热加工厂电能质量的分析与治理方案研究.docx
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热加工厂电能质量的分析与治理方案研究
分类号密级
UDC注1
学位论文
精机热加工厂电能质量分析与
治理方案研究
（题名和副题名）
张文强
（作者姓名）
指导教师姓名杨伟副教授
企业导师高级工程师
申请学位级别工程硕士专业名称电力系统及其自动化
论文提交日期2012.12论文答辩日期
学位授予单位和日期南京理工大学
答辩委员会主席
评阅人
年月日
注1：
注明《国际十进分类法UDC》的类号。
工程硕士学位论文
热加工厂电能质量的分析与治理方案研究
作者：
张文强
指导教师：
杨伟副教授
高级工程师
南京理工大学
2012年12月
M.SC.Dissertation
powerqualityanalysisandmanagement
By
ZhangWenQiang
SupervisedbyAssociateProf.YangWei
S.E.
NanjingUniversityofScience&Technology
December,2012
声明
本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。
与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。
研究生签名：
年月日
学位论文使用授权声明
南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。
对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。
研究生签名：
年月日
摘要
电能质量关系到整个电电力系统安全、稳定、经济、可靠运行。
随着国民经济的高速发展，大量电力电子设备和非线性负荷在电力系统中的应用，注入电网中的谐波越来越来，对电网及用电设备造成了很大的危害，致使电能质量不断恶化，甚至恶化电网的运行状况。
随着电力部门及电力用户对电能质量的要求越来越高，因此有效的治理电网中的谐波，提高电能质量变得尤为重要。
论文首先阐述了电能质量的基本内容，谐波的基本概念以及国内外对谐波的研究现状；然后对谐波的来源、主要危害、评判标准进行了详细的阐述，概述了治理谐波的相关方法；针对某热加工厂现状，建立系统仿真模型，分析了系统两段母线分列和并列运行时的电能质量相关指标，其中的谐波电流、谐波电压和功率因数存在不合格问题；在此基础上，设计了治理方案，采用静止无功发生器（SVG）和无功补偿装置（FC）在母线侧进行补偿，计算了相应的补偿容量和相应的装置的配置参数；通过CYMEPSAF仿真软件对系统模型进行了仿真，结果表明补偿后的系统母线侧的谐波电流、谐波电压和功率因数均满足要求。
因而该方法对消除谐波，改善电能质量有实际意义。
关键词：
电力系统；电能质量；谐波；SVG；CYMEPSAF
ABSTRCT
Thepowerqualityrelatestothewholeelectricpowersystemsafety,stability,economicandreliableoperation.Withthehigh-speeddevelopmentofnationaleconomy,alargenumberofpowerelectronicequipmentandnonlinearloadhavebeenappliedinthepowersystem.Moreandmoreharmonicwaveinjectingintotheelectricnetwork,causesgreatharmtotheelectricequipment,deterioratesthepowerquality,andworsenstheoperationalstatusofthepowergrid.Astheelectricpowerdepartmentandpoweruserstopowerqualityrequirementsmoreandmorehigh,effectivemanagementinthegridharmonicandgoodpowerqualityisparticularlyimportant.
Thispaperfocusesonthethemeofpowerquality.Firstly,thispaperexpoundsthebasiccontentsofthepowerquality,thebasicconceptoftheharmonicwaveandtheresearchstatusaboutharmonicwaveathomeandabroad.Thendescribetheharmonicsource,mainhazardsandevaluationcriteriaindetail.Summarizetherelatedapproachesoftheharmonicmanagement.Inviewofpresentsituationsofsomethermalprocessingfactories,establishthesystemsimulationmodel.Analysisingthesituation,twobusesareintheparseoperationortheparalleloperation,itcanbefoundthatcurrentharmonics,harmonicvoltageandpowerfactorarenotqualified.UseSVGandFCtocompensateonthebussideinthispaper,anddesignthecorrespondingcompensationcapacityandthecorrespondingdeviceconfigurationparameters.
Finally,simulatethesystemmodelbytheCYMEPSAFsimulationsoftware.Throughobservingthesimulationwaveform,itcanbefoundthatharmoniccurrentandharmonicvoltageandpowerfactorofthebussidedomeettherequirements.Thesimulationresultsshowthatthismethodisrationalandefficient,eliminatingharmonichavepracticalsignificance,andimprovingthequalityofpower.
Keywords:
powersystem;powerquality;harmonicwave;SVG;CYMEPSAF
1绪论
1.1课题的研究背景与意义
一个理想的电力系统常常以恒定的频率和要求的电压，按照正弦波的形式，向用户提供电能。
但是在实际的应用中，由于在输送过程中各种各样的干扰或者影响，电能受到了破坏，所以在用户端接受到的电能常常会发生畸变。
在当前，由于不对称负荷的增加，冲击性负荷的增加，使得影响电能质量的因素越来越多，从而引起电能质量越来越差。
电能质量不仅与发电、输电和供电系统有关，其还和电网中的非线性负荷有关，为了降低生产过程中由于电能质量差引起的生产损失和因此而造成的事故，所以加强电能管理变成越来越重要。
在电能质量的多项指标中，受干扰性负荷影响最普遍的是谐波。
随着非线性负荷的快速增长，电网的谐波水平也在不断提高。
由于谐波干扰引起的电气设备异常和事故有逐年增加的趋势。
谐波对电网的污染，危及到各种用电设备的运行安全和使用寿命，因此，研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义[1-2]。
1.2电能质量
电能是一种清洁、高效的能源，是社会经济快速发展的重要物质保证，是各种高新技术，尤其是信息技术应用的前提。
近年来，随着现代科学技术的不断发展和电力市场的不断的完善，各种电力用户对电能质量的要求也越来越高，对电能应用过程中出现的各种质量问题越来越重视。
随着电力市场的形成和推进，电力用户不仅对电力数量有不断的增长需求，对电能质量的要求也越来越高。
为用户提供安全、可靠、清洁的电力能源成为电力部门获取利润的先决条件，也是实现良好的社会效益的唯一手段，因此，电能质量的好坏直接关系到电力工业在内的工商业系统，乃至整个国民经济的发展前景，具有不可忽略的实现意义和战略意义[4]。
本节将就电能质量相关问题做一简要介绍。
1.2.1电能质量概述
一个理想的电力系统应以恒定频率（50Hz）的正弦波形，按规定的电压水平对用户供电。
在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位相差120度的对称状态。
由于系统各元件（发电机、变压器、线路等）参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态实际上并不存在，由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量的概念。
但迄今为止，对电能质量的技术含义还存在着不同的认识[5]。
电能质量可用电网谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度等指标来表示。
目前还没有一个统一的电能质量标准。
IEC标准对电能质量的定义为：
电能质量是指供电装置在正常工作情况下部中断和干扰用户使用电力的物理特性。
文献[6]给出了一个比较直观的不合格电能质量的定义：
导致用户设备故障或不能正常工作的电流、电压或频率偏差。
1.2.2电能质量特点
由于电能的特殊性，电能质量有以下几个特点。
（1）动态性：
电能的生产、传输、供电和消耗是一个整体，它一直维持动态平衡，当系统的结构发生变化时，当负荷的状态发生变化时，电能状态都将跟随着变化，在系统中，地点不同、时刻不同时，电能质量的指标通常也不相同。
（2）相关性：
由于现今电源技术的局限性，产生的电能还不能够被大量储存，所以电能的生产、传输、分配和消耗都是同时进行的，当其中一处电能质量不达标时，与其相关的设备都会受到影响。
（3）潜在性：
由于电力系统非常复杂，也就造成了电能在传输过程中，受到的扰动和破坏具有很大的不确定性，当电能质量下降时，其对系统设备的损坏有时不能立刻表现出来，为系统的安全运行埋下了隐患。
（4）整体性：
为了获得良好的电能质量，不仅需要供电方能够提供优质的电能，还需要使用方和设备方的同力协作，只有各方都自觉遵守相关的标准和协议，对电能进行有效的管理，才能是电能保持了良好的状态。
此外，电能还具有传播性、复杂性等特点。
1.2.3电能质量问题的起因
造成当前电能质量问题主要有以下两个方面的原因：
（1）电力负荷构成的变化。
随着科学技术的发展，越来越多的非线性负荷被应用到电网中，例如：
大规模电力电子应用装置（节能装置、变频设备等）、大功率的电力拖动设备、直流输电装置、电化工设备（化工、冶金企业的整流）等其他非线性负荷。
另外，还存在很多快速变化的冲击性负荷：
如摩天大厦的高速电梯、动车组及其变化负荷[7-9]。
（2）大量谐波注入电网。
在对非线性负荷和冲击性负荷的电力设备进行控制时，常常会伴随着大量的谐波电流的产生，进而使电网中的谐波电压越来越多，最终引起电压发生严重畸变。
所以，随着大量非线性和冲击性负荷的使用，电网的安全性变的越来越差，严重危害了电网中设备的安全使用[10-12]。
1.3谐波的相关概念
提供给用户电压，其波形是评价电能质量好坏的一个重要标准。
良好的电压波形应该是正弦波，当用户端收到的电压波形不是正弦波时，就认为其实不标准的，或者说该电压发生了畸变。
一般该波形中用谐波的含量来表示畸变的程度。
为了能够有效的分析谐波，所以谐波的概念便由此而提出了。
谐波通常用基波频率的倍数来衡量，当其为基波频率的几倍时，就称为几次谐波。
例如，当基波频率取50Hz时，如果该谐波为150Hz，就称该谐波为三次谐波，图1.1及图1.2表示了两种频率波形的叠加过程[13]。
图1.1谐波波形图1.2谐波波形
1.4国内外谐波研究现状
1.4.1国外谐波研究现状
关于THDU的标准，每个国家给出的规定基本上都差不多，比如前苏联，该国对THDU给出了两个标准，分别为正常允许值和最大允许值。
而America不仅对公共电网给出了THDU的标准外，还对特殊的用户给出了THDU的标准值。
国际电工委员会对正常允许值和最大允许值分别作了如下定义：
正常允许值，电网在正常运行的情况下，一整日内九成五的时间不允许超过的限制值；最大允许值，在电压发生事故时，电网保持运行时不能超过的限制值。
此外，国际电工委员会给出了高、中、低电压的谐波电压兼容值。
如表1.1所示：
表1.1IEC规定系统的谐波电压兼容值
奇次谐波（非3的倍数）
奇次谐波（3的倍数）
偶次谐波
谐波次数
h
谐波电压
%
谐波次数
h
谐波电压
%
谐波次数
h
谐波电压
%
5
6
3
5
2
2
7
5
9
1.5
4
1
11
3.5
15
0.3
6
0.5
13
3
21
0.2
8
0.5
17
2
>21
0.2
10
0.5
19
1.5
12
0.2
23
1.5
>12
0.2
25
1.5
>25
0.2+12.5/h
1.4.2国内谐波研究现状
我国也颁布了相关的谐波标准，标准中对谐波电压和谐波电流都做出了如下规定，见表1.4[15-16]。
表1.4公用电网谐波电压（相电压）限制值
网标称电压（KV）
电压总谐波畸变率（％）
各单次谐波电压含有率（％）
奇次
偶次
0.38
5.0
4.0
2.0
6～10
4.0
3.2
1.6
35
3.0
2.4
1.2
110
2.0
1.6
0.8
该标准不但规定了用户注入电网的谐波值，而且还规定了位于同一个公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性[17-20]。
1.5论文的主要工作
论文以连云港通能精机有限责任公司电能质量项目为依托，主要研究了电力系统中谐波的分析和治理方法，从研究电力系统电能质量分析和治理入手，明确了论文的实际意义。
论文研究了静止无功发生器（SVG）在谐波治理中的应用，并采用CYMEPSAF仿真软件对系统模型进行了仿真分析，得出相关结论。
本文的主要工作如下：
（1）阐述电能质量的定义、源来、重要性，分析了电能质量的评价体系和国内外研究现状。
（2）研究电力系统中谐波的来源、分类、对电力系统带来的危害、以及治理的方法。
阐述SVG的结构、优点及其在在电力系统中的应用。
（3）分析了精机热加工有限责任公司在没有加补偿时的电能质量相关指标，其中的谐波电流、谐波电压及功率因数存在不合格问题；
（4）设计了基于无功补偿（FC）和无功发生器（SVG）的补偿方案，确定了补偿容量和治理装置的配置参数；
（5）运用CYMEPSAF软件对系统进行仿真，验证了加补偿后系统母线侧谐波电流、谐波电压和功率因数全部合格，表明了治理方案的合理有效。
2电能质量理论
2.1电能质量的定义
电能质量主要包括五个方面的指标：
（1）电压偏差；
（2）频率偏差；（3）电压波动和闪变；（4）三相电压不平衡；（5）谐波含量。
其中前二者基本取决于供求平衡关系，后三者不但与电力系统有关，而且与用户负荷性质有关[13]。
2.1.1电压偏差
电压偏差就是，由电力网的电压损耗引起的电力网首末端电压与其额定电压的差值，通常是以其与电力网的额定电压的百分数来表示，即为
（2.1）
式中，
—电压偏差；U—实际电压；
—额定电压。
在系统运行中，如果电压的偏差太大，会影响工农业产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起毁灭性的“电压崩溃”，造成大面积的停电。
电压偏差对系统和用户端都会产生影响。
2.1.2频率偏差
频率偏差是指电网频率对于额定频率的偏离程度，一般用百分比表示即：
（2.2）
式中，
—频率偏差；f—实际频率；
—额定频率。
2.1.3电压波动和闪变
电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期性变化。
通常使用用相邻两个电压波形的峰值之差和额定电压比值表示。
电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受，通常以白炽灯的光通量作为判断。
衡量电压波动的表达式为：
（2.3）
式中，
、
分别为工频电压调幅波的相邻两个极值电压（或均方根值）。
规定电压变化率大于每秒百分之零点二时为电压波动，否则视为电压偏差。
由于电压波动引起人眼对灯闪的感觉称为闪变，用下式表示：
（2.4）
式中，
—电压调幅波中频率为f的正弦分量视感度加权系数，它用来反映人眼对电压调幅波中各种频率成分的敏感程度；
—电压调幅波中频率为f的正弦分量的幅值。
2.1.4三相电压不平衡
在电力系统的实际运行中，由于诸多不平衡因素的存在，使得电力系统一般都处于不平衡的运行状态下。
三相不平衡度的度量可用下式表示：
（2.5）
式中，
—三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值；
—三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值
电力系统中三相电压的不平衡主要是由负荷不平衡、系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐引起的。
2.1.5谐波含量
谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。
谐波电压含量为：
（2.6）
谐波电压总畸变率为：
（2.7）
第h次谐波电压含有率为：
（2.8）
上述三定义同样适用谐波电流。
2.2谐波的检测与分析
随着国民经济的不断发展，越来越多的换流设备被用到社会生产和社会建设中，与此同时，随着家庭收入的提高，越来越多的大、小家电走进了千家万户，由此便带来了大量的非线性设备接入到电网中，使得注入电网中的谐波电流越来越多，从而导致了电网中的电压畸变日益增加。
所以，消除电网中的谐波含量，降低由于谐波带来的各种事故和损失，保证电网的稳定运行，变得刻不容缓。
14-16]。
2.2.1谐波的主要危害和影响
1）谐波对低压开关设备的影响
对于断路器来说，由于谐波电流的影响，在工作中它们都有可能造成误动作。
2）谐波对并联补偿电容器的影响
当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加的更大，使电容器损耗功率增加。
3）谐波对旋转电机的影响
引起附加损耗，产生机械振动、噪声和谐波过电压。
此外，谐波还对通信、继电保护和自动装置以及输电线路的产生影响
2.2.2谐波分析方法
谐波分析是为了求出各次谐波的幅值和相角，对于不同类型的谐波，有不同的分析方法：
对于稳态谐波，可用快速傅立叶算法（FFT）、快速Hartley变换（FHT）和离散小波变换（DWT）；对于暂态谐波，可采用改进的FFT分析和小波变换方法。
2.2.3谐波的治理及改善措施
传统的谐波抑制一般有以下几种方法:
第一种从谐波源本身出发，采用诸如：
增加变流装置的相数或脉冲数、多重化技术、脉宽调制（PWM）技术、高功率因数变流器等技术，使谐波源不产生谐波或降低谐波源；第二种是外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。
此外，还可以采用同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置（SVC）等技术，当前像静止无功发生器（STATCOM）和统一潮流控制器（UPFC）等新技术也得到了充分的发展。
2.3SVG的工作原理与控制
SVG系统由变流器、变压器、电抗器等器件构成主系统，由电压互感器、电流互感器、检测电路、控制器、驱动电路、保护电路、检测器等构成二次系统，如图2.1所示。
其中，变流器是静止无功发生器系统中的最核心器件。
电压互感器、电流互感器起电气隔离主系统与二次系统的作用，是同步信号和指令信号的检测基础[46]。
图2.1SVG的系统构成示意图
2.3.1SVG的优点
启动冲击小；动态响应速度快；优异的谐波输出特性；占地面积小；超强的补偿能力；高可靠性。
此外，还具有多种补偿功能：
抑制电力系统过电压，改善系统电压稳定性；提高系统暂态稳定水平，减少低压释放负荷数量，并防止发生暂态电压崩溃；动态地维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输功率极限；阻尼电力系统功率振荡；在负荷侧，能抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高负荷功率因数、滤除谐波。
2.3.2SVG应用对象
SVG广泛应用于石油化工、冶金、电力、煤炭、电气化铁路、风电厂以及其他具有或者靠近冲击性负荷和大容量电动机的工业领域，可以在节能降耗、提高电网安全性和稳定性、提高电网功率因数、改善电能质量等方面，发挥重要作用。
2.4本章小结
本章首先介绍了电能质量的常用指标及其检测方法，然后重点介绍了谐波的起源、危害、分析方法、和治理措施，谐波的治理是本文的主要内容，最后介绍了SVG的基本结构，结合SVG的相关优点，研究了SVG在电能质量方面的应用。
3精机热加工厂电能质量现状分析
连云港通能精机热加工有限公司位于连云港市崇川区观音山区，公司主要生产与数控机床相配套的铸、锻、热处理器件；为满足生产需求，新增频感应电炉、机床、清理机等设备，这些设备在运行时，将会产生谐波、功率冲击和不平衡干扰，所以需要对新接入的负荷进行电能治理。
根据项目提供的资料，用户由110kV母线单母线供电，厂用主变为2台电压变比为110kV/10kV变压器，主变压器选用三相油浸自冷式有载调压变压器，接线组别Yn,d11,阻抗电压为10.5%。
10kV为A段、B段两段母线。
电能质量考核点为钟秀变110kv母线。
一次系统如图3.1所示：
图3.1一次系统框图
10kVA段和B段母线存在分列运行及并列运行两种工况，在本方案中，对这两种工况分别进行仿真分析。
由于本次项目所有负荷均由10kV供电，因此,需要同时对10kV母线各项电能质量进行分析。
本次项目的主要谐波负荷为中频炉的中频电源，根据用户提供的资料，中频电源谐波含量见表3.1,3.2所示：
表3.16100kW中频电源谐波电流含量：
谐波次数
5
7
11
13
17
19
23
25
谐波电流含量（%）
1.72
1.11
0.48
0.31
0.13
0.1
0.99
0.99
谐波电流值（
升级会员 