多谐波源网络谐波源建模与谐波叠加仿真

中 国 电 力 胡 伟等: 多谐波源网络谐波源建模与谐波叠加仿真 ELECTRIC POWER 多 谐 波 源 网 络 谐 波 源 建 模 与 谐 波 叠 加 仿 真

胡 伟, 查晓明, 孙建军 北 武汉 430072) ( 武汉大学 电气工程学院, 湖 摘 要: 随着电力电子装置在现代有色加工企业中的应用日益广泛, 其容量日趋增大, 数量日趋增多, 形 成了多谐波源的特点, 使电网中的谐波污染日益严重, 网侧功率因数低。 分析了某有色加工企业供电系统 的谐波分布情况, 构建了其谐波源模型, 分析了谐波源的谐波特性, 进而将它们分为电流型谐波源和电压 型谐波源。 针对多谐波源叠加的情况, 探讨了国内外对该问题处理所使用方法的缺陷性和局限性。 从节省 投资、 提高谐波抑制效果的目的出发, 运用电磁暂态仿真模型来分析多谐波源网络的谐波叠加问题, 并进 行了仿真实验, 得到了较为满意的结果。 关键词: 多谐波源; 谐波源模型; 谐波叠加; 仿真 中图分类号: TM743 文献标识码: A 文章编号: 1004-9649( 2006) 03-0061-05 它们完全存在相互抵消的因素。如果按照文献[ 2] 推 0 引言 某有色加工企业生产线使用了大量产生谐波的 电力电子设备如: 热轧机主传动采用晶闸管整流 。例桥供电的直流电动机; 粗轧机精轧机主传动采用电 、压 型 变 频 器 供 电 的 交 流 电 动 机 频 加 热 炉 采 用; 中 交- 直- 交变频加热方式等由于它们的电路结构不 。同, 其谐波特性也不同。 电网中存在多种类型的谐波源, 它们以不同的 方式向电网注入谐波。如大量应用的直流侧为阻感 负载的整流电路, 其谐波电流由直流电流大小和各 半导体开关的切换方式决定, 和交流侧参数无关, 可 以看成是电流型谐波源。而直流侧为电容滤波的二 极管整流电路就不能看成谐波电流源。因为其直流 侧电压近似为恒值, 直流电压通过各半导体开关的 切换加到交流侧, 所以应看成是谐波电压源电流型 。谐波源和电压型谐波源的分析方法、治理方法都有 很大的不同[ 1] 。当多个谐波源同时作用电网时, 应考 虑谐波叠加问题。目前主要采用文献[ 2] 推荐的叠加 公式来进行谐波电流叠加计算, 这种方法认为非线 性负荷产生的谐波电流是确定的。实际电网中由于 非线性负荷的参数关状态行方式是根据工艺 、开、运流程的变化而变化的, 因而非线性负荷产生的谐波 电流随时间变化呈非平稳随机过程, 且在同一网络 中各谐波源所产生的谐波电流具有相关性[ 3, 4] , 因而

荐的叠加公式来进行叠加计算, 其计算结果往往偏 离实际值, 造成计算结果偏大, 进行滤波器设计往往 造成很大浪费献[ 。文5] ~[ 8] 还详细研究过一些非线性负荷所产生的谐波电流的统计特性和模型、多个 谐波源谐波电流叠加的概率计算方法。然而这些方法 采用了太多的统计假设和概率计算方法, 在工程实 际应用中并不适用。本文运用电磁暂态仿真模型来 进行多谐波源网络的谐波分析, 仿真结果表明运用 此谐波分析模型来分析多谐波源网络谐波叠加问题 可以得到较为满意的结果。 1 工厂供电系统谐波源分布 工厂供电系统单相图如图 示。线性和非线 1 所性负载、功率因数补偿电容器等连接在同一条 10 kV 母线上, 通过配电变压器的二次侧供电, 而配电变压 器的一次侧连接在 上 110 kV 母线。10 kV 母线上的主要谐波源有: 热轧机直流传动系统轧机及精轧 、粗机的交- 直- 交变频传动系统 中 频加热炉的交- 直- 、交变频装置等些谐波源分属于不同配电站, 且相 。这互之间还有线路和负荷隔开。可见供电系统谐波成 分比较复杂。这些谐波源向电网注入谐波电流或在 电网产生谐波电压, 使系统正弦电压产生畸变, 对电 网内各种电气设备造成不同程度影响, 使电能质量 下降并影响其他用户。

收稿日期: 2005-08-05; 修回日期: 2005-11-10

作者简介: 胡 伟( 1979-) , 男, 湖北天门人, 硕士研究生, 从事电力电子技术在电力系统中的应用研究。

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图 1 工厂供电系统

Fig.1 Industrial power system

此 外 些 谐 波 源 从 电 网 吸 收 大 量 的 无 功 功 , 这 率, 致使电网总的功率因数降低。 为了提高电网功 率因数, 往往要装设无功补偿电容器。 谐波会引起 公用电网中局部的并联谐振或串联谐振, 从而使谐 波放大, 甚至引起严重事故。因此, 研究构建工厂电 网谐波源分析模型并分析谐波量的大小, 并制定相 应 的 抑 制 措 施 对 于 保 证 安 全 供 电 和 设 备 的 正 常 运 行是十分重要的。

a) 直流电机传动

b) 直流传动等效

图 2 直流电机传动和等效电路

Fig. 2 DC motor drive and equivalent circuit

网 的 谐 波 电 流 主 要 由 直 流 侧 电 枢 电 流 的 大 小 和 各 半导体器件的切换方式决定, 与交流侧参数关系不 大 有 理 想 电 流 源 的 特 性 此 可 以 看 成 时 一 个 , 具 , 因理想谐波电流源。 然而, 直流电动机在实际运行过 程中, 其直流侧电枢电流不可能完全保持恒定, 而 是会有微小的波动, 但仍然可将其等效为一个理想 谐波电流源 一个等效阻抗 来表示[ 10] 。当 iah 与Za 并联单个谐波电流源作用于电网时, 其等效模型如图 3 所示。

2 谐波源模型

从产生谐波的方式来看, 电网中的谐波源基本 上可以分为 2 类, 即电流型谐波源和电压型谐波源, 它们以不同的方式向电网注入谐波。晶闸管整流桥 和电压型 PWM 变频器是 2 种典型的谐波源它们 。 的电路结构不同, 因而它们产生谐波的方式不同。 2.1 晶闸管整流桥供电的直流电动机谐波源模型[ 9]

典型的晶闸管整流桥供电的直流电动机电路结 构如图 据直流电动机的运动规律, 当只 2a) 所示。根考虑其外部电气特性时, 可将直流电动机等效为反 电动势负载加上阻感负载的电路。 图 2a) 可简化为 图 2b) 所示的等效电路。

当电机运行在稳定状态时, 其电枢电流 Ia 由电 流环控制为期望恒定值。则整流桥交流侧相电流波 形为矩形方波, 幅值保持不变。 因此整流桥注入电

图 3 单个谐波电流源作用电网等效模型

Fig.3 Equivalent model of power system with a s ingle current harmonic source

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2.2 电压型 PWM 变频器供电的交流电动机[ 11]

典型的电压型 PWM 变频器供电的交流电动机 电路结构如图 4 所示。

3 多谐波源系统谐波叠加方法

图 4 交流电机传动

Fig. 4 AC motor drive

由以上电路可知, 变频器谐波主要是由二极管 整流桥产生的。此外, 逆变器向中间直流环节注入的 纹波电流也可以流入电网, 变频器输入侧会出现间 谐波。由逆变器产生的谐波电流的幅值和频率是关 于 逆 变 器 和 电 机 设 计 和 运 行 参 数 的 极 其 复 杂 的 函 数。然而逆变器产生的谐波基本上注入了中间滤波 回路, 从变频器的交流输入侧看进去, 逆变器产生的 谐波分量可以忽略。逆变部分在稳定运行时可以等 效为电阻, 电阻值由中间直流回路的直流电压和逆 变部分的运行功率决定。 电压型 PWM 变频器谐波 源模型可以简化为直流侧电容滤波带电阻负载的整 流电路模型, 这样就忽略了间谐波。变频器谐波分析 等效模型如图 5 所示。

图 5 变频器谐波分析等值模型

Fig .5 Equivalent harmonic model of frequency converter

由于电压型 PWM 变频器中间直流回路的滤波 电容较大, 中间直流电压基本保持恒定。它注入电网 的谐波电压主要由直流侧电压的大小和各半导体开 关的切换方式所决定, 与交流侧参数关系不大, 具有 理想电压源的特性, 可以看成是一个理想谐波电压 源。当然, 在实际过程中, 直流侧电压不可能完全保

持恒值, 而是会有微小的波动, 但仍然可将其等效为 一个理想谐波电压源 ubh 与一个等效阻抗 Zb 串联来 表示[ 10] 。当单个谐波电压源作用于电网时, 其等效电 路如图 6 所示。

图 6 单个谐波电压源作用电网等效模型

Fig.6 Equivalent model of power system with a s ingle voltage harmonic source

一般当系统中只有 1 个谐波源时, 各点的谐波 电压可以很方便地求出。然而在实际的配电系统中, 往往存在多个谐波源, 不仅有电流型谐波源, 而且有 电压型谐波源。针对实际电网结构, 由前面的分析可 知, 该电网既有电流型谐波源, 也有电压型谐波源, 且分属于不同的配电站, 电网谐波成分比较复杂。当 它们同时作用于电网时, 必须考虑它们的叠加问题。 此时, 电网谐波分析模型可简化为图 7 所示模型。 当多个谐波源同时作用于电网时, 多个谐波源的大 小和相位的动态变化, 给电网中谐波电流和电压的 估算和滤波器的设计带来困难, 因此人们都在寻求 一种实用的配电网谐波计算和分析方法。

图 7 多谐波源电网谐波分析等效模型

Fig.7 Equivalent model of industrial power system with multi-harmonic sources

常规分析谐波叠加的方法是确定的, 即认为由 非线性负荷产生的谐波电流是确定的。 文献[ 2] 指 出, 2 个谐波源的同次谐波电流 Ih1 和 Ih2 在一条线路 上叠加, 当 2 个谐波源谐波电流之间的相位差 θh 已 知时, 按式( 1) 进行叠加计算:

Ih= !I2 h1

+I2 h2+2I I

h1 h2

cos !

h

( 1)

同时, 文献[ 2] 推荐当相位角 θh 不确定时, 可按 式( 2) 进行叠加计算:

Ih=!I2 +I2

( 2)

h1

h2+K I

h h1 h2I

式中: Kh 系数按表 1 选取。

表 1 系数 Kh 的值

Tab.1 Coefficient of Kh

h 3 5 7 11 13 9 >13 偶次 Kh 1.62 1.28 0.72 0.18 0.08 - 0 - 2 个谐波源在同一节点上引起的同次谐波电压 的叠加计算与式( 1) 、( 2) 类同。当有多个谐波源时, 采用 2 个同次谐波电流叠加, 再与第 3 个同次谐波 电流叠加, 并依次类推。

在实际的电力系统中, 网络中谐波源众多, 非线 性负荷的参数、开关状态、运行方式的变化都是随机

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的, 且负荷由于工艺流程的变化随时间变化, 因而谐 波源的大小和相位都是变化的。实际上, 大量现场测 试表明, 谐波源所产生的谐波电流随时间变化呈非平 稳的随机过程, 且在同一个网络中各谐波源所产生的 谐波电流具有相关性[ 3, 4] 。多个谐波源同时作用于电 网时, 它们完全可能 存 在 相 互 抵 消 因 素 , 这 又 恰 恰 是最难详尽分析的。 如果按照式( 2) 来计算多谐波 源网络谐波电流和谐波电压, 其结果必将不恰当的 放大了网络中的谐波电流和谐波电压, 放大了对滤 波器的配置要求, 在滤波器设计过程中往往造成很 大浪费, 甚至有可能使系统参数不匹配而发生危险 的并联谐振或串联谐振。

文献[ 5] ~[ 8] 详细研究了一些非线性负荷所产 生谐波的统计特性和模型、多个谐波源谐波的叠加 以及在网络中根据谐波电流预测谐波电压等的概率 计算方法。由于这些方法使用了太多的统计假设和 概率计算方法, 在实际的工程中并不适用。

由于目前国内外研究多谐波源网络谐波叠加方 法的局限性和缺陷性, 本文利用电磁暂态软件建立 系统谐波分析模型来分析多谐波源网络中的谐波叠 加问题。

4 仿真实验

按照工厂供电系统图 1, 采用电磁暂态仿真软 件 PSCAD 构建工厂供电系统谐波分析模型, 并根据 工厂生产工艺流程对各种工况进行了仿真实验。实 验中对 10 kV 母线的谐波叠加电流进行了监测。下 面分 3 种工况给出仿真结果。第 1 种工况考虑热轧 机 、粗 轧机 、精 轧机 、中 频加热炉等用电设备均工作 在额定工况下。此时 10 kV 母线电流各次谐波电流 如图 8 所示。

图 8 第 1 种工况 10 kV 母线谐波电流

Fig. 8 Harmonics content of system current at 10 kV bus for No.1 condition

第 2 种工况考虑热轧机、中频加热炉工作在额 定 工 况 , 粗 轧 机 、精 轧 机 工 作 在 轻 载 工 况 ( 仿 真 按 50%额定工况计算) 。此时 10 kV 母线电流各次谐波 电流见图 9。

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图 9 第 2 种工况 10 kV 母线谐波电流

Fig .9 Harmonics content of system current at 10 kV bus for No.2 condition

第 3 种工况考虑粗轧机、精轧机工作在额定工 况, 热轧机 、中 频加热炉工作在轻载情况( 仿真时按 50%额定工况计算) 。此时 10 kV 母线电流各次谐波 电流见图 10。

图 10 第 3 种工况 10 kV 母线谐波电流

Fig.10 Harmonics content of system current at 10 kV bus for No.3 condition

在实际的生产过程中, 各用电设备的运行工况 随生产工艺流程而变化。进行仿真实验时, 只需改变 电磁暂态仿真分析模型中的参数和开关投切的时间 即可模拟工艺流程和运行工况的变化过程。例如: 热 轧机直流电动机轻载时只需改变其谐波分析等效模 型中电流环的给定值; 粗轧机 、精 轧机 、中 频加热炉 轻载时只需根据实际运行功率改变其谐波分析等效 模型中等效电阻值等。

仿真结果表明: 应用电磁暂态仿真软件构建的 多谐波源企业供电系统谐波分析模型进行多谐波源 网络的谐波分析时, 较之与其他方法具有使用灵活 方便、结果更准确等优点。此谐波分析模型具有功能 强、使用方便等优点, 能较好地满足工程上对于谐波 分析和治理的需要。仿真所得结果对工程实际中谐 波分析和滤波器的设计有很大的指导作用。

5 结语

多谐波源网络的谐波分析一直是众多学者分析 的热点和难点。本文以某实际的工厂电网结构为例, 构建了工厂谐波源模型, 分析了其谐波特性, 将它们

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分为电流型谐波源和电压型谐波源。针对多谐波源 的叠加问题, 探讨了目前国内外处理该问题的方法, 并分析了其缺陷和局限性人方法的基础上, 采 。在前用电磁暂态软件建立系统谐波分析模型来分析多谐 波源网络中的谐波叠加问题模型具有。此谐波分析 功能强用方便等优点, 能较好地满足工程上对谐、使 波分析和治理的需要。

各种工况仿真实验结果表明, 运用电磁暂态仿 真模型分析多谐波源网络的谐波问题时, 可以很方 便地修改模型参数和开关投切时间来模拟工艺流程 和工况变化, 较其他方法具有使用方便析结果更、分 准确且符合实际情况等优点。在进行滤波器设计时, 可改变传统谐波治理方案对多谐波源网络谐波治理 的盲目性, 以较少的投资获得较好的网络谐波综合 抑制效果。

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( 责任编辑 张重实)

Harmonic sources modeling and harmonic superposition simulation of power system with

multi-harmonic sources

HU Wei, ZHA Xiao-ming, SUN Jian-jun

( School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract: With the widely use of high-power power electronic devices in modern metallurgical enterprises, multi-harmonic sources exist in industrial power system. Therefore, it leads to increasing harmonic pollution and low power factor. The harmonic distribution in industrial power system of a metallurgical enterprise was analyzed. Furthermore, harmonic models were established and character of harmonic sources was analyzed too. Then, harmonic sources are divided into current harmonic sources and voltage harmonic sources. Aiming at multi-harmonic sources in industrial power system, the methods to solve the harmonic superposing problem and their shortcomings were discussed. In order to save investment and improve effect of suppressing harmonic, an electromagnetic transient simulation model was proposed to analyze multi- harmonic superposition. Simulation experimental results were also given.

Key words: multi-harmonic sources; harmonic sources modeling; harmonic superposition; simulation

补 正 本刊 2006 年第 1 期第 67 页正数第 3 行的 “苏鹏生等专家”特补正为 “苏鹏声等专家”。

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