电能质量相关问题.doc

一电力系统中的谐波源问题1谐波源的提出电力系统中, 在额定的频率和稳定的电压外, 波形畸变和三相电压或电流不平衡是影响电能质量的重要因素。随着电力电子技术的不断发展, 电力系统中的非线性负荷日益增多， 如各种换流设备、电弧炉、电视机、节能灯、电力机车等。这些负荷产生的谐波电流注入公用电网, 使电网波形产生畸变, 威胁着电网中的各种电气设备的安全经济运行。电力电子装置和非线性负载的广泛应用使电力系统产生了大量的谐波。电力谐波已经成为电力系统的一大公害, 是近年来国内外专家和学者普遍关注的问题。 谐波产生的原因和特点【1】：（1）大型发电机谐波源。作为一种产生电能的复杂电磁装置，大型发电机的结构和材料特性都十分复杂，如果齿槽设计不当、阻尼绕组结构不当以及磁材料特性较差，就有可能产生谐波电流或谐波电压，特别是其齿谐波电压分量，对电能质量和通信质量的影响尤其恶劣。（2）电力变压器谐波源。由于大型变压器铁心为磁性材料硅钢片叠成，其磁化曲线具有非线性特点，而大型电力变压器铁芯柱往往运行在饱和状态，其磁密超过磁化曲线的弯曲点， 进入非线性区域，导致磁密和励磁电流的变化体现出非线性关系，即使励磁电流是正弦波，相应的磁通量变化并非正弦波，谐波电流随之产生。（3）静止补偿电容（SVC）参数配置不当。静止补偿电容（SVC）在电力系统中具有改变功率因数，改善电网运行状态的功效。但与此同时，如果选用参数匹配不当，也会造成系统中某次谐波电流大幅度增加，导致电能质量恶化。（4）电弧炼钢炉。由于电弧炼钢炉电流不规则，且急剧变化，导致其波形处于严重畸变状态，进而引起电网电压波形的严重畸变，产生大量谐波危害，其中2 7谐波的危害最为明显。（5）电气化铁路。作为单相大负荷，电力机车常常在一定区段内造成三相严重失衡。此外，电力机车在区间运行时负荷变动大且急，例如上坡下坡负荷相差较大，行驶时的速度变化也可能导致负荷急剧变化。上述运行状态都将产生大量谐波分量。（6）高层建筑。高层建筑可能存在符合集中，彩电较多的问题，也有可能导致谐波问题，应引起重视。电力系统中的发电、输电、配电、用电等几个环节都可能产生谐波, 其中产生谐波最多的是在用电环节上，如晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器都能产生一定量的谐波。晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面已被普遍采用，它采用移相原理, 从电网吸收的是半周正弦波, 留给电网剩下的是半周正弦波, 这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。变频原理常用于水泵、风机等设备中。变频一般分为交- 直- 交变频器和交- 交变频器，前者将380V 50Hz 工频电源经三相桥式可控硅整流变成直流电压信号, 滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号；后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术, 所以在变换后会产生含复杂成分的谐波，所以也会对电网造成严重的谐波污染.电力系统的谐波源大致可以分为3种: 第1类是含有变压器等铁磁非线性的谐波源。这种谐波源在电力电子装置大量应用之前, 现在这类谐波源在电力系统谐波源中所占比例并不大；第2 类是电弧焊机、电弧炉这种强非线性、冲击性负载的负载, 电弧炉电流中不仅含有奇次谐波, 还含有偶次谐波, 频率也在0.1 30 Hz 之间大范围变化；第3类就是各种交直流的电力电子变换器, 电力电子变换装置是目前主要的谐波源。对于电力电子装置谐波源, 人们一般将谐波源分为电压型谐波源和电流型谐波源。大功率变流装置一般为电流型谐波源；直流侧电容滤波的整流器属于电压型谐波源，以电压源的形式向电网中注入谐波，由于它在电力电子装置中的应用日益广泛(如变频器、开关电源、UPS和电子镇流器等)，使得电压型谐波源已成为电网中另一种主要的谐波源。 2.电铁牵引负载谐波源分析【2】 电铁牵引负载是电力系统的主要谐波源之一。目前客运、货运大量采用的交一直型电力机车，其从网侧汲取基波电能的同时以谐波源的形式向电网注入大量谐波(以低次谐波为主)，进而影响电网的电能质量。牵引负载是典型的大功率谐波源，与一般的电力系统负荷相比具有不对称性和波动性的特点。大部分交一直型电力机车采用晶闸管相控整流电路并在其直流侧加装平波电抗器。由于平波电抗器和牵引电机励磁绕组的存在，流过牵引电机的电流为带波纹的近似直流。对于直流侧电流脉动较轻的情况，可忽略其直流脉动，并计及整流电路的换相过程，所以牵引负载直流侧的电流大小及交流侧电流的波形主要由其本身的特性所决定，基本与交流侧电网参数无关，可将其视为谐波电流源。电力机车谐波产生的机理简单的说就是正弦电压加于非线性负载之上。其主电路中包括整流管、晶闸管、机车主变这些非线性元件，在机车运行时是谐波产生的根源。主电路在结构上分为整流调压电路、牵引电路、制动电路。电力机车之所以要调压，正是由于机车运行于不同牵引工况时，可以使其在工作范围内获得任意的速度和牵引力。牵引工况指各种类型的机车在不同的牵引变电所、牵引供电方式、行车密度、牵引负载(重量)大小以及有无滤波和无功补偿装置等条件下所处的运行状态。电力机车的负荷构成以牵引回路(整流调压电路、牵引电路、制动电路)为主，其负荷特性主要由牵引回路决定。为方便分析牵引回路在调压过程中的负荷特性和谐波特征，暂且忽略整流电路的换相过程，且将牵引负载看作理想的谐波电流源。车载变压器次边绕组电压可认为是正弦波，则从原边看进去可将调压过程视为对次边绕组电压和整流电路交流侧电流的调整，并且电流的波形只与晶闸管的触发延迟角有关。与此相对应的整流电路交流侧各次谐波电流、基波电流的有效值及其与基波电压的相位差可由整流电路交流侧电流做傅里叶级数分解得到。考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率，则整个牵引回路的有功功率P及无功功率Q为 式中:Qf为基波产生的无功功率；D是谐波产生的无功功率。可见机车运行于不同的牵引工况，决定了其消耗的有功和无功功率；同时也决定着牵引回路的工作状态，也即谐波产生的根源。机车谐波电流的决定因素如图1所示。 图1 谐波电流决定因素从能量的角度出发，整个牵引系统的全部功率来自网侧供电系统提供的基波功率。因非线性负载电力机车的存在，当基波功率流向机车后，大部分被机车消耗，少部分基波功率会转化为谐波功率并返还给系统造成系统损耗 。同时电力机车作为单相不对称负载将导致三相供电系统不平衡，而供电系统供给机车的功率可视为正序功率，因此可以认为机车运行于不同的牵引工况时，反应到网侧对应的就是牵引网与供电系统交换的基波正序有功及无功功率。用机车与网侧供电系统交换的三相基波正序功率来作为模型的激励，用以评价牵引负载的谐波特性，给出模型的基本形式为 式中：为注入网侧的、某相的h次谐波电流相量；P1 、Q1为机车与供电系统交换的基波正序有功及无功功率；C为模型参数集合。从上式可以看出，相比于以上2种牵引负载谐波源模型，本文所给出的模型因用三相基波正序功率作为激励，在求解谐波电流时可以不用再进行基波潮流计算以获取，给实际工程运用带来了很大的便利。现以某一变电站网侧A相为例，采样间隔为3s，由于网侧电压变化均在一定的范围之内，且谐波源建模的目的不仅要正确反应谐波源的特性，也必须适用于谐波潮流计算,为此本文选择静态模型中的多项式模型来描述牵引负载谐波源。同时将谐波电流正、负序分量的实部和虚部分别建模，以便进行谐波的正、负序潮流计算。21 牵引工况分类首先从数据采集现场可以直接得到的是：3个牵引变电所均采用直接供电方式；主变的接线形式分别是YN-dl1接线、V/V接线和阻抗匹配平衡变压器接线；网侧采用并联电容器进行无功补偿，并由无源滤波器滤波。通过对实测数据的分析可大致确定电力机车的类型、运行状态和牵引侧负荷分布。由3个牵引变电站的网侧谐波数据分析可知，电力机车注入牵引供电系统的主要是低次谐波(3、5、7次谐波)，且谐波的频谱较窄。 图2 谐波次数图2为阻抗匹配平衡变压器接线的牵引变电所05 h内A相基波和各次谐波电流有效值的平均值所绘柱状图，且在这段时间内基波与各次谐波含量的变化不大，B相和C相谐波电流的分布与A相一致。因此可以从3个牵引变电站获得实测数据对论述和仿真可知，由于交一直一交型电力机车产生的谐波中低次谐波含量大幅减少且谐波的频谱较应的时间段确定牵引负载是交一直型电力机车。从牵引供电系统网侧的功率数据中可以确定机车的运行状态。当功率P0，Q0时，机车从电网获取有功和无功功率，基波及各次谐波变化相对比较稳定，为正常的级位运行状态；当功率P0，Q0，Qha时两支路不产生谐波放大电流。1. 5 电容支路未串电抗器的谐波放大电容支路不串联电抗器即XLn=0,ha不存在。并联谐振点，将产生谐波放大。当区间，两支路系统均产生谐波放大。 通过以上分析可知，电容支路发生谐波放大的根本原因是该支路与系统并联产生谐振引起的。2 防止并联电容器产生谐波放大的措施【8】2. 1 未串电抗器时的情况若电容补偿容量小KS0 .01 且其母线不直接与谐波源相联，谐波含量小，电容支路可不串电抗器，此时并联谐振点hb0,只须注意母线中是否有7 、9 、11、13次谐波即可。2. 2 串电抗器时的情况串电抗器后电容支路出现了串联谐振点ha,将原容性区划成两个区 ,其中 nha区已变为感性，无谐波放大。根据ha、hb计算式选取适当的电抗率，可改变此两点位置，使放大区躲开谐波电流以抑制谐波放大。而且可看出当串联电抗器越大时,ha、hb越小, 严重放大区将缩小。由于并联电容器对谐波电流和电压都有放大作用, 产生过电流和过电压, 危及系统运行和设备安全, 因此必须加以防止。常见的措施有:1) 在并联电容器电路中串接电抗器. 这是有效降低电容器对谐波放大的主要措施, 这可以从上述分析中得出结论。2) 在谐波源附近装设交流滤波装置或有源滤波器,用以吸收谐波电流, 使谐波电流不能进入系统。3) 改变谐波源的配置或工作方式. 把具有谐波互补性的装置集中使用, 否则应适当分散或交替使用, 适当限制波量大的工作方式。4) 提高系统和设备的抗谐波能力。5)用分组投切电容方式可有效抑制谐波放大,对谐波含量较丰富的站所,在投电容器组时应注意选择合适投切方式以保证装置安全运行。 参考文献【1】 电力系统谐波源的成因与抑制. 邹 慧J.2012.【2】基于实测数据的电铁牵引负载谐波源模