基于Matlab的电力系统谐波评估研究_精品文档.pdf

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基于!

#$%的电力系统谐波评估研究吴杰&，刘健&，卢志刚&，宋国堂&，姜顺强（&（燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛）*）+；,（秦皇岛港务局电力公司，河北秦皇岛）*）+）摘要：

电力系统中，各种非线性设备向电网注入谐波电流，引起电网电压畸变，电能质量下降。

因此，电力设备在接入电网之前，必须对其注入电网公共连接点的谐波电流进行评估，以便采取抑制措施。

常规的谐波潮流计算的方法存在建立系统模型困难、计算繁琐等缺点。

因此，采用!

#$%的-./01$2%工具对一座&）34变电站建模分析，对注入系统的各次谐波含量进行了评估。

结果表明，利用!

#$%进行谐波评估具有建立模型简便，计算速度快的优点。

关键词：

谐波评估；,谐波潮流计算；,!

#$%中图分类号：

5!

6&+,文献标识码：

7,文章编号：

&）89+:

;6（）*）9）&+9）8）,引言在电力系统中，随着非线性、冲击性负荷的大量增加，公用电网中的谐波污染日益严重，威胁电网和各种用电设备的安全经济运行。

因此，电力设备在接入电网之前必须对其注入电网公共连接点的谐波电流进行评估，评估的标准是国家标准5&+?

;?

9;8电能质量公用电网谐波标准。

某港将要新建一座&）34变电站。

该变电站负荷主要有翻车机、高塔吊、堆料机等。

这些设备的电源为大功率交9直9交变频装置，运行时会有一定量的谐波注入电网。

所以必须对该变电站注入系统的谐波进行评估，以便及时发现问题并确定比较合理的供电方式或采取治理措施。

变电站供电系统如图&所示。

图&,变电站供电系统示意图2A（&,BCD0E#2CF2A1E.GHI%H#2.JHIKK$LHLH#0E本文利用!

#$%软件中-./01$2%工具箱中的5（快速傅立叶变换）工具，对第四变电站建模后进行谐波分析，得到了注入系统的各次谐波含量。

以此来说明利用!

#$%进行供电系统谐波评估的方法。

&,谐波评估常规方法电力系统的谐波评估对于简单的网络可用简易计算的方法；对复杂系统和多个谐波源可用谐波潮流计算的方法&。

应用谐波潮流计算求解时，应先确定谐波网络的数学模型。

它是由网络中各元件的谐波参数组成的，通常用描述谐波网络的连接情况和支路导纳的谐波节点导纳矩阵表示。

电力系统中的谐波源主要是一些电力电子设备和部分变压器的励磁支路。

可以将这些谐波源看作内阻抗无穷大的恒电流源。

计算是由各谐波源节点注入谐波电流通过该谐波网的网络方程求解各节点的谐波电压。

各节点的谐波电流由该点的谐波电压和谐波源特性决定。

可以利用计算机编制潮流计算程序来分析复杂系统中的谐波状况。

为了获得谐波节点导纳矩阵，就需要知道各元件的谐波数学模型和参数，以及它们的连接情况。

在不对称情况下各次谐波具有不同的相序特性，零序网络还会因变压器绕组的不同接线方式和接地方式而形成与正、负序网络接线。

这样使计算变得繁琐。

另外，谐波计算所需的数据如供电系统各元件的频率特性和谐波参数、各谐波源的频谱特性尤其是相频特性等数据，往往很难获得足够的足够精确的资料，严重影响了编程计算的精度8。

基于!

#$%的电力系统谐波评估由于常规的谐波潮流计算方法存在建立系统谐+&第8+卷第期）*年&月&*日,继电器MNO7P,4.$（8+Q.（Q.R（&*，）*万方数据书书书波模型比较复杂、有些模型参数很难获得等缺点，因此本文采用了!

#$%环境下运用&（）*$+%工具箱中的电力系统元件建立变电站仿真模型，进而进行谐波评估工作。

该变电站主要负荷是变频设备驱动的电动机。

变频设备通过整流变压器接入该变电站下属变电所的,-.母线，变频设备通过整流，把交流变成直流，再通过逆变器变频为各类电机供电。

这类设备运行时，将产生一定幅值的谐波电流注入电网侧。

变频器的简单统计如表/所示（由于实际中的变频器数量众多，表中只列出了几组有代表性的）。

因为主要研究注入系统的谐波电流值，并且谐波源主要是变频设备，所以根据实际情况对系统适当简化，将负荷归类为三种：

脉波整流0逆变供电的负荷、/1脉波整流0逆变供电的负荷和直接的工频交流负荷（如照明、排水、除尘设备等）。

仿真的模块图如图1所示。

表/2部分变频器工作特点3%4/2&）*5*678）89*8#）*+:

#+85:

6）5*）;）*#）*:

安装位置功率?

-数量工作方式同时工作可能性翻车机ABBC周期性工作较大定位车/BDBC周期性工作较大装船机行走CEB1非周期短时工作较小洒水系统FB,长时间工作E台同时工作22图1中虚线框的模块/代表,脉波整流0逆变系统的典型结构，模块1代表/1脉波整流0逆变的典型结构。

模块C代表典型的工频负荷。

模块/和模块1可以封装成子系统（如图1中下部的:

%:

=:

0#）6/和:

%:

=:

#）61）。

多个以这C种典型模块为代表的子系统（:

%:

=:

#）6）连接在变电站的,-.侧组成整个负荷系统（受图的大小限制，图1未给出仿真时连接的所有的子系统，只给出了有代表性的模块）。

图12仿真系统图G+H412I+6$#+7:

=:

#）65#9）/B-.&JJ22进行谐波计算时，确定了变频器的结构、运行方式和所带的负荷功率，谐波源的注入谐波量就可以在仿真时由!

#$%自动计算了。

所以详细地统计了各种设备的功率和功率因数，以及不同时刻设备投入的种类和数量，可以得到极端情况下（即同时工作的变频器数量最多时）的各个设备的组合情况，此时注入系统的谐波含量最高。

利用图1中左下角的“J7#+7:

（K（）*H+）”中的“GG3”工具可以对注入系统的电流进行傅立叶分解E，得到谐波的频谱图如图C所示。

图C（）为变电站电容器没有投入时注入/B-.公共点的电流谐波频谱图；图C（%）为电容器投入运行后的谐波电流频谱图。

图中横坐标为谐波次数，纵坐标为谐波电流和基波电流的比值（百分数）。

可以根据基波电流幅值和比值求得谐波电流值。

C2结果分析国家标准LM?

3/EAEFN/FFC电能质量N公用电网谐波规定了在OAB!

.P基准的短路容量下，注入系统/B-.公共连接点的各次谐波电流允许值。

本系统/B-.公共连接点实际最小短路容量不同于假定的基准短路容量，应该按照LM?

3/EAEFN/FFC附录M和按照LM?

3/EAEFN/FFC附录J的要求进行换算得到本系统允许注入/B-.公共连A/吴杰，等2基于!

#$%的电力系统谐波评估研究万方数据图!

注入#$%&公共点的电流谐波频谱（）*!

+,-./0（112-304556314-2.（07314（0）（04/483#$%&9:

接点的谐波电流允许值。

电容器投入前后的注入系统公共点的谐波电流如表#所示（表中只列出了部分谐波值）。

当变电站;%&母线处串;*?

A超出国家标准*;?

A的允许值；当变电站;%&母线处串;*!

#*;?

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E*F=*=#*?

F投入前$*#*?

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*=#*=#$*E投入后$*!

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#*=#*F#*;$*!

结语基于G,4H,C的电力系统谐波评估适用于电力设备（尤其是变电站等复杂的系统）投入运行前的系统建模仿真。

本文由于篇幅所限，仅分析了注入系统的谐波电流。

实际上，本文的方法还可以对系统中的任意元件（比如电容器）进行电压和电流的谐波分析。

相对于谐波潮流计算的谐波分析方法，基于G,4H,C的电力系统谐波评估有以下优点：

#）不需要建立系统的谐波导纳矩阵，省掉了很多繁琐的计算过程；G,4H,C中的电力系统元件的参数可以方便地调整。

）不需要编程计算，不用考虑编程的算法问题。

仅需要利用G,4H,C中的变压器和线路等现有模型，组成网络。

运行后，得到结果。

数据的精度高；!

）当系统的运行方式改变时，可以在G,4H,C中很方便地修改网络结构。

得到新的结果。

要利用G,4H,C进行谐波评估也需要一定的条件：

#）建立谐波源（主要是电力电子设备）的模型是关键。

必须查明谐波源的参数，包括设备的型号、容量、台数、额定电压、额定电流、接线方式、运行控制方式、控制参数和各次谐波发生量，以及变压器的参数和连接方式等。

这样可以建立较精确的模型。

）必须了解系统参数，包括谐波源与连接点的额定电压、短路容量、谐波电压和谐波阻抗等。

参考文献：

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F*吴天明，谢小竹，彭彬*G,4H,C电力系统设计与分析G*北京：

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Z,4（/0,H3O3013L0254-D9-355，$*收稿日期：

$;J$J#F；修回日期：

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作者简介：

吴杰（#?

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），男，副教授，研究生导师，研究方向为电力系统无功补偿与电压稳定；刘健（#?

F#），男，硕士研究生，研究方向为电网规划；卢志刚（#?

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），男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统经济运行和人工智能。

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_（,0520D52*32*10（下转第=页1/04（023/06,）3=）;#继电器万方数据!

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