电力系统谐波与仿真

【摘 要】随着社会经济的发展,化工、冶金和交通等部门大量使用各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备,使大量非线性负荷急剧增加,同时种类繁多的照明器具、娱乐设施和家用电器等的普及使用,特别是电子技术、节能技术和控制技术的进步,使得电力系统的正弦电压波形发生畸变,影响系统的运行效率,危害电力系统的安全运行.而且情况日趋严重,对谐波危害的重视和处理势在必行.

【关 键 词】电力系统；谐波；仿真分析

产生谐波的主要根源是电力电子设备,而它又是提高供电可靠性和传输正弦电压和电流给终端用户的非常有效的手段.因此,谐波成为一个长期而重要的研究方向,对电力系统工作者提出了新的挑战.

1电力系统中的谐波源

1.1谐波的定义

“谐波”一词起源于声学.有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪奠定了良好的基础.傅利叶等提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用.电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意.当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变.1945J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文.到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了有变流电力系统、工业、交流及家庭中的应用日益广泛,谐波所造成的危害也日趋严重.世界各国都对谐波问题予以充分和关注.国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定.

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅利叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波.谐波频率与基波频率的比值（n等于fn/f1）称为谐波次数.电网中有时也存在非整数倍谐波称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波.谐波实际上是一种干扰量,使电网受到“污染”,而现在供电系统谐波污染日趋严重.

1.2电力系统中主要的谐波源

所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍.周期为T等于2π/ω的非正弦电压u（ωt）,在满足狄里赫利条件下,可分解为如下形式的傅里叶级数：

式中,频率为（n等于2,3等）的项即为谐波项,通常也称之为高次谐波.电网谐波的产生,主要在于电力系统中存在各种非线性元件.即使电力系统中电源的电压为正弦波,但由于非线性元件的存在,从而电网中总有谐波电流或电压.产生谐波的元件很多,包括荧光灯和高压汞灯等气体放电灯、感应电动机、电焊机、变压器、电弧炉及晶闸管整流设备等,其中最为严重的是大型的晶闸管整流设备和大型电弧炉,它们产生的谐波电流特别突出.经统计表明,它们产生的谐波占总谐波量的近40%,是最大的谐波源.下面将对整流装置、电弧炉和电气化铁道的谐波进行简要的分析.

2电力系统谐波仿真

系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科,现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法.计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节.仿真是系统分析研究的重要手段,它可以验证理论和设想、模拟实际系统运行过程、分析系统特性随参量的变化规律、描述系统的状态与特性,可以具有实验相同的作用,同时可以避免实际操作的复杂性,完成无法实验系统或过程的仿真模拟等.因此,实现对永磁同步伺服系统的仿真具有实际意义.

2.1仿真工具介绍

近20年以来,国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具,如Cp,ACSL,SIMNON,MATLAB/SimulinLk,Matrix刀SystemBuild,CP一C等.

Matlab是以复数矩阵作为基本编程单元的一种高级程序设计语言,它提供了各种矩阵的运算与操作,并有较强的绘图功能.MATLAB是一个高度集成的软件系统,它集科学与工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理于一身,并提供了实用的WindowS图形界面设计方法,使用户能设计出友好的图形界面.MATLAB语言在自动控制、航天工业、汽车工业、语音处理、信号分析、图像信号处理等各行业中都有极广泛的应用.Simulink是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境,利用它的SinLk、Souree、Linear、Nonlinear、Conneetors、Extra选用现成模块或创建自己的模块,对于某些没有模型而又不便创建模型的环节或控制算法可以采用M文件（s函数）来实现系统部分功能.模型建立后,可以启动仿真.仿真过程中所感兴趣的量可以使用Scope示波器来加以观察.Simulink中可以使用的电力系统仿真模块集（powerSystemsBloekset）提供了七大类上百种电气元件模型,包括开关元件和电机模型等,可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真.它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制,在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式,然后才能在Simulink下进行仿真分析.

2.2对无源滤波器进行仿真

在MATLAB/Simulink环境下,利用PSB模块库,在分析了无源滤波器的基础上,建立了仿真模型.本系统采用三相整流电路对电路系统注入谐波,分析比较仿真数据.

2.2.1无源滤波模块

该无源滤波模块由三个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成,主要针对整流器产生的特征谐波进行滤波,三个单调谐滤波器调谐在5、7、11特征谐波频率上.

2.2.2三相整流桥模块

利用该模块模拟电力系统中的整流装置产生的谐波源,并对其进行滤波仿真.

2.2.310KV电力系统仿真模块

这个电力系统的仿真模块,可以准确的输出三相正弦电压,提供电力系统谐波的频域分析,从而更加明了的看出滤波的效果.

2.3仿真结果分析

从仿真结果可以看出,利用无源滤波器对电力系统中的谐波源（三相整流电路）进行滤波,电力系统中的谐波电流有明显下降,电流波形与正弦波仍相差较远；在电路系统中加装有源电力滤波器,滤波前电力系统中含有大量的谐波电流,滤波后电流波形近似为正弦波,频域分析中的谐波含量几乎为零.可以看出有源电力滤波器比起无源滤波器有更强的滤波效果.

3结论

随着我国谐波治理工作的深入开展,谐波的发生,综合动态的谐波治理措施,电网的无功功率补偿问题,是当前电力系统面临的一大课题.要消除谐波污染,除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外,在设计、制造和使用非线性负载时,也要采取有力的抑制谐波的措施,减小谐波侵入电网,从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失.