沙坡变电站谐波分析与治理电气工程专业毕业论文.docx
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沙坡变电站谐波分析与治理电气工程专业毕业论文
沙坡变电站谐波分析与治理-电气工程专业毕业论文
AnalysisAndDisposeofHarmonicinShaboSubstation
Abstract
ByusingLEMPQPTIOOOAelectricqualityanalyzer,theharmonicofbusvoltage，theimbalanceofthreephasorvoltage，thechopinshorttime，theharmonicofmainoutletandinletcurrentCanbemeasureddetailedlyundercombinedrtmningmodeofcapacitorin220kVShabosubstationofBaisePower
SupplyBureau，andthetypicalharmonicsourceCanbedetected，massmeasure
dataisobtained，andthesituationofharmonicpollutionismastered．Aeffectiveschemeofharmonicdisposespeciallyto220kVShabosubstationwhichthefilterin10kVsideshouldbereconstructedisgiven．TheETAPelectricpowersystemintegrativeanalysissoftwaremadeinAmericaisusedtosimulatethe
differencebetweentheformerandthebackofharmonicdispose．Invarious
runningmode，suchastheonandoffofSVCsetinBaisetractionsubstation，differentscalesettingofShabomaintransformer,abundanceandsmallnessofpowersystem，effecttotheparallelresonancepointof10kVbusandtheperformanceoffiltersetisresearched，andthecontrolprocedureofrunningmodeafterfiltersetreconstructionispresented，whichwillgiveagoodbaseto
thenextharmonicdisposeofBaisepowergrid．
KeyWords：
substation，electricenergyquality,harmonic，chop，test
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本江舢膊．∥月2罗日
广西大掌工程硕士掌位论文沙坡变电鱼n皆波分析与{台理
第一章绪论
1．1研究背景
谐波是指电压、电流波形发生畸变，这主要是负荷的非线性造成的。
随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子装置和高能耗非线性设备在电网中广泛应用，特别是以开关方式工作的静止变流器，从低压小容量的家用电器到高压大容量的工业交、直流变换器的大量应用，这种非线性时变拓扑负荷，不可避免地产生非正弦波，随着向电网中注入的谐波含量不断上升，输、配电网络的谐波问题日益突出。
谐波不仅危及电网的安全稳定及经济运行，还对电网中其它用户的正常生产造成影响，导致用户用电设备损坏，产品报废，损失巨大。
谐波是公用电网中的垃圾，治理谐波有消除电网污染的绿色环保意义；另外谐波功率损耗构成极大的能源浪费，治理谐波有明显的节能作用，社会经济价值明显。
目前我区电网中的谐波源主要有电铁、电弧炉、中频炉、铁合金炉、整流、变频负荷等典型非线性负荷，开展谐波治理的工作极具紧迫性。
百色电网处于广西电网的西北部，处于广西电网和云南、贵州电网的结合部，其供电范围包括百色市行政区管辖的11个县以及右江区。
百色电网220kV线路大多沿500kV主网构由西北向东南方向架设，为避免高低压电磁环网运行，目前在220kV沙坡变电站母联和百色～祥周220kV线路设置了两个开环点，使百色220kV电网呈现以隆林县、右江区和平果县为中心的三个相对独立的供电区。
沙坡变位于百色电网中部，属右江供电
区，主要供电负荷为百色和田林牵引站、百色市区、银海铝等。
该电站1997年建成投产，
目前2台主变（90MvA+120M）。
220kV出线7回（隆林、右江电厂I、右江电厂Ⅱ、
银海铝I、银海铝II、500kV百色变I、500kV百色变1I）；110kV出线8回（田阳、田林牵I、田林牵II、东笋、田林、中心、百色牵I、百色牵II）。
银海铝厂等冶炼企业的整流器、南昆电气化铁路的投入运行等，向电网注入的谐波的非线性负荷越来越多，沙坡变谐波含量越来越严重，影响到变电站安全生产、运行，有必要对其进行实际测量和治理研究。
谐波已使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。
谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱，严重威胁电网的安全稳定运行。
因此，根据沙坡变的谐波测量及进行详细的分析基础上，本文有针对性地提出解决方法，来消除或减少沙坡变中的谐波含量，控制其谐波畸变率在国家谐波标准之内，保证电力系统的安全运行和接入电网的各种用电设备的可靠工作，并对其进行观测验证。
在沙坡变电站开
广西大学工程硕士掌位‘论-文沙坡变电站谐波分析与治理
展谐波分析和治理在百色网区具有典型性和示范作用。
1．2国外研究现状
国际上对电力谐波问题的研究大约起源于20世纪20年代和30年代的德国。
1945年ReadJ．C发表的有关静止变流器产生谐波的经典论文至今仍被研究者广泛引用。
50年代和60年代的大量研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。
进入70年代后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波危害问题日趋严重，从而引起世界各国的高度重视。
近十几年间电力谐波的研究，已经越过了电力系统的范畴，渗透到了电工理论、电网络理论、电力电子学、数字信号处理、计算技术、系统仿真、控制理论与控制技术等其它学术领域，并且形成了特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度。
目前，谐波研究仍是一个非常活跃的领域。
谐波治理的措施主要有三种u。
：
（1）受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰的能力：
（2）主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；（3）被动治理，即外加滤波器，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。
但由于谐波源的多样性，同时考虑谐波治理的经济性，在电网中一般还是加装滤波器的被动治理方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。
1．2．1无源滤波器PF（PassiveFilter）·
无源滤波通过使用RLC无源元件的串并联方式构成无源的单调谐、高通或低通等滤波器，可以吸收谐波电流，以达到滤除谐波的目的，而且这种谐波抑制装置还可以起无功补偿和电压调整的作用。
PF本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理目的。
PF主要分类两大类：
调谐滤波器和高通滤波器。
由于它具有成本低、技术成熟、结构简单、容易实现等优点，所以它仍然是目前广泛使用的谐波抑制技术。
但它也有其一些不足之处f2·3’4．51，主要为以下几点：
（1）只能对对特定的谐波次数进行滤波；
（2）滤波器参数影响滤波性能；（3）对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好；c4）谐波特性依赖于电网参数，对滤波电流的滤除效果受电网系统电抗影响较大；（5）可能与系统阻抗发生串并联谐振；（6）随着电源侧谐波源的增加，可能会引
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广西大学工程硕士掌位截誓莨沙坡变电站谐波分析与治理
起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流等。
三2
R3
（a）（b）（c）（d）（e）（f）
图1．1常见的PF接线形式
（a）单调谐滤波器（b）一阶高通滤波器（b）二阶高通滤波器（d）三阶高通滤波器
（c）C型滤波器（f）双调谐滤波器
Fig．1-1UsualPEConnectionForm
1．2．2有源滤波器APF（AetivePowerFilter）
随着20世纪60年代以来新型电力半导体器件的出现，脉宽调制（PWM）技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的提出，针对无源滤波器的缺陷，在1969年Bird和Marsh等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分，这是APF思想的萌芽16]。
之后，1976年GyugyiL等人提出了用大功率晶体管PWM变换器构成有源滤
波器（ActivePowerFilter，APF），并正式提出了有源滤波的概念，提出了有源谐波主电
路的基本拓扑结构和控制方法。
采用APF对电力谐波进行到动态治理真正进入实用阶段
是20世纪80年代。
在20年代80年代由于大功率全控型功率器件的成熟，PWM技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时监测方法的提出，使APF得以迅猛发展【7．8～。
APF通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性，以改善波形，除了具有响应速度快，具有很好的动态实时补偿功能等优点外，还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种功能。
．
1．2．2．1并联型和串联型APF
1983年，日本学者Akagi．H等人提出“瞬时无功功率理论"解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能原件实现谐波抑制及无功补偿等问题【101。
1986年，Akagi．H提出用并联型有源电力滤波器消除谐波【11J，见[]1-2-a；有源电力滤波器在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它的主电路与负载并联接入电网，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，补偿无功功率及平衡电流等场合。
随后又有人提出了串联型
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有源滤波器，见图1-2-b，这种方式中，APF作为受控电压源串联在电源和谐波源之间，它可以消除电源电压可能存在的畸变，维持负载端电压为正弦。
图1．2．a并联型有源滤波器原理图1．2．b串联型有源滤波器原理
Fig．1-2一aParallelActiveFilterFig．1-2-bSeriesActiveFilter
1．2．2．2与PF混合的HAPF
1987年，TakedaM．等人提出了并联型APF与LC滤波器并联使用的混合滤波器【12】，见图卜3～a。
这种方式中，PF补偿、吸收比较固定的无功功率和频率较高的谐波成份，APF补偿变化较快的冲击性无功功率和频率较低的谐波成份。
但可能使APF注入的谐波流入至fJLC滤波器及电力系统中。
1990年日本的FujitH．等人提出将有源电力滤波与无源滤波器相串联的混合有源滤波（HybridFilter）方案f131，见图1-3-b，其中APE为电流控制电压源，产生与电源电流中谐波分量成比例的电压，谐波主要由LC滤波器滤除。
图1．3．a并联型APF与LC并联‘图1-3．b并联型APF与LC串联
Fig．1-3-aParallelAPFwjmLCinparallelFig．1-3-aParallelAPFwithLCinseries
·1988匀Z，PengF．Z等人提出了串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构04l；这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗。
因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。
4
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1．2．2．3与其他变流器混合的HAPF
1994年日本学者AkagiH．提出了一种将并联型和串联型有源电力滤波器的混合使用方式n田，也称为“通用有源电力滤波器，，（UniversalActivePowerFilter）。
UAPF结合T两种APF的优点，串联型APF的主要作用是对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用，
阻止电源谐波串入负载端和负载谐波电流流入电网。
而并联型APF提供一个零阻抗的谐
和波支路中的谐波吸收掉。
该方案在电网与公共接点之间同时实现了电压和电流的净
化。
国外学者也提出多重化逆变器+PWM逆变器，注入型APE+低频PWM逆变器等HAPF方式。
APF以其对电网负载、系统参数变化的自适应能力和较高的反应速度被认为最有发展的无功和谐波补偿方法。
目前APF的主要研究内容包括：
如何提高装置容量和性能价格比；如何使装置多功能化和小型化；在应用中还必须解决电网中原有的APF、PF及不
同负载对补偿系统的影响‘1们。
1．3国内研究现状
我国对谐波研究起步于80年代，在90年代有了长足的进展，与国外的研究水平在不断缩小。
吴竞昌等人于1998年出版的《电力系统谐波》一书是我国有关谐波问题较有影响的著作M。
。
夏道止等1994年出版的《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》是近年出版的代表性著作。
。
近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题成为研究热点。
目前，我国在谐波研究领域主要有以下几个方面：
（1）与谐波有关的功率理论的研究在电网电压或电流中含有谐波时，如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满解决
的问题，这也是关系到电量计量、分析和控制的重要问题。
传统的平均功率理论在系统
存在谐波时是不完全适用的，这容易造成电能计量偏差。
针对有源滤波器APF而提出的瞬时无功功率理论‘18·19·删，目前是解决谐波相关问题使用最广泛的功率理论，但仍存在一些问题。
随着瞬时无功功率理论的认识不断深入与发展，其应用范围不断扩展，该理论的不断补充完善，将有望为电路理论的发展作贡献。
（2）谐波标准的研究。
为保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，1984年，原水电部颁发了《电力
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广西大掌工程硕士掌位论文沙坡变电站诣波分析与治理
系统谐波管理暂行规定》，1993年国家技术监督局批准并颁发了《电能质量一公用电网谐波》GB／T-14549-93（以下简称“国标"）瞄“，1．998年颁发《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入≤16A）》，促使电力部门和电力用户采取措施，把电网的谐波水平控制在允许范围内，保证供电质量，防止谐波危害，以获得良好的社会经济效益。
而用电质量要求的提高，将对谐波标准的提出更高要求。
所有标准都基于以下三个目的：
①将电力系统电流和电压波型的畸变控制在系统及其所接设备能够允许的水平；②以符合用户需要的电压波向用户供电；③不干扰其他系统的正常工作。
（3）谐波的测量与分析由于电网谐波问题的复杂性，采用近似程序计算很难反映电网的真实谐波，通常采
用实际测量作为发现问题、研究问题和解决问题的最终手段。
利用谐波测量装置来监视
和测量电网的谐波干扰状况，是保证电网安全运行必不可少的措施Ⅲ。
。
测量的需要促进
了测量仪器、设备及测试方法不断发展。
。
．
谐波固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等，给谐波的准确分析增加难度。
谐波分析的基础是傅立叶分析，它实质是把信号看成一系统信号的加权的基本信号的线性组合，用对这些基本信号的分析，叠加起来代替原来信号的分析。
现在最广泛使用的是快速傅立叶变换（FFT）方法及其改进算法，同时基于自适应理论、基于小波变换和基于神经网络等方法也得到较大关注和发展。
（4）谐波治理
解决谐波问题的基本思路有：
二是装设谐波补偿装置来补偿谐波；另外是对谐波源进行改造，使其不产生谐波，且功率因数为l。
原则上，在谐波源处采取抑制措施是最有效的。
在谐波源处加装滤波器，这是普遍的措施，日前广泛采用无源滤波器，有源滤波器是一个重要发展趋势。
另外开发高功率因数变流器，大大减少谐波的产生。
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第二章沙坡变谐波监测分析
2．1测量条件
2．1．I依据标准
GB／T14549．93《电能质量公用电网谐波》
GB／T15543．1995《电能质量三相电压允许不平衡度》
GB12326．2000《电能质量电压波动和闪变》
DI．／T840-2003<高压并联电容器使用技术条件》
2．1．2测量仪器
设备名称型号编号有效期电能质量分析仪PQPTl000A851212007．10电能质量分析仪U900F217102832007．10
2．1．3测量接线及数据处理
测量用电压信号取母线P．r二次侧相电压，电流信号取自相应线路CT二次侧，简要接线图如下：
图2．1测量接线图
Fig．2-lTestingConnectionGraph
对于站点内两台主变参数完全一致且并列运行的，取其中一台主变进行测量；对于同一母线上有两回出线向同一站点供电，且负荷基本一致的，取其中一条出线进行测量。
根据测点负荷特性及测试进度安排，对于负荷变化平稳的进出线测量10分钟至l
小时，对谐波源出线进行重点测量，测量l小时以上。
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测试仪器每周期采样256点，计算方式分两种，一种为3秒计算一次，一种为每分钟计算一次，同时记录电压电流波形，数据存储在仪器中，测试完成后通过网络将数据导至笔记本电脑中，再用专门软件分析。
在整个测试过程中，获得了大量的谐波原始数据，在对谐波测试结果分析中，为了比较科学反映测点谐波水平，对短期测试增加样本统计数，短时间测量（小于1小时）以3秒测量结果进行统计，长时间测量（1小时以上）则以1分钟测量结果进行统计，根据谐波国标，以95％概率值为最终结果，给出主导谐波含有率及总畸变率结果，对超标项以粗体加下划线标注。
2．2谐波电流限值的计算
‘谐波国标对用户注入谐波电流的限制按下式：
仁安×时×％（2-1）
式中：
＆I一公共连接点的最小短路容量（MVA）
％一基准短路容量（№）
&一第i个用户的用电协议容量（批）
&一公共连接点设备容量（№）
a一相位迭加系数，按表1取值
矗。
_在跑基准短路容量下第h次谐波电流允许值，按表2取值。
表2-1a的取值
Table2-1'Calueofa
h（次数）3．57ll13>13及偶次
口1．11．21．41．81．92
●
广西大学工程硕士掣啦论文沙坡变壤■古谐波分析点聍合理表2-2k的取值
乃6le2—2Valueof五。
电压基准短路谐波次数及谐波电流允许值（A）等级容量＆
（kV）（MvA）3571113141516171819202122232425
100342020159．37．93．74．13．26．O2．85．42．62．92．34．52．14．1
3525012128．85．64．72．22．51．93．61．73．21．51．81．42．71．32．5
当两个谐波源的同次谐波电流在一条线路上迭加时，按式（2．2）计算合成的谐波
电流：
Ih=0Ij、+Ij2+KhI垤Ih2（、2．2、）
式中：
厶l一谐波源1的第h次谐波电流，A；砬一谐波源2的第^次谐波电流，A；凰系数按下表取值
表2-3凰系数的取值
乃6le2．3ValueofCoefficientKh
h35711139{>13次）偶次
Kh1．621．280．720．180．080
2．3220kV沙坡变谐波测试与分析
2．3．1概述
220kV沙坡变位于百色市，现有两台主变，其中撑1主变容量90MVA，撑2主变容量
120MVA，220kV采用双母带旁路接线，有220kV隆沙线、沙银I线、沙银II线及百沙I、II线，110kV也采用双母带旁路接线，有110kV沙百牵引I线、沙百牵II线、沙林牵I线、沙林牵II线、沙笋线5回出线，10kV采用单母分段接线，10kVI母上装有撑1、拌2电容，10kVII母上装有稃5、群6电容，每组电容器容量为6．8Mvar，串抗率6％，沙坡变的主要谐波源是110kV侧的百色和田林电铁牵引站。
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广西大掌工程硕士学位论文沙坡变电站谐波分析与治理2．3．2测量内容
射主变220kV、110kV、10kV侧、220kV沙银II线谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度、闪变；舵电容器谐波电流。
2．3．3系统运行方式
沙坡变拌l、拌2主变220kV侧并列运行接于220kVI母，母联2012热备用，220kV隆沙线经II母送电至沙银I、n线，220kVI母接百沙I、Ⅱ线，两台主变110kV、10kV侧分段运行，群1主变110kV侧带沙百牵I、沙百牵II、沙林牵I、沙林牵II线，每个电铁牵引站由两回线路供电，一主一备，j5}2主变110kV侧带沙笋线负荷约30MW。
（7月6日8：
30"18：
00百色牵引站SVC停电预试，7月7日沙笋线停电检修）
2．3：
4测量结果及分析
2．3．4．1不平衡度
220kV沙坡变的三相电压不平衡度、#1主变l10kV侧三相电压不平衡度曲线图、#1主变110kV侧负序电压曲
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