成人教育学院毕业设计

大庆石油学院

毕业设计（论文）任务书题目变压器谐波条件下对电价影响的分析专业电气工程与自动化学号20051325411005姓名宋国玉主要内容：现代电力系统中，随着非线性负荷的不断增加，谐波对电能的污染越来越严重。由于谐波是影响电能质量的因素之一，因此也是在引入竞争机制的电力市场下应解决的主要问题之一。电价是电力市场下调节电能交易的杠杆，研究谐波对电价的影响对电力市场下电能的合理交易、供电市场的电价调节具有重要的指导作用。本设计要求针对变压器谐波条件下对电价影响进行研究，并仿真。基本要求：1、分析并计算谐波条件下变压器的各种损耗；2、分析并计算谐波条件下对变压器设备的其他方面的影响；3、综合研究变压器在谐波的影响下对电价产生的影响，利用仿真分析结果；4、撰写毕业论文，准备答辩。主要参考资料[1]陈志业，尹华丽，李鹏，电能质量及其治理新技术[J].电网技术，2002.[2]李令冬，陈国生，谢列宾，叶伟，电能质量标准与电能质量监督管理[J].电世界，2002.[3]田莉莉，吴为麟，电能质量的改善及监测[J].能源工程，2002.[4]王学军，刘建安，白起翔，罗强圣，电力市场营销学[M].北京：中国水利水电出版社，2000.[5]肖遥，李澍森，开放竞争的电力市场与电能质量[J].华中电力，2001.[6]云瑞军，电力谐波对旋转电机及变压器的影响分析[J].内蒙古石油化工，2001.摘要现代电力系统中，随着非线性负荷的不断增加，谐波对电能的污染越来越严重。由于谐波是影响电能质量的因素之一，因此也是在引入竞争机制的电力市场下应解决的主要问题之一。电价是电力市场下调节电能交易的杠杆，研究谐波对电价的影响，对电力市场下电能的合理交易、供电市场的电价调节具有重要的指导作用。变压器是电力系统中联系不同电压等级网络不可缺少的电气设备，广泛存在于各级网络中，本文在建立变压器谐波模型基础上，通过理论推导和Matlab仿真，分析由谐波在变压器中产生的磁滞损耗、涡流损耗、绕组损耗等，重点研究了变压器在谐波的影响下对电价产生的影响。本文的研究结果对评估电能质量对电力市场下电价的影响具有重要的意义。关键词：谐波；变压器；损耗；电能质量；电价AbstractInmodernelectricpowersystems,withtheincrementofthenon-linearloads,thereisaseverepollutionofthepowerqualitybecauseofharmonic.It'soneofthemainfactorstoaffectthepowerqualityandasevereproblemofintroducingcompetitiontoelectricitymarket.Electricitypriceisaleverforpowerbusinessinelectricitymarket.Itisimportanttoregulatereasonablebusinessofpowerandelectricitypriceofpowersupplymarketbyresearchingtheharmonicinfluenceonelectricityprice.Transformerisimportantelectricequipmentthatcontactsdifferentvoltageclassesnetworkinpowersystems,andexistineveryvoltageclasses.Weanalysistheharmonicinfluenceontransformersuchashysteresisloss,eddycurrentlossandwindingloss,andresearchtheeffectonelectricpriceintransformerunderconditionofharmoniccarefully.Theresultofthispaperhasimportantmeaningtoevaluatetheaffectionofpowerqualitytoelectricitypriceinelectricitymarket.Keywords：harmonic；transformer；loss；power；quality；electricity；price目录第1章概述1.1引言11.2本课题研究的背景和意义11.3本文的主要工作61.4小结6第2章谐波影响下变压器损耗的计算2.1电力系统谐波的产生及其危害72.2磁滞损耗92.3涡流损耗102.4绕组损耗102.5谐波影响下变压器的等效电路112.6谐波影响下变压器参数的确定112.7谐波条件下变压器温升及寿命的计算132.8小结17第3章变压器在谐波影响下对电价的影响3.1我国现行电价的情况及电价改革183.2变压器在谐波影响下对电价的影响223．3小结28第4章计算机仿真4.1Matlab

简介294.2变压器损耗的仿真304.3谐波对电价影响结果分析334．4小结34结论参考文献致谢第1章概述

1.1引言现代社会中，电能作为一种清洁、高效的能源，已经得到了最为广泛的使用，而对电能的应用程度则是反映一个国家经济发展水平的主要指标之一。电能作为一种特殊的商品，与其它产品不同，既具有以商品形式向用户出售的性质，又具有为千百万电力用户服务的公用事业性质。电能的特点之一是不能方便地储存，且是发、供、用同时完成并由用电量的多少来决定供电量的多少，因此保证对用户连续不断供电是电能质量的一个重要标志。近年来随着科学技术的不断创新和国民经济的蓬勃发展，以及未来电力市场的形成与推进，对电能质量的要求越来越高。同时，由于电网干扰性负荷的日益增多，使得电能质量受到诸多方面的影响。电能这种商品的质量不仅仅取决于生产者(如发电厂)，还受到电力用户，尤其是干扰性负荷用户的影响，而且这种影响带来的电能质量下降还会随电网的延伸而危及到其它用户的正常用电。如果电能质量的指标偏离正常水平过大，就会给发电、输变电和用户带来不同程度的危害及损失，故电能质量的优劣会直接关系到国民经济的总体效益。1.2本课题研究的背景和意义

1.2.1电能质量的基本概念所谓电能质量，是指把发电厂发出的电能视为一种商品，从而对它的各种技术指标做出相应的规定，以判断其是否符合要求。在理想的交流供电系统中，三相交流电压是平衡的，它的均方根值和频率都应该是恒量，电压和电流的波形为正弦无畸变，理想供电系统的这些指标应与用户的负荷无关。而用户负荷应设计成在额定电压和频率下具有最佳的运行性能，各个负荷之间互不干扰，功率因数接近１。而在实际情况中，虽然发电机输出端的电压波形十分接近标准正弦波，但电能在输送过程中会受到各种用电负荷(尤其是干扰性负荷)的影响，其频率和电压是不可能维持不变的，导致到达用户受电端的电压、电流会偏离正弦波形而发生畸变。

尤其是近些年来，由于高压直流输电系统的应用和大量变频器、整流器、电弧炉等非线性负荷的接入，电网中谐波污染情况日趋严重；由于个别超高电压输出电线路不循环换位和电力机车等大容量非对称负荷的接入，三相电压的不对称度比较严重；由于大容量的轧钢机、电弧炉的应用，电网中电压的波动和闪变也时常发生。此外，电压及频率的稳定也会受到负荷波动的影响。以上这些现象，均属于电能质量方面的问题，这些影响电能质量的问题会使电气设备寿命缩短、电网损耗增大、系统发生谐波谐振的可能性增加，还会引起继电保护和自动装置误动、仪表指示和计量不准以及产生通信干扰等一系列问题，因此，电能质量问题不仅对电网的安全稳定运行不利，而且会对用户用电和工农业生产造成不利的影响。

1.2.2电能质量的重要性信息技术的发展，使基于微处理器控制的设备得到迅速普及和发展。未来不少用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转换或控制。这些装置给人们的生产、生活带来方便和效率的同时，使电力系统的非线性负荷明显增加，谐波污染加重，从而导致矛盾的局面：系统一方面要承受电力电子装置带来的污染，又要用它来消除这种污染，提高电能质量[1]。大功率的非线性、冲击性和不对称性负载接入电网，使电能质量下降，严重地影响电力运行和人民的生活质量。为了保护供用电双方的利益，必须将电能质量指标限制在一定的范围之内。为此，国家技术监督局从1990年至2000年制定并颁布了五个电能质量标准[2]由此可以看出电能质量的重要性，主要表现在以下几个方面：1.现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高。许多新的电器和装置都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感[3]。2.电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的需要，维护用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签订供电合同和质量协议的方式以获得保证。3.电力网的各部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免因用户设备产生的电力干扰，维护电网安全运行。因此电能质量已经成为一项系统工程问题。4.电网电能质量的恶化带来了很多问题，诸如变电所因谐波引起保护装置异常发生及误动、表计指标异常、继电保护调试困难、主变发出异常声音、电机烧损、电能计量误差大等严重威胁电网及用电设备的安全经济运行；谐波功率的损失也是一个不容忽视的问题，它加剧了电网线损，减少了系统设备的使用寿命，增加了供电成本。1.2.3国际电能质量的标准干扰性负荷会引起电能质量的恶化，为了保证电网和用电设备的安全经济运行，各先进工业国家或国际组织都制定了相应的电能质量标准，供电负荷的干扰其实质是电磁兼容（EMC）问题，即干扰发射器和干扰承受者能否在同一电磁环境下正常运行，亦即他们是否兼容。协调的方法是制定出合理且配套的规定值。所谓合理，既包括技术上可行，又包括经济上节约，以及各方面的认可。1989年，欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准。1992年7月欧洲电工标准化委员会（CENELEC）正式颁布《公用配电系统供电特性》文件（CENELECLC/BT-TF68-6(sec)15）,作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准，并已成为国际电工委员会（IEC）采用。1.2.4我国电能质量的标准我国电能质量标准的工作起步比较晚，在1990—1995年之间，国家技术监督局（原国家标准局）相继颁布了5项电能质量的有关标准，即：GB-12325-90《供电电压允许偏差》，GB-12326-90《电压允许波动和闪变》，GB/T15543-95《三相供电电压允许不平衡度》，GB/T14549-93《公用电网谐波》，GB/T15945-45《电力系统频率允许偏差》。1.2.5电能质量扰动分类电力系统中影响电能质量的各种扰动主要可分稳态和动态两大类。稳态电能质量问题波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及其噪声等；动态电能质量问题通常以频谱和动态扰动持续时间为特征，可分脉冲和振荡两大类。有关电能质量扰动问题，一直引起各国的密切关注。IEEE第22标准协调委员会（StandardsCoordinatingCommittee22）（电能质量）和其他国际委员会最近推荐采用11种专用术语来说明电能质量的主要扰动，现就这些扰动进行简要介绍：1.断电（Interruptions）在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于0.1p.u.）称为断电。2.频率偏差（FrequenceDeviations）遵循各国自己的标准。3.电压骤降（VoltageSags）持续时间为0.5周波～1min，幅值为0.1p.u.至0.9p.u.，系统频率仍为标称值。4.电压骤升（VoltageSwells）电压（或电流）暂时性超过标称值10％者称为电压骤升。系统频率仍为标称值，持续时间为0.5周波～1min，幅值为1.1p.u.至1.8p.u.。5.瞬时脉冲或突波（Transients）瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的足迹振荡波第一个尖峰。6.电压波动（VoltageFluctuations）电压波动是在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9～1.1p.u.范围的一系列电压随机变化。这种电压变换往往称为闪变（flicker）。闪变这个专用术语是来自电压波动对照明灯的视觉影响。对输配电系统产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。7.电压切痕（VoltageNotches）电压切痕是一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电压切痕主要是由于电力电子装置在两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率非常高，用常规的谐波分析设备很难测量出。这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。8.谐波（Harmonics）含有基波整数倍频率的正弦波电压和电流称为谐波，产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波分量之和。谐波是由于电力系统和电力负荷中的非线性特性造成的。随着用电设备对谐波敏感性的日益增加，高次谐波越来越受到注意并规定了限额。9.间谐波（Interharmonics）含有基波的非整数倍频率的电压和电流称为间谐波，小于基波频率的分数谐波（FractionalHarmonics）也属于此类。间谐波主要来源于静止变频器、循环换流器、感应电动机和电弧发生装置。10.过电压（Overvoltage）过电压是指电压幅值超过标称电压10%且持续时间大于1min。11.欠电压是指电压幅值小于标称电压10%～20%且持续时间大于1min。1.2.6我国电力市场的建立随着我国社会主义市场经济体制的确立，传统的垄断行业打破高度集中的垄断管理体制并走向市场成为必然趋势。我国提出了电力改革的总体思路——推进厂网分开，引入竞争机制，建立规范有序的电力市场。从政府宏观角度看，这项改革政策的出台基于两点考虑：一是目前供需矛盾已基本缓和，改革时机已渐成熟；二是通过改革，可以遏制工程造价越来越高，导致电价攀升的不良势头。就电力企业本身而言，市场改革可以发挥市场机制的对资源配置的基础作用，实现人力、资金、燃料等电力资源的优化配置，实现产业结构的调整，促进企业技术进步，提高管理水平和经营效益。另外，市场的价值规律和信息传导作用还可以有效地调节电力的供需平衡。近年来现代科技迅猛发展，也为电力市场化提供了可能。1.2.7电能质量问题在电力市场中的重要性商品价格是商品价值的货币表现。商品价格围绕商品价值上下波动。影响商品价格的因素主要有：（1）供求关系，商品供不应求，价格上涨，供过于求，价格下跌；（2）国家政策，国家可通过制定最低限价来保护生产者的利益，或通过制定最高限价来保护消费的利益；（3）商品质量，质量高则价格高，质量低则价格低。对于电力用户，用电量与电力的价格成反比。价格越低，用电量越大；价格越高，用电量越小。而对于供电方，电力的需求量与电力的价格成正比。在保证系统稳定运行的条件下，价格越高，供给量越多；价格越低，供给量越低[4]。在开放与竞争的电力市场中，电网可以择优选择高质量、低价格的电厂上网，电力用户也可选择电价合适，同时电能质量较高的供电公司来为其提供电力[5]。我国目前即将开放发电侧电力市场，随着电力市场运行体制的不断完善，必将开放输电、配电和供电的电力市场。正像商品的价格和商品的质量有关，电能作为一种特殊的商品，也具有商品的属性，因此在电能的交易中，电能的质量最终影响着交易价格。1.2.8变压器在电力系统中的作用变压器是电力系统中联系不同电压等级网络不可缺少的电气设备，广泛存在于各级网络中。一般的说从发电，供电一直到用电，需要经过三到四次的变压过程。因此不仅变压器的总台数要超过发电机的总台数，同时运行变压器的总容量也远超过运行发电机的总容量，并且也超过运行电动机的总容量[6]。所以说变压器在电力系统中占有十分重要的地位。因此，研究变压器在谐波的影响下对电价的影响，是分析电能质量对电价影响的基础性工作。1.2.9本课题研究的意义谐波存在于发电、输电和配电的各个环节，产生大量的谐波损耗。谐波通过对变压器的影响，使电力变压器发热增加，加速绝缘老化，使用寿命降低。使供电的电能质量下降，影响着供电价格，进而也影响着供电企业的经济效益。因此研究谐波对变压器的影响，进而研究由此导致的对电价的影响就显得十分重要了。开放的电力市场下电能质量最终会成为确定电价的主要依据。由以上分析可以看出，本课题的意义在于，通过建立变压器的谐波模型可以分析谐波对变压器损耗和寿命的影响，并最终分析对电价的影响；即针对实际中特定变压器的运行参数，分析其在不同水平谐波下对电价的影响。本文的研究结果对未来评估电能质量对电力市场下电价的影响具有重要的意义。对未来电力市场下电能的合理交易、供电市场的电价调节具有重要的指导作用。1.2.10本课题的国内外研究现状谐波对变压器的影响，国内主要是定性的分析。谐波电压可使电力变压器的磁滞及涡流损耗增加，使变压器运行能耗升高，并使变压器内部绝缘材料承受的电气应力增大而影响其使用寿命；而且谐波电流可使变压器铜耗增加。另外，3次及其整数倍零序谐波在角接绕组中形成环流将使变压器绕组过热。若谐波严重时还会产生绝缘老化、局部过热、噪声增大等现象，所有这些都将严重危害变压器的正常运行，缩短其使用寿命。对于谐波条件下的变压器的模型已经有了文章进行的论述，而对于由此对电价产生的影响却没有论述。国外在这个问题上已经有了一些研究。在计算变压器内由于谐波产生的损耗已经有了比较具体的计算。但是并没有涉及到对电价的影响。由此表明本课题的研究具有学术意义，对电力市场下电价的调整具有重要的参考价值。1.3本文的主要工作本文以电力系统中最重要的电气设备变压器作为研究对象，来研究变压器谐波状态下对电价的影响。具体完成以下几个方面的工作：1.建立谐波条件下的变压器的模型，推导出谐波条件下变压器损耗的关系式；2.利用变压器温升公式，推导出谐波条件下变压器温升公式；3.由于谐波的影响使得变压器发热，进而造成变压器的寿命降低，则推导出寿命变化与谐波的关系表达式；4.研究变压器在谐波影响下对电价的影响；5.使用Matlab6.5这一强大的计算工具进行仿真；6.初步探讨电能质量各要素对电价的影响，并为以后的研究工作奠定基础。1.4小结本章主要讲述了课题研究的背景和意义，介绍了电能质量的基本概念，以及变压器在电力系统中的作用，对于电能质量在电力市场中的重要性也做了简单的阐述。第2章谐波影响下变压器损耗的计算变压器是借助于电磁反应，以相同的频率，在两个或更多的绕组之间变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。它是电力系统中联系不同电压等级网络不可缺少的电气设备，广泛存在于各级网络中。一般的说从发电，供电一直到用电，需要经过三到四次的变压过程。因此不仅变压器的总台数要超过发电机的总台数，同时运行变压器的总容量也远超过运行发电机的总容量，并且也超过运行电动机的总容量。所以说变压器在电力系统中占有十分重要的地位。变压器中的损耗可以分成铁耗和绕组损耗。铁芯损耗和电压的关系，绕组损耗和电流的关系我们已经清楚。铁耗是变压器铁芯内的励磁电流引起磁通变化产生的损耗，它只占变压器损耗的小部分。绕组损耗包括I2R和附加损耗，由于高负载谐波电流使得绕组损耗占很大部分，我们将讨论变压器在谐波成分影响下的损耗。2.1电力系统谐波的产生及其危害电力系统谐波并不是一个新问题。谐波现象早在二十年代就已被人们认识到了，但谐波作为污染成为一个突出问题却是现代新技术应用所引起的。因为当代许多高新技术均是与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的转化及控制相关。现在电力电子技术以其快速、灵活、准确、连续可控的特点，能够实现对上述参数的精确控制和高效率的处理，

特别是能够实现大功率电能的频率转换，从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。电力电子技术在发电、输电、用电、配电等方面的广泛应用提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和经济性。但另一方面，这些新技术的应用也将大量大功率的非线性负荷和非线性元件带入电力系统，引起系统中电流乃至电压波形的畸变。随着新建电气化铁路和现有铁路电气化改造的快速发展，电力牵引负荷已成为电力系统中一个重要谐波源。电力牵引具有功率大、效率高、适应性强等优点，是我国铁路牵引动现代化的发展方向。牵引符合不仅引起电压波形畸变，而且是不对称的。因此，随着电力机车的大量投入使用，越来越多的谐波和负序电流将被注入到电力系统中。谐波污染对电力系统产生严重危害。谐波现象会造成电力电容器组的严重过电流，影响其正常运行，降低使用寿命，据统计约4000的电容器损坏事故均与谐波有关；谐波电压中含有的高频成分将造成用电和输电设备过热、过载和损耗加大；高次谐波引起的电压波形畸变对利用电压波形控制的自动装置和保护，可能造成误动或拒动；此外，由于谐波的存在，通讯线路也将出现噪音和危险的感应电动势。由此可见，谐波造成电力系统的危害和不良影响。为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示的下列波形畸变指标。1.畸变波形的方均根值和峰值周期性电流和电压的瞬时值都随时间而变，在工程实际中常采用方均根值这个数字特征量来衡量电流和电压的大小。以周期电流i(t)为例，它的方均根值定义为：（2-1）方均根值俗称为有效值。在时域分析中，可将一个周期T分成N个等时间间隔T/N，对i(t)作N次等间隔采样。设时刻的电流采样瞬时值为，则此电流的方均根值的算式为：

（2-2）在频域分析中，此电流方均根值的算式为：（2-3）由此可见，非正弦周期性电流的方均根值，等于其各次谐波电流方均根值平方和的平方根值。所以，非正弦量的方均根值只和其所含各次谐波的方均根值有关，而与它们的相位无关。电压方均根值有相同的定义和算式：（2-4）2.谐波含有率（HR）电压和电流的波形畸变所含的某次谐波的含有率，反应畸变波形中谐波所占的比率。电压畸变波形的第h次谐波电压含有率等于其第h次谐波电压方均根值Uh与其基波电压方均根值的百分比：

（2-5）电流畸变波形的第h次谐波电流含有率等于其第h次谐波电流方均根值与其基波电流方均根值的百分比：

（2-6）3.总谐波畸变率（THD）电压和电流波形畸变的程度，常以其总谐波畸变率来表示，作为衡量电力质量的一个指标。各次谐波含有率的平方和的平方根值称为总谐波畸变率THD。电压的总谐波畸变率：（2-7）式中表示基波电压的方均根值，但有的用额定电压代替。电流的总谐波畸变率：（2-8）2.2磁滞损耗磁滞现象的产生是由于铁磁材料中的磁畴在外磁场作用下，发生扩大和倒转，彼此之间产生“摩擦”，由于这种“摩擦”的存在，当外磁场停止作用后，与外磁场方向排列一致的部分磁畴被保留下来，不能恢复原状，因此形成了磁滞现象。在反复磁化过程中，由于磁畴不停的转动，互相“摩擦”，要消耗能量，因此引起损耗，称为磁滞损耗[7]。

在非正弦条件下由磁滞现象引起的损耗可表示为式（2-9）：（2-9）式中：：磁滞损耗(W)；：谐波次数；：n次谐波电压（V）；：基波电压（V）；：n次谐波电压初相角（度）；

S

：铁心材料系数。式（2-9）表明磁滞损耗的大小与基波电压成反比，与谐波电压成正比，与功率因数成正比，并与铁心材料系数成有关。谐波电压越高，功率因数越大则磁滞损耗越大。2.3涡流损耗当铁芯的磁通发生变化时，根据电磁感应定律，铁芯内将产生呈现旋涡状的涡流。涡流在铁芯内引起的损耗称为涡流损耗。其计算式如（2-10）：（2-10）

式中取决于电磁波的透入深度,的表达式如下：