（电力系统及其自动化专业论文）非线性负荷谐波特性的分析与评估.pdf

华北电力大学硕一 ：学位论文 摘要 本文首先对国内外谐波问题及其研究现状进行了描述，介绍了非线性负荷谐波评 估的重要性，评估程序及评估时应注意的问题。接下来对变频器、电弧炉、电力机车这 几种典型的非线性负荷谐波源进行了详细分析。并根据它们各自的不同特点提出了评估 的具体流程，对变频器通过m a t l a b 仿真得出了负载率对其谐波含量的影响，并得出 各次谐波与负载率的具体拟合函数关系式。为了更详细的说明非线性负荷谐波评估的重 要性及其过程，本文详细的介绍了两个谐波的评估实例，分别对福建长乐地区l o 座 1 1 0 k v 变电站进行了谐波分析，对广东韶钢改扩建工程谐波进行了评估。最后，本文对 晶闸管整流系统的间谐波进行了分析。将开关函数法应用于间谐波的分析，通过 m a t l a b 仿真，证实了开关函数法对于晶闸管整流系统间谐波分析的有效性。提出 了在此类系统中，p l l 对间谐波产生的影响。比较了系统分别为开环和闭环，有不同大 小背景间谐波时，以及整数次谐波对间谐波的不同影响。 关键词：非线性负荷，谐波源，评估，间谐波 a b s t r a c t a g e n e r a ld e s c r i p t i o no fd e v e l o p m e n to fh a r m o n i ca r o u n dt h ew o r l da n dt h e i m p o r t a n c eo fl h ee v a l u a t i o no ft h eh a r m o n i c sa r eg i v e ni nt h i st h e s i sa tf i r s t t h e n t h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev f d ，t h ea r c f u r n a c e ， a n dt h ee l e c t r i c l o c o m o t i v ea r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o n c r e t e e v a l u a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y t h ef i t t i n gf u n c t i o no ft h el o a dr a t e a n dh a r m o n i c si nt h ev f di sg o tt h r o u g ht h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni nt h e m a t l a b i no r d e rt og i v em o r ed e t a i l so ft h ee v a l u a t i o n ，t w oe x a m p l e sa r eg i v e n i nt h ep a p e r f i n a l l y , t h ei n t e r h a r m o n i c so ft h et h y r i s t o rr e c t i f i e rs y s t e ma r e a n a l y z e d t h es w i t c h i n gf u n c t i o nm e t h o di sa p p l i e d ，a n dt h em o d u l a t i o nt h e o r yo f t h es w i t c h i n gf u n c t i o na p p l i e di ni n t e r - h a r m o n i c si sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o ni n t h em a t l a b t h ep l l si n f l u e n c ei nt h es y s t e m si n t e r - h a r m o n i c si sp r o p o s e d t h e i n t e r h a r m o n i c si nt h eo p e n - l o o ps y s t e ma n dc l o s e l o o p ，i nt h es y s t e mw i t h d i f f e r e n tb a c k g r o u n di n t e r - h a r m o n i c sa n dt h ei n f l u e n c eo ft h eh a r m o n i c sa r e a n a l y z e d l ud i - p i n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h a nm i n x i a o k e yw o r d s ：n o n - l i n e a rl o a d ，h a r m o n i cs o u r c e ，e v a l u a t i o n ，i n t e r - h a r m o n i c s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文非线性负荷谐波特性的分析与评估，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：差堕雪 日期： g 3 1 3 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、缩印或其它复制手 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：么鳢导师签名： 萝 日期：! ! ：! ：! ! 日 期：垒丝、? p 华北电力大学硕上学位论文 第一章引言 1 1 非线性负荷的电能质量问题 随着工业负荷的不断发展及电力电子设备的大量应用，非线性负荷己经 成为电力系统负荷的重要组成部分。据统计，目前2 0 的电力负荷通过各种 形式的功率交换来实现，所造成的谐波污染对电力系统危害巨大，交流电弧 炉、轧机等大量冲击性负荷引起的电压波动及闪变更是人们头疼的问题。 总之，非线性负荷对区域性电网甚至整个电力系统的影响表现十分明显与突 出，分析非线性负荷的谐波特性具有举足轻重的意义。 电力系统的非线性负荷大致有以下几类：( 1 ) 大功率可控硅整流装置， 如电气化铁道、电化工业电解装置、直流输电的换流阀和相控电抗器型无功 补偿装置；( 2 ) 交流炼钢电弧炉及轧机：( 3 ) 节能型家用电器；( 4 ) 自饱和、 可控饱和电抗器；( 5 ) 大型变压器的励磁回路；( 6 ) 高频感应加热炉；( 7 ) 电 石炉。它们的主要用电特性一般表现为：( 1 ) 产生大量的谐波污染。所有的 非线性负荷都不同程度地产生谐波，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。1 。其中，对非线性负荷所产生谐波的特性 的研究为本文的重点。 在现代工矿企业和运输部门中，非线性负荷大量增加。首先是硅整流和 换流技术的发展，例如化工部门在电解中广泛采用硅整流；电气化铁道中采 用单相交流整流供电的机车：冶金和矿山部门大量用可控硅整流电源作拖 动；高压大容量直流输电中的换流站；家用电器中广泛采用硅整流等等。其 次是冶金、机械工业的发展使电弧炼钢炉容量不断扩大，单台容量由过去几 吨发展到3 0 0 4 0 0 吨，相应的电炉变压器容量也由几个兆伏安发展到几十甚 至一、二百兆伏安。此外，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备，硅铁炉、 高频炉等均属非线性负荷。电力变压器容量在不断发展，也成为电力系统的 一个重要的非线性负荷。随着工业的发展预计非线性负荷还将不断增加。非 线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变。 1 2 谐波问题及研究意义 电力系统中，电能是以额定的频率和电压向用户供电。对电能的质量也 是用频率和电压来表征。非线性负载尤其是电力电子装置使用的日益增多， 华北i b 力大学硕j 学位论文 特别是近二十年来，各种电力电子装嚣在电力系统、工业部门以及家庭中的 应用迅速普及，使得电力电子装置所产生的谐波对电网的污染日益严重，目 前电力电子装置己成为电力系统的首要谐波源。谐波电流和无功电流大量注 入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡，影响了电能质量、输电效 率和设备的安全运行与正常使用。并且随着科技的发展，随着电力电子装置 容量的增大，使用数量的迅速上升和控制方式的多样，非线性负荷还将不断 增加。非线性负荷从电网中吸收非正弦电流，引起电网电压波形畸变，因此 通称为谐波源。目前国际上公认，谐波的“污染”是电力系统的公害，必须 采取措施加以限制。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。综合来看，谐波污 染对电力系统的危害主要概括为”删： 1 ) 在感应电机和同步电机中发生过度的损耗发热，甚至引起感应电机和 同步电机的机械振动； 2 ) 增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，损耗可达到相 当大的程度； 3 ) 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因 过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成过负荷或过电压击穿； 4 ) 系统中谐波电压和电流谐振造成过电压和过电流或者引起电缆介质绝 缘的破坏； 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。 6 ) 干扰大电机的控制器和发电厂的励磁系统； 7 ) 干扰脉动控制和电力载波系统，引起遥控转换，负荷控制和仪表显示 功能的系统误动： 8 ) 位于零点电压交叉检波和触发电路的不稳定运行； 9 ) 电度表出现测量误差。 1 0 ) 谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线 路产生干扰影响。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是，现 在电力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障 碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。 2 华北电力人学硕上学位论文 1 3 非线性负荷谐波的评估 1 3 1 谐波评估简介 1 9 9 3 年颁布的国家标准电能质量公用电网谐波g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 中， 规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法，该标准适用于交流额定频率为 5 0 h z 、标称电压1 l o k v 及以下的公用电网，标称电压为2 2 0 k v 的公用电网可参 照执行，不适用于暂态现象和短时间谐波。该标准中提出并规定了谐波电压 限值和谐波电流允许值。该标准颁布以来，为中国电力系统的电能质量管理 提供了共同遵守的法则，成为全国进行电网谐波监督管理的基础和依据。谐 波评估，是谐波监督和管理工作中的一个环节，其目的是控制或限制非线性 负荷注入电网的谐波电流，使电网电压谐波畸变率总是保持在国家标准规定 的谐波电压限值一公用电网谐波规划值范围之内。 国家标准g b t1 4 5 4 卜9 3 中，给出了各个电压等级的基准短路容量和全 部用户注入公共连接点的各次谐波电流的允许值，便于在工程实践中使用。 当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，可按实际的最小短路 容量& l 与基准短路容量只2 的比值进行修正，得到全部用户实际的谐波电流 ，豇 注入允许值 2 o 扫。在公共连接点同时连接多个用户时，对于第i 个用 d k 2 户的第h 次谐波电流注入允许值厶，还必须根据该用户与供电公司所签订的 供电协议中，与经济上有关的用电协议容量s i ( m v a ) ，以及公共连接点的供 。一j s j 芝 电设备总容量s t ( m v a ) 和求和指数q 来分配，即： r2 i n 【寸j “该式把用户 l ) f 注入系统的谐波电流允许值与其经济责任联系起来，保证了全部用户负荷运 行时，系统谐波电压畸变率不致超过规划值，可见是比较合理的。在g b z 1 7 6 2 5 4 2 0 0 0 ( i e c6 1 0 0 0 一3 6 ：1 9 9 6 ) 中，也推荐了这种分配方式。综上 所述，谐波电流注入限值，主要是用来评估单个客户的负荷能否在公共连接 点接入系统。 i 3 2 非线性负荷接入的评估 各种各样的非线性负荷和设备在电力系统中会产生谐波，而且接入负荷 的公共连接点分布在各个电压等级的整个电力网络中。供电公司对公共连接 点的电压谐波畸变率，应该控制在国家标准规定的限值之下。所有用户有责 任在公共连接点把注入的谐波电流值减少到国家标准规定的允许范围内。供 电公司和用户必须起协同工作，来保证整个供电系统的谐波电压畸变率处 3 华北电力人学硕学位论义 于安全合理的水平。因此，对非线性负荷接入的评估，已成为各国电网公司 的例行工作。 1 、评估的一般程序 第一级：简单评估。对于低压电气设备或者具有小型低压非线性负荷的用 户，可以不要求详细评估其产生的谐波特征或对供电系统的影响，而按照国 家标准g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 ( i e c6 1 0 0 0 一3 2 ：1 9 9 5 ) 规定的低压电气及电子 设备发出的谐波电流限值( 设备每相输入电流1 6 a ) ，即可判断是否可以接 入。这一条是产品类标准，一般应由产品制造商负责。 对于一般小用户或者非线性负荷数量有限的用户，如果满足( s i s p c c ) 0 1 ，则可以直接接入，而不必作进一步的详细评估。式中，s i 为第i 个用户的用电协议容量，s p c c 为公共连接点的短路容量。 如果不满足上述条件，可以采用加权的非线性设备容量s d 作为判据，如 果( s d s p c c ) 0 1 ，则该用户的负荷可直接接入。式中s d = s d i w j ，其 中s d i 为第i 个用户中的第j 个非线性设备的额定容量，w j 为第j 个设备产生谐 波的加权因子，对于单相整流电源w j 取2 5 ，三相6 脉动变流器根据不同的平 滑环节w j 取0 8 至2 o ，1 2 脉动变流器w j 取0 5 等等。 另外，还可以采用负荷( 设备) 发出的谐波电流，。相对于用户负荷总电流 的比值作为判据，符合表卜l 列出的比值，最p - f 接入。 表i - i 用户负荷接入判据表 谐波次数 571 11 3 r i h = i h i , 5 6 3 - - 4 1 5 3 1 2 5 6 8 表i - i 中，厶是客户负荷所发出的第h 次谐波电流有效值，t 是对应于客 户用电协议容量的基波电流有效值。如果用户已经或者准备安装无功补偿电 容器组，那么，”对于来自供电系统的谐波和可能存在的谐振问题必须进行详 细评估。 第二级：详细评估。按照国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3 规定的谐波电流注入允 许值进行第2 级评估。详细评估的基本原则是：当供电系统处于满负荷，在 公共连接点上所有用户都各自按允许值最大地注入谐波电流时，应保持p c c 的电压谐波畸变率不超过相应的谐波规划值。也就是如何合理地把谐波规划 值分配给每个用户的过程。一般包括如下工作： a 确定公共连接点，收集和掌握包括本级和上一级供电网络的结构和数据 参数以及运行方式。 b 用户提供用电设备的有关参数、接线方式及谐波特性。 4 华北电力大学硕士学位论文 c 通过实际测量或分析预估的方法，确定用户总的谐波电流注入值。 d 实测或分析预估供电系统在公共连接点处的背景谐波值及谐波阻抗。 e 根据实际系统在最小方式下的短路容量和同用户的用电协议容量，按照 国家标准中规定的允许值，核算该用户在公共连接点处各次谐波电流注入允 许值。 f 如果用户的谐波电流注入值超过允许值，必须考虑降低或减少谐波电流 注入的措旌，同时结合所需的无功补偿量，设计谐波滤波器或串入电抗器的 无功补偿电容器组。 g 建立系统网络计算模型，进行模拟运行和仿真计算。 2 、不同性质负荷的评估 绝大多数的谐波问题都与来自工业设备中使用的非线性用电装置有关。 近年来，需要作评估的非线性负荷有工业设备、商业设备、交通设备以及住 宅区用电设备等类型。 3 、评估时应注意的问题 ( 1 ) 在进行详细评估时，要充分考虑到在供电系统和用电设备中可能 存在的各种运行情况和非理想的工作条件，如供电系统侧和用户侧无功补偿 电容器组的投切、谐波滤波器组的投切、不同负荷组合的投切以及供电方式 的改变等 ( 2 ) 对一些变化较快的负荷，要进行谐波时变特性的评估。对谐波电 流注入值的限制，般是指非线性设备注入的稳态谐波。但不同设备所产生 的谐波具有不同的时变特性，严格地说，所有的谐波在幅度上都具有典型的 时交特性。根据国家标准，采用测量时间上9 5 的概率分布值作为谐波测量 值，然后将该测量值与注入允许值作比较：对于那些不经常运行而且运行时 间很短的负荷，其谐波注入限值可以适当放宽。 1 4 国内外研究状况和进展 1 4 1 国外研究状况 国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代，当时的研究主要 是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。7 0 年代后，随 着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日 趋严重，从而引起各国的高度重视。近十几年问电力谐波的研究，已经越过 了电力系统的范畴，渗透到了电工理论、电网络理论、电力电子学、数字信 号处理、计算技术、系统仿真等其它学术领域，并且形成了自己特有的理论 5 华北电力人学硕j ：学位论文 体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理 制度等。目前，谐波研究仍是一个非常活跃的领域。 发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设 备的种类、数量和用电量迅猛增加。针对谐波的大量出现，目前国外己经研 制成功各种谐波测量分析仪，如德国产的n o w a - 1 谐波分析仪、美国产f 4 0 4 1 手持式谐波分析仪和英国产p a 系列高精度电力谐波分析仪等。 电力系统的谐波研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的 关注，国际电工委员会( i e c ) 、国际大电网会议( c i g r e ) 、国际供电会议( c i r e d ) 及美国电气和电子工程师学会( i e e e ) 等国际性学术组织，都相继成立了专门 的电力系统谐波工作组，并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。并且 从1 9 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议( c h p s ) 为这个领 域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入开展口8 3 。 发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设 备的种类、数量和用电量将迅猛增加。例如美国i e e e 学会认为，伴随着当 代一项最重要的科技进步，即电力电子技术的发展，作为非线性用电负荷的 敏感电子器件已经大量涌现。日本电气协同研究会的电力系统高次谐波对策 委员会论述说t 日本当前的重要谐波源依次是电力换流器( 占谐波源总数的 6 6 ) 、家用电器( 占谐波源总数的2 3 ) 以及大型电弧炉。在高技术的电力 电子领域中，换流装置占核心位置n 5 1 引。 对间谐波由于其幅值和谐波比起来通常较低，周期和幅值的变化特性， 及分析和检测方法的限制，至今在国外也鲜有很深入的研究。随着对电能质 量的研究的提高，间谐波的研究必将引起进一步的重视。 1 4 2 国内研究状况 我国谐波研究工作大体上经历了3 个阶段，谐波认识和知识普及阶段； 建立分析和测量手段，进行实际普查的阶段；谐波综合治理阶段h 1 。我国从 8 0 年代开始大量采用硅整流设备，尤其是电气化铁路的迅速发展，推动了硅 整流技术的发展和应用。电气化铁路具有牵引重量大、速度高、节约能源、 对环境污染小等优点，电力牵引己成为我国铁路动力改造的主要方向。目前， 非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分已大大超过了有关标 准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。事实证明：1 9 8 5 年8 月 大同第二发电厂2 号发电机组( 2 0 0 1 d w ) 负序电流保护动作跳闸，造成向首都 供电中断，使北京大面积停电的严重事故；1 9 9 4 年4 月山西晋东南电网解列 事故，都是由于电气化铁道的谐波和负序电流干扰的结果。与此同时，我国 6 华北电力大学硕士学位论文 许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术 会议上，交流了这方面的一些成果“。 同国外的先进技术水平相比较，我国的谐波研究和治理工作仍存在着较 大差距。1 9 8 3 年，a b b 公司在加拿大某铝电解厂安装了6 3 k v ，7 0 m v a r2 1 2 业 用谐波滤波系统；1 9 9 1 年，日本三菱电机公司在日本犬山开关站投运了 1 5 4 k v ，士8 0 m v a 的a s v g ；随之，又研制了2 0 m v a 的a p f 以抑制电弧炉产生的 谐波。很明显，随着我国改革开放和经济建设的发展，我国电网已开始遭遇 并将迅速面临发达国家当前的谐波局面，即非线性负荷随着高新技术的发展 而猛增，电网电压畸变率也将上升。所以为了监测、分析和治理谐波，都需 要研究有关非线性负荷的谐波特性。 谐波一般指频率为工频( 基波频率) 整数倍的成分，而非整数倍基波频 率的成分则称为间谐波。对间谐波的研究，相关的资料很少。现行国家标准 电能质量公用电网谐波( g b 1 4 5 4 9 9 3 ) 也只是对谐波规定了限值和测 量方法，实际上间谐波及其影响广泛存在于电力系统中。如果对间谐波的研 究工作能做到足够深入，必将对提高电能质量有极大帮助。 1 5 本文所做的工作 本文首先对非线性负荷谐波问题在国内外研究现状进行了描述，简单介 绍了非线性负荷接入电网后的评估工作，分析了变频器，电力机车及电弧炉 的谐波特性，在此基础上做了如下一些工作： 1 、对变频调速装置根据其电压等级，是否含有a c l d c l ，及脉动数给出 了详细的评估流程，且通过在m a t l a b 下搭建模型进行仿真得出的数据拟合 出了变频器负载率与其谐波含量间的函数关系式。 2 、对电力机车根据单台机车的谐波含有率，馈电臂上机车的台数，是 否装有滤波器及牵引变和接触网的类型得出牵引变电站高压侧谐波电流的 计算流程，对系统的评估电气化铁道的电能质量问题有很大意义。 3 、详细的介绍了两个谐波的评估实例，分别对福建长乐地区1 0 座1 1 0 k v 变电站进行了谐波分析，对广东韶钢改扩建工程谐波进行了评估，评估方法及结 果已得到认可。 4 、对晶闸管整流系统的间谐波进行了分析。将开关函数法应用于间谐波的 分析，在m a t l a b 中搭建模型证实了晶闸管整流系统的开关函数对间谐波的 调制理论。提出了在此类系统中，p l l 对间谐波产生的影响。比较了系统分别 为开环和闭环，有不同大小背景问谐波，整数次谐波对间谐波的不同影响。 7 华北电力人学硕t - ：学- 位论文 第二章几种非线性负荷谐波特性研究 2 1 变频调速装置( v f d ) 近年来，随着全社会对工业生产、居民生活等各个用电领域节能、环保、 高效等要求的提高，电动机变频调速运行得到极大的关注。而电力电子技术、 微电子技术及电机控制理论的发展为电动机的变频调速提供了技术上的支 持。在这种环境下，电动机调速系统有了很大发展。容量从几十瓦到上千千 瓦的变频调速已投入到工业及商业应用。 2 1 1 变频调速的分类与拓扑结构 变频调速依据电能的变换方式可分为间接变频方式和真接变频方式两 种，如图2 一l 所示。 等哪 专吨匾乎争 b ) 图2 1 变频调速的方式 a ) 间接变频方法 b ) 直接变频方法 问接变频方式又称交一直一交变频方式，是将交流电通过整流器变换为 直流电，再用逆变器将直流电变为频率、电压可调的交流电供给异步电动机。 这种变频器又可分为以下两种类型： 1 ) 电压型变频调速，图2 2 所示： 一 _ _ 一 一 一 i 协f 审 z、2l2 l | c 一 一 l l z 图2 2 电压型p w m 变频器主电路 整流输出经电感电容滤波，具有恒压源特性。逆变器对三相交流异步电 8 华北电力大学硕士学位论文 动机提供可调的电压与频率相关的交流电源。这种变频器以其控制特性好、 可靠性高、便于模块化生产得到最为普遍的应用，接下来的有关讨论中主要 针对这类变频技术。 2 ) 电流型变频调速，图2 3 所示，整流输出经电抗器滤波，具有恒流源特 性，供给异步电动机电压的大小及频率的数值是由输出电流确定的。这种 方式电能可返回电源，适于四象限运行和要求快速制动的场合。 一 j f 一f 、z、 x7 、 #一 f i 。一 f f j f g - - 、 iz、 e7、 7、7 ， ， 一 图2 3 采用p w m 方式的电流型变频器 直接变频方式又称交一交变频方式，是利用晶闸管的开关作用，从频率 固定的交流电源上控制输出不同频率的交流电供给异步电动机进行调速，如 图2 4 所示。 图2 4 输出星形联结方式三相交一交变频电路 由于这种变换方式本身的限制，频率只能做整数分之一的变化且不能超 过同步速运转，限制了这类变频调速技术的应用。但由于这一方法效率高、 投资小，这一调速方法已在中低速领域内，作为驱动大容量异步电动机调速 而被广泛应用“”“”。 9 牛北电力人学顿j ：学位论文 2 1 2 变频器类非线性负荷的评估 通用的变频器类负荷的评估流程如图2 - 5 所示，其中： i 一基波电流大小 t h 次谐波电流大小 。- m 个谐波源时h 次谐波电流大小 l l o k v 图2 - 5 变频器谐波评估流程 分类依据及说明： 1 、低压( l l o k v ) 变频器：高电压变频器到目前为止还没有像低压变频 器那样近乎统一的拓扑结构：目前常用的中高压变频器中使用的变流功率器 件，有s c r ，g t o ，i g b t ，i g c t 等“”。 2 、中高压变频器： ( 1 ) 三电平p w m 电压源型变频器( n p c ) ：整流电路标准配置为1 2 脉冲整流 电路，当电网要求较高时，仍需采用输入谐波滤波器。 ( 2 ) 单元串联多电平p w m 电压源型变频器( c s m l ) ：该变频器采用若干个低 压p w m 变频功率单元串联方式实现直接高压输出，具有对电网谐波污染小、 输入功率因数高、无须使用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置的特点( 1 6 1 o 归纳总结文献 3 0 文献 3 6 后可得各种中高压变频器在不同类型下及 低压变频器在有无电抗器时的谐波含量分别如表2 - 1 ，2 - 2 所示： 1 0 华北电力大学颤i 学位论文 表2 - 1中高压变频器谐波含量( ) 分类标谐波次数 准 v s i c s i 脉动数 5 71 11 31 7 1 92 32 5 2 93 53 7 c s i62 1 1 2 88 86 8 5 34 53 73 22 6 1 2 g f o008 46 9oo32 6o 等 s c r2 61 0 8 66 o2 6 o3 42 5 0 1 71 7 v s i1 2 0 o6 43 3oo1 11 1o 1 82 6 1 6o 70 41 5o 9o 0 0 串联多o o l 0002 7 51 9 3o00 重化 表2 - 2 低压变频器谐波电流含量( ) 类型谐波次数 5 71 l1 3 1 7 1 9 无电抗器 6 54 l8 57 74 33 1 a c l3 81 4 57 43 43 21 9 d c l3 01 38 45 04 73 2 a c l + d c l2 89 17 24 13 22 4 一般配电系统变压器的容量远大于变频器容量的( 如太于1 0 倍以上) 影响小，如1 0 倍以下建议加进线交流电抗器。但当单台变频器容量为3 0 0 5 0 0 k w 时，可考虑使用单独供电变压器，更经济实用或多台变频器总容量较 大时，也可考虑用单独供电变压器。交流电抗器串联在电源与变频器的输人 侧之间，其主要功能有： a 、通过抑制谐波电流，将功率因数提高至( 0 7 5 0 8 5 ) ： b 、削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击； c 、削弱电源电压不平衡的影响。 3 、负载率的影响 如果整流电路直流侧接的是逆变器等负载，则其直流侧电流可能会受到 负载的调制，从而引起交流侧谐波电流的变化以及产生非特征次谐波。故当 v f d 的负载率变化时，谐波电流含有率也将有相应的变化。此处由 , i a t l a b 中 搭建的模型得出典型数据，并由典型数据拟合出谐波含有率随负载率变化的 数学规律如式( 2 一1 ) 到( 2 - 4 ) 所示。 f ，i e i u j 人。譬f 哦i “位i f - ：义 a c 旬c - a cp w mc o n v e r t e r 7o o u t j | e 愀h u e t 口i t n t e i n t o 图2 - 6负载率对变频器谐波含量的影响 由仿真结果可知负载率的变化对1 3 次谐波的影响已经非常小，由所查 文献也可知负载率的变化主要是影响的5 ，7 次谐波，故仅对这几次谐波含 量所受负载率的影响做了研究。 表2 - 3谐波含有率随负载率变化的仿真值 x2 5 5 0 7 5 9 0 1 0 0 15 0 y 5 4 53 42 92 72 62 2 y 7 2 ll18877 yl1 8 76 553 y1 3 53333 3 x 一负载率y h h 次谐波电流含有率( ) 以下为h 次谐波含有率y h 随负载率x 变化的拟合方程及其系数： y 5 ( x ) = p l x 4 + p 2 x 3 + p 3 x 2 + p 4 x + p 5 p 1 = 0 2 3 9 9 ，p 22 1 0 11 ，p 3 = 1 6 17 ， ( 2 1 ) p 4 = 一1 2 6 6 ，p 5 = o 6 8 0 2 少7 ( x ) = p 1 - 石5 + p 2 x 4 + p 3 x 3 + p 4 x 2 + p 5 x 十p 6 p l = 2 7 91 ，p 2 = 一10 8 2 ，p 3 = 1 5 19 ， ( 2 2 ) p 4 = 一9 2 3 2 ，p 5 = 2 0 7 9 ，p 6 = o 0 6 9 5 12 华北电力大学倾i 学位论文 y l j ( x ) = p l x 3 + p 2 x 2 + p 3 x + p 4 p l = o 0 0 7 8 5 6 ，p 2 = - - 0 0 1 6 9 7 ， p 3 = 一o 0 31 4 3 ，p 4 = 0 0 8 8 8 7 咒3 ( x ) = p l 一+ p 2 x 3 + p 3 x 2 + p 4 x + p 5 p l = o 4 3 2 ，p 2 = 一1 6 9 8 ，p 3 = 2 4 6 4 ， p = 一1 6 1 ，p 5 = 0 4 8 3 4 所得为在正常运行情况下( x = 1 0 0 ) 所得值， 波含量厶可用下式算得： ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 考虑负载率x 后的h 谐 = l ( 2 5 ) r， 7 矗 1 1 c ( p k l 一由( 2 - 1 ) ( 2 - 5 ) 式可得负载率x 下h 次谐波含有率； 。一表2 3 中查的满载时h 次谐波含有率； 4 、不同谐波源的谐波叠加计算 电力系统中两个v f d 分别产生的同次谐波之间的相位角为随机变量，按 下式进行合成： 鸩= 鬈+ 鬈+ 琏4 ；山 ( 2 6 ) k h 的估计值如表2 - 4 ： 表2 4 两个谐波源叠加时所需系数 h357l l 1 3 9 ， 1 3 ，偶次 k h1 6 21 2 8o 7 2 0 1 8o 0 8 o 当有m 个谐波源时可按循环的算法两两叠加得出。 降低变频器对电流的畸变影响，最根本的方法当然是尽可能减少或甚至 消除变频器本身电流的波形畸变。为此，各变频器制造商都在努力研究新的 方法，开发低谐波甚至无谐波的变频嚣产品。 目前，已在产品中应用的低谐波技术归纳如下： 1 逆变单元的并联多元化，用2 个或多个逆变单元并联，通过波形移位 叠加，抵消谐波分量 2 整流电路的多重化，简单方式是在p w m 变频器中采用1 2 脉冲、1 8 脉 冲或2 4 脉冲的整流，以减小谐波。 3 逆变单元的串联多重化如前所述的3 0 脉冲的串联逆变单元多重化线 路，其谐波可减到很小。 4 探讨新的变频调制方法， 1 3 华北i 乜力人学硕t 学位论文 2 2 电力机车 2 2 1 电气化铁道概况 电气化铁路运输为采用电力网供电，电力机车驱动的大量物资与旅客的 运输系统。电气化铁路以其牵引力大、速度快、能耗低、效率高、污染小等 优越性在世界各发达国家得到快速发展。我国电气化铁路近年来发展迅速， 现在遍布全国的2 0 个省市、自治区、1 0 个铁路局，电气化铁路里程达2 5 0 0 0 k m 以上，电气化率超过2 5 ，充分展示着电气化铁路对国民经济发展和社会生 活进步的巨大作用。 电气化铁路动力系统主要包括供电系统和牵引系统。由于电力机车的非 线性、单相、冲击特性，电气化铁路的发展会给当地电网电能质量带来一定 的影响。只有对电气化铁路电能质量相关问题进行系统深入地研究，给出电 能质量相关问题分析与评估，才能对电气化铁路和相应的供电系统的设计、 补偿、定值选择等给出具有指导意义的建议n 鲥。 电气化铁路谐波产生的根源是电力机车。电力机车的种类对谐波水平具 有决定性影响。牵引供电系统的接触网向电力机车供给与横坐标成镜像对称 的非正弦谐波。该电流可分解为基波和奇次谐波电流，所以电力机车可理解 为奇次谐波源。电气化铁路谐波的特征谐波为3 ，5 ，7 次，其中3 次谐波电 流含有率最高，随着谐波次数的增加，幅值迅速减少，至1 5 次几乎下降到1 。通过谐波频谱分析可以得到：分别由3 ，5 ，7 次谐波电流和三次以上谐 波电流所产生的各次谐波电压含有率所形成的总谐波电压畸变率之间的比 值为： 婴坠! ! ：