毕业论文--配电网电能质量分析及改善措施研究.doc

摘要随着屯力系统的发展，电力生产正在由计划经济向市场经济转变，在电力市 场条件下，供电表现为一种商业服务行为，电能作为一种商品，同其它商品-•样 具有质量属性，而用户对电能质量的要求越来越高因此，保证良好的供电质量 是电力市场的客观需要，同时，也是促进社会文明、安定的重要因素电能质量指的是电网中各点电压或电流的幅值与波形符合标准的程度，它的 优劣由屯网的结构和负荷的性质两个方面确定随着电力电子技术的发展，电力 系统中出现了大量非线性负荷，这些非线性负荷向电网注入大量的谐波电流并引 起三相电压不对称他另外，电力系统中的冲击负荷也引起电压波动和闪变，不 对称负荷引起三相电压不平衡以上因素造成电能质量的下降，严重影响了人们 的正常生产和生活本文分析了屯能质量下降的原因及其危害，介绍了目前国内外改善电能质量 的若干种方法作者还针对一城市配电网的电能质量现状进行了调查，分析了其 电网结构，并对其电能质量进行了测量、计算，最后，在此基础上提出了改善该 城市配电网电能质量的措施，以指导电网的规划、建设与管理，具有理论意义和 重要的实用价值关键词：电力市场，电能质量，谐波第1章绪论1.1电能质量问题的提出随着电力系统电源的发展，电力生产由计划经济向市场经济转变，用户对电 能质量的要求将会愈来愈高。

在电力市场条件下，供电表现为一种商业服务行为, 电能作为一种商品，同其它商品一样具有质量属性供电质量不同，成本就不同, 只有供电的价格与供电质量相联系才能建立一个真正的电力市场作为供电部 门，以最小的成木提高电能质量是电力市场的客观需要同时，对人民生活的供 电是一种公益事业，保证良好的供电质量，也是促进社会文明、安定的重要因素电能质量指的是电网中各点电压或电流的幅值、频率、波形等参量符合标准 的程度主要有五个指标,L2-3-41： （1）电压偏差；（2）频率偏差；（3）谐波含量；⑷ 电压波动和闪变；（5）三相电压不平衡电压偏差和频率偏差主要决定于电网的 结构、系统无功补偿设备和调压、调频手段以及电网调度的合理性传统上，对 电能质量关注的指标是频率偏差和电压偏差，而对电力污染的重视不够，致使这 些指标不断恶化，严重威胁着电力系统的安全经济运行尤其是信息技术的飞速 发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中大量投入 使用，它们对系统干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高如 不及时地、很好地加以解决电能质量问题，将会造成大量的经济损失⑸随着电力电子技术的发展，电力系统中出现了大量非线性负荷。

例如冶金、 化工、矿山部门大量使用晶闸管整流电源，许多工业部门中大量使用变频调速装 置，铁路电气机车采用单相整流电源，以及电力系统的高压直流输电等，这些典 型的非线性负荷向电网注入大量的谐波电流并引起三相电压不对称⑹，目前，国 际上己公认“谐波污染"为电网的公害另外，电力系统中的冲击负荷引起电压的 波动和闪变，不对称负荷引起三相电压不平衡电能质量的下降严重影响了人们的正常生产和生活，近几年因电气设备损 坏、继电保护误动、通讯干扰事故而涉及电能质量的纠纷也时有发生电能质量 关系着电网的安全经济运行，是工业产品质量的保障，对降低能耗及人类生活环 境等产牛重要影响现代工业和科学技术中的精密仪器设备，复杂的控制系统和 工艺流程，对电能质量的要求越来越高，因此电能质量关系着国民经济的总体效 、h血O1.2国内外研究的现状电力系统的电能质量表现为电力系统的电磁兼容性，所谓电力系统的电磁兼 容性EMC指的是电力系统中的毎一个电气设备应在其所处的电磁环境中正常工 作，并减少其对电力系统的干扰提高电力系统的电磁兼容性，已成为国内外电 力工作者极为关注的闯题目前与EMC相关的国际组织很多，最重要的是国际 电工委员会(IEC)o IEC下设78个技术委员会(TC)o TC■力主要研究低压网络中电 气设备之间的电磁兼容性的有关标准与法规，与电力系统关系最为密切。

1981—1986年公布的一系列出版物中，提出了电气设备在供电网中引起谐波、电 压波动等干扰，提出了干扰的测量与计算方法，并规定了限值随着生产的发展，我国对EMC的研究工作也口渐重视1984年首先由中国 电子学会、中国电机工程学会、中国铁道学会在重庆联合召开了全国环境电磁学 学术会议(即第一届全国EMC学术会议)，内容涉及工频、音频、射频、视频 等方面的干扰1990年在北京召开的第三届EMC学术会议上涉及内容更为广泛, 提出了关于EMC方而的宣传教育问题，同时还举办了国际EMC展览会为了改善电能质量，国内外电力工作者作了大量的研究，提出了多种电能质 量分析方法，同吋也研制出一系列的补偿装置，为改善电力系统的电能质量创造 了有利的条件近年来，作为用户电力技术的一个重要部分，电能质量分析与补 偿技术的研究取得了长足的进步，基于数字技术的各种分析谐波方法已在以下领 域中得到了广泛应用⑺：1. 分析各种扰动源引起的波形畸变；2. 分析谐波在网络中的传播；3•开发各种电能质量控制装置，分析这些装置在提高电能质量方面的作用装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器这种方法既可补偿 谐波，又可补偿无功功率，由于它结构简单、运行可靠、维护方便，因此摄到了 广泛的应用。

这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和 系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁此外，它只能 补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想，尽管如此，LC滤波器当前仍是补 偿谐波的最主要手段⑻目前，谐波抑制的一个重要趋势是釆用有源滤波器有源滤波器也是一种电 力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个 与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量 这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻 抗的影响，因而受到广泛的重视，并己在日本等国获得广泛应用［%对于作为主要谐波源的屯力屯子装置来说，除了采用补偿装置对其谐波进行 补偿外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且 功率因数为1大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将多个 方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波对于小容量 整流器，为了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加PWM斩波的方式 这种屯路已在开关屯源中获得了广泛的应用I⑼由于电能质量问题的日益严重，提高电能质量的新技术已成为近年来电力系 统研究领域中新的研究热点。

目前，国外乂兴起了研究“用户特定电力”的高潮， 提出利用电力电子控制器提高配电网的电能质量〔⑼随着计算机技术的不断发 展，以此为基础.的诸如时域仿真、频域分析以及建立在不同变换基础上的各种 数字技术，已在分析电压电流扰动波形、元件参数对这些扰动的影响、系统中的 谐波以及开发用以解决电能质量问题的新型电力电子控制器等方面得到了广泛 应用1・3本文的主要研究内容本文结合禹城电网的电能质量的测量对电能质量状况和改善进行了研究，本 论文工作主要体现在以下几个方面：1、 对几种常见的电能质量分析方法如傅立叶变换、基于瞬吋无功功率理论 的谐波检测方法等进行简要的分析、介绍2、 采用现场测量对禹城电网的谐波进行了测量，实时测量方式对电能 质量中其他指标的状况进行具体调查、测量3、 根据测量的数据对配屯网的屯能质量情况进行分析4、 根据分析结果找岀影响配电网电能质量的主要因素并提出相应改善措 施第2章电能质量下降的原因、危害与监测方法、分析2・1电能质量下降的原因电力系统中的非线性负荷向电网注入大量的谐波电流并引起三相电压不对 称，公用电网中的非线性负荷（即谐波源）主要是各种电力电子装置（含家用电 器、计算机等电源部分）、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。

在电力电子装 置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机在 电力电子装置大量应用之后，它成为最主要的谐波源发电机是公用电网的电源，在设计发电机时，采取了许多削弱谐波电动势的 措施，因此，其输出电压的谐波含量是很小的国际电工委员会（I EC ）规定 发屯机的端电压波形在任何瞬间与其基波波形Z差不得大于基波幅值的5 %因 此，在分析公用电网的谐波时，可以认为发电机电动势为纯正弦波形，不考虑其 谐波分量⑴】变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的，励磁电流的谐波含量和 铁心饱和程度直接相关，即和其所加的电压有关正常情况下，所加电压为额定 屯压，铁心基本工作性范围内，谐波电流含量不大但在轻载时电压升高， 铁心工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加另外，在变压器投入运行过程、 暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波W电弧炉的谐波主耍是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的电弧长度的 不稳定性和随机性，使得其电流谐波频谱十分复杂电弧炉工作在熔炼期间谐波 屯流很大，当工作在精练期间时，由于屯弧特性较稳定，谐波屯流较小卩叫荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因此也会引起严重的谐波电流，其中3 次谐波含量最高⑴】。

近30年来，电力电子装置的应用H益广泛，也使得电力电子装置成为最大的 谐波源在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大目前，常用的整流 屯路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相 桥式整流电路为最多带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后 己为人们所熟悉直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染 源这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而慕波功率 因数接近1但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总 的功率因数很低另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力 电子装置也会在输入侧产牛大量的谐波电流W除上述电力电子装置外，逆变器、直流斩波器和间接DC—DC变换器的应用 也较多但这些装置所需的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功功率 问题也很严重在这类装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的 用量越来越大，其对电网的谐波污染问题也日益突岀特别是单台功率虽小，但 数量及其庞大的彩色电视机、个人计算机和各种家用电器及办公设备，其内部大 都含有开关电源，它们的H益普及所带来的谐波污染问题是非常严重的〔川。

另外，炼钢电弧炉既是谐波源，也是电压波动、闪变的筆事者，同时还是不 对称负荷在屯弧炉的熔化期，由于屯弧燃烧极不稳定，屯极经常短路和断路， 因而它的基波电流和谐波电流变化都很大，三相不平衡很严重I"］电力机车是单相整流负荷，它在消耗电能的同时向供电系统注入大量的高次 谐波，而且还产生不平衡电流由于电气化铁道的容量很大，目前大约占总负荷 的10%以上，而且分布很广，因此，电力机车是影响而较大的污染源另外，家 用屯器大都是单相负荷，同样产生不平衡屯流U2】2.2电能质量下降的危害谐波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几个方面I⑹：1•谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用 电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾为了 补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装有并联电容器为了提高系 统的电压水平，常在变电所安装并联电容器此外，为了滤除谐波，也会装设由 电容器和电抗器组成的滤波器在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗 大的多，不会产生谐振但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小, 就可能产生并联谐振或串联谐振这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍， 会对系统，特别对电容器和与Z串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和 电抗器烧毁。

在由谐波引起的事故中，这类。