牵引供电系统的高次谐波的仿真与分析_硕士学位论文(编辑修改稿)

牵引供电系统的高次谐波的仿真与分析_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

是实际上的正弦波行。 电 流 的总谐波畸变率 2nI2 1( ) 10 0%nIT H D I （ ） 谐波标准 由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成很大的危害，所以必须限制谐波电流流入电网和控制谐波电压在允许的范围内，以保证供电质量。 世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。 国外谐波标准 (1) 谐波电压标准 限制正弦波形的畸变均采用电压总谐波畸变率 THD (%)和各次谐波电压含有率nTHD (%)两个指标。 各标准中各级电网的谐波电压允许值与电网的电压等级有关，有的国家还对配电系统与输电系统分开对待。 各级电网的限制均由低压电网经中压电网到高压电网逐级减小，在电网正常运行方式下，并把国际大电网会议推荐的“低值”作为电网谐波正常水平的限制值。 各国规定的限制各级电压电网电压波形畸变率是非常 接近的，电压总谐波畸变率大致如下 低压电网 ( 1 KV): uTHD ＝ 4%~5% 中压电网 (~72kV): uTHD ＝ %~5% 高压电网 (84kV及以上 ): uTHD ＝ l%~% 其中，低压电网的谐波电压允许值是谐波标准的基础限值。 中、高压各级电网的谐波电压限值，首先应保证低压电网的谐波电压 不超过允许值，同时应保证本级电网兰州交通大学毕业设计（论文） 7 及其设备如继电保护、电容补偿等的安全可靠运行 [3]。 (2) 谐波电流标准 谐波电压是谐波源注入电网的谐波电流在电网阻抗上产生的电压降。 在电网连接点的谐波电压，可能是一个谐波源的谐波电流造成，也可能是多个谐波源的谐波电流造成。 因此，要限制系统的谐波电压，就必须限制谐波源用户注入的谐波电流。 谐波电流的限制是根据保证系统电能质量、把谐波电压限制到允许范围以内的基本要求所确定的。 根据不同情况和要求，再考虑到管理上的方便，可采取多种形式和方法，主要有 ： ① 规定换流器或交流调压器谐波 源不经计算即可接入电网的允许容量 ； ② 规定每个用户注入电网的谐波电流允许值 ； ③ 如国际大电网会议提出的建议。 扣除上一级电网传到本级电网的谐波电压后，剩余的谐波电压即为本级电网对其全部用能承担的全部谐波能力，再按每个用户接入本级电网取用的供电容量额，计算该用户允许注入电网的谐波电流。 我国谐波标准 我国谐波国家标准 GB/T14549． 93《电能质量公用电网谐波》是国家技术监督局于1993 年 7 月 31 日发布， 1994 年 3月 1日起实施的。 制定谐波国家标准的目的是把公用电网的谐波量控制在允许范围内，以 保证供电电能质量，防止谐波对电网和用户的各种电气设备造成危害，保证电网及用户安全经济运行。 标准适用的范围是交流 50Hz、 1IOkV及以下的公用电网及其供电的电力用户。 对于 220kV电网及其供电的电力用户，可参照标准对 110kV 电网的规定执行。 (1) 谐波电压标准 110kV 及以下电网谐波标准规定见表 表 公用电网谐波电压 (相电压 )限值 电网标称电压 /kv 电压总谐波畸变率 /% 各次谐波电压含有率 /% 奇次 偶次 5 6 4 10 4 35 3 66 3 110 2 兰州交通大学毕业设计（论文） 8 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。 电压等级越离，谐波限制越严格。 另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。 考虑到低压 电网内低次谐波占主要成分，同时为保证大量而普遍存在的低压电动机、并联电容器的安全运行，保证计算机的正常工作和符合保护及远动装置对电源谐波的要求，其电压总谐波畸变率确定为 5%。 (2) 谐波电流标准 表 注入公共连接点的谐波电流允许值 标称电压 (KV) 基准短路容量 (MVA) 谐波次数及谐波电流允许值 (A) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 78 62 39 62 26 44 19 21 6 100 43 34 21 34 14 24 11 11 10 100 26 20 13 20 15 35 250 15 12 12 66 500 16 13 13 100 750 12 标称电压(KV) 基准短路容量 (MVA) 谐波次数及谐波电流允许值 (A) 10 11 12 13 14 15 16 17 10 16 28 13 24 11 12 18 6 100 16 13 10 10 100 35 250 66 500 100 750 标称电压 (KV) 基准短路容量 (MVA) 谐波次数及谐波电流允许值 (A) 18 19 20 21 22 23 24 25 10 16 14 12 6 100 10 100 35 250 66 500 100 750 兰州交通大学毕业设计（论文） 9 电 网 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量 (方均根值 )不应超过表 中规定的允许值。 电力系统各元件等值电路的谐波参数 谐波研究的目的在于计算母线谐波电压，支路谐波电流，电压和电流总谐波畸变率 ，以及找出谐振条件。 当进行谐波研究时，正确地对系统元件进行建模以保证准确和可靠的谐波结果，这一点是非常重要的。 具有电阻 R 和电抗 L 2Xf 的感性元件在基频下的阻抗可以表示为 LZ R jX () 一般情况下，在存在谐波时，元件阻抗变为 L()Z n R jnX () 其中， n 为 谐波次数。 另一方面，在基频下，容性元件的电抗为 12CX fc () 在谐波存在时，其电抗值为 CC() XXn n () 但是实上力系统个非常复杂的系统它包括平衡的输电线电缆，动态负荷，线性元件、电力电子设备和非线性元件如电弧炉，荧光灯和饱和变压 器的磁芯。 一般的谐波分析的建模是非常困难的，影响系统频率响应特性的参数很多。 然而，确定影响频率响应的最重要的系统特性是很有价值的。 发电机 合格的发电机，其电势可认为是纯正弦的，即不含有高次谐波，因而发电机电势只存在与基波网络。 在高次谐波网络里，发电机电势 (谐波电势 )为零，其等值电路为由发电机端点经谐波电抗 GnX 直接与中性点 (地 )相连，如图。 零序电流一般不会进入发电机，当它进入发电机时在定子中产生的三相合成磁通为零，因而发电机的高次谐波零序电 抗等于基波时的零序电抗与该次谐波次数 n 倍的乘积。 正、负序高次谐波电流进入发电机时，在定子中产生以 n 倍同步速旋转的旋转磁场，它与转子作 ( 1n )倍同步速的兰州交通大学毕业设计（论文） 10 相对运动。 这时发电机的谐波电抗，可近似等于基波时的负序电抗与该次谐波次数 n 的乘积。 jXGn 图 发电机等值电路 因此 发电机的谐波电抗可表示为 Gn 1GX nX () 式中， 1GX 为基波时发电机的零序或负序电抗，由该次谐波的序特性决定。 在基波计算时，通常均按发电机阻抗为纯电抗计算。 在谐波计算中，一般没有有功负荷或只有很小的数值。 有功功率只是网络里各元件的损耗，因此往往需将各元件的损耗按电阻形式估计。 对发电机可按其阻抗角为 85 估计。 如果这是个等值发电机，即它是包含有线路、变压器及负荷等元件的综合等值 发电机，可按其阻抗角为 75 估计。 变压器 变压器的激磁支路由于铁芯的存在，是非线性的，其非线性的程度随外施电压而变。 电压愈高，铁芯愈接近饱和，其非线性程度愈大。 变压器是电力系统的谐波源之一，在谐波潮流计算中，可以将它看作单独的谐波源。 在较粗略计算时也可忽略它的作用。 在高次谐波作用下，变压器绕组间及绕组中匝间的电容将起作用，但在所考虑谐波次数不太高时，可忽略不计，因而其等值电路为一连接原副边节点的阻抗支路，如图。 R T n + j X T n 图 变压器等值电路 兰州交通大学毕业设计（论文） 11 其阻抗值由绕组电阻和漏抗所组成。 漏抗值可近似认为是常数。 从而其电抗值是相应基波电抗与谐波次数的乘积，即 TnX nX T1 () 式中，T1X—— 变压器 在基波时的相应序电抗，由该次谐波的序特性确定 显然，当高次谐波具有零序特性时，其电抗即是零 序电抗，它与变压器的接线方式有关，即此支路可能是联系变压器两侧的支路，也可能是连接其中一侧与中线 (地 )支路，而与另一侧无关。 在高次谐波作用下，绕组内的集肤效应和邻近效应都变的显著，电阻值要增大。 它大致与谐波次数的平方根成正比。 因而变压器谐波阻抗可表示为 11Tn T TZ n R jnX () 式中， 1TR —— 为基波时变 压器的绕组电阻 当略去变压器的电阻时，变压器等值电路就是一个纯电阻。 输电线路 输电线路是具有均匀分布参数的的电路，经过完全换位的输电线路可看作是三相对称的。 在潮流计算中，通常以集中参数的 π 型电路表示，如图。 Z L nY l n/ 2Y l n/ 2 图 输电线路等值电路 作基波（ n=1）计算时，等值电路参数为分布参数的简单集中。 若以 01r 、 01x 及 01b 分别表示线路单位长度的基波电阻、电抗和电纳（电导一般略去），且此线路长度为 l（ KM）时，则基波等值电路参数为 L1 01 01()Z r jx l () 兰州交通大学毕业设计（论文） 12 L1 01Y jb l () 当线路较长时 (架空线路大于 300km，电缆线路大于 100km)，应将此参数乘以修正系数，或增加等值 π 型电路的个数，即不使每个  型电路所代表的线路过长。 在高次谐波下，输电线路的分布参数特性较明显。 为此，计算中以双曲线函数计算输电线路等值电路参数较好。 此时有 Ln λn rnZ Z sh l () rnln/2λn rn1ch lY Z sh l () 式中， λnZ 和 nr —— 分别为对应该次谐波时线路的波阻抗和传播常数。 nZ 和 nr 可由下式计算 0nλn 0nZZ Y () n 0n 0nr Z Y () 式中 ， 0nZ 和 0nY —— 分别为 该次谐波时输电线路单位长度的阻抗和导纳。 输电线路的电容和电感值可认为是不随所加的交流电频率而变的常量。 正常运行时，线路的电导可以忽略，因而线路单位长度导纳可表示为 0n 01Y jnb () 式中 ， 01b —— 基波时 的线路 单位长度电纳值。 输电线路的电阻因集肤效应将随谐波次数增加而增大，对通常应用的导线规格，电阻的变化情况可用如下近似公式表示 0 n 0 1 0 10 . 2 8 8 0 . 1 3 8 , 1r r n r n   () 式中 ， 0nr 和 01r —— 分别为谐波和基波时单位长度线路电阻值。 这样，线路单位长度阻抗可表示为 0n 0n 01Z r jnx () 式中 ， 01x —— 基波时线路单位长度电抗值 [4]。 兰州交通大学毕业设计（论文） 13 谐波测量 (1) 谐。