配电网络中谐波

配电网络中谐波（精选4篇）

配电网络中谐波 篇1

0 引言

随着现代科技迅猛发展, 民用建筑 (特别是大型综合类民用建筑) 中大量高灵敏度的现代化用电设备和装置的应用, 给人们的生产、生活带来极大的便利;同时这些设备也是谐波源设备, 给人们带来了电力谐波等电能质量问题, 对建筑物内的电气安全和设备运行等产生了新的威胁。

1 现代综合类民用建筑的谐波源及其危害

现代综合类民用建筑中的谐波主要来自于两方面, 一是公用电网本身, 这一部分所占比例较小;二是现代综合类民用建筑内大量的非线性负荷形成的谐波源。

现代综合类民用建筑内主要的谐波源有:现代照明系统、办公设备、UPS (不间断电源) 、EPS (应急电源) 、变频驱动设备以及电子控制设备等。

谐波对配电系统和用电设备产生的危害主要表现为:1) 谐波电流使电动机效率降低, 发热增加, 缩短其寿命;2) 谐波电流会使变压器产生附加损耗, 从而引起过热, 使绝缘介质老化加速, 导致绝缘损坏, 以及增加噪声;3) 谐波电流的大量存在会使并联电容器容易吸收谐波电流引起过载发热, 同时容易构成谐波、谐振;4) 谐波电流会使断路器误动作;5) 谐波易造成计算机故障死机和屏幕的频闪;6) 谐波易造成电缆发热特别是对中性线电缆影响更大, 严重情况下导致中性线电缆过载、过热、烧毁;7) 谐波畸变严重的情况下会在一个正弦周期内出现多个额外过零点, 会使可控硅开关设备控制装置误动作;8) 谐波会导致感应式电能表计费不准。

2 谐波问题的解决方案

谐波问题解决方案一般有2种:配置无源滤波器和配置有源电力滤波器。

无源滤波器和有源滤波器的对比见表1。

有源电力滤波器利用可控的半导体功率器件 (如IGBT) , 向电网注入与非线性负荷产生的谐波电流幅值相等、相位相反的电流。使电源的总谐波电流为零, 达到实时补偿谐波电流的目的。相对于无源滤波器滤波能力的变化不定, 有源电力滤波器的滤波能力是确定的, 其滤波能力和负荷的功率因数无关。有源电力滤波器的特点是实现了对补偿对象的变化快速响应, 可对频率和大小都在变化的谐波进行补偿, 有源电力滤波器可以自动限制在100%额定容量以下输出, 不会发生过负荷。

有源电力滤波器的配置一般采用两种方式:负载就地治理方式和变电房集中治理方式, 下面为根据负载类型的谐波畸变率和设备容量等分别给出的有源电力滤波器容量速查表。

1) 典型负载就地治理有源电力滤波器容量见表2。

2) 配电房变压器二次侧集中治理有源滤波器容量见表3。

(1) 表2和表3中第一行表示电流谐波总畸变率, 第一列表示变压器 (负载) 容量;两者交叉处表示该处选择的有源滤波器容量。

(2) 表2和表3中的容量均是在变压器负荷率50%的情况下计算所得, 功率因数按照0.95考虑。

(3) 演艺中心、大剧院等可控硅调光设备负荷率越小, 电流谐波总畸变率越大, 随着负荷率的上升电流谐波总畸变率降低, 大多数调光设备品牌一般都是在50%左右负荷率下, 谐波电流有效值最大。

(4) 若变压器的负荷率不是此值, 那么APF的容量将按比例增减。

3 DIVORSINE有源滤波器在供电系统中的应用案例

本文以笔者负责设计的深圳某公司生物产业研发基地项目为例, 项目基地位于深圳市盐田区, 南北长约470m, 东西宽约270m, 总用地面积102 999.81m2, 总建筑面积346 738.09m2。项目用途包括生物科技研发厂房、国际学术会议中心、配套办公室、员工宿舍、物业管理用房、垃圾分类处理中心、10k V变电所和综合通讯接入网机房等。

项目效果图

3.1 有源滤波器容量的计算

由于有源滤波器相对无源滤波器具有诸多优势, 此项目主要在研发厂房、会议中心和冷冻机房采用了有源滤波器的集中配置方案, 下面以研发厂房1#配电房P1-1TM变压器为例进行介绍, P1-1TM变压器SGB10-1600/10 1 600k VA, D, yn11, 主要负载为生物研发厂房的实验仪器、电脑、照明和插座等, 根据各个变压器容量的大小以及相应的谐波畸变率计算谐波电流的大小, 集中配置方案谐波计算:S=1 600k VA, THDi=15%, cosφ=0.95, η=50%,

有源滤波器的选型考虑到设备负载率变化以及有源滤波器预留一定的裕量等要求, 同时参考变电房变压器二次侧集中治理速查表, 在P1-1TM变压器集中配置了1组200A的DIVORSINE有源滤波器。其他的变压器也可以参照此类计算和速查表来选择有源滤波器的容量。

3.2

其他各变压器低压侧的有源滤波器配置表 (见表4)

3.3 有源滤波谐波治理效益分析

有源滤波器投入后, 谐波电流畸变率由15%~35%下降到国家标准要求范围内 (5%左右) , 假定负载有功输出恒定且功率因数不变 (即负载基波电流恒定) , 则系统侧视在电流IS的变化如下:

设负载电流为IL, 负载基波电流为ILF, 系统侧电流畸变率为THDIS, 负载侧电流畸变率为THDIL。

滤波器投入前:Is-OFF=IL, THDIs-OFF=THDIL, 则系统侧视在电流IS=负载基波电流ILF× (1+谐波电流畸变率THDIL2) ^1/2。

滤波器投入后:IS≈ILF, THDIs-ON=5%, 则系统侧视在电流IS-ON= (滤波器消耗基波电流Ie F+负载基波电流ILF) × (1+谐波电流畸变率THDI2S-ON) ^1/2。

滤波器投入前、后系统的视在电流的差值△IS=IS-OFF-IS-ON, 约为:△IS=负载基波电流ILF×[ (1+谐波电流畸变率THDIL2) ^1/2- (1+谐波电流畸变率THDI2s-ON) ^1/2]。

考虑到滤波器实际功耗<<负载基波电流, (每台滤波器功耗约为2%×有源滤波器容量) ,

则:当THDIL=35%时, 滤波器投入前后△IS=5.8%ILF≈5.8%IS;

当THDIL=15%时, 滤波器投入前后△IS=5.8%ILF≈1.0%IS。

3.4 某研发生产基地为例有源滤波器投入前、后进线柜处的数据分析对比图 (见图1~8)

大量的工程实例及计算显示:完全实施谐波治理方案后, 谐波电流和线路、设备损耗减小, 功率因数提高, 经济效益和设备寿命提高, 降低次品率、减小设备维护费用及提高变压器供电容量等, 转换成有关电能消耗年度节省在总用电量的5%左右。

4 结束语

本文分析了民用建筑内谐波的来源、危害、解决方案、容量计算以及通过使用有源滤波器进行治理后的效果评估, 证明有源滤波器在民用建筑低压配电中的应用意义, 说明在大型民用建筑内应用有源滤波器的必要性和实际效益。

摘要：介绍了现代建筑内谐波的来源、危害、相关的谐波标准以及通过使用有源电力滤波器进行治理后的效果评估, 阐述有源滤波器在民用建筑低压配电中的应用意义。

关键词：非线性负载,谐波,有源滤波器

参考文献

[1]王兆安, 杨君, 刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 1998.

[2]李战鹰, 任震, 杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术, 2004.

[3]吴竞昌.供电系统谐波[M].北京:水利电力出版社, 1998.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.电能质量公用电网谐波 (GB/T#space2;#14549-1993) [S].北京:中国标准出版社, 1994.

[5]王燕鸣.电力有源滤波器在民用建筑的应用[J].电气应用, 2008, 27 (11) .

配电网络中谐波 篇2

关键词：配电,谐波分析,定量分析,QR-RLS算法,仿真

0 引言

正确识别谐波源的位置是区分各方谐波责任的前提[1]。对于谐波源识别问题,文献[2]提出了有功功率法,文中提出谐波功率是谐波电压、电流间相角差的函数,但谐波功率的方向主要受系统侧和用户侧谐波电压相角差δ的影响,当δ在一定范围时,该方法失效[3]。文献[4]提出了基于无功功率的检测法,其主要思路是:电力系统中有功功率主要与相角有关,而无功功率主要取决于系统电压幅值,故无功功率的方向能反映系统侧和用户侧谐波电压源的谐波发射水平,即可通过无功功率方向判断两侧谐波源的相对大小,从而定位谐波源。但受阻抗的影响,其结果的准确率一般只能达到50%。文献[5]提出了无功功率变化法,该方法指出无功功率的变化率为在一定时间内流入减去流出系统的无功功率,该方法无需知道系统侧和用户侧的阻抗,但只能定性地分析主谐波源,而不能判断另一方是否也产生谐波,且无法定量分析。文献[6-8]提出用临界阻抗法辨识谐波源,该方法在一定程度上解决了无功功率方向法的不足,但也有自身的缺陷,即无法分析出谐波源间的相互影响,无法定量分析。文献[9-10]提出了基于参数辨识的谐波源定位方法,该方法从谐波产生的机理出发,能克服背景谐波的影响并提高谐波源定位的准确性,但会产生测量矩阵奇异的问题[11],因此文献[12]提出了基于奇异值分解(SVD)方法来进行谐波源定位,该方法能比较准确地分辨出各个谐波源,但并不能定量地分析谐波源。

在上述背景下,本文针对基于奇异值分解方法识别谐波源不能定量分析的不足,提出了基于QR分解的递归最小二乘(QR-RLS)方法来定量地分析谐波源,其主要思路是:在奇异值分解方法定性地找出谐波源后,用QR-RLS方法来定量地分析各个谐波源对配电网的影响,从而能够更加准确地划分出各方的谐波责任。最后通过PSCAD/EMTDC搭建仿真模型进行仿真分析,验证了该方法的准确性和实用性。

1 QR-RLS方法基本原理

QR-RLS算法[13]作为一种自适应滤波算法主要用在通信系统上,但对于自适应谐波电流检测仍然适用,其基本原理如图1所示,其中滤波器输入信号iL(n)表示实际采集的电流信号,参考输入信号x0(n)、x1(n)表示幅值为1、频率为所需检测的谐波电流的频率的信号,两参考信号相差90°;w0(n)、w1(n)为参考信号的权值;y(n)为自适应滤波器的输出信号;e(n)为自适应滤波器误差反馈信号。

QR-RLS算法相比其他自适应算法有如下优点。

a.它比递归最小二乘(RLS)算法有更好的数值稳定性,QR-RLS算法是通过直接处理经QR分解的输入数据矩阵来完成最小二乘权向量的计算,而RLS算法是通过处理输入数据的(时间平均)相关矩阵来完成权向量计算。因此,QR-RLS算法在数值上比标准的RLS算法更稳定[13]。

b.QR-RLS算法比最小均方(LMS)算法有更快的收敛速度,在电力有源滤波器对谐波检测的时间要求非常高的情况下,此算法比LMS算法更有优势,如图2所示,况且LMS及其改进算法在其收敛速度和稳态失调间难以平衡[13,14,15]。

图2是对于同一组含有3次谐波的数据,分别用LMS算法和QR-RLS算法进行谐波检测,达到相同精度时,很容易看出QR-RLS算法权值达到稳态时的迭代次数大概在750次,而LMS算法的权值达到稳态时的迭代次数大约在1800次,因此QR-RLS算法在收敛速度上对于LMS算法的优势是比较明显的。

由文献[12,16]可得指数加权RLS估计的QR-RLS算法在数据都是实数的情况下可表示如下。

数据矩阵:

期望响应:

预给参数:

指数加权向量系数=λ

酉旋转=Θ(n)

调整参数=δ

初始条件:

迭代格式如下:

其中,n=1,2,…;I为单位阵;O为零矩阵块;u(n)为参考输入向量;w(n)为权值向量;Θ(n)为旋转矩阵,主要作用是使式(1)中等号右侧的阵列的第一行产生一个零块元素;Φ(n)为相关矩阵;ξ(n)为先验估计误差;γ(n)为收敛因子;Φ1/2(n)、pT(n)、uT(n)×Φ-T/2(n)为矩阵块,其他均为实数,矩阵块中的上标的负号表示矩阵的逆,T表示向量转置。

2 定量分析推导

通过QR-RLS算法检测出特定次数的谐波电流,根据图3所示的仿真电路模型,可以推导出非线性负荷侧和供电侧分别产生的谐波电流量。图3中u(t)为供电侧电压,Zs为供电侧某次谐波的阻抗,iu(t)为供电侧产生的某次谐波电流,ic(t)为非线性负荷侧产生的某次谐波电流,i(t)为线性负荷侧某次谐波的电流,i′u(t)、i″u(t)分别为供电侧某次谐波电流流向非线性负荷侧和线性负荷侧的部分,同理i′c(t)、i″c(t)分别为非线性负荷侧产生的某次谐波电流流向供电侧和线性负荷侧的部分,Z、Zc分别为线性负荷侧和非线性负荷侧在某次谐波下的阻抗。

设ius(t)、ics(t)、is(t)分别为通过QR-RLS算法从电流中提取出的供电侧、非线性负荷侧以及线性负荷侧某次谐波电流,可写成如下形式:

其中,m、q、l为已知常数;h为整数,表示特定的谐波次数;α0、β0为已知常数,表示相对于测得的供电侧的初始相位。设供电侧和非线性负荷侧独自产生的谐波电流分别为:

其中,a、b为未知量,分别表示供电侧和非线性负荷侧独自发出某次谐波的幅值;α、β为未知量,表示相对于ius(t)的初始相位。

对于电流iu(t)有如下表达式:

令:

其中,a′、a″分别为电流i′u(t)和i″u(t)的幅值;θ′、θ″为它们相对于ius(t)的初始相位。

设

,则根据电路理论可得:

由式(15)、(16)可得出电流i′u(t)和i″u(t)的幅值的比例以及它们的相位差,则式(13)可重写如下:

有如下三角公式:

把式(10)、(14)、(17)代入式(12),并2次运用式(18)可分别求得电流i′u(t)、i″u(t)的幅值与iu(t)幅值的比例,以及它们的初始相位与iu(t)的初始相位的关系,同理可以求出i′c(t)、i″c(t)的幅值与ic(t)的比例以及相位关系,即:

其中,ku为i′u(t)的幅值与iu(t)的幅值比例;αu为i′u(t)与iu(t)的初始相位差;kc、βc分别为i′c(t)与ic(t)的幅值比例和初始相位差。

根据图3的电路图有如下关系:

上面3式只有2个方程是独立的,式(23)可由式(21)、(22)得到,取式(21)、(22)作为联立方程组,把式(7)、(10)、(20)代入式(21),式(8)、(11)、(19)代入式(22),运用相量法[17]求解方程组,即可求得式(10)、(11)中的未知参数a、α、b、β。

3 算例仿真分析

用PSCAD/EMTDC[18,19]软件搭建如图3所示的仿真电路,供电侧由基波电压和3次谐波电压组成,基波电压有效值为10 V,3次谐波电压有效值为3 V,非线性负荷侧用3次谐波电压源代替,其有效值为4.5 V,3次谐波阻抗分别为Zu=1+j 2Ω,Zc=3+j 3Ω,Z=j 6Ω,各条支路的电流实际波形见图4。

从图4中可以看出,供电侧、非线性负荷侧以及线性负荷支路的电流都发生了畸变,3条支路的频谱图如图5所示。

从图5中可以看出,供电侧、非线性负荷、线性负荷支路均有3次谐波电流,而线性负荷支路是不产生谐波电流的。

3.1 QR-RLS算法提取出3次谐波电流

从图5中可以看出各条支路都含有3次谐波,取3次谐波作为分析对象。用第1节介绍的QR-RLS算法可以分别提取出3条支路在公共耦合点(PCC)处的3次谐波波形图,并按照文献[13,20]的规则取λ=0.998,δ=1,其他都按第1节所述取初始值,代入测量数据用MATLAB软件[21]求出式(3)中y的值,可得如图6所示的3条支路的3次谐波波形图。

从图6中可以看出3条支路的3次谐波电流图形的相位和幅值各不相同,求出幅值和相位差之后,可以写出供电侧、非线性负荷侧、线性负荷侧的3次谐波电流分别为:

3.2 分析各条支路独自产生的谐波电流

把供电侧、非线性负荷侧和线性负荷侧的3次谐波阻抗分别写成如下形式:Zu=2.236∠65.44°Ω,Zc=4.243∠45°Ω,Z=6∠90°Ω,代入式(15)、(16)可得k=1.414,θ0=45°。则可以把式(17)重写如下:

令h=3,把式(10)、(14)、(27)代入式(12),并运用式(18)的三角公式可得:

可以求得a″=0.447a,θ″=α-26.63°,即:

同样可得:

令式(10)、(11)中h=3,把式(10)、(24)、(30)代入式(21),把式(11)、(25)、(29)代入式(22)组成方程组,运用相量法求得如下值:

这样可以求得a=0.861,α=54.21°,b=1.087,β=113.42°,即式(10)、(11)可以写成如下两式:

本文前面仿真参数中交代了供电侧由基波电压和3次谐波电压组成,3次谐波电压有效值为3 V,非线性负荷侧用3次谐波电压源代替,其有效值为4.5 V,通过阻抗之间的连接关系可以算出iu(t)的幅值为0.862 A,ic(t)的幅值为1.099 A,可以看出通过此方法判别出的供电侧和非线性负荷侧独自产生的谐波电流的幅值是准确可靠的。

算出供电侧与非线性负荷侧独自产生的谐波电流后与式(24)、(25)两式比较可以看出,供电侧3次谐波电流幅值增大了5.57%,而非线性负荷侧则减少了29.48%。可以看出非线性负荷导致增大了供电侧的谐波电流,而系统侧则吸收非线性负荷侧大约30%的谐波电流,为分清供电侧与用户侧对电网谐波污染的责任提供了很好的判别依据。

4 多路非线性负荷谐波电流定量分析

4.1 理论分析

对于多路非线性负荷,如果不需要知道每一路产生的谐波电流量,只分析供电侧和综合的非线性负荷侧相互的影响,可以把综合的非线性负荷等效为单个非线性负荷来计算,这与前文的算例是一致的。

如果需要分清每一条非线性支路各自产生的谐波电流大小,上述的方法依然可行。图7为多路非线性负荷电路模型,图中iu(t)表示供电侧独自产生的某次谐波电流,ih1(t)、…、ihn(t)表示非线性负荷支路独自产生的某次谐波电流,i(t)表示线性负荷侧的某次谐波电流。

设每条支路测量得到的某次谐波电流分别为:

其中,ius(t)为供电侧提取出的某次谐波电流;ih1s(t)、…、ihns(t)为n条非线性负荷支路提取出的某次谐波电流;is(t)为线性支路中的某次谐波电流。

设供电侧和非线性负荷支路独自产生的某次谐波电流分别为:

其中,φ、γ1、…、γn为相对于is(t)的初始相位。对于电流iu(t)有如下表达式:

其中,i′u(t)为供电侧某次谐波流向线性负荷侧的部分;iuh1(t)、…、iuhn(t)为分别流向n条非线性负荷侧的某次谐波电流。根据阻抗关系以及式(15)、(16)可以求得i′u(t)、iuh1(t)、…、iuhn(t)的幅值比例以及它们之间的相位差,再通过式(18)即可求得与iu(t)的关系,同理对每条非线性负荷支路做同样的分析,最后根据图7的电路关系,列出与测量量的关系,可以求得每条支路独自产生的谐波。

4.2 算例分析

在图3的仿真电路中加上一条非线性负荷支路,电流方向为流向公共耦合点,其余电流方向与图3一致,该支路的3次谐波阻抗Zc2=1+j 3Ω(记为非线性支路2),其余各支路参数如前文所述,分别为供电侧阻抗Zu=1+j 2Ω,线性支路谐波阻抗Z=j 6Ω,另一条非线性负荷支路阻抗Zc1=3+j 3Ω(记为非线性支路1),通过QR-RLS算法提取出的3次谐波电流分别为:

式(41)为供电侧提取出的3次谐波电流,式(42)、(43)分别为非线性支路1和2的3次谐波电流,式(44)为线性负荷侧提取出的3次谐波电流。

设供电侧、非线性负荷1和2独自产生的3次谐波电流分别为:

根据式(15)、(16)可以求得供电侧流向非线性负荷支路1和2的谐波电流分别为:

同理可得非线性负荷支路1流向供电侧和非线性支路2的谐波电流分别为:

同理可得非线性负荷支路2流向供电侧和非线性支路1的谐波电流分别为:

根据电路知识可以列出如下方程组:

代入数据运用相量法可以求得:a=1.148,φ=51.02°,b1=1.199,α=114.19°,b2=0.894,β=54.01°。

将这些参数代入式(45)—(53)即可知道所有未知电流,这样就可以进行谐波电流定量分析,以非线性支路谐波电流对供电侧谐波电流影响性分析为例,供电侧提取出的谐波电流与独自产生的谐波电流相比减少了36.67%,由式(41)与式(50)可以求出非线性负荷支路1使供电侧谐波减少了4.88%,由式(41)与式(52)可以求出非线性负荷支路2使供电侧谐波减少了42.51%,可以看出供电侧的谐波电流减少的量主要是由于非线性负荷支路2的贡献,共同作用时减少了36.67%,这里减少的量不是2条非线性支路减少量的和,这是因为电流的模值为实部和虚部的平方根,是非线性关系,但这并不影响判断非线性负荷支路2对供电侧的谐波电流减少起主要作用,同理可以分析其他支路。

5 结论

配电网络中谐波 篇3

20世纪80年代以来, 我国的电力工业取得了日新月异的飞速发展, 不仅装机容量空前增加, 输变电设备质量以及电力自动化水平也取得了很大发展。但与此同时, 工业负荷的种类与容量发展更快, 由此引发许多新新问题。以电力电子技术为核心的变流器负载大量应用, 不可避免的造成了诸如电压和电流谐波、电压闪变以及其他暂态干扰等恶化电能质量的现象;同时, 现代工业的发展对供电可靠性以及电能质量提出了越来越高的要求。在现代企业中, 广泛使用的变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密加工仪器、可编程逻辑控制器和计算机信息系统等设备对电源的波动和外界的干扰十分敏感而依赖, 任何似乎微小的供电质量的恶化都可能会造成产品质量的下降, 任何停电事故造成的经济损失以及政治影响都是不可忽视的[1,2,3,4]。

总的来说, 我国的电力建设滞后于经济的发展, 造成目前电力供应十分紧张, 全国各大发电厂和输电网都处在满负荷极限运行状态, 安全隐患的风险正在加大。在很多电网机组满负荷零备用的运行条件下, 电能质量问题很可能摧毁供电可靠性的屏障, 成为大面积停电事故的导火索。其中无功功率及电网中的谐波干扰对电能的有效使用影响最为明显, 因而对其的研究也一直没有终止过[1,2,3,5]。

N.H.Hingorani于1986年提出了灵活交流输电系统 (Flexible AC Transmission Systems, FACTS) 的概念, 其意义是“应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统参数, 达到网络结构的灵活快速控制, 以期实现输送功率的合理分配, 降低功率损耗和发电成本, 大幅度提高系统稳定性、可靠性”。因其顺应了电力系统技术的发展方向, 一经提出就立即受到广泛重视。类似地, 将FACTS技术延伸应用到配电系统, 即DFACTS。

目前, 配电系统逐步摒弃采用单一的电容器、电容器串接电抗器以及无源调谐滤波器等传统的静态无功补偿的装置, 目前主要的FACTS和DFACTS装置列举如下:

对负荷动态无功补偿的装置有:静止无功补偿器 (SVC) , 无功发生器 (STATCOM, SVG) 。抑制负荷动态谐波的装置主要是有源滤波器 (ARF) 。应对电网故障的装置是动态电压恢复器 (DVR) , 电网故障时不仅电压下降, 相电压的相位也会出现很大的相位变化使系统电压不对称, 在保护切断故障部分的零点几秒内, 无功发生器难于应付, 应设置动态电压恢复器。校正电压波形的瞬态畸变, 美国已研制新型超导储能装置。因STATCOM的直流侧电容只提供直流电压, 它的电压则由三相6个二极管充电得到, 所以, 在系统电压下降时, 它仍能供出额定的无功电流。而基于电容器的无功补偿设备, 其输出的电流与电压是成比例减小的, 在原理上, STATCOM在故障中有更好地支撑电压的效果。

为了确保中压配电网提供经济、清洁的电能, 本文以谐波产生及其治理, 无功补偿为中心, 涉及的主要内容如下:

针对判断谐波抑制和无功补偿的效果、程度, 概括基于任意周期电压、电流的无功功率的概念。

尽管单独应用机械式投切电容器的场合趋于减少, 但为了降低损耗、扩大容量, STATCOM、APF等先进装置与电容混合使用将是一种发展趋势, 本文给出LC组成装置的类型及其参数的选择方法。

2 谐波、无功的概念及危害

无功功率:电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量转换而占有电网容量, 包括:感性无功和容性无功。

正弦条件下, 无功功率表达为式 (1) :

理解上, 无功功率是一个很抽象的概念, 对于发电、用电来说, 无功功率是有功功率的必备条件, 有关人士把无功功率比作杯子, 而把有功功率比作杯子里面的水, 有多高的杯子就能装多深的水, 所以要获得更多的有功功率, 必然要有更多的无功功率。

但对于输电来说, 无功功率对输电网络危害很大, 主要表现在以下几方面:

1) 无功功率降低输电网络的传输能力, 因为输电网络的输电能力是一定的, 若增加无功传输必然要减少有功传输。

2) 引起用户端电压变化, 感性无功使电压下降, 容性无功可使电压升高,

3) 产生无功电流分量, 使视在电流增加线路和变压器等损耗增大, 变压器利用率降低。

谐波是指电网中非基波 (我国50Hz) 的其他频率的电流或电压, 包括高次谐波和间谐波, 其来源是非线性负载。在我国电力系统中, 谐波使设备 (如电容器、线路、变压器等) 过流, 增大附加损耗, 引起电网振荡, 另外, 谐波引起电力计量误差、干扰通讯, 甚至引起电力系统继电保护误动作, 这些现象都时有发生, 而且谐波和负序电流引起的综合危害还引发过大容量发电机的跳闸。因此, 无论从保证电力系统还是用户设备的安全经济运行, 对谐波污染造成的危害影响加以限制都是极为迫切需要的。

3 基于任意周期电压电流的无功功率

含有谐波非正弦电路的无功功率至今尚没有被广泛接受的权威性定义。由于理论、实践的需要, 许多学者进行了有益的探索[1,2,3], 关于无功功率概念共同基点是将电流分解成相对电压的有功电流、无功电流和其它一些电流的分量。但对u (t) 、i (t) 、均为满足Dirichlet条件的周期函数, 并能展成可列无穷Fourier级数 (特殊的才展成有限维) 。所以, 那些有功电流、无功电流和其它一些电流的分量不是完备函数空间的基底, 不能正确地描述无功功率, 对无功电表的计量产生误导, 阻碍着电网的抗谐波无功补偿的实践。

设可列维基底, 下的电压和电流为:

功率矩阵, 则相同频率的电压电流形成无功功率为, 其中:

不同频率电压电流形成无功功率为:

总的无功功率为:

式 (5) 表明无功功率是关于时间的函数, 而不是常数。式中各量分别表示可列频率间交变的无功分量, 物理意义很明确。只有同频率的无功功率才能取代数和, 进行补偿或抵消, 而不同频率变化的无功功率只能分别计算, 这为非实时系统的无功计算以及谐波抑制和无功补偿装置性能的比较提供了理论依据[2]。

4 配电网中采用L C组成的谐波抑制与无功补偿装置

由LC组成的抗谐波无功补偿装置有电容器串接电抗器 (原理如图1a所示) 和无源调谐滤波器 (原理如图1b所示) 两种。

两种抗谐波的无功补偿装置结构相似, 串联电抗器的作用均是防止谐波对电容器造成危害, 避免电容器装置的接入对电网谐波的过度放大和并联谐振发生。但工作原理不同, 对无源调谐滤波器各LC支路均有互不相同的电抗率, 利用串联谐振, 防止各相应的高次谐波电流流向电源变压器;对电容器串接电抗器, 仅对基波呈容性, 提供无功, 对高次谐波均呈感性, 限制流向电源变压器的高次谐波电流量。

两种结构中各LC支路的基本参数是电抗器的电抗率ρ (基波时, 电抗器阻抗与电容阻抗之比, 即ρ=XL1/XL1) 及其额定电流, 电容器的额定电压及其标称容量。

1) 电抗率选择的约束条件

两种结构的任一高次谐波等效电路均如图2所示:

若采用无源调谐滤波器, 电抗率ρ=I/ni2, ni为发生串联谐振的谐波次数。

若采用串接电抗器的电容器, 为使LC支路对最低次谐波都呈感性, 电抗率, 为谐波源的最低谐波。若整流相数为6, 则谐波次数, n=6k±1, nmin=5, ρ=4.4%~6%。

2) 电容器参数的确定

设三相电容器采用分相补偿的星形接法。两种结构的基波等效电路均如图3。

三相LC串联支路发出总的无功功率:

期望补偿的无功功率

则各电容器的电气量

2) 抗谐波无功补偿装置类型的确定

对高次谐波电路 (如图2) , 设:非线性负载系数a=G/Sn, 其中G表示谐波源视在功率, Sn表示变压器额定容量;n次谐波系数ρ=In/I1, 其中In为谐波源的次谐波电流;I1为谐波源的基波电流

再联立式 (6) 至 (13) 得:

其中In2为变压器低压侧的额定电流。

注:式 (6) 中的Xs1忽略高压侧电网的短路阻抗, 仅取变压器低压侧的短路阻抗。依式 (14) 及电能质量供用电网谐波国标 (GB/T14549-93) [6], 可推导如下结论:对内阻不大 (Us%<7%) 的变压器, 若αβ≤18%, 可以采用经济的电容器串接电抗器;否则, 应采用无源调谐滤波器。

5 确定抗谐波无功补偿装置实例

我公司某配电站的三相电力变压器型号为S9-400/10, 其额定变比为10/0.4, 短路电压Us%=4%, 非线性负载总功率P=120kw, 基波功率因数cosф1=0.77, 高次谐波电流的谐波系数测量结果分别为5次30%、7次25%、11次6%、13次5%。确定该无功补偿装置的步骤如下:

1) 确定该低压无功补偿装置类型

数据代入 (3-8) , 不等式成立, (其中) 故采用串接电抗器的电容器装置, 如图1a所示。

2) 计算电容容量及其电压 (取cosф2=0.95)

设三相电容器采用分相补偿的星形接法。计算结果如表1所示:

由上述公式, 有:

6 结论

电网都存在不同程度的谐波, 随着新器件、新设备的推广应用, 谐波含量有增大的趋势, 使得电能质量下降, 同时对传统的无功补偿装置造成很大影响, 所以, 对电力系统进行无功补偿要与抑制、治理谐波结合起来。设置低压无功补偿装置, 首先应依据电力负载性质, 选择合适的类型, 再确定各器件的参数, 要确保注入公共接点的谐波电流值不超过国标的规定。当然, 该国标也应结合有关国际标准, 从我国的电力实际出发, 逐步修改和完善[7]。本文所述方法对无功补偿装置的升级改造具有重要的实际意义。

摘要：谐波对电力系统的无功补偿装置将产生严重危害。鉴于基于谐波下的无功功率缺乏广泛接受的权威定义, 提出了一种基于任意周期电压、电流的无功功率新概念。同时为了确保无功自动补偿装置稳定、可靠地工作, 对由普通电器件组成的无功补偿装置的各种类型进行了比较, 提出了配置装置的步骤及其方法。最后根据我公司某型号变压器进行了无功补偿的配置。

关键词：谐波抑制,无功补偿,无功功率,装置

参考文献

[1]王兆安, 杨君, 刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 2006.

[2]陈允平, 彭辉, 樊友平.基于任意周期电压电流的无功功率定义及其数学模型[J].中国电机工程学报, 2006, 26 (4) :105-112.

[3]闵加.谐波对无功功率补偿系统的影响[J].供用电, 2003, 20 (4) :31-36.

[4]张直平.城市电网谐波[M].中国电力出版社, 2001.

[5]Fang Zheng Peng, George Jr., Donald J.Adams.Harmonic and reactive power compensation based on the generalized instantaneous reactive power theory for three-phase four-wire systems[J].IEEE Trans.On power Electronics, 1998, 13 (6) :1174-1181.

[6]GB/T14549-93.电能质量公用电网谐波[S].北京:中国国家标准出版社, 1994.

配电网络中谐波 篇4

1 工厂低压配电系统中的谐波污染问题分析

1.1 谐波的主要危害表现

谐波是指当低压配电系统中出现的频率大于50Hz的电流或者是电压, 这些大于50Hz的电流或者是电压能够对低压配电系统产生影响, 使得低压配电系统的电流或者是电压出现非正规的正弦波。 谐波对低压配电系统的危害不仅集中在电网中, 而且还会对低压配电系统周边的相关设施设备产生危害。

首先, 谐波会导致相关电气设备过热, 降低电气设备的使用效率, 影响电网中的电能输送, 严重的还会引起相关电气设备发生故障, 影响电气设备的使用寿命。

其次, 谐波还极有可能会导致低压配电系统出现局部的谐振, 放大谐波含量, 造成低压电网以及相关联的电气设备烧毁, 严重的会对电网中的继电保护装置产生错误指令, 使其受到严重干扰。

1.2 谐波污染对工厂低压配电系统的影响表现

工厂低压配电系统中谐波污染的主要危害主要集中在以下几个方面。

首先, 谐波会对工厂低压电网中的变压器产生影响, 谐波会直接增加变压器的耗损, 导致变压器出现异常升温、 发出不正常的噪声, 并且还会导致变压器中的相关绝缘部件产生老化, 影响变压器功能的发挥和使用寿命。

其次, 谐波会对工厂低压电网中的电动机产生影响, 同样会增加电动机的耗损和使用效率, 导致电动机线圈温度升高影响设备使用寿命, 并且谐波还会在电网中产生与电动机反向的旋转磁场, 降低电动机力矩, 并且产生异常震动。

另外, 谐波还会对低压电网中的电缆产生不良影响, 谐波产生的集肤效应会增加电缆的阻抗, 造成温度升高、 耗损增加的问题, 并且会对电缆的绝缘介质产生恶劣影响, 加速老化, 严重的集肤效应还有可能导致电缆的定载流量下降, 影响供电效能。 除此之外, 谐波还会对低压配电系统中的多种设备如电容器、 继电保护装置等产生不良影响, 影响工厂供电的安全性和稳定性。

2 工厂低压配电系统中谐波污染问题的治理对策和措施

针对工厂低压配电系统中的谐波污染问题, 通常采用带电抗的无功补偿系统、 增加低压配电系统中中性线截面的方式来进行治理。

2.1 带电抗的无功补偿系统

根据相关统计分析可知, 工厂低压配电系统中的非线性谐波主要为150Hz和250Hz, 又被称为3 次谐波和5 次谐波, 针对这两种主要谐波的特征, 通过选用双电抗系统的非调谐滤波设备能够有效地消除工厂低压配电系统中的谐波危害。 将电抗系数分别为12.5% 和4.5% 的电抗与补偿一半容量的电容进行串联, 根据工厂低压配电系统中无功补偿系统的负荷变化进行轮换投切, 以此来达到电容补偿的目的。 通过带电抗的无功补偿系统不仅能够提高工厂低压配电系统的使用效率和相关设备利用效率, 而且还能够对谐波问题进行有效地抑制, 达到净化低压电网的目的。

2.2 增大中性线截面

通过工厂变配电室中的电容补偿系统能够对电网中的变压器、 发电机等相关设备进行保护, 能够有效减少低压配电网络中设施设备的消耗损耗, 但是工厂低压配电系统中的非线性配电线缆和低压柜母排中性线中仍然会留有大量的谐波, 为了处理这些滞留谐波对工厂低压配电系统的危害, 需要采取增加中性线截面的方法来进行处理。 以低压配电系统中气体放电灯供电照明回路为例进行分析, 当照明回路中的三相负荷分配比较均匀的时候, 中性线的截面与相线的截面相同即可, 但是当出现三相负荷分配不均匀的问题时, 为了保证照明回路不出现负荷过载的问题, 需要增加中性线的截面要比相线截面大一级, 这样才能够保证照明回路的正常运行。

因此, 为了处理和减少工厂低压配电系统中的谐波问题, 对于系统中的非线性负荷供电电缆和低压柜中母排的中性线, 中性线的截面应当与相线的截面一致, 或者是大一级, 这样才能够更好地保证工厂低压配电系统的正常运行。

通过对谐波问题的危害和主要表现以及相关的处理对策分析可知, 为了更好地应对工厂低压配电系统中的谐波问题, 建议在工厂变配电室低压母线上设置并联的电容器集中补偿柜, 并且采用带双系统的电抗器补偿系统, 增加相关中心线的截面, 这样不仅能够利用电容器对电网中基波的功率因数补偿限制合闸涌流, 而且还能够对低压配电系统中的3次谐波和5 次谐波进行消除, 有效的保证工厂低压配电系统谐波问题的处理效果。

3 结语

谐波对工厂低压配电系统的危害是极大的, 不仅会影响低压配电系统的供电效能, 而且还会对相关的电气设备产生影响, 严重的甚至会影响电气设备的使用寿命和使用效率。 本文对谐波危害的分析应当引起相关工作人员的关注, 从事工厂电气维护管理的工作人员应当对低压配电系统中的谐波问题、 危害以及综合处理措施有着清晰的认识和深入的研究, 根据实际情况不断加强谐波问题治理, 尽可能的降低谐波的危害, 保证工厂低压配电系统的正常、 安全、 稳定运行, 为工厂的生产好发展提供有力的支持。

摘要：随着经济社会的不断发展, 各种非线性用电设备的数量以及低压配电系统的发展也在不断加快, 人们对低压配电系统的安全性和可靠性要求也越来越高。目前电压变化参数如波形和幅值等都会对常用的电子设备产生影响, 尤其是谐波问题对工厂低压配电系统中的常用电子设备的影响受到人们的广泛关注。基于此, 本文首先探究了工厂低压配电系统中谐波的危害, 然后分析了相关的治理对策, 以期为相关单位维护电网稳定性提供一定的参考。

关键词：谐波污染,工厂,低压配电系统,治理对策

参考文献

[1]马双.低压系统谐波治理研究与应用[J].中国高新技术企业, 2013.

[2]瞿炜平, 胡爱中.工厂企业供电系统谐波治理研究[J].华东电力, 2012.