陳　剛，潘心斌，肖伸平

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

非線性負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

陳剛，潘心斌，肖伸平

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)非線性負(fù)荷影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量的問(wèn)題，首先分析2種典型非線性負(fù)荷模型的運(yùn)行特性，即單相不可控整流濾波電路和單相可控整流濾波電路模型。然后在MATLAB/SIMULINK中建立這2種典型非線性負(fù)荷的仿真模型，根據(jù)2種模型的特點(diǎn)，改變其內(nèi)外的因素，觀察電源端和負(fù)荷端的電能質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，任意次諧波電流與各次諧波電壓的幅值、相位以及電路的導(dǎo)通角和截止角均有關(guān)；同時(shí)也說(shuō)明，配電網(wǎng)出現(xiàn)低電能質(zhì)量的主要因素是，配電網(wǎng)中有大量非線性負(fù)荷存在，即諧波源的存在。

非線性負(fù)荷；電能質(zhì)量；諧波；畸變率

0　引言

現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的精密儀器設(shè)備，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力負(fù)荷的種類(lèi)越來(lái)越多，大量含有整流或逆變電路的裝置接入電網(wǎng)，如：整流器、逆變器、電弧爐、變頻控制的電機(jī)、起重機(jī)等一系列非線性負(fù)荷［1］。這些負(fù)荷在容量上、數(shù)量上不斷增加，產(chǎn)生的諧波超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，外加上非線性負(fù)荷中含有的電容器和電抗器容易造成諧振，此時(shí)可能會(huì)放大諧波電流，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，同時(shí)對(duì)電氣設(shè)備和用戶(hù)也造成一定影響。

對(duì)于非線性負(fù)荷的研究，須考慮眾多因素的影響，本文分析非線性負(fù)荷的運(yùn)行特性，建立典型的非線性負(fù)荷模型，在不同條件下，觀察電壓端和電流端的電能質(zhì)量。

1　配電網(wǎng)電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）對(duì)電能質(zhì)量的定義是：在電力系統(tǒng)中某一指定點(diǎn)上的電特性，這些特性可根據(jù)預(yù)定的基準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)［6］。從理想角度定義電能質(zhì)量，它是指恒定幅值、相位和頻率的正弦波電壓和持續(xù)供電。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的龐大結(jié)構(gòu)和外在因素，實(shí)際的電能質(zhì)量會(huì)處于一種動(dòng)態(tài)過(guò)程之中，在允許范圍內(nèi)的波動(dòng)不會(huì)干擾電網(wǎng)和設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.1電能質(zhì)量參數(shù)

電能質(zhì)量參數(shù)主要包括以下內(nèi)容：

1）電壓質(zhì)量。表示實(shí)際電壓值與理想電壓值間的偏差，包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、波形畸變等。

2）電流質(zhì)量。表示實(shí)際電流和標(biāo)準(zhǔn)電流的偏差，電流質(zhì)量通常包括電流諧波、間諧波、電流相位超前與滯后、噪聲等。為提高電能質(zhì)量，用戶(hù)側(cè)電流不僅要求是單一頻率的正弦波電流，而且應(yīng)保持電流波形和電壓波形基本相同。

無(wú)論是在采用快速維修的模式和方法上，還是認(rèn)識(shí)到保險(xiǎn)公司傾向于與維修連鎖集團(tuán)合作的現(xiàn)實(shí)方面，AMA與CapitalSmart兩家集團(tuán)都對(duì)澳大利亞事故車(chē)維修市場(chǎng)產(chǎn)生了重大影響。受其影響，市場(chǎng)上僅有2～6個(gè)小型門(mén)店的維修連鎖集團(tuán)數(shù)量在逐漸增加。但據(jù)說(shuō)，AMA集團(tuán)在過(guò)去6個(gè)月里已經(jīng)收購(gòu)了兩家這樣的小型維修連鎖集團(tuán)。

3）供電質(zhì)量。從技術(shù)含義上講，供電質(zhì)量指的是供電部門(mén)提供的電壓質(zhì)量和供電可靠性。從非技術(shù)含義上說(shuō)，供電質(zhì)量指的是用戶(hù)對(duì)供電部門(mén)的滿(mǎn)意度。

4）用電質(zhì)量。用電質(zhì)量反映供、用電雙方相互作用與影響的責(zé)任和義務(wù)。從技術(shù)含義上講，用電質(zhì)量包括對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的影響和要求。從非技術(shù)含義上說(shuō)，用電質(zhì)量指用電責(zé)任和義務(wù)的履行度。

1.2電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

各個(gè)地區(qū)和國(guó)家根據(jù)自身工業(yè)的發(fā)展水平和電磁特性，來(lái)制定電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)目前已經(jīng)實(shí)施的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［7］主要有：GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》、GB/T12325—2003《電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》、GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》、GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》、GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》。

根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，各中、高壓等級(jí)的諧波電壓限制見(jiàn)表1。

表1　各中高壓等級(jí)的諧波電壓限制Table 1　Harmonic voltage limit for medium and high voltage levels

對(duì)于注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值的規(guī)定：注入0.38 kV低壓電網(wǎng)的電流總諧波畸變率允許值為3.70%，注入10 kV中壓電網(wǎng)的總諧波電流畸變率允許值為3.22%。

2　非線性負(fù)荷的仿真分析

非線性負(fù)荷投入使用的影響主要包括：1）產(chǎn)生大量的諧波污染，增加電器設(shè)備的附加損耗，影響其正常運(yùn)行。2）電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲影響電氣測(cè)量?jī)x表的精確度。3）由于非線性負(fù)荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，內(nèi)部電容電感容易與外界電容電感產(chǎn)生諧振，放大諧波。

非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波帶來(lái)的電壓電流波形變形程度，用總諧波畸變率［8］（total harmonic distortion，THD）來(lái)表示。它等于各次諧波含量均方根值與基波均方根值之比，用百分比表示。

電壓總諧波畸變率

電流總諧波畸變率

式（1）～（2）中：Ut和It分別表示t次諧波電壓和電流的有效值；

U1和I1分別表示基波電壓和基波電流。

2.1單相不可控整流濾波電路分析

非線性負(fù)荷中，比較常見(jiàn)的是由單相不可控整流濾波電路組成的負(fù)荷。這類(lèi)負(fù)荷的特點(diǎn)是橋式電路中的二極管（D1， D2， D3， D4）是不可控器件，帶有LC濾波，容易造成諧振，單相不可控整流濾波電路見(jiàn)圖1。

圖1　單相不可控整流濾波電路Fig.1　Single-phase uncontrolled rectifier filter circuit

該電路的頻域諧波耦合導(dǎo)納矩陣模型［9］，即

Ik∠k，Uk∠k分別表示k次諧波電流和電壓的瞬時(shí)值，其中k，k分別為k次諧波電流和電壓瞬時(shí)值的相角，Ik和Uk分別為k次諧波的電流幅值和電壓幅值。

式（3）可以簡(jiǎn)寫(xiě)為

式中：Iin為電路輸入側(cè)電流向量；Uin為輸入端電壓向量；U*為Uin的共軛向量。

由式（3）可知，p次諧波電流不僅與p次諧波電壓有關(guān)，而且與l次（p≠l，且均為正整數(shù)）諧波電壓的幅值和相位以及電路的導(dǎo)通角和截止角有關(guān)。

為研究單相不可控整流濾波電路模型對(duì)電能質(zhì)量的影響，將一負(fù)載Z1與單相不可控整流電路模型并聯(lián)，工頻f=50 Hz，初相位為0°，改變正弦電壓幅值，觀察電源端和負(fù)荷端的電壓、電流的THD。仿真中采用快速傅里葉變換（fast fourier transformation，F(xiàn)FT）［10］來(lái)計(jì)算電壓和電流THD，計(jì)算公式如式（1）和式（2）。在SIMULINK中建立如圖1所示的仿真電路，取固定的參數(shù)值：L=1.5 H，C=2.5 F，Z1=（3-j），整流所采用的二極管是普通二極管，內(nèi)阻為0.001，正向電壓為0.8 V，得到在不同電壓幅值下的電流電壓畸變率見(jiàn)表2。

表2　不同電壓幅值下的電壓電流畸變率Table 2　Voltage and current distortion rate under different voltage amplitudes

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，正弦電壓幅值的改變，影響的只有負(fù)荷端的電流畸變率，負(fù)荷端的電壓畸變率和電源端的電流電壓畸變率幾乎不變；而且隨著電源端的正弦電壓幅值的增加，負(fù)荷端的電流畸變率變化愈明顯。實(shí)際中，除意外事故的發(fā)生外（如雷擊等），正弦電壓幅值一般不會(huì)有大的變化。正弦電壓幅值的改變，雖對(duì)電源端的電能質(zhì)量影響不大，但對(duì)負(fù)荷端電流的電能質(zhì)量有一定的影響，因此也應(yīng)該重視電源端電壓幅值的監(jiān)測(cè)。

只改變電源電壓的初相位角，調(diào)整其為10°，其他條件不變，得仿真結(jié)果如表3所示。

表3　調(diào)整初相位后的電壓電流畸變率Table 3　Voltage and current distortion rates after the adjustment of the initial phase

由表2和表3數(shù)據(jù)可知，改變正弦電壓的相位，對(duì)負(fù)荷端的電流THD影響不大，電源端的電壓THD也幾乎不受影響；但是對(duì)電源端的電流THD有一定的影響。雖然從表中的數(shù)據(jù)來(lái)看，負(fù)荷端的電壓THD有所下降，但電源端的電流THD呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這種情況對(duì)負(fù)荷端的用戶(hù)不利。

2.2單相可控整流濾波電路分析

由單相可控整流濾波電路（見(jiàn)圖2）組成的負(fù)荷與2.1節(jié)中的非線性負(fù)荷不同之處在于，整流所采用的電力電子器件不同，該負(fù)荷采用的是晶閘管（TH1，TH2， TH3， TH4），晶閘管開(kāi)通需要一個(gè)脈沖信號(hào)。

圖2　單相可控整流濾波電路Fig.2　Single-phase uncontrolled rectifier filter circuit

設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖時(shí)間不同的發(fā)生器，觀察電源端和負(fù)荷端的電壓、電流THD的變化。晶閘管的觸發(fā)脈沖通過(guò)簡(jiǎn)單的脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生，脈沖發(fā)生器的脈沖周期取為2倍的系統(tǒng)頻率，即為100 Hz。正弦電壓V，晶閘管的控制角d以脈沖的延遲時(shí)間t1來(lái)表示，，脈沖寬度用脈沖周期的百分比表示，默認(rèn)值為50%。仿真模擬時(shí)取L=1.5 H，C=2.5 F，Z2=（3-j）；d從18°開(kāi)始取不同的值，步長(zhǎng)為6°。仿真得到負(fù)荷端和電源端的電壓、電流的THD隨d的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3　負(fù)荷端和電源端的電壓、電流的THD隨d的變化規(guī)律Fig.3　The variation rule of voltage and current THD accompanied by the change of d at the load end and the power source

從圖3的曲線可以看出，d有4個(gè)點(diǎn)比較特殊，分別是取18， 36， 54， 72。負(fù)荷端和電源端電壓的THD在這4個(gè)點(diǎn)附近是呈現(xiàn)一種頂端優(yōu)勢(shì)，但是負(fù)荷端和電源端電流的THD在這4個(gè)點(diǎn)附近處于波谷位置。因?yàn)閐在這4個(gè)點(diǎn)的脈沖時(shí)間剛好是正弦電壓周期的整數(shù)倍，而且這4個(gè)點(diǎn)的電壓和電流的THD處于一種最大差的時(shí)刻。從圖3看到電源電流的THD甚至達(dá)到100%以上，此時(shí)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，所以d的取值是相當(dāng)重要的，可以增大電壓電流的THD或者減小其THD。因?yàn)榉蔷€性負(fù)荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，d的取值不僅與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與電源的頻率相關(guān)。因此，從電路自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)于一些濾波裝置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，不僅可以避免設(shè)備與設(shè)備之間的諧振發(fā)生，而且還可以減少與電網(wǎng)中設(shè)備發(fā)生諧振，也可減輕自身和設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)2種典型的非線性負(fù)荷進(jìn)行了分析和仿真，仿真結(jié)果表明，電源電壓幅值的改變對(duì)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的電流THD有明顯的影響，非線性負(fù)荷自身的結(jié)構(gòu)對(duì)電壓電流的THD也有明顯影響。在單相帶濾波可控整流電路中，晶閘管導(dǎo)通角的不同，會(huì)使電壓電流的畸變率有明顯變化，特殊情況下，畸變率可達(dá)到100%以上。這種情況可以通過(guò)2種途徑來(lái)改善：一是優(yōu)化非線性負(fù)荷結(jié)構(gòu)，以減少諧波的產(chǎn)生。二是對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，投入一定數(shù)量的有源電力濾波器，以減少諧波的產(chǎn)生。

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（責(zé)任編輯 ：鄧光輝）

A Research on the Influence of Nonlinear Loads on the Power Quality of Distribution Networks

CHEN Gang，PAN Xinbin，XIAO Shenping
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the influence exerted by nonlinear loads on the power quality of distribution networks， a preliminary analysis has been made of the operational characteristics of two typical kinds of nonlinear load models， i.e.single-phase uncontrolled rectifier filter circuit and single phase controlled rectifier filter circuit model， followed by the establishment of simulation models of these two typical nonlinear load models in MATLAB/SIMULINK.Based on these characteristics， the internal and external factors are modified to observe the power quality of the power supply and the load side.The simulation results show that the amplitude and phase of the harmonic currents are related to the amplitude and phase of each harmonic voltage as well as the conduction angle and the cut-off angle of the circuit.The results also show that the major factor responsible for the low power quality in distribution network lies in the fact that there are a large number of nonlinear loads， namely harmonic source， in distribution networks.

nonlinear load；power quality；harmonic wave；distortion rate

TM711

A

1673-9833（2016）04-0016-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.04.004

2016-06-09

廣東省特種光纖材料與器件工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（2015GH712901）

陳剛（1977-），男，湖南新化人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，E-mail：chengang@hut.edu.cn

潘心斌（1990-），男，湖南冷水江人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化，E-mail：panxinbin3017@qq.com