電力系統諧波的檢測畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的三次諧波明顯增加。由于電網電壓偏移在177。 7％以下 。 所以發電、變電設備產生的諧波分量鄙比較小，比圍家的考核標準低的多，因此發電、變電設備不是影響電網電壓渡形方面質量的主要矛盾。為此，影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備 。 非線性用電沒備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：第一，電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等；第二，交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等；第三，交流整流再逆變用電沒備：如變頻調速、變頻空調等；第四 ，開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。 由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等多方面得到了越來越廣泛的應用，給電力系統造成大量諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，所以給電網帶來的是另一部分的缺角正弦波，顯然留下部分中含有大量的諧波。據有關部門統計表明：由整流裝置產生的諧波占有所有諧波的近 40％，它是最大的諧波源。變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了移相控制，諧波成分很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較 大，隨著變頻調速的發展，對電力系統造成的諧波就越來越多。 電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因為有調壓整流裝置，會產生較大的奇次諧波。洗衣機、電風扇、空調等有繞組的設備中，因為不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率不大，但是數量巨大，也是諧波的主要源頭之一。 燕山大學畢業設計（論文） 12 電力系統諧波的危害 對電機的危害 (1)對同步電機的影響 ： 定子繞組為星形接法的旋轉電機接受的高次諧波電流通常只含有正序和負序分量。定子中第 h次諧波電流的正序和負序分量分別形成正向和反向旋轉磁場，轉速均為 h倍的同步轉速。因此，同步電機的轉子就分別感應出(h1)和 (h+1)次諧波電流。但其主要部分并不在轉子繞組中流動，而是在轉子表面形成環流。高次諧波電流在發電機定子中同樣有集膚效應。在定子的雙層繞組中，高次諧波電流主要在沿槽高度的上層線棒里產生附加損耗，并且比下層線棒里的相應附加損耗要大好幾倍。諧波電流對隱極式同步電機的定子零部件，也能引起嚴重問題，甚至構成制約條件。諧波電流在旋轉電機中產生的附加損耗，在一般情況下，轉子的附加損耗比定子的附加損耗大得多。 (2)對感應電動機的影響 感應電動機由于轉子導線尺寸比 定子導線的尺寸大得多，所 以隨著電流頻率的上升，轉子電阻的增加比定子電阻的增加更快。盡管如此，在諧波和其他因素的綜合作用 下，可使定子繞組局部發熱問題相當嚴重。由于感應電動機的負載 般都是固定連接的，在受到諧波影響時，不能臨時降低負載來避免異常過熱和縮短壽命，在確定允許的諧波電壓時，應使絕大多數電動機在諧波電壓下不至過分增大消耗壽命的速度。感應電動機承受的諧波電壓折算等價基波負序電壓。折算公式為： 式中 Ueq為等價基波負序電壓； hU 為第 h次諧波電壓； m為系數，且 m≤ 1。 作為靜止設備的變壓器，在諧波潮流圖中，它既是諧波源同時又是傳輸其他諧波源產生諧波的中間環節。當直流電流、低頻電流地電流流入變壓器繞組時，變壓器產生嚴重磁飽和，使其中的諧波電流增大，以致威脅???1 2ea )/(= U h mh hU燕山大學畢業設計（論文） 13 設備本身和電網的安全運行。來自其他諧波源并流過變壓器的諧波電流，在諧振條件下，也能損害變 . 壓器。諧波電流除了引起變壓器繞組附加發熱外，對外殼、外層的鋼片和某 些緊固零件引起發熱，甚至會引起嚴重的局部過熱。除此之外，諧波還導致變壓器噪聲增大，有時還發出金屬聲。 諧波會大大增加電力變壓器的銅耗和鐵耗，降低變壓器的有效出力，諧波導致的噪聲會使變電所的噪聲污染指數超標，影響工作人員的身心健康。由于以上量方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量。 對線路的危害 諧波對供電線路產生了附加損耗。架空線路諧波電流產生熱損，較大的高次諧波電流分量能顯著地延緩潛供電流的熄滅，導致單相重合閘失敗。電纜中的諧波電流會產生熱損，使電纜介損、溫升增大，使線路電阻隨頻率增加而 提高，造成電能的浪費 。由于中性線正常時流過電流很小，故其導線較細，當大量的三次諧波流過中性線時，會使導線過熱，損害絕緣，引起短路甚至火災 。 增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。對于架空線路而言，電暈的產生和電壓峰值有關，雖然電壓基波未超過規定值，但由于諧波的存在，當諧波電壓與基波電壓峰值重合時，其電壓峰值可能超過允許值而產生電暈，引起電暈，損耗增加。對于電纜輸電情況，諧波電壓正比于其幅值電壓形式增強了介質的 電場強度，這會影響電纜的使用壽命。據有關資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約 60%。 對電容器的影響 諧波對電容器的危害是通過電效應、熱效應和諧振引起諧波電流放大問。國內外電網運行經驗表明 :受諧波影響而導致的電氣設備損壞中電容器占有最大比例。諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，最不情況是諧波和基波電壓峰值的疊加，峰值電壓上升使電容器介質更容易發電。一般來說，電壓升高 10%，電容器壽命縮短 1/2。由于諧波使通過電的電流增加，使電容器損耗增加，從而引起電容器發熱和溫升，加速老化。器溫升每上 升 8℃，壽命縮短 1/2。由于電容器的容抗與頻率成反比，因諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電波形畸變比基波電壓燕山大學畢業設計（論文） 14 的波形畸變大得多，即使電壓中諧波所占比例不大，也生顯著的諧波電流。特別是在發生諧振的情況下，很小的諧波電壓就會引起的諧波電流，導致電容器因過流而損。 對繼電保護、自動裝置工作的影響 諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表劑量不正確。造成電能計量的誤差。一方面是增加電度表本身的誤差，另一方面是諧波源負荷從系統中吸收基波功率而向系統送出諧波功 率。這樣受害的用戶既從系統中吸收基波功率，又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負荷用戶少付電費，而受害的用戶多付電費 :給供電部門或電力用戶帶來直接的經濟損失。 對于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發熱 ,同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷 路器都可能因諧波產生。對于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發熱，出現誤動作或不動作。對于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低，在工作中它們都有可能造成誤動作。 對其通信系統的影響 諧波對通信線路的干擾，不但可以損害通話的清晰度，由于諧波和基波的綜合作用，曾有多次觸發電話響起的記載，在極端情況下會威脅通信設備和人員的安全。其中高壓直流換流站換相過程中產生的電磁噪聲會干擾電力載 波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置誤動，影響電網運行的安全性。 本章小結 本章對電力系統諧波作了簡單扼要的介紹和分析，介紹了基本的定義及 表達式，從而分析出諧波產生的原因。再者，分析了電力系統諧波對電力系統及通信系統的影響 ，顯示了其巨大的危害。 通過對諧波源諧波產生燕山大學畢業設計（論文） 15 機理的定性分析產生的諧波進行測量和定量計算打下了基礎。同時為對進行電力系統諧波管理確立了目標。 燕山大學畢業設計（論文） 16 第 3章 電力系統諧波的檢測 1） 帶阻濾波法 這是一種最為簡單的諧波電流檢測方法，其基本原理 是設計一個低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡單，精度很低，不能滿足諧波分析的需要，一般不用。 2）帶通選頻法和 FFT變換法 帶通選頻方法采用多個窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量，基本原理如圖 1所示 : 圖 ：基本原理圖 利用 FFT變換來檢測電力諧波是一種以數字信號處理為基礎的測量方法，其基本過程是對待測信號 (電壓或電流 )進行采樣，經 A／ D轉換，再用計算機進行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數。這兩種方法都燕山大學畢業設計（論文） 17 可以檢測到各次諧波的含量，但以 模擬濾波器為基礎的帶通選頻法裝置，結構復雜，元件多，測量精度受元件參數、環境溫度和濕度變化的影響大，且沒有自適應能力；后一種檢測方法其優點是可同時測量多個回路，能自動定時測 。 量。缺點是采樣點的個數限制諧波測量的最高次數，具有較長的時間延遲，實時性較差。 3） 瞬時功率矢量法 1984年，日本學者 ，并在此基礎上提出了 2種諧波電流的檢測方法： pq法和 ip iq 法。這 2種方法都能準確地測量對 稱的三相三線制電路的諧波值。 ip 一 iq 法適用范圍廣，不僅在電網電壓畸變時適用，在電網電壓不對稱時也同樣有效。而使用 pq法測量電網電壓畸變時的諧波會存在較大誤差。這 2種方法的優點是當電網電壓對稱且無畸變時，各電流分量 (基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量 )的測量電路比較簡單，并且延時小。雖然被測量的電流中諧波構成和采用濾波器的不同，因而會有不同的延時，但延時最多不超過 1個電源周期。如電網中最典型的諧波源 —— 三相整流 器，其檢測的延時約為 1／ 6周期。可見，該方法具有很好的實時性，缺點是硬件多，花費大。此理論是基于三相三線制電路。對于單相電路，必須首先將三相電路分解，基于瞬時無功功率理論的單相電路諧波測量框圖。仿真表明該方法是可行的，其檢測性能優于以往的單相諧波電流的測量方法。瞬時無功功率理論解決了諧波和無功功率的瞬時檢測及不用儲能元件實現諧波和無功補償等問題，對治理諧波和研發無功補償裝置等起到了很大的推動作用 。 4） 傅里葉變換 利用傅立葉變換可在數字域進行諧波檢測，電力系統的諧波分析，目前大都是通過該方法實現的，離散傅立 葉變換所需要處理的是經過采樣和A/D 轉換得到的數字信號，設待測信號為 x(t)，采樣間隔為 △ t 秒，采樣頻率 fs =1/△ t 滿足采樣定理，即 fs 大于信號最高頻率分量的 2 倍，則采樣信號為 x(n△ t)，并且采樣信號總是有限長度的，即 n=0， 1??。 這相當于對無限長的信號做了截斷，因而造成了傅立葉變換的泄露現象，產生誤差 。此外，對于離散傅立葉變換來說，如果不是整數周期采樣，那么即使信號只含有單一頻率，離散傅立葉變換也不可能求 出信號的準確參數，因而出現柵欄效應 。 通過加窗可以減小泄露現象的影響 。 5） 小波分析法 燕山大學畢業設計（論文） 18 對于一般的諧波檢測，如電力部門出于管理而檢測，需要獲得的是各次諧波的含量，而對于諧波的時間則不關心，因此傅里葉變換就滿足要求。然而在對諧波電流進行動態控制時，不必分解出各次諧波分量，只需檢測出除基波電流外的總畸變電流，但對出現諧波的時間感興趣，對此傅里葉變換無能為力。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域完全局部化而在時域完全無局部性的缺點，即它在時域和頻域同時具有局部性，因此通過小波變換對諧波信號進行分析可獲得所對應的時間信 息。 本文將重點介紹 基于瞬時無功功率的諧波測量的檢測方法 。 三相電路瞬時無功功率理論 的諧波測量 三相電路瞬時無功功率理論 11 231由 、 等提出，隨后得到了廣泛深入的研究并逐步完善。該理論突破了傳統的平均值為基礎的功率定義，系統地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無功電流實時檢測方法 。 瞬時有功功率和瞬時無功功率 三相電路瞬時無功功率理論首先于 1983年由赤木泰文提出，經不斷研究并逐漸完 ??、 變換 :實現了三相瞬時電壓，電流由靜態變換到旋轉的。??? 正交坐標變量作為分析基礎。設三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為 ea 、 eb 、 ec 和 ia 、 ib 、 ic 們變換 到 ??? 兩相正交的坐標系上進行研究。 ?????????????????????eeeeecbaba C32 () ?????????????????????iiiiicbaba C32 () 燕山大學畢業設計（論文） 19 C32 =???????????????232302121132 所示：，如圖坐標系電壓、電流矢量 ??