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

　

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