典型单相非线性负荷谐波特性研究

供配电
陈双燕(1985—),女,硕士研究生,研究方向为建筑电气、电能质量。

典型单相非线性负荷谐波特性研究
3
陈双燕,　雍　静,　陈　亮
(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆　400030)
摘　要:在不同用电背景下对各设备进行了大量的谐波测量,对其谐波幅值、相
位差异进行了研究分析。

并按照住宅建筑和办公建筑的负荷分布情况,对上述设备进行组合,测量不同组合下的谐波状况,验证了由于不同设备相位差异引起的总谐波电流的分散效应。

提出了以零序电流比指标作为进行住宅、办公建筑中的中性线截面选择依据的建议。

关键词:非线性负荷;谐波特性;分散效应
中图分类号:T U852　文献标识码:A 文章编号:167428417(2010)0320052205
雍　静(1964—),女,副教授,博士,研究方向为建筑电气、电能质量。

陈　亮(1984—),男,硕士研究生,研究方向为建筑电气、电能质量。

3基金项目建设部国家科技支撑计划项目(6B B )
0　引　言
随着电力电子技术的不断成熟,节能灯、计
算机、笔记本电脑、微波炉、电视机等非线性设备被越来越广泛地应用于住宅和办公建筑中,成为电网中的新型谐波源。

谐波对电网的污染以及对电网中用电设备造成严重危害,合理、有效地估计系统中的谐波状况是进行谐波治理、提出应对措施的前提。

既不能忽视节能灯、计算机等小功率、分布广的非线性负荷的谐波影响,又避免过高估计系统中的谐波含量而增大成本。

目前,对单相非线性负荷的谐波分析方法可分为两大类:
(1)建模分析法。

根据非线性设备的工作原理建立反映其非线性特性的等效电路模型,仿真分析在不同电源背景下非线性设备所表现的谐波特性,但部分非线性设备原理复杂,迄今尚不存在准确的电路模型[527]。

(2)试验分析法。

在不同电源背景情况下通过改变负荷数量进行谐波特性分析,其谐波数据为实测所得,真实可信,但只被用于某种非线
性设备的谐波分析,旨在说明谐波的衰减、分散效应
[8211]。

本文在不同用电背景下对几种典型非线性
设备进行大量的谐波测量,并对各个设备的谐波特性进行分析,研究因不同设备谐波电流相角差异引起的分散效应,并以住宅和办公建筑为例建立典型设备组合,分析其谐波特性,提出了零序电流比的指标以及以此作为考虑谐波存在的情况下中性线截面选择依据的建议。

1　试验研究方案
在新型建筑中,越来越多的电力电子节能产品投入使用,对公用电网造成了严重的影响。

为了量化这种影响,首先对节能灯、带液晶显示的计算机、笔记本电脑、微波炉、LC D 电视机几种常用设备进行谐波测量。

参照相关调研结果中的家用电器使用情况,以1户住宅建筑为单位,12盏节能灯、1台计算机、1台笔记本电脑、1台微波炉、1台LCD 电视机分别被选为被测设备。

试验详细步骤如表1所示。

5:200AJ27042
供配电
表1　试验步骤设计
设备步骤1
步骤2
步骤3
步骤4
步骤5
步骤6
步骤7
步骤8步骤9步骤10
步骤11
节能灯010*********主机00100001110显示器00010001110笔记本电脑00001001000微波炉00000101000电视机
1
1
在试验开始和结束时分别对背景电压进行测量,确保在短时的测量过程中背景电压并未发生明显变化,故以下所有结果可近似为在同一时
刻测得。

单个设备分别接入,测量其谐波电流,分析比较不同设备的幅值、相位差异。

12盏节能灯、1台计算机主机、1台显示器、1台笔记本电脑、1台微波炉、1台LC D 电视机同时接入系统(下称组合1),测量单个设备谐波电流及总谐波电流;6盏节能灯、1台计算机主机、1台显示器同时接入系统(下称组合2),测量单个设备谐波电流及总谐波电流;4盏节能灯、1台计算机主机、1台显示器同时接入系统(下称组合3),测量单个设备谐波电流及总谐波电流。

DL1602数字示波器被用作谐波数据采集。

将一个周期的电流波形展开为傅里叶级数:
I (t )=
∑∞
h =1
I h
co s (h ω0
t +φh
)
(1)
式中　ω0———基波角频率,ω0=2
πf 0,f 0=50Hz 用式(1)中各次谐波的幅值可计算出电流有效值及电流总谐波畸变率:
I r ms =∑∞
h =1
I
2
h
/2
(2)
I THD =
1
I 1
∑∞
h =1
I
2h
(3)
式中　I h ———第h 次谐波的有效值
　<h ———第h 次谐波电流相位　I r m s ———相电流有效值　I THD ———电流总谐波畸变率
根据上述步骤进行试验测量以及数据处理,推算出各个设备的谐波幅频特性和谐波畸变率,了解不同设备的谐波发射能力。

2　被测设备的谐波特性
2.1　被测设备的谐波电流有效值及畸变率对单个设备进行谐波电流测量,傅里叶分解
后按照式(2)、式(3)计算,结果如表2所示。

表2　各设备电流有效值及总畸变率
结果节能灯主机显示器笔记本电脑微波炉电视机
I r m s 0.090.470.150.325.340.33I T H D
0.96
0.74
1.48
1.71
0.47
1.34
可以看出,上述非线性设备的谐波电流含量很大,波形严重畸变,这些设备的大量使用将对公用电网造成严重的谐波污染。

图1至图6为上述单个设备接入时的谐波电流波形及频谱特性分析。

(a)
节能灯谐波电流
(b)节能灯电流频谱特性
图　节能灯电流波形及其谐波频谱特性
3
51
供配电
(a)主机谐波
电流
(b)主机电流频谱特性
图2　
计算机主机电流波形及其谐波频谱特性
(a)显示器谐
波电流
(b)显示器电流频谱特性
图3　计算机显示器电流波形及其谐波频谱特性
2.2　被测设备的相位分散性
单相非线性负荷在低压配电系统中广泛分
布。

本文在住宅建筑中以户为单位对系统谐波
状况进行分析(见图7),节点2处电流为各设备
电流之和。

由于不同非线性设备各次谐波电流
相位分散性的存在(见图8),不同设备的有效值
数值相加将高于总谐波电流真实值。

这种由于
不同设备的相位分散性,导致系统谐波电流累加
时出现相互消减作用的现象,也叫谐波分散
效应。

(a)
笔记本电脑谐波电流
(b)笔记本电脑电流频谱特性
图4　
笔记本电脑电流波形及其谐波频谱特性
(a)
微波炉谐波电波
(b)微波炉电流频谱特性
图5　微波炉电流波形及其谐波频谱特性
3　不同设备组合的谐波幅值特性
3.1　住宅、办公建筑中谐波状况分析
用12盏节能灯、1台计算机、1台笔记本电
脑、1台微波炉、1台LCD电视(组合1)同时接入
系统来分析某住户可能产生的最大谐波电流值。

谐波电流波形如图9所示。

在办公建筑中主要非线性设备为节能灯和
计算机,节能灯与计算机的比例为6∶1或者略
小,所以根据不同人均面积的办公建筑分别对6
盏节能灯、台计算机(组合)和盏节能灯、5
124 4
供配电
(a)电视机谐
波电流
(b )电视机电流频谱特性图6　
电视机电流波形及其谐波频谱特性
图7　
几种不同设备同时接入系统
图8　被测设备的相位分散性
1台计算机(组合3)两种组合进行谐波测量。

谐波电流波形分别如图10、图11所示。

上述组合谐波电流的有效值与总电流畸变率如表3所示。

比较表2、表3,总电流畸变率较单个设备接入时有明显改善,这是由不同设备谐波相位分散性所决定的,也是谐波分散效应更为直观的表现。

在图9、图10、图11中,各次谐波电流的代数和(忽略相位分散性总谐波电流估算结果)与向量和(系统中谐波电流真实值)相比,
可
图9　组合1
电流波形及分散效应分析
图10　组合2
电流波形及分散效应分析
图　组合3电流波形及分散效应分析
5
511
供配电
表3　各设备组合的谐波状况
组合
I r m s I TH D I n N r 16.260.392.160.3420.900.472.160.343
0.77
0.47
2.16
0.32
以看出分散效应在5次以上的高次谐波中反映尤为明显。

考虑到这一点,在对系统进行谐波估算时,避免过高估计谐波含量,造成不必要的浪费。

3.2　不同组合的零序电流比
3的倍数次谐波电流的总和即为零序电流,见式(4)。

在中性点接地的星型连接电路中,零序电流将流经中性线,其值甚至超过相线电流,所以现行的只考虑三相不平衡因数的中性线选择方案,随着这些非线性设备越来越广泛的投入使用,谐波过载隐患也愈加严重。

本文提出零序电流比的概念,作为大量非线性设备存在情况下的中性线截面选择指标。

零序电流比即零序电流与总电流的有效值之比,见式(5)。

I n =
∑∞
h =1
I
2
2h+1
/2(4)N r =
I n
I r ms
(5)
式中　I n ———零序电流(3的奇数次谐波)电流有
效值
N r ———零序电流与总电流的比值
3.3　住宅、办公建筑中性线选择修正意见三相平衡中性点接地的星型连接系统中,流
经中性线的电流为单相零序电流值的3倍,所以在住宅、办公建筑中,即使在三相负荷平衡的情况下,仍有3N r 倍的零序电流流经中性线。

由表3可知,3N r 都已超过1,即中性线上的电流大于相线上的电流,因此在目前大量非线性负载存在的情况下,中性线截面选为相线50%的做法已不可取,建议将中性线截面的选择原则设定为相线截面的1～1.2倍。

4　结　语
本文通过试验研究了典型单相非线性设备的谐波畸变情况及谐波相位分散性。

试验结果
表明:节能灯、计算机、笔记本电脑等非线性设备谐波畸变严重;不同设备的各次谐波存在相位分
散性,系统中谐波电流存在分散效应。

通过对不同非线性负荷组合的谐波测量,揭示了住宅和办公建筑中的谐波状况。

试验结果表明,由于谐波的存在,流经中性线的电流甚至将超过相线电流,现行的中性线截面选择方法存在严重的过载隐患。

基于上述谐波测量结果,提出了零序电流比的概念,为中性线截面选择提供了现实依据,并
给出了中性线截面选择的修正意见。

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C AO J ian she
(E lectrification Depart ment,China Ra il way First Survey &I nstitute Gr oup,Xi ’an 710043,China )
Ab stra ct:The m ethods of frequency mea s ure m ent in common use we re intr oduced in de tail,and it wa s illu m inated
that ten periods measuring interval coul d m eet t he requirem ent of frequency accuracymea surement f o r powe r grid .It wa s pointed out that the mea suring int e rva l of po wer grid frequencywas 10s,it wa s not onl y disaccordw ith t he current situa 2ti on tha t po we r gri d t ook 1s as basic ti me int e rva l a s statistic e ligibility ra te of frequency,but also conflict with the na 2ti ona l standa rd of monit oring equi pment of po we r quality co mmon require m ents .In orde r to make the ne w nati onal stand 2a rd not only i n accordance with China current situa ti on,but als o n ot conflict with the inte rnationa l standa rd of IE C ,the three ti m e inte rvals of 1s ,3s and 10s sh ould all be rese rved .T he e m enda t ory nati onal standard of frequency devi a tion for powe r grid wa s not only opera ti ona l,but als o facilita ting for i ntr oducing the advanced technique and equi pment int o our country .
Key wor d s :power gr i d;fr equen cy m ea sur em en t;power qua lity ;t i m e i n ter va l ;na tiona l standa r d
(上接第56页)
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e wor d s :n on li n ea r lo a d ha rm on i c cha ra c ter ist i c d is p er si o n e ect
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