电力系统设计应用非线性设备的谐波评估

电力系统应用非线性设备的谐波评估

更新时间: 2006-12-28

华北电力科学研究院许遐

摘自<<电力系统装备>>杂志

1概述

供电公司有责任向用户提供电压质量合格的电能。而电网和用户使用设备中的非线性装置产生的谐波都可以引起供电电压发生畸变；直接与电力系统连接的非线性设备产生的谐波可以引起供电电压畸变；供电系统参数在某些条件下可能形成系统谐振，也可以引起供电电压发生畸变。为使整个电网电压畸变保持在合适的限值X围内，供电公司和用户必须相互协作，各自承担相应的责任和义务，国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》提供了供电公司和用户双方必须共同遵守的法规。

谐波畸变是电力系统中描述电能质量的众多参数中重要的一种，它直接影响到供电公司提供的电能质量。执行GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定的谐波畸变限值是供电公司能够提供并使所有用户都能得到质量合格的电能的惟一措施。通过对每个用户控制其注入谐波电流限值和控制整个电力系统的谐振条件，供电公司才能将全网电压畸变率保持在所有用户都可以接受的水平。

1.1谐波电压的监控

GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》中规定了各个不同电压等级的电压畸变率限值。其作用在于：一方面用作考核供电公司提供用户电能质量的一种质量指标；另一方面可用作电网公司和电力用户评估新建输供电工程的设计规划指标。供电系统谐波电压畸变率是电力系统阻抗和非线性负载注入系统谐波电

流的函数，工程实际中很容易被测量，在工程实施中配套设计谐波补偿装置时也方便评估。如果电压畸变率超过国家标准规定的限值，供电公司和用户就可能要一起研究系统中设备运行的问题。供电公司需要仔细研究电力系统具体结构参数及所要采取的补偿措施。而用户在装设配电设备和谐波滤波及无功补偿装置时，也必须考虑投用该装置引起的供电系统电压畸变率。谐波滤波及无功补偿器与配电设备必须在规定的供电系统电压畸变率限值下安全运行。

1.2谐波电流的监控

供电系统谐波电压是注入系统的谐波电流和系统阻抗的乘积。任何供电系统，在谐波电压畸变率超过规定的限值之前，只能容许承受注入有限的谐波电流。谐波电流畸变限值主要是用在供电系统向多个用户供电的公共连接点处，公平地分配有限的注入供电系统谐波电流允许值的一种措施。GB/T 14549-1993中规定的注入谐波电流允许值考虑了用户之间用电协议容量的相对大小以及用户与所连供电系统的最小方式下三相短路容量。

在已有的系统中，电流畸变率受系统阻抗影响不显著，主要由负载设备的特性所确定，在公共连接点处用有效的商用监测装置可方便地检测到。在用户设备中存在多个产生谐波的负载时，用户注入的谐波电流之和通常要考虑各个谐波负载之间存在一定程度的抵消作用。因此，在公共连接点处检测到的谐波电流远小于用户各单个谐波负载的谐波电流代数和。

在设计新的项目或扩建已有的工程时，采用GB/T 14549-1993规定的注入谐波电流允许值指标，对于化解供电公司和用户之间特殊的矛盾是非常有用的。通过了解用户设备中产生谐波的负载类型，可以预估谐波电流畸变的水平，并在设计阶段就能决定是否需要采用谐波控制措施。对于新报装用户内部产生的谐波问

题，在设计阶段也可以用类似的方法加以评估。在GB/T 14549-1993中注入谐波电流允许值是由谐波电压畸变率的限值导出的，以保证每个用户的非线性设备向系统注入的谐波电流不会导致系统形成不可接受的谐波电压畸变率，所以采用注入谐波电流允许值给供电公司和广大用户提供了共同的可操作性。通过共同努力，供电公司才有可能实现向所有用户提供质量合格的电能。当然有时候，即使所有用户负载注入的谐波电流都维持在规定的允许值X围内，系统的电压谐波畸变率仍可能超过规定的限值。因为用于补偿功率因数和调整电压而安装的电容器组可能会放大某次谐波电流分量，而造成不可接受的电压谐波畸变率。当这类问题发生时，可以采用测量仪器进行测量，帮助分析。测量谐波电流有助于确定重要的谐波发生源；在不同系统结构中测量电压谐波畸变率有助于确定重要的系统谐振条件而加以克服。如果供电公司和广大用户都使用调谐的电容器组，那么通常就可以避免系统谐振。

2电力系统应用非线性设备的谐波评估

为了改进现代电力系统的性能，人们不断地设计和使用新的设备。这类新设备大多数是具有产生谐波的共同特性的电力电子设备，其中包括静态无功补偿器（SVC），高压直流（HVDC）换流器，可控串联补偿装置（TCSC），静止同步发生器（SSG），静止同步补偿器（STAT）、统一潮流控制器（UPFC）等柔性交流输电系统（FACTS）及用于配电系统的用户侧电力电子设备等。在核定这些设备的设计参数时，电网公司一般可采用电压谐波畸变率限值和谐波电流允许值。作为通用的法规，这些电力电子设备的运行所引起电压和电流的畸变率值不能超过GB/T 14549-1993规定的限值。

通常将可能产生谐波的设备应用在电力系统时，供电公司会要求设备供应商一起进行深入的谐波研究，共同来评价各种设备和系统的参数、可能对电网引起的畸变水平及产生的影响。这些例行工作一般包括建立较为详细的设备和系统的结构模型及使用谐波仿真计算工具等。

谐波仿真计算包括对非线性设备运行时注入谐波的系统响应频率特性进行扫描。仿真计算的结果是给出各个观测点的系统阻抗与频率的特性曲线图，如图1所示，负荷具有阻尼谐振的作用。在图中可方便地查验将会放大谐波分量而导致电压畸变率升高的谐振点，包括由系统电感和线路（或电缆）的电容及电容器组的综合作用而形成的各个串联谐振点（低阻抗）和并联谐振点（高阻抗）。为了避免系统发生谐振，需要对许多不同的系统运行条件进行评估分析，如电容器组不同的配置结构、不同的负荷条件、不同的供电方式以及不同的环境温度等。

谐波仿真计算也用来评估分析系统谐波电压的分布和各条线路流入的谐波

电流。通过频谱扫描能够检测最值得关心的系统运行条件，同时可以预测一个或多个产生谐波的设备对所连系统造成的电压和电流畸变的程度；通过不断调整新接入的各个环节的参数，保证整个系统不会超过可以接受的电压畸变率限值以及谐波电流注入值不会引起设备的过负荷或通信干扰问题。

3静止无功补偿器（SVC）的应用

为了在系统正常和最小方式条件下改进电压控制和系统稳定性，在输电系统中应用静止无功补偿器（SVC）；在电弧炉供电中也可用静止无功补偿器来控制电压闪变和调整功率因数。基于相似的作用，静止无功补偿器也可应用在配电系统。大多数静止无功补偿器（SVC）是采用晶闸管控制电抗器来连续控制无功补