的 核心是对负荷组成进行实时辨识，以及对不同负荷集合的建模 7 1 以前在研究电压稳定、 电力系统谐波、 电压暂降的问题时所用到的负荷模型通常 都没有考虑非线性负荷的特性， 因此本文一是把负荷分为线性负荷和非线性负荷这两 种成分， 通过理论分析和仿真试验， 研究其投切前后对电网电压和电流的影响; 二是 把负荷分为感性负荷和容性负荷这两种成分， 研究其投切时对电网电压的影响， 以便 为今后深入研究负荷模型和电能质量问题做一些基础性的探讨。 1 . 2本课题的研究现状 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2 . ， 非线性负荷的研究现状 目前， 国外的学者们己经开始重视非线性负荷对电网影响的研究， 通过各种算法 来实现在线测量非线性负荷向电网输送的谐波含量和谐波畸变率.文献 8 介绍了非 线性负荷的种类及其用电特性， 分折了非线性负荷对电力系统及电气设备的危害， 提 出了分析非线性负荷时所采用的数学模型以及解决实际问题时非线性负荷的处理方 式.文献 9 研究了有、无背景谐波两种情况下非线性负荷投入电网后的工作原理， 并分别指出在两种情况下非线性负荷对电能计量和功率因数的影响， 并提出了相应的 措施， 最后指出非线性负荷接入电网后的危害及解决的对策。 文献 1 0 建立了不同的 单相的非线性负荷模型来相应地研究各种负荷产生的电流谐波特性， 通过电磁暂态程 序( p s c a d / e m t d c ) 以计算机负荷、不间断供电电源和带电子镇流器的荧光灯这三种 典型非线性负荷为例， 进行仿真分析: 仿真结果分别给出了这三种非线性负荷的总谐 波畸变率和对应的各次谐波含量，实验证明不同的非线性负荷的谐波特性是有区别 的。 文献【 川通过p s p i c e 仿真软件对非线性负荷特性进行时域分析， 时域仿真分析可 以考虑不同的非线性负荷产生的各次谐波电流的初相角的不同。 文献【 1 2 】 针对非线性 负荷谐波畸变率的计算和谐波功率因数的计算， 这两大难题， 给出计算谐波畸变率的 两种定义以 及对谐波功率及功率因数进行了理论分析。 文献【 1 3 对不同的非线性负荷 在系统三相平衡和不平衡两种情况下进行电磁暂态分析， 并通过仿真计算了不同非线 性负荷在两种情况下电 压与电 流的谐波畸变率。 文献 1 4 】 和【 1 5 中 通过理论分析和仿 真实验证明了谐波源用户由于发出谐波而使电能计量减少， 而非谐波源用户则由于吸 收了谐波功率而多计量了电量， 虽然计量误差不会太大， 但是随着总负荷的增大， 这 种效果会越来越明显。 文献 1 6 】 中从功率方向出发， 根据非线性负荷的不同作用机理 建立不同的仿真模型， 分别验证了两种不同类型的非线性负荷谐波功率的流向。 文献 1 7 通过s p i c e 仿真软件预测居民用户中的非线性负荷对电压波动的影响， 采用了非 线性负荷等效电流源的方法， 对用户中典型的非线性负荷进行了仿真分析， 验证了该 方法的实用性. 文献 1 8 提出的谐波源简化模型， 通过对线性和非线性负荷的电 压一 电流特性的比较研究， 指出线性负荷和非线性负荷的本质区别在于: 线性负荷的谐波 电流仅是本次谐波电压的线性函数， 而非线性负荷的谐波电流则是各次谐波电压的复 杂函 数。 文献 1 9 提出了 一种适用于负荷静态与动态特性的非线性负 荷的时域仿真模 型; 通过测量负荷上的电压信号， 并将其分解为稳态电压和暂态扰动两部分， 分别将 这两部分电压信号作用在该负荷上， 测量这两部分电压相应地引起的谐波电流后， 进 行叠加， 与实测负荷电 流波形比较， 得到较好的结果。 文献 2 0 推导出 非线性负荷的 无功功率计算公式， 并对其物理意义给出了具体的解释。 但是当前对谐波的无功定义 还存在争议， 因此只有对非线性负荷的谐波流动规律的深刻研究， 才能根据其实际的 作用规律给出功率物理意义的合理解释。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2 . 2电压暂降的研究现状 电压暂降问题己经引起世界各国的广泛关注， 许多国家已开展了电压暂降的长期 监测工作， 如在系统中的特殊点处装设专门的电能监测装置， 及时准确地检测出电压 暂降的发生情况， 为抑制和改善电压暂降获取了直接的数据信息。 下面是一些电压暂 降的监测结果: ( 1 ) 美国e p r i 对电压暂降进行了长期、 广泛的实测， 结果表明许多电压暂降的幅 值是变化的， 且有的还伴随着相位的突变、不对称以及波形的畸变，另外绝大多数的 电压暂降幅值小于4 0 % 额定值， 且持续时间不足 1 0 个周期， 因此如果能够持续 2 0 0 m s 补偿3 0 % 的负荷容量，则估计可以消除9 5 %以上的电压暂降扰动1 2 1 1 ( 2 ) 英国1 9 9 5 年就电能质量问题对容量超过 i m w的1 0 0 家用户做了调查。结果 显示:在监测的 1 2个月里，6 9 %用户的生产过程因电能质量问题而受到破坏，其中 4 5 %的用户遭到多次扰动，在事故原因调查结果统计中发现，8 3 %的事故由电压暂降 和 短 时 间 断 造 成 2 1 气 ( 3 ) 自1 9 9 1 年起， 加拿大电气协会( c e a ) 开始了 一项为期三年的电能质量调查， 调查的主要目的是了解加拿大电能质量的现有状况。共有2 2 个电力公司参加了本次 调查，在5 5 0 个地点 ( 工业、 事业和民用) 进行了监测。 其工业用户组的调查结果表 明: 每个用户侧监测点每相每月平均发生3 8 次暂降， 电源侧平均为4 次。 用户侧 8 5 % 的监测点每相每月平均发生过 1 02 0次电压暂降，电源侧为 5 - 6次。商业用户组的 调查结果表明:用户侧 7 0 %的监测点每相每月平均发生过 2 - 3次电压暂降，电源侧 发 生1 - 2 次 电 压 暂 降 2 2 1 ( 4 ) 在欧洲，企业已普遍认识到电能质量对其生产的影响，在与供电部门签订供 用电协议时，对电能质量做出了严格限定，并明确双方各自的权利和义务。如美国 d e t r o i t e d i s o n公司根据电压暂降幅值和与之对应的频次指标，对用户监测点做了电 压暂降评分计算，若分数不合格，用户有权向供电方索赔所造成的全部损失。 这些调研结果无疑为解决电压暂降问题提供了重要的参考。 与此同时， 许多专家 在以下几个方面对电压暂降问题进行了深入研究:电压暂降指标体系的建立 2 3 1 ;电 压暂降产生的机理 2 4 1 、 电 压暂降对用户设备的影响以及减小电 压暂降的技术措施 2 5 1 . 电 压暂降的监测技术、 随机预测和统计分析2 6 1 ; 不平衡电 压暂降的 特性2 7 1 、分类以 及电压暂降在不同电压等级间的传播 2 8 1 ;电压暂降域的研究以及电压暂降过程的仿 真计算;电 压暂降对配电系统可靠性的影响 2 9 1 等，取得了 许多重要的理论和应用成 果。 1 . 3本文的主要工作 华北电力大学硕十学位论文 电力谐波和电压暂降是电能质量研究领域里的两个重要课题， 本文一方面结合非 线性负荷作为谐波源的特性， 研究有、 无背景谐波两种情况时， 非线性负荷的投入对 电网电压和电流的影响， 通过仿真实验分析并验证结论的正确性， 并提出减小非线性 负荷投入过程对电网影响的方法; 另一方面结合感应电动机起动过程引起的电压暂降 现象， 分析了感性和容性负荷分别投入电网时对电网电压的影响， 通过仿真观测这两 种负荷投入时p c c 母线电压的暂态波形， 根据电压暂降时间和暂降能量指标定义了平 均电压暂降深度 ( 冲击强度) 指标，比较感性负荷和容性负荷在投入电网对电网电压 的影响强度，并对感应电动机的起动性能与电压暂降的关系做了分析。 具体包括以下研究内容: 1 .通过非线性负荷谐波源等效电路，在无背景谐波的情况下，根据叠加定理分 析了非线性负荷投入电网后所产生的谐波对电源和线性负荷两端电压和电流的作用 规律， 根据配电网的等效电路图重点对于非线性负荷产生的电压和电流的谐波流向进 行了理论分析， 指出了电源和线性负荷谐波畸变的原因， 分析了非线性负荷投入时间 和投入容量对电网电压和电流的影响，得出的结论通过仿真验证了其正确性。 2 .在无背景谐波研究的基础上，把背景谐波等效为电流控制电压源的方法，应 用叠加定理分析了背景谐波和非线性负荷对电网电压和电流的作用规律; 说明了非线 性负荷与背景谐波的关系，并通过仿真验证了结论的正确性。 3 .比较感应电动机空载、 半载和满载三种情况下起动时发生电压暂降后 p c c母 线电压的波形， 根据电压暂降能量指标定义平均电压暂降深度 ( 冲击强度) 指标，可 以在上述最严重情况下比较投入感性负荷和容性负荷时对电网电压的影响程度。 4 . 结合感应电动机起动过程中暂降发生最严重的情况下， 在相间分别投入感性、 容性负荷， 通过仿真观测这两种负荷投入时p c c母线电压a , b , c三相的暂态过程， 并进行了分析。 5 .通过分析感应电动机的起动性能，说明了感应电动机的参数对电压暂降的影 响，并提出了建议。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 无背景谐波时非线性负荷对电网电压和电流的影响 2 . 1引言 随着工业技术的发展， 不断有新的电力电子装置和其他非线性负荷 ( 又称为畸变 负荷) 接入电网，导致电网谐波水平逐年升高。 这些非线性负荷在电网中产生的谐波 会不同程度地影响电能质量，甚至会引发严重的电气设备事故。 在电力系统中，发电厂出线端电压一般具有很好的正弦特性， 但在负荷端，由于 这些非线性、 不平衡的冲击性负荷在生产过程中有功功率和无功功率随机地或周期性 地大幅度变动， 当其波动电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降， 导致同一电网上 其他用户电压以相同的频率波动。目前的研究中， 很多文献把非线性负荷作为谐波电 流源， 分析它的有功和无功功率流向及给出无功功率的合理定义， 但是至今对于非线 性负荷无功功率的表达和计算没有一个国际上明确统一的标准， 因此没有考虑非线性 负荷的功率问题。 在无背景谐波的情况下， 非线性负荷作为单一的谐波电流源投入电 网后会使得 p c c母线上的电压与电流的发生变化，揭示其对电网电压和电流的变化 规律，有助于研究谐波的抑制与消除及减小电网中谐波污染的方法。 2 . 2谐波畸变的基本概念 2 . 2 . 1谐波畸变的定义 电力系统中的线性负荷不产生谐波， 谐波畸变是由电力系统中的非线性设备引起 的， 流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。 虽然加在设备上的电压 是理想的正弦波， 但流过其中的电流却是非正弦的， 即出现了谐波畸变的问题。当电 压有较小增加时，电流可能成倍增加，并且其波形也将发生变化。 谐波畸变的问题和性质需要明确以下几个问题14 1 : ( 1 )所谓谐波，其次数必须为基波频率的整数倍。 ( 2 )间谐波和次谐波。在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非工频 频率整数倍的周期性电流的波动， 根据该电流周期分解出的傅立叶级数得出的不是基 波整数倍的分量， 称为分数谐波， 或称为间谐波。 频率低于工频的间谐波又称为次谐 波。 ( 3 )谐波和暂态现象。暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波 形。电力系统仅在受到突然扰动之后， 其暂态波形才呈现出高频特性， 但这些高频分 量并不是谐波， 与系统的基波频率无关。 谐波是稳态情况下出现的， 并且其频率是基 波频率的整数倍。 产生谐波的畸变波形是连续的， 或至少持续几秒钟， 而暂态现象则 华北电力大学硕士学位论文 通常在几个周期后就消失了。 暂态常伴随着系统的改变， 例如投切电容器组等， 而谐 波则与负荷的连续运行有关。 2 . 2 . 2总谐波畸变率 某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示， 称为该次 谐波的含有率h r , , h 次谐波电 流含有率h r i 为 h r i x1 0 0 % 畸变波形是因谐波引起的偏离正弦波形的程度，用总谐波畸变率t h d表示。它 等于各次谐波的均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比。 电流总谐波畸变率t h d , 为_ 一 你 t hd, =j 三 - - - x 1 0 0 % i , 总谐波电流的有效值i ih = 棋 “ 式中:i , 表示各次谐波分量的有效值 总电流有效值 i = 私z + iz 电压畸变率定义和电流相同。 提高电能质量， 对谐波进行综合治理， 防止谐波危害， 就是要把谐波含有率和总 谐波畸变率限制到国家标准规定的允许范围之内。 2 . 2 . 3 谐波畸变产生的原因 电力系统谐波的产生主要来自电源和负荷两大方面: 其一是发电机和变压器制造 上的缺欠以及风能、 太阳能发电方式造成的: 其二则是用户端非线性负荷造成的。 就 电网的发展来看， 后一种原因即非线性负荷的飞速发展较前者影响更大， 是造成谐波 污染的主要根源。 当某种负荷上施加一个正弦电压， 所形成的电流若和施加的电压及 负荷阻抗成正比例， 并且随电压波形的变化而变化， 这种负荷就叫做无畸变的线性负 荷，如电阻加热器、白炽灯泡、恒速电机和同步电机等;若负荷每半周期产生的电流 和施加的电压不呈比例性变化， 波形呈非正弦畸变波形， 这种负荷就属于非线性负荷， 如变频起动电动机、蓄电池充电器、镇流器等。 华北电力大学硕十学位论文 近年来，高压直流输电技术和大容量静止无功补偿技术在电力系统的广泛应用; 工业生产中大容量闸晶管、可控硅整流器、逆变器、变流器等电子设备的大量应用; 大到炼钢用电弧炉、 轧钢机、 电力机车、 化工电镀设备， 小至变频起动电机( v f d s ) 不停电电源、计算机及各种节能型家用电器 ( 冰箱、微波炉) 等，以上这些技术、设 备的应用都使电力系统非线性负荷猛增。诚然，上述技术设备在提高系统传输能力， 改善人民生活水平方面都起到积极作用，但同时也使系统中产生了大量的高次谐波， 从而加剧了电网中电压、电流波形畸变水平， 恶化了电网运行状况， 导致电网谐波污 染日 益严重。其后果是电能质量降低， 损耗增大，损坏设备，甚至引起系统故障。 2 . 3 非线性负荷的特性及其对电力系统的影响 非线性负荷作为谐波源，向电力系统注入了大量的高次谐波，这些高次谐波直接影 晌了电力系统的安全运行和电气设备的正常工作，对电力系统和电气设备带来极大的威 胁。 2 . 3 . 1非线性负荷的特性 非线性负荷的主要特性一般表现为: ( 1 ) 产生大量的谐波污染。 所有的非线性负荷都不同程度的产生谐波， 冲击性负 荷特别是炼钢电弧炉几乎产生连续频谱的谐波电流，甚至产生大量的分数次谐波。 ( 2 )引起电压波动及电压闪变。 ( 3 )产生负序电流。负序电流的产生主要是由于非线性负荷的不对称性引起的， 其主要负荷为交流电弧炉及电 气化铁道的机车1 8 ) 2 . 3 . 2非线性负荷对电力系统稳定的影响 谐波导致供电电压波形畸变，劣化公共连接点 ( p c c )供电质量。同时，谐波电 流进入电网后有发生谐振的潜在危险，谐振的后果将出现大范围、大幅度的过电压、 过电流问题，进一步威胁电力系统的安全稳定运行，主要表现为: ( 1 )大量谐波能使继电器、自 动装置拒动或误动， 如零序电流过大就可能造成 接地保护误动; ( 2 )谐波数量大时能使系统中反映工频正弦量的多数监视、 测量表计产生误差; ( 3 )谐波会影响通讯系统通话的清晰度， 严重时发生谐振， 千扰整个通讯系统; ( 4 )谐波能导致长距离输电线单相重合闸失败; ( 5 )谐波能影响避雷器安全运行和损坏互感器; ( 6 )谐波可使功率因数补偿效果变劣: 华北电力大学硕士学位论文 ( 7 )系统谐波严重时能使计算机系统失灵。 因此， 谐波问题不仅造成对非线性负荷自身利益的损害， 而且构成了对电力系统 较大威胁的公害，必须加以限制和消除。 2 . 3 . 3 非线性负荷对电力系统设备的影响 高次谐波在电力系统中传递，将引起铜损和铁损增大，设备过热，产生噪声。另 外，高次谐波的负序分量有可能使旋转设备产生反方向转矩，造成机械损伤和热耗。 当电压含有高次谐波时， 使得电器设备的绝缘水平受到威胁， 介质损耗增加，充电电 流增大，从而引起各种故障，主要表现为u y , ( 1 ) 电力电容器的过负荷和损坏: ( 2 ) 旋转设备和电力变压器的损耗增加 ( 过热)，从而造成容量的相对降低; ( 3 ) 电力电缆的容量降低: ( 4 ) 导致长距离输电线路单相重合闸失败 ( 延缓了电弧的熄灭时间); ( 5 ) 使开关的开断更加困难; ( 6 ) 影响到避雷器的正常运行: ( 7 ) 导致电压互感器的损坏; ( 8 ) 导致自 动装置、继电保护误动或拒动，电子仪表失灵。 2 . 4 无背景谐波时非线性负荷对电网电压和电流影响的分析 2 . 4 . 1非线性负荷的仿真电路及工作原理 对于任意电网， 系统侧总是可以通过等效为一电压源。为了便于分析，因此， 非 线性负荷作用于p c c 上等值电路如图2 -1 所示。 em fnv t) 7 a +jx , a 负荷侧 权 l ( t ) (t)阮 权1内日eell 孟 r , u . ( r ) -1111.1111.1|1 l一一一 p c cl_i 图2 -1 非线性负荷的仿真电路 华北电力大学硕十学位论文 图 中 : u , ( t ) 为 系 统 侧等效电 压源; 尺为电 压 源内 阻; i. ( t ) 为 总电 流: 乙 为 线 路阻 抗;几表示 线性负 荷;il ( t ) 为线性负荷的电 流:z n l 表示非线性负荷:u , , ( t ) 和il l ( t ) 分别为非线 性负荷的 总电 压和总电 流;u , ( t ) 为负 荷侧的电 压，u , ( t ) 为 母线电 压。 当开关s 闭合前，非线性负荷投入前电源侧的总电流为 ip ( t ) = i n ( t ) = t ,n ( t ) 式中 :t,o ( t ) 和i , ( t ) 分别为非线性负 荷投入前线路和线性负荷的电 流; 闭合前的母线电压。 ( 2 一1 ) u , ( t ) 为开关 s 当 开 关s 闭 合 后 ， 电 路中 z n l 等 效 为 电 流 源艺n ia ( t ) ， 其 表 示 各 次 谐 波 的 叠 加 ， 包括基波，等效电路如图2 -2所示。 一 奄 氮 厕一 1 z ,风勺 x, u , ( t l _ _ en u t ( t ) 图2 -2非线性负荷谐波源等效电路图 根 据 叠 加 定 理 ， 当 电 压 源 单 独 作 用 时 ， 艺i. ia ( t ) 开 路 ， 则 作 用 在 线 性 负 荷 上 的 电 流为i l l ( t ) 。 由 于电 压 源为 标准的正 弦波， 所以 线性负 荷的电 流 用il ( t ) 表示为 基波电 流 ， 且 有 心 ( t ) = i . ( t ) . u , ( t ) 单 独 作 用 时 的 母 线 电 压可( t ) = u , ( t ) 当 非 线 性 负 荷 电 流 源 艺n u ( t ) 单 独 作 用 时 ， u . ( t ) 短 路 ， 艺n u ( t ) 可 以 分 解 为 各 次 谐波电流源单独作用， 则某一次谐波电流单独作用时， 其他次谐波电流源开路， 则作 用在线性负荷上的电流为 i. u ( t ) = i u . ( t ) + i ( t ) 艺 n u (t ) = u ( t ) + 艺 tu ( t ) ( 2 一 2 ) 式 中 : il (t) 为 由 电 流 源 基 波 电 流 . l . (t) 作 用 时 或 桂 负 荷 的 电 流 ; 艺 公 (t) 表 示 由 电 流 源各次谐波电 流il l ( t ) 单独作用时 线性负电 流的叠加。因为 z l : s . ( z + j) 所以，电流源电流只流向电源侧，对线性负荷侧相当于开路，没有影响。事实上 l ln u ( t ) 基 本 都 流 向 电 源 侧， 则 线 路 上 的 电 流 2 tihw (t ) _ gn u (t ) 华北电力大学硕士学位论文 即它们的谐波畸变率是相同的。 但是， 当投入非线性负荷后， 由于线路上会产生相应 的畸变电压 u , ( t ) = 艺u n u ( t ) u . , ( 1 ) 含有 谐波分量且 作 用 在线性负 荷上， 则与非 线性负 荷同 一 母线上的 线性负 荷会 产生相应的谐波电流 ,. (t)一 望 = z u (t)z l ( 2-3) 其各次谐波的大小与线性负荷阻抗成反比。线性负荷的总电流 = , ( t ) = k 1 ( t ) + c ( t ) = tl o ( t ) + , u n u ( t ) z l ( 2 -4) 线 性 负 荷z l 两 端 的 电 压 与 电 流 的 畸 变 率 对 与 纯 阻 性 负 荷 来 说 是 相 同 的 同 时艺 i. . 6 ( t ) 通 过 电 网 上 的 线 路 阻 抗 产 生 的 压 降 u . , ( t ) ， 由 于 艺il u ( t ) 单 独 作 用 时 ， u . ( 1 ) 为 短 路 ， 又因 为尺-c z , ， 所以u , ( t ) m 0 . 因 此， 当 非线性负 荷投 入后， p c c 母线 上的电 压为 u , (t ) = u , (t ) + 可( ， ) = 可(t ) = u , ( t ) ( 2 - 5 ) 与非线性负荷投入前相同，所以电压源电压基本不变。 通过以上分析说明了当电网中无背景谐波时， 非线性负荷投入后对电网电压与电 流的影响。 2 . 4 . 2仿真分析 根据图2 -1 仿真电路， 其中z n l 为非线性负荷， 采用电网中 较为普遍的l c整流 滤波电路，整流阀输出电 流串联。 . 1 h平波电感，滤波电容为4 7 0 0 吓，带 1 0 1 2 的负 载。电压源相电压 u . ( t ) = i 扼s i n (o t ( k v ) 电 压源内 阻尺= 0 .0 0 2 1 2 ， 线路阻 抗乙= 0 .0 2 十 j 0 .0 o 1 1 2 。 线性负 荷为 1 0 x 2 ，开关 s 在 0 . 1 秒时闭合。 非线性负荷投入前， 电源侧和负荷侧都呈现标准的正弦波， 当非线性负荷投入后， 忽略暂态扰动过程，当系统达到稳态时的仿真波形如下所示。波形是从 0 . 5秒到 0 . 7 秒绘制的。图2 -3 为电源端a相电压与电流的波形比较;图2 -4为线性负荷a相 电压与电流的波形比较;图2 -5 为非线性负荷a相电压与电流的波形比较。 华北电力大学硕十学位论文 x 1 0 , 电海 端 电压 波 形 ;丫 1二j. 0 . 5 2 0 . 5 4 0 . 5 8 0 . 5 8。 名0 . 8 2 0 . 8 4 0 . 8 8 0 . 8 8 0 . 7 时 间 电海 端 电流 波 形 叮二 1】 0 . 5 2 0 . 5 4 0 . 5 8 0 . 5 8 0 . 8 0 . 8 2 0 . 8 4 0 . 8 5 0 . 8 8 0 . 7 时 间 一石 七10150 瑞翻 图2 -3电源端a相电压电流波形 线性负荷电压波形 潮姗绷 田钾 0 . 5 2 0 . 5 4 0 . 5 8。 旧0 . 8 2 0 . 8 4 0 . 8 8 0 . 8 8 0 . 7 时 间 线性负荷电流波形 4 精 2 理 0 2 -0 .50 .5 8 .11 11_ 0 . 5 2 0 . 5 4 0 . 8 0 . 8 2 0 . 8 4 0 . 8 8 0 . 8 8 0 . 7 时 间 姗一1了0.56 图2 -4 线性负荷a相电压电流波形 1 2 华北电力大学硕士学位论文 非线性负荷 电压波形 _ 2 以犯 翻姗绷 田翻 0 . 5 2 0 . 5 4 0 . 5 6 0 . 5 6。 名 时 间 0 . 6 2 0 . 6 4 0 . 6 60 . 7 非线 性 负 荷 电流 波 形 0 . 5 4 0 . 5 6 0 . 5 8 0 . 6 0 . 6 2 0 . 6 4 0 . 6 6 时 间 0 . 7 0.se厂1了068 图2 -5 非线性负荷a相电压电流波形 表2 -1 电源的主要各次谐波含量 频率 ( h z ) 05 01 0 01 5 0 2 0 0 电压 ( %) 01 0 0 0 . 0 30 . 0 20 . 0 1 电流 ( %) 1 0 01 2 3 . 9 4 1 3 . 2 48 . 6 93 . 9 6 表2 -2 纯阻性负荷的主要各次谐波含最 频率 ( h z ) 05 01 0 01 5 0 2 0 0 电压 ( %) 1 8 . 7 21 0 05 5 . 6 13 5 . 9 3 1 6 . 7 9 电流 ( %) 1 8 . 7 21 0 05 5 . 6 13 5 . 9 3 1 6 . 7 9 表2 -3 非线性负荷的主要各次谐波含量 频率 ( h z ) 05 01 0 0 1 5 02 0 0 电压 ( %) 1 8 . 7 21 0 05 5 . 61 3 5 . 9 31 6 . 7 9 电流 ( %) 1 0 01 2 3 . 9 41 3 . 2 48 . 6 93 . 9 6 表2 -1 列出了电源端电压与电流f f t 分析的谐波含量: 表2 -2 列出了线性负荷的 华北电力大学硕士学位论文 电压与电流f f t 分析的谐波含量;表2 -3 列出了非线性负荷电压与电流f f t 分析的谐 波含量。 由以上仿真实验结果得出以下结论: ( 1 ) 由图2 -3 可以看出， 电源端电压呈现较好的正弦波形， 其畸变率只有0 .0 1 %, 基本不受非线性负荷产生的谐波影响。 电源端电流发生了畸变， 其畸变率为1 2 5 . 1 9 %, 与前面的理论分析相同:其谐波含量如表2 -1 所示。 ( 2 )由图2 -4 7 . 以看出，与非线性负荷并联的线性负荷的电压与电流均发生了 崎变，其畸变率相同， 这是由于仿真中非线性负荷为纯阻性所致，畸变率为6 8 . 8 3 %, 这与文献【 1 8 中的结论相同， 且其次数相同的谐波含量也相同; 谐波含量如表2 - 2 所 不 . ( 3 )由图2 -5 可以看出，非线性负荷的电压与电流的畸变波形不成线性关系， 其畸变率分别为6 8 . 8 3 %和1 2 5 . 1 9 %;谐波含量如表2 -3 所示。 ( 4 ) 通过比较各表参数得知，非线性负荷的电流畸变率与电源的电流畸变率相 同，因此说明电源端电流畸变只与非线性负荷的特性有关系， 而与线路阻抗无关。由 于电源端电压不变， 而负荷端电压发生畸变， 说明线路上产生了畸变的电压， 该电压 和线性负荷端的电压大小相等， 方向相反， 且畸变率大小也相等， 这与前面的理论分 析结果相同。由此可知非线性负荷对电网电压的影响与电网线路的长短有关系。 ( 5 ) 通过表2 -1 中电源端电流谐波含量可知， 非线性负荷除了产生谐波电流外， 还会向电网输送基波电流。 为了说明其产生的基波电流的大小与方向， 改变线性负荷 功率为1 0 0 0 + j 1 0 8 5 v a 时的电源电 流谐波含量如表2 - 4 所示. 表2 -4 感性负荷的主要各次电流谐波含量 频率 ( h z ) 05 01 0 0 1 5 02 0 0 电流 ( %) 1 0 02 . 2 91 . 3 90 . 9 1 0 . 2 8 由表2 -4 可知，当线性负荷为纯阻性负荷时，其基波电流不发生变化，当线性 负荷为感性负荷时， 其基波电流也发生变化， 说明非线性负荷对如感应电动机类的感 性负荷的电压与电流是有影响的， 因此在建立感应电动机的负荷模型时， 如何考虑非 线性负荷对其影响的程度，更符合负荷建模的实际要求，还需要深入地研究。例如， 当前应用最广泛的负荷综合测辨法， 即把所有的负荷都作为线性负荷处理， 建立一个 感应电动机的综合负荷模型， 通过系统辨识来确定参数的方法， 虽然具有实用性， 可 是无法阐释非线性负荷产生的谐波部分对线性负荷的作用机理。 因此， 这种方法建立 的负荷模型往往和实际的参数存在误差， 虽然用各种优化的方法去减小负荷建模的误 差， 但是随着各种非线性负荷的增加， 这种方法就会出现越来越多的问题， 特别是其 物理意义不可解释。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 5 非线性负荷投入电网的影响因素 2 . 5 . 1 不同时刻投入非线性负荷的仿真分析 仿真电路如图2 -1 所示，图中，线性负荷为1 0 0 1 2 ，其它参数与2 . 4 . 2 中的取值相 同且所有参数都取的a相的测量值， 示，图中，横坐标为时间，单位:匀 1 0 0一 在非线性负荷投入前p c c 母线电流如图2 -6 所 纵坐标为电流的瞬时值，单位:ae - 1 0 0 f -, - 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 图 2 -6 p c c 又/ . 0 . 9 9 5 1 1 . 0 0 5 1 . 0 1 母线电流的波形 从图中可以看出，当t = 0 .9 8 5 s 时，p c c 母线电流处于波峰;当t = 0 . 9 9 s 时，p c c 母线电流处于下降段的零点;当t = 0 .9 9 5 s 时，p c c 母线电流处于波谷;当t = 1 s 时， p c c 母线电流处于上升段的零点。 根据这四个时刻， 分别投入非线性负荷进行仿真试 验，由于随着谐波次数的增加，谐波含量明显减小，因此，忽略了7 次以上的谐波分 量。 在仿真实验中， p c c 母线电压就是非线性负荷和线性负荷的电压，以下列表中这 三个量都用p c c 母线电压表示， p c c 母线电压和线性负荷电流的畸变相同，电源电流 和非线性负荷电流的畸变相同， 为了便于比较， 在下列所有的表中把相同畸变率的测 量值都列在了同一行中。 实验一:t = 0 .9 8 5 s 时投入非线性负荷，表2 -5 给出了当系统在t = 1 .6 s 达到稳定 状态时，各测量参数的谐波含量。电源侧电流和非线性负荷的总畸变率为1 2 5 .4 8 %; p c c 电压和线性负荷电压、电流的总畸变率为6 9 . 4 1 %. 表2 -5 各测量值的谐波含量 袱戮 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 0 电源电流 非线性负荷电流 1 0 01 2 4 . 3 51 3 . 6 18 . 7 33 . 9 7 0 . 4 81 . 2 51 . 4 4 p c c电压 线性负荷电流 2 0 . 7 81 0 05 6 . 3 13 6 . 0 51 6 . 4 52 . 0 45 . 1 9 5 . 9 9 实验二:t = 0 . 9 9 s 时投入非线性负荷，表2 -6 给出了当系统在t = 1 .6 s 达到稳定状 态时， 各测量参数的谐波含量. 电源侧电流和非线性负荷的总畸变率为1 2 5 . 4 2 %; p c c 电压和线性负荷电压、电流的总畸变率为6 9 .4 3 %. 1 5 华北电力大学硕十学位论文 表2 - 6 各渊量值的谐波含量 (hz)04 * (% ) 05 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 电源电流 非线性负荷电流 1 0 01 2 4 . 3 01 3 . 5 88 . 6 8 3 . 9 80 . 5 11 . 2 4 1 . 4 5 p c c电压 线性负荷电 流 2 0 . 7 11 0 0 5 6 . 3 13 6 . 1 01 6 . 5 12 . oo5 . 1 6 6 . 0 0 实验三:t = 0 .9 9 5 s 时投入非线性负荷，表2 -7 给出了当系统在t = 1 .6 s 达到稳定 状态时，各测量参数的谐波含量。电源侧电流和非线性负荷的总畸变率为1 2 5 . 5 0 %; p c c 电压和线性负荷电压、电流的总畸变率为6 9 . 4 0 %. 表2 -7 各测量值的谐波含量 诸哭 05 0 1 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 0 电源电流 非线性负荷电流 1 0 01 2 4 . 3 71 3 . 6 38 . 7 3 3 . 9 70 . 4 81 . 2 51 . 4 4 p c c电压 线性负荷电流 2 0 . 8 31 0 05 6 . 3 23 6 . 0 41 6 . 4 22 . 01 5 . 2 05 . 9 9 实验四:t = 1 s 时投入非线性负荷，表2 -8 给出了当系统在t = 1 .6 s 达到稳定状态 时，各测量参数的谐波含量。电源侧电流和非线性负荷的总畸变率为1 2 5 . 4 6 %; p c c 电压和线性负荷电压、电流的总畸变率为6 9 . 4 1 %. 表2 -8 各测量值的谐波含量 (hz 05 01 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 电源电流 非线性负荷电流 1 0 01 2 4 . 3 41 3 . 6 2 8 . 7 03 . 9 70 . 511 . 2 5 ! . 肠 p c c电压 线性负荷电流 2 0 . 8 81 0 05 6 . 3 33 6 . 0 4 1 6 . 4 01 . 9 95 . 2 15 . 9 9 由以上数据可以看出，在不同时刻投入非线性负荷后各次谐波畸变率是不相同 的。需要说明的是，本仿真实验中采用整流滤波电路代替非线性负荷，在f f t 分析中 发现直流分量的比重很大， 但是在实际的电网中， 直流分量的比重非常小，因此，非 线性负荷在不同的时刻投入电网的谐波畸变率变化会比较明显。 同时， 还要说明， 在 计算谐波畸变率的变化时应采用下式中的相对变化率a i 进行分析是合理的。 a i =a l : l e i 二 l a : % - i . % i h , i ,a % 1 6 华北电力大学硕士学位论文 式中，i n , 几 : 分别为两次不同时刻投入非线性负荷后，某一次谐波的畸变率， 选取 不同的i h . 作为标准， 所得到的“的值不便于比 较， 因此在研究谐波畸变率的变化时， 应该选取某一时刻投入非线性负荷后的i ,。 作为定值，进行比 较。 通过仿真分析可知， 随着谐波次数的增加， 谐波含有率和畸变率明显降低， 总谐 波畸变率的大小主要是由低次谐波畸变率决定的， 因此， 非线性负荷的投入时刻应该 根据低次谐波畸变率最小值的时刻投入，此时对电网的影响才是最小的。 2 . 5 . 2 非线性负