电力电力中间谐波的污染及治理

电力电力中间谐波的污染及治理

0间谐波分布的准确计算近年来，随着大量能源系统的使用和振动器负荷的增加，电气系统中的波形污染日益严重。间谐波会危及供电系统的安全稳定运行,影响用电设备的正常稳定工作间谐波的参数测量是实现间谐波治理的前提,在实际应用中存在要准确获得间谐波分布的需求,例如,火力发电机组的次同步振荡分析、新能源发电机组的次同步和超同步振荡分析,都需要准确计算间谐波含量及频谱分布关于间谐波的测量,目前常用的分析方法仍是傅里叶变换,国家标准GB/T17626.7规定了间谐波测量方法。本文介绍了GB/T17626.7标准所规定的间谐波测量方法,从工程应用的角度分析了国标中间谐波测量方法存在的一些不足,针对其不足提出了一种多窗口宽度的主导间谐波频谱分布的算法,该算法能够简单、快捷和准确地计算主导间谐波频谱分布。最后结合工程案例验证该算法的可行性和有效性,对间谐波的工程治理具有指导意义。1国家规定的间歇式波形测量方法1.1间谐波测量方法及结果国标GB/T17626.7规定的间谐波测量方法,推荐采用10周波矩形窗DFT算法标准中谐波群集有效值:n次谐波群集有效值G式中:G标准中谐波子集有效值:n次谐波子集有效值G标准中间谐波群集有效值:n次间谐波群集有效值G式中:G标准中间谐波中心子群有效值:n次间谐波中心子群有效值G由上述可知,国标中规定的间谐波测量方法采用10周波DFT算法,间谐波测量结果取值采用间谐波群集和间谐波子集计算。在实际应用中国标规定的间谐波测量方法存在以下不足:1)间谐波测量采用间谐波群集和间谐波中心子群,只有集合的中心频率不能得到每个间谐波分量的准确幅值、频率、相位信息2)当信号中只含稳态的基波、谐波和特定的间谐波,且采样为同步采样(同步误差在IEC标准要求范围内)时,采用10周波DFT可以较精确地估计信号的基波或某次谐波间谐波分量。但在实际工程应用中电压、电流是波动的,采用10周波DFT算法,一般情况下很难实现同步采样,可能存在频谱泄漏和栅栏效应问题,间谐波频谱分量的能量分散到其邻近的间谐波或谐波频率分量上,对间谐波测量造成较大影响。实际工程应用中准确知道间谐波的频谱分布,对间谐波治理有很大的帮助,可以减少间谐波对系统的危害,保证供用电设备的安全稳定运行。1.2间谐波分布的测量构造含有基波、谐波以及间谐波的仿真信号为式中:f=50Hz;T=20/256ms;n=1,2,3⋯。仿真信号中的基波频率为50Hz,采样的频率为12800Hz,一周波256点。信号采用国标规定的间谐波测量方法分析时,对于基波信号、100Hz谐波和75Hz间谐波为整周期截断,87.5Hz间谐波为非周期截断,仿真结果如图3所示。如果采用4周波(信号整周期)时间窗信号分析,基波、谐波和各次间谐波为整周期截断,仿真结果如图4所示。由图3可以看出,测得的基波、谐波和75Hz间谐波无频谱泄漏;87.5Hz间谐波为非周期采样,存在频谱泄漏和栅栏效应;见频谱图中显示的80Hz、85Hz、90Hz和95Hz间谐波,这些间谐波实际是不存在的,是由87.5Hz间谐波频谱泄漏和栅栏效应造成的。由图4可看出,信号整周期截断,无频谱泄漏和栅栏效应,可准确测得75Hz和87.5Hz间谐波的频谱分布。由图3和图4分析可知,采样周波数不一定越多越好,需要根据实际情况选择合适的周波数才能准确测量间谐波。采用国标规定的间谐波测量方法,间谐波测量结果只测得间谐波群集或间谐波中心子群的有效值,无法准确确定75Hz和87.5Hz间谐波的频谱,而且存在频谱泄漏和栅栏效应问题,测得结果存在一定的误差。在实际工程应用中准确知道每个主导间谐波(幅值含量较大的间谐波)的分布,对间谐波治理有很大的帮助,可以减少间谐波对电力系统的影响。由上述分析可知,国标规定的间谐波测量方法不适用于实际工程应用中精确描述间谐波的测量。2间谐波分布的确定—主导间谐波分布的工程算法针对国标间谐波测量方法在实际工程应用中存在的不足,结合实际工程应用中间谐波情况:实际电力系统中电压电流信号是波动的,间谐波是未知的。下面提出一种适用于工程应用中多窗口宽度的主导间谐波频谱分布的快速算法。此间谐波计算方法简单、方便、快速,弥补了国标中的一些不足。该主导间谐波频谱分布的算法步骤如下:1)基于国标间谐波测量方法,先对测量信号采用10个周波DFT分析,即分辨率为5Hz,粗略得到信号频谱图。2)根据10周波DFT间谐波分析测得的间谐波频谱,记下谐波单谱线有效值。令谐波单谱线有效值X3)根据10周波DFT间谐波分析测得的间谐波频谱,利用国标谐波群集计算公式,计算出谐波群集。令电压或电流谐波群集有效值为4)计算出谐波群集和谐波有效值的比值K5)当比值K6)对此谐波附近10周波DFT测得的间谐波频谱分析,是否存在频谱泄露和栅栏效应情况。因为在10周波DFT分析中,得到的频谱频率间隔为5Hz,其他频率的间谐波由于栅栏效应未能得到;而且信号的采样序列是有限长的。有限长信号进行周期序列延拓时,其边界有可能不连续,造成10周波DFT分析时存在频谱泄漏,导致测得的间谐波有些是不存在的。如果某两个间谐波较大且相邻,需要对存在间谐波附近的谐波重新作DFT分析,为减小计算量和分析时间首先采用4周波分析,再分别采用8、16周波分析(如果采用更多的周波数虽然分辨率增大,但会增加计算量和分析时间)。进一步验证主导间谐波频谱分布的准确性。7)找到某个间谐波最大且其相邻的间谐波相对不大时,确定其间谐波频谱分布。此时,频谱泄漏最小,确定其主导间谐波分布。主导间谐波分布的工程算法流程图如图5所示。3间谐波分析某低压台区在串补装置投运后,末端工厂用户的空压机运行时经常出现电机发热甚至烧毁、个别漏电保护器跳电(灯具和空调)、灯光闪烁等现象。该低压台区末端电力用户为工厂,工厂主要用电负荷是电梯、电机、空气压缩机、试验灯具用的变压器(220V/12V左右)、LED灯具和空调等。其低压供配电系统图如图6所示。根据多窗口宽度的主导间谐波频谱分布的算法,首先对供配电系统线路末端电压进行10周波DFT间谐波测试分析,谐波群集和无群集(谐波单谱线)有效值的比值用谐波含有率95%概率大值的比值代替,求其比值K由表1可以看出,K由表2可以看出,2次谐波附近0.7、0.8次间谐波较大,且0.7、0.8次间谐波相差不大,其他间谐波较小。有可能是0.7~0.8之间某一间谐波频谱泄露导致的,或附近还存在其他间谐波。为验证是否是0.7~0.8之间某一间谐波频谱泄漏造成的结果,对此谐波附近作4周波DFT分析,得到间谐波的95%概率大值见表3。由表3可看出,0.75次间谐波较大,为验证是否存在他间谐波,对此谐波附近进一步作8周波DFT分析,得到间谐波的95%概率大值见表4。由表5可以看出,在0.75次间谐波时较大,在其周围间谐波时较小,因此,确定此工程案例中存在0.75次间谐波。对4、8、10、16周波DFT分析结果作频谱分布图,如图7所示。由图7可知,此案例存在0.75次主导间谐波。这是0.75次间谐波分量造成的。4、8、16周波都分析出0.75次间谐波,但随着采样点增加,会造成计算量增加。因此,此案例只采用4周波DFT分析,就能确定主导间谐波频谱分布,减小计算量。从此案例间谐波分析可知,本文多窗口宽度主导间谐波频谱分布算法适用于实际工程应用,只要根据实际情况选择合适时间窗,保证频谱泄漏最小,就可快速有效地确定主导间谐波频谱分布情况。4主导间谐波分布的工程算法本文分析了国标中规定的间谐波测量方法,通过仿真验证了其在实际工程应用中存在的不足。对工程应用中主导间谐波的分布与算法进行了研究,得到了以下结论:1)国标中规定的间谐波测量方法,测量的是间谐波群集或间谐波中心子群(两个谐波之间间谐波组的值),不能精确描述间谐波的频谱分布。2)本文主导间谐波分布的工程算法,计算量小,可以简单快速、比较准确地确定主导间谐波的频谱分布。该算法按照国标间谐波测量方法先确定主导间谐波存在的范围,然后根据间谐波的频谱分布,确定是否存在频谱泄漏和栅栏效应问题;最后选择合适采样周期,确定主导间谐波的频谱分布。采用本算法,得到准确的主导间谐波的频谱,在实际工程应用中对治理间谐波、减小间谐波对系统的危害起到关键的作用。3)本文研究的主导间谐波分布的工程算法,尚存在一些不足。在实际电力系统中信号是波动的,其含有的间谐波分量是未