獨立小容量供電系統瞬時脈沖型諧波分析研究

林新東

（總政直工部軍博工程管理辦公室，北京 100032）

獨立小容量供電系統瞬時脈沖型諧波分析研究

林新東

（總政直工部軍博工程管理辦公室，北京 100032）

介紹了獨立小容量供電系統的特點并針對供電系統中常見的幾種瞬時脈沖型諧波進行了分析，仿真結果表明瞬時脈沖型諧波對小容量供電系統的影響應予以考慮。

小容量系統 諧波 同步發電機

0 引言

獨立小容量供電系統是相對于傳統公用電網供電系統而言，公用電網是以大容量、高電壓為主要特征的單一集中式供電系統，而小容量供電系統是將容量較小的電源布置在用戶附近，獨立向負載輸出電能的供電系統，供電方式靈活、方便，廣泛應用于船舶、工礦企業、海上石油鉆井平臺等場合，同時既可作為一些重要用戶的備用或應急電源，又可與公用電網聯網運行，提高公用電網的供電可靠性[1]，其顯著特點是系統短路容量小、電源內阻抗不能忽略[2]。在供電系統運行過程中，會出現線路接地故障、變壓器接入過程中的涌流、大型負載突變以及電動機啟動過程等短時波形畸變的現象，這些現象在公用電網中可以忽略，但是在短路容量比較小、電源內阻抗相對較大的獨立小容量供電系統中影響不可忽略，伴隨短時波形畸變產生的諧波電流注入到電網中，諧波電流經電源內阻抗后引起電網電壓波形畸變，進而降低電能質量。

1 獨立小容量供電系統的特點

與傳統大電網相比，獨立小容量供電系統有以下幾個特點[3-4]：

1) 系統電源類型及容量。公用電網一般由很多大容量的機組并網組成，而獨立小容量供電系統一般由一臺或數臺容量較小的發電機并網組成供電電源，如柴油發電機組、蓄電池、風力發電機組等，這些電源提供的電能有限，且內阻抗較大。系統容量有時甚至達不到大功率負載的需求，因此電源不能等效為無窮大。

2) 電網結構。公用電網常用高壓遠距離輸電以便擴大覆蓋面，而獨立小容量電網多為低壓近距離輸電，通常選用電纜，以降低遭受雷擊和外力破壞的可能性，但是可能在系統中發生高次諧振，在線路上引起過電壓，還可能使電壓波形出現尖峰，加速電纜絕緣老化。

3) 配電裝置。獨立小容量供電系統一般采用低壓近距離輸電，相對公用電網而言，使用變壓器、電能轉換裝置比較少。

4) 負載類型。公用電網包含各種負載，而獨立小容量供電系統根據使用場合不同供電的主要負載也不同，如用于船舶上時主要負載是電動機、照明和導航儀等，用于海上石油鉆井平臺時主要負載是電動機，用于通信站時主要負載是電子精密儀器，作為備用電源時一般向一級負載供電。

2 瞬時脈沖型諧波

瞬時脈沖型諧波主要有供電系統發生接地故障、大容量負載突變或變壓器涌流等短時現象產生[5]，其主要特點是產生諧波的過程比較短暫，在獨立小容量系統中不能自行消失，因此會對電源或用電設備帶來不利的影響。考慮到供電系統中一般以5、7、11、13次諧波含量較大且對系統的影響較為嚴重，因此文中主要分析由這些短時波形畸變帶來的諧波中5、7、11、13次的含量[6]。

以三相四線制TN系統為例，如圖1所示，向電動機供電，zs表示電源內阻抗，開關K2模擬大容量電機接入與退出，K3模擬單相接地故障。當大容量電機突然接入系統或發生單相接地故障時，電流波形發生畸變，向系統中注入諧波，其等效電路如圖2所示。

在圖2中，諧波源是瞬時的，向系統注入的諧波分兩部分流向電源和負載，有：

流經電源內阻抗產生諧波電壓us1:

3 仿真分析

瞬時脈沖型諧波種類較多，以供電系統發生單相接地故障為例，使用MATLAB軟件為仿真平臺[7]，設置電源容量為100 kVA，電源內電感為4.59 mH，X/R值為5，諧波源為整流負載，仿真電路如圖所示。設置仿真時間為0.14 s，在0.04 s至0.11 s時間范圍內發生接地故障。

仿真結果如圖4所示，圖4(a)表示電壓仿真結果，圖4(b)表示電流仿真結果。針對接地發生前及發生時的電流波形，分別用快速傅里葉分解，電流諧波含量分析圖如圖5所示，圖5(a)表示故障發生前負載電流的諧波頻譜，圖5(b)表示故障發生時負載電流的諧波頻譜。

分析接地故障發生前和發生時負載電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）和每次諧波含量，如表1所示。

由圖4、圖5可知，接地故障發生時，電壓和電流波形發生了變化，發生前電流THD為0.22%，接地故障發生時電流THD增加到1.85%，在獨立小容量系統中，由接地故障引起的諧波電流經過電源內阻抗后將引起電壓的畸變。如表2所示。

4 結論

相比于傳統大電網，獨立小容量電網供電方式靈活、方便，但是由于其短路容量較小，在考慮系統諧波問題時不能忽略電源內阻的影響。瞬時脈沖型諧波類型較多，以接地故障為例，通過仿真系統發生接地故障時負載電流的諧波頻譜，進而分析瞬時脈沖型諧波源對系統影響，接地故障發生時會改變負載電流總諧波畸變率和某些次諧波的含量。

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Research on Instantaneous Pulse Harmonic in Independent Short Capacity Power System

Lin Xindong
(The Office of Military Museum Project Management in Straight Ministry of the General Political Department, Beijing 100032, China)

This article introduces the characteristic of low capacity power system and analyzes the instantaneous pulse harmonic. Simulation results indicate that the effect of instantaneous pulse harmonic to low capacity power system needs to be considered.

low capacity power system; harmonic; synchronous generator

TM46

A

1003-4862（2013）11-0001-03

2012-12-21

林新東（1972-），男，工程師。研究方向：工程施工與管理。