冲击负荷对电力系统的影响

冲击负荷对电力系统的影响

摘要：广西是铝矿工业重要生产聚集区，同时也有以高铁等交通工具的电力机车，这些对于电网都是冲击负荷。为加强冲击负荷接入电网时加强稳定性和可靠性，解决其产生的电压波动、谐波等问题，根据查找文献和对自己电力系统的理解，提出了相应控制手段。采用增强器分析无功、电压波动，讨论测波法在分析谐波的运用，并提出无功补偿对稳定电压波动、治理谐波的的必要性。

关键词：冲击负荷电压波动谐波无功补偿

引言

传统意义上的冲击负荷包括轧钢机、电弧炉和电坪机等，在广西区内，还应该包括大型电解铝厂和高铁电力

机车等。冲击负荷由于自身的随机性、间歇性和大负荷性，其接入电网时，

产生的过载、谐波、电压等问题，会

给良好电能质量构成严重威胁。当众

多冲击负荷一起并入电网，由于其基

本上都是非线性负荷，它们之间复杂

的电力联系和冲击范围是难以直观估

计和展现的。有效分析冲击负荷接入

对区域电网产生的影响和找到相应治

理措施，是保证电力系统安全运行和

可靠电能质量的重要措施。一、电压

波动

电压是电网供电质量的重要指标，在额定电压下向用户供电，是供电可

靠性应有之意。在实际运行中，随着

冲击负荷不断接入，其时变性和冲击性，会造成电力系统电压波动，波动

范围增大，甚至超出电能质量要求的

范围。

电压稳定性，是指正常运行情况

下或遭受干扰后电力系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能力[2]。电力系统遭受冲击负荷接入的小干扰影响后，其控制电压稳定能力主

要由冲击负荷特性、各种连续控制盒

指定时刻离散控制所决定。系统小干

扰稳定的判定依据是，在给定运行情

况下系统中每个母线，母线电压数值

能随着注入无功功率的增加而升高。

若至少一个母线电压，没有随着母线

注入无功功率而升高，则说明该系统

电压不稳定。

对于冲击负荷的电压波动研究，可根据戴维南定理，供电系统有电路开路电压和串联阻抗的等效电路参数构成；负荷由复阻抗Z=R L+jX L表示，R L消耗系统有功功率，X L消耗系统无功功率。

图1 等效电路

分析电压，可用增强器动态注入

和输出方法[3]。增强器主磁铁电源输出电流为周期脉冲源，脉冲波形形似

指数曲线，其电流返回段曲线可不作

严格要求。

图2增强器主磁铁电流曲线器

增强器的电源在一个周期内的波

形可表示为：

U0=AƐt+BƐt−θ(式1-1)

由图1等效电路，根据动态电路

的三要素法可计算出电流变化规律性：i t=C−C e−dtƐt+(D−

D e−d t−θ )Ɛ(t−θ)(式1-2)

△Q=U△I sinα (式1-3)

由式（1-2）、（1-3）可知，

负荷波动会出现电流波动，电流

波动则引起无功功率变动。

△U=PR L+QX L

U

(式1-4)

在电力系统中，一般R L≪X L，由

式1-4可知，无功功率变动将引

起电压变动。

一般来说，冲击负荷的感性无功

变动量呈周期性变化，则会引起供电

电压周期性的波动。其波动范围会超过额定电压值范围或不在国标允许标

准范围内。为保证冲击负荷接入电力

系统后能够长期、安全、稳定、可靠

地运行，必须在增强器投用的同时，

进行无功功率补偿[4]。

二、谐波分析

冲击负荷基本上都是非线性负荷，其接入电力系统时，不可避免的带来

谐波污染问题，并在局部地区向整个

电网扩散。为构建绿色电网，消除或

抑制冲击负荷带来的谐波影响，对谐

波的分析研究是一项重大课题挑战。

建立冲击负荷的模型，可采用电

能质量分析仪，对冲击负荷每个测量

点三相电压、电流有效值进行测量，

冲击负荷模型用一个可控电流源表示

模拟冲击负荷的功率变动[5]。

基于得到的电流实测数据，可在Matlab中利用拟合方法得到电流拟合

函数，进而在PSCAD中建立向节点注

入受控拟合电流自定义模型[6]。将冲击负荷模型接入等值电网，分析公共

耦合节点的谐波电流、谐波电压并换

算成国标允许比较值，进行谐波分析。

根据《电能质量公用电网谐波》

的规定，谐波电流应按最小短路容量

及负荷分量换算。确定最小短路容量、国标基准短路容量、用户用电协议容量、公共连接点的供电设备容量。对

高次谐波电流允许值进行换算，对仿

真电流做FFT分析。通过允许值和仿

真值经行比较，可得到仿真值是否会

超过允许值，并做出相应结论。

对高次谐波电压允许值进行换算，对仿真电压做FFT分析。通过高次谐

波电压含有率、电压总谐波畸变率和

国标规定限值对比，可得到相应结论。根据《电能质量电压运行波动和闪边》规定，对于随机性不规则的电压波动，35kV电压等级波动范围为2%，

35~220kV电压等级波动范围为1.5%。通过计算得公共连接点电压波动百分

值国标值对比，可得出冲击负荷带来

的谐波影响是否允许其接入电力系统。

短路容量大，基波和谐波短路阻

抗小，注入电网相同的谐波电流时，

此谐波电流在较小的谐波阻抗上，产

生的谐波电压较小；同样的无功变化

量引起的电压波动也相应的变小。一

般较高电压等级母线的短路容量比低

电压等级大，具有承担较大谐波和无

功变化的能力，因此当某一地区含有

较多冲击负荷时，对于新投入的冲击

性负荷，可以适当提高其接入电网的

电压等级[7]。

三、解决办法

对冲击负荷接入电力系统带来的

谐波的问题，可提出以下几点解决办法：

3.1加装SVC消除电压波动

保持整个系统从电网吸收的无

功功率恒定，冲击负荷无功负荷引起

的电压波动限制在国标允许范围之内。SVC可以有效消除电压波动和谐波问题，但当冲击负荷对电力系统影响较

小时，仅装设滤波装置即可。3.2提高冲击负荷接入电压等级

较高电压等级母线的短路容量比低电压等级大，具有承担较大谐波和无功变化能力，当某一地区有较多新投入冲击负荷时，可适当提高其接入电压等级。

3.3加装治理设备

采用滤波装置就近吸收冲击负荷产生的谐波，以减少其注入电网的谐波电流，是抑制谐波的一种有效措施。加装滤波器是治本的办法，它使谐波源对电网影响就地消除，企业大多将无源滤波装置或有源滤波器并接在负荷进线侧来滤除谐波[8-9]。

结语

随着在广西地区工业发展，特别是大型铝矿工业不断投产和高铁应运而生，广西电力系统将面临大规模冲击负荷带来的电压波动、谐波污染等一系列稳定性和可靠性挑战，这需要科研人员投入更多精力为解决这一重大课题做出应有的贡献。