信号分析与系统仿真Word下载.docx

信号分析与系统仿真Word下载.docx

《信号分析与系统仿真Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号分析与系统仿真Word下载.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电能作为现代社会的重要能源之一，广泛应用于工农业生产、人民生活、国防科技等各个领域。

随着电力系统规模的飞速发展，人们对电能质量的要求越来越高。

谐波是目前电力系统中存在的最普遍现象，是电能质量的主要指标。

电力系统谐波是电能质量的重要参数之一。

随着电子技术的发展,尤其是可控硅技术的发展,非线性负荷急剧增加,其所产生的谐波电流大量注入电网,使电压正弦波形畸变,电能质量下降,威胁电网和其他用电设备的安全经济运行。

谐波已成为污染电网的公害,同时谐波给供电企业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。

必须采取措施加以限制。

因此了解谐波及其给电网带来的危害,治理谐波污染,确保电能质量,仍是电力部门以及用电单位的当务之急。

一、谐波的概念

谐波这一名词起源于仿生学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基本循环（或基波）频率的倍数频率振动。

对电气信号也与此相仿，谐波被定义为一个信号量，改信号的频率是实际系统频率（及发电机所产生的频率）的整数倍。

即谐波是一种频率为基波整数倍的系列正弦波。

这些不同频率、幅值的系列正弦波,使系统正弦电流、电压产生不对称。

电力系统所指的谐波是稳态工频倍数的波型。

电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压则不属谐波范畴。

二、电力系统中谐波产生的原因

电力系统中谐波产生的原因主要有以下三个方面：

1.电源本身谐波

由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分稍稍偏离正弦波，由此产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。

2.输配电系统产生的谐波

在输配电系统中则主要是变压器产生谐波，由于其铁芯饱和时，磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变也就越严重，再加上设计时出于经济性考虑，使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段，从而产生谐波电流。

3.由非线性负载所致

电力系统负荷端大量的大功率换流设备和调压装置的广泛应用,而这些电设备具有非线性特征，即使供给的是标准的正弦波电压，也会产生谐波电流注入系统，给电网造成大量的谐波，这是电网主要的谐波源。

三、谐波对电力系统的危害和影响

1.对系统设备的危害和影响

由于谐波的存在可能引起多种不良的效应,如串、并联谐振引起的过电压、过电流、机械谐振等,从而引起过热、绝缘老化、轴扭振等。

1）为了补偿负载的无功功率,提高功率因数,常在变电所安装并联电抗器。

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,电容器的容抗比系统的感抗大得多,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几十倍,对系统特别是对电容器和与之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,这类事故占有很高的比例。

2）谐波对旋转电机和变压器的影响主要是引起附加损耗和过热,其次是产生机械震动、噪声和谐波过电压。

这将缩短电机的寿命,严重时甚至会损坏电机。

谐波电流流入变压器时,增加了它的铜损耗和铁损耗。

随着谐波频率的增高,集肤效应加剧,铁损耗也更大。

谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热,并可能引起变压器局部过热。

3）硅整流器、电力电子器件在各行各业得到广泛应用。

这些设备大到整流和逆变装置,小到电池充电器、不停电电源等。

一方面这些装置是一种谐波源,产生谐波并注入电网;

另一方面,外部畸变可影响换流器和整流装置的运行,引起控制系统失控,导致晶闸管故障,从而给换流装置带来不良影响。

4）数字电路所用逻辑组件都有各自的阀电平和与之相对应的干扰信号容限,如果谐波的干扰超过其容限,就可能会破坏触发器和存储器所保存的信息,排除干扰后,它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹,系统也不会再恢复到原来的工作状态。

即使含有微处理器的系统程序没有遭到破坏,若地址总线受到干扰,也会有程序失控的危险,使系统进入预想不到的状态,甚至陷入意外停机状态。

2.对系统运行的影响

由于谐波的存在,通过电气传导、电磁感应等方式影响电网、继电保护及自动装置、计量系统和通讯远动系统正常工作。

1）谐波电流通过电网会在线路上产生有功功率损耗。

一般来说,谐波电流与基波电流相比,所占比例不大,但谐波频率高,导线的集肤效应使谐波电阻增加比基波电阻增加要大,因此谐波引起的附加线路损耗也增大。

导线的直径愈大,因集肤效应而使谐波频率下的电阻增大愈明显,谐波产生的附加损耗也愈大。

对于架空线路来说,由于谐波的存在,当谐波电压与基波电压波峰重合时,其电压峰值可能超过允许值而产生电晕,使电晕损耗增加。

流过电网中断路器的电流含有较大的谐波时,在电流过零点处的di/dt可能要比正常时大得多,从而使断路器的断开能力降低。

有的断路器的磁吹线圈在谐波电流严重的情况下不能正常工作,从而使断路器无法断开以致损坏。

2）电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能,引起各类保护和自动装置的误动或拒动,如发电机的负序电流保护、主变压器的复合电压起动过流保护、母线差动保护、线路的距离保护和高频保护、自动准同期装置等。

尤其是对各种以负序过滤器为起动元件的保护的干扰最大,这类保护按负序基波量整定,整定值小,灵敏度高,在电气铁路、电弧炉等谐波源又是负序源的干扰下,很容易发生误动,严重威胁电网安全运行。

3）随着谐波频率的增大,电能表误差向负方向增大,即实际计量的电能越来越少,但对线性负荷而言,基波功率方向与谐波功率方向相同,因此感应式电能表所计量的电能大于基波电能,但小于基波

与各次谐波电能之和;

对非线性负荷而言,基波功率方向与谐波功率方向相反,因此感应式电能表所计量的电能大于基波与各次谐波电能之和,但小于基波电能。

其次一些电度表是接在PT、CT二次侧,从而测量大用户消耗的电能的,谐波的存在会使PT、CT的原、副边波形不完全相符合,也会使电度表产生计量误差。

4）高次谐波的存在对附近的通信设备和线路产生信号干扰,影响通信网络正常的通信载波工作。

如对电话线而又通常音频通道的工作范围约为200～3500Hz,而电力系统的许多谐波就在这个频率范围内。

所以电力系统的谐波将引起电话杂音。

在极端情况下,谐波对通信网络的干扰甚至能威胁通信线路及人身安全。

四、管理与治理谐波污染的建议

谐波既降低电网效率,又污染了整个电网。

根据国内外谐波治理经验,谐波污染问题应遵循综合治理的原则,从加强谐波管理和技术措施上人手。

4.1加强谐波管理

电力管理部门应严格监督实施电网谐波管理有关规定。

另外,电网各电压等级均允许存在一定比例的谐波,因此需按公正的原则,合理分配用户注人电网的谐波限值,制订出相应的奖惩法

规,对超限者按比例及用电容量给予经济处罚。

4.2采取技术措施

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或者消除注人系统的谐波电流,以便把谐波电压控制在限定值之内。

近年来电子电力设备的迅速发展所造成的谐波污染越来越严重，使电力系统越来越敏感，电子电气设备翻造厂家也面临压力，要求降低产品谐波电流。

下面介绍消除系统谐波电流措施。

1）变频启动的消谐措施

以前的电机启动都装有电压源转换器和电流源转换器。

这种做法可产生相当大的电流谐波分量。

因此变频启动（Ⅵms）技术近几年得到迅速发展，美国已进入商业应用。

采用变频启动可以降低谐波电流（总谐波电流畸变可减到10％）、减少功率消耗、减少变压器铁心发热。

图1为变频启动接线图。

这种方法综合电压畸变的降低和系统阻抗特性有关，包括阻抗数和原有畸变水平。

如果变压器阻抗低，电流畸变相对较高；

如果变压器阻抗高，电流畸变则相对较低。

图1变频启动接线图

a．具有扼流圈的变频启动

多数变频启动装置上都装有直流扼流圈（Knkchoke），其接线如图2。

扼流圈是脉动滤波电路上一个简单的电感器，它抑制了到电容器去的电流对时间的变化率（di／dt），使峰流变低。

扼流圈一般能降低40％～60％的电流畸度，这是很典型的以扼流圈代替3相输入电抗的做法，这种技术也可以应用到其它电气设备上。

b．具有输人电抗器的变频启动

当选用变频启动装置时，一般都装有3相输人电抗器（inputreactor），接线如图3。

输入电抗器的作用是消除高频噪声，增强对涌流效应的保护及减少谐波。

c．专用脉冲系统

对于大容量（370kw以上）电机启动，可采用两个脉冲启动组成一套专用的12脉冲系统。

这种系统具有均分负荷能力，并能产生12脉冲

启动，该系统又可构成两组基本组合：

其一,两台隔离变压器各自独立，其中一台接成△／Y结线，另一台接成△／△结线，总接线图见图4。

这种结线方式用于降低大功率6脉冲启动产生的谐波电流。

其优点是两台变压器型号相同，任何一台发生故障时更换比较容易．缺点是投资较高，因为需要两套保护。

其二，采用一台隔离变压器，但具有两个二次绕组，初级绕组接成△结线，次级绕组一组为Y形，另一组为△形，具体结线如图5。

这种接线，使变压器一次侧的谐波降低。

优点是安装费用低，只需一套保护，但发生故障时更换起来费时较多。

这种方法可以有效消除约90％的谐波影响。

应用这种方法能使输入端的电流波形更接近正弦波形（见图6）从而满足电能质量要求。

几种主要变频启动消除谐波措施比较如图7所示。

2）移相消谐

电力系统的谐波同样受基本电流规律制约．当进行代数相加时，被移相的两个电流将部分或全部抵消，这取决于两种电流的大小和相角差。

因此系统谐波电流可以通过不同支路或负荷问形成的相位移而减少，如果两个电流幅值大小相等并被移相l80度，这两个谐波电流可自然抵消为零。

a．△／△和△／Y结线变压器

采用△／△和△／Y结线变压器供变频启动用负荷，可以消除谐波电流，一般可降低5次7次谐波。

同样原理，如移相15°

角，则可降低11次和13次谐波。

b．‘z’形接线自耦变压器

‘z’形结线（即曲折结线）自耦变压器是一种特殊结构的变压器。

这种变压器能抑制3倍频（3、6、9·

⋯·

·

）的谐波电流，并且阻止其从负荷逆向流往电源。

图8即为‘z’结线变压器的接线原理图。

为严格校准‘z’结线变压器，必须事先了解产生的基本3倍频电流情况，可由制造厂家或实验室获得相关资料。

3）滤波器消谐

为了减少谐波电流由负荷经线路流向电源，经常采用滤波器对特定谐波进行过滤或对来波波形自动采样以消除谐波。

滤波器分为无源滤波和有源滤波两种，其选用取决于具体运行状况。

a．无源滤波器

所谓无源滤波器（passive6lter），即应用无源元件（如电阻器、电感器和电容器进行组合，形成对谐波电流进行抑制电路达到消除谐波的

目的。

当有多种谐波存在时，可应用一组滤波器，其中每个对应一个不同的频率。

作为消谐电路RLC的作用，主要取决于R、L、C元件的额定值及电路的结构方式（串联还是并联）。

RLC电路调节频率时对谐波电流表现为或高或低不同阻抗，这样即形成无源调谐滤波器。

调谐滤波器通常与系统线路并联，电感电容串联，这样在选定的频率时对谐波电流呈现最小阻抗，因此大部分谐波电流在设定的频率处通过滤波器被分流并远离电流，于是这种电流在谐波源和滤波器间循环。

滤波器原理接线及阻抗特性如图9所示。

如有多个频率谐波需要滤除，则必须安装多级滤波器。

在应用滤波器时需仔细分析考虑，因为滤波器对谐波源呈串联连接，同时又和电源阻抗形成并联共振电路，一旦发生共振就可能导致电流被放大。

有鉴于此，使用滤波器前进行系统模拟是非常必要的，然后用相应仪表测量有关电流、电压、谐波和功率因数。

进行计算机模拟的第一步是建立系统模型，然后用相应仪表测量有关电流、电压、谐波和功率因数。

进行计算机模拟的第一步是建立系统模型，然后将假设的滤波器放人所建系统模型中，位置要靠近谐波负荷源。

先给滤波器赋予额定试验值，然后对每一关注的频率，每条母线谐波电流，电压畸变的波幅和方向进行计算，同时应考虑谐波共振。

如果得不到满意结果则需要变换位置和滤波器赋值、反复进行直到获得满意结果为止。

b．有源滤波器

有源滤波器（acdvemter）是一种新技术设备，这种新技术不但为有效滤除谐波创造了条件，而且有的滤波器还可对电网谐波、负序电流以及无功功率进行综合性补偿。

它可以连续、快速、灵活地调节无功功率、稳定电压和改善功率因数。

有源滤波器与无源滤波器主要区别在于有源滤波器是一种能向电网注入补偿谐波电流、以抵消负荷所产生的有害谐波电流主动式滤波装置。

有源滤波器还能消除无源滤波器的某些消极影响。

有源滤波能显示电压、电流波形、计算畸变频谱，然后产生并注入一预定波形和相位移电流到电力系统中的消除谐被。

有源滤波器的原理接线见图lO。

这种方法可以用单级滤波器滤除多种谐波，因此有源滤波器绝不会象无源滤波器那样和电源阻抗形成谐振电路。

有源滤波有高可控性、快速响应性和补偿消谐效果好的特点，且体积小、维修容易。

目前在国外发展很快，我国一些部门在该项技术开发研究上也有突破。

五、结束语

综上所述，谐波污染是伴随电力工业诞生就存在的。

近年随着高压直流输电、大型无功补偿等技术应用以及电子工业的飞速发展，大量非线性负荷在电力系统出现，致使谐波成为一种有害性污染。

为了获得洁净而合格的电能，谐波治理已成为电力工业必须认真对待的当务之急。

美、德、日等国对谐波治理起步早、发展快、成果好。

我国对此技术研究也已起步，某些项目已取得成果。

但距谐波污染的彻底解决还有一定距离，本文所介绍的众多办法，繁简不一，效果不同，各具特点，选用哪一种要因地制宜。

就长远看，有源滤波技术是最有前途的；

而一些简单实用、投资少、见效快的办法在当前也不失为实用选择。

随着新技术的发展，经过世界各国电力科技人员的努力，新的更完善、更先进谐波污染治理技术将不断出现，便捷而洁净的电能将会作为新世纪的主要能源继续造福人类。