電力系統(tǒng)諧波負(fù)載模型分析與研究

摘 要： 隨著用電非線性負(fù)載的不斷增加，電力系統(tǒng)中的諧波畸變問題日趨嚴(yán)重。討論了常見的非線性負(fù)載，構(gòu)造出一個(gè)110 kV變壓為400 V，經(jīng)整流變頻等電路給異步電機(jī)供電的完整的非線性負(fù)載仿真模型，僅其三相橋式整流電路模塊的諧波畸變率就大于32%，在模型中加入消諧模塊后諧波成分大大降低，仿真結(jié)果表明其非線性負(fù)載的諧波總畸變率不大于1.40%，符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為企業(yè)提供防范和治理諧波的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng)； 諧波分析； 負(fù)載模型； 整流變頻

中圖分類號： TN710?34； TM401 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0115?04

Analysis of power system harmonic load model

LU Hui?hui1， SU Cheng?yue1， ZHANG Wen?jia2， ZHOU Huai?jie1， LIU Jing?tao2， LIU Li?bin1

（1.Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China； 2.Guangzhou Power Supply station Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China）

Abstract： As the nonlinear load power increases， the harmonic distortion problem in power systems is serious. The common nonlinear load is discussed in this paper. A complete nonlear load simulation model was constructed to supply power to asynchronous motor by the rectifier frequency circuits and a transformer converting 110 kV to 400 V. Only the harmonic distortion rate of the third phase bridge rectifier circuit module is more than 32%， but harmonic components is greatly reduced by adding a harmonic elimination module in the model. The simulation results show that the total harmonic distortion rate of the nonlinear load is not more than 1.40%， which complies with the relevant state standards， and provides a theoretical base of harmonic prevention and control for enterprises.

Keywords： power system； harmonic analysis； load model； rectifying frequency conversion

0 引 言

諧波使電能質(zhì)量下降，影響發(fā)電、供電和用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，產(chǎn)生較大的危害已得到公認(rèn)。目前國內(nèi)外對電力系統(tǒng)的諧波分析大部分都是研究公用電網(wǎng)諧波的整體狀況，沒有對諧波負(fù)載進(jìn)行細(xì)化分析。研究方向主要包括有：公用電網(wǎng)諧波評估[1?3] 、諧波對計(jì)量的影響[4]、諧波的檢測方法[5?7]、針對諧波的濾波設(shè)計(jì)[8?9]等。較少深入研究負(fù)載內(nèi)部產(chǎn)生諧波的機(jī)理。本文從電動(dòng)機(jī)、整流器等具體負(fù)載著手，建立相應(yīng)的理論模型分析其產(chǎn)生諧波的原因，為深入地開展諧波研究提供理論依據(jù)。

1 電子電力變流電路產(chǎn)生諧波原理

電子電力變流電路包括：交流/直流變換器又稱整流器、直流/交流逆變器、交直交變頻器等。其中應(yīng)用最廣泛的是整流器，很多負(fù)載模型都是基于整流電路建立的。常用的整流設(shè)備有二極管和晶閘管構(gòu)成的單相和三相整流器。從控制的角度區(qū)分，有不控、半控、全控之分。目前采用全控的PWM方式6脈沖整流較多，如圖1所示，下面對a相電流波形進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開有：

[ia=23πIdsinωt-15sin5ωt-17sin7ωt+111sin11ωt+113sin13ωt-117sin17ωt-119sin19ωt…] （1）

三相電流相角依次相差120°，其有效值與直流電流的關(guān)系為[I=23Id]，當(dāng)控制角[α≠0]時(shí)，只需用[ωt-α]代替[ωt]代入上式即可。則電流基波與各次諧波有效值分別為：

[I1=6πId，In=6nπId， n=6m±1] （2）

式中：[n]為特征諧波次數(shù)，[n=pm±1，][p]為逆變器脈動(dòng)數(shù)，[m]為正整數(shù)。

2 基于Matlab構(gòu)造負(fù)載模型

2.1 整流器模型

圖1（a）中，原理圖電路由三相交流電源[Ua，Ub，Uc，]整流變壓器T、晶閘管VT1～VT6、負(fù)載[R]以及觸發(fā)電路組成，由于晶閘管的單向可控導(dǎo)電性能，在負(fù)載上可以得到方向不變的直流電，改變晶閘管的控制角，可以調(diào)節(jié)輸出直流電壓和電流的大小。晶閘管觸發(fā)電路輸出脈沖與電源同步是電路正常工作的重要條件。三相橋式全控電路是應(yīng)用最廣泛的整流電路，六個(gè)晶閘管依次相隔60°觸發(fā)其必須采用雙脈沖觸發(fā)或?qū)捗}沖觸發(fā)方式，以保證每一瞬間都有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。三相橋式整流電路的仿真使用模型庫中的三相橋和觸發(fā)器的集成模塊，其仿真模型如圖1（b）所示，仿真波形分析如圖2所示。

表1 三相電流各次諧波含量及總畸變率 %

[諧波次數(shù)＼3＼5＼7＼9＼11＼13＼15＼17＼19＼THD＼A相＼0.14＼25.68＼11.41＼0.13＼10.57＼6.02＼0.13＼6.58＼3.82＼31.56＼B相＼1.39＼25.51＼10.48＼1.36＼9.63＼4.73＼1.17＼5.49＼2.84＼30.54＼C相＼1.53＼26.65＼10.41＼1.45＼10.64＼5.59＼1.19＼5.98＼4.20＼32.20＼]

三相電壓源SPWM逆變器是在通用變頻器中使用最多的，仿真模型如圖3所示。

通過對整流和逆變電路模型的建立和諧波分析，可以看出兩者產(chǎn)生的總諧波畸變率很高，電流諧波畸變率甚至達(dá)到42.54%，表明逆變電路是電力負(fù)載的一大諧波源。

2.2 交流電機(jī)模型

交流電機(jī)是一個(gè)多變量非線性系統(tǒng)，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及控制技術(shù)遠(yuǎn)比直流電機(jī)復(fù)雜。為了設(shè)計(jì)一個(gè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都較為理想的交流調(diào)速系統(tǒng)，需要建立起交流電機(jī)合適的數(shù)學(xué)模型。三相異步機(jī)的模型是首先將三相輸入電壓變換為二相坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）上的電壓，同時(shí)也將計(jì)算所得的二相電流轉(zhuǎn)換為三相坐標(biāo)系上的電流[10]。交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

[n=60f（1-s）p] （3）

式中：[n]為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；[f]為電動(dòng)機(jī)電源的頻率；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；[p]為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。由上式可知，轉(zhuǎn)速[n]與頻率[f]成正比，只要改變頻率[f]即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制（V/F）其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，能夠滿足大多數(shù)場合交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的要求。

圖3 三相逆變電路模型及諧波分析圖

圖4是一個(gè)V/F控制變頻調(diào)速仿真圖，圖中由直流電源經(jīng)過逆變器變成交流電給交流異步電機(jī)供電。逆變器由PWM控制，控制PWM的頻率就可以控制電壓的大小，進(jìn)而可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最下面的部分就是V/F恒壓控制部分。

對電路B相諧波電流分析如圖5所示，B相的總畸變率（THD）為2.45%，主要的成分還是5次、7次、11次諧波，分別占有1.73%、1.19%、0.74%，符合特征諧波次數(shù)[n=6m±1。]

圖5 交流電機(jī)諧波分析圖

3 綜合仿真實(shí)驗(yàn)分析與研究

前面已介紹各分立負(fù)載模型，下面是綜合的非線性負(fù)載模型，電路包含變壓器、整流器、中間直流電路、逆變器、濾波器、異步電機(jī)等，如圖6所示。該電路由110 kV的電壓經(jīng)過變壓器降為400 V，然后經(jīng)過整流變頻電路，再添加一個(gè)無源LC濾波器分別給三相電路進(jìn)行濾波，參數(shù)經(jīng)過計(jì)算和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對高次諧波進(jìn)行最大的抑制，如圖7所示，最后給異步電機(jī)供電，以及通過反饋環(huán)路控制PWM的頻率就可以控制電壓的大小，進(jìn)而可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速如圖6下部分，最后測出各相電流的諧波成分見表2，其畸變率大大降低，總畸變率為1.4%。

表2 A，B，C三相的電流畸變率 %

[次數(shù) /次＼3＼5＼7＼9＼11＼13＼15＼17＼19＼總畸變率＼A相＼0.14＼0.94＼0.66＼0.14＼0.34＼0.21＼0.12＼0.16＼0.15＼1.34＼B相＼0.19＼0.95＼0.63＼0.25＼0.22＼0.07＼0.19＼0.06＼0.01＼1.40＼C相＼0.11＼0.83＼0.88＼0.16＼0.23＼0.28＼0.18＼0.15＼0.16＼1.40＼]

4 結(jié) 論

本文基于Matlab建立電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波負(fù)載仿真模型，仿真結(jié)果表明，對采用6脈波變流器的負(fù)載，產(chǎn)生的諧波含量比較符合理論公式，可控變流裝置交流側(cè)電流含6k±1（k為正整數(shù)）次諧波；各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比；與基波有效值的比值為諧波的倒數(shù)。通過綜合構(gòu)造出一個(gè)110 kV變壓為400 V，經(jīng)整流變頻等電路給異步電機(jī)供電的完整的非線性負(fù)載模型，在模型中加入濾波器后的仿真結(jié)果表明，其非線性負(fù)載的諧波總畸變率不大于1.40%，諧波成分大大降低，符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為企業(yè)減少向電網(wǎng)注入諧波成分提供參考。

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