非線性負荷對配電網電能質量的影響研究

陳　剛，潘心斌，肖伸平

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

非線性負荷對配電網電能質量的影響研究

陳剛，潘心斌，肖伸平

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對非線性負荷影響配電網電能質量的問題，首先分析2種典型非線性負荷模型的運行特性，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種典型非線性負荷的仿真模型，根據2種模型的特點，改變其內外的因素，觀察電源端和負荷端的電能質量。仿真結果表明，任意次諧波電流與各次諧波電壓的幅值、相位以及電路的導通角和截止角均有關；同時也說明，配電網出現低電能質量的主要因素是，配電網中有大量非線性負荷存在，即諧波源的存在。

非線性負荷；電能質量；諧波；畸變率

0　引言

現代工業和科學技術中的精密儀器設備，對電能質量的要求越來越高。隨著現代工業技術的發展，電力負荷的種類越來越多，大量含有整流或逆變電路的裝置接入電網，如：整流器、逆變器、電弧爐、變頻控制的電機、起重機等一系列非線性負荷［1］。這些負荷在容量上、數量上不斷增加，產生的諧波超出國家標準，外加上非線性負荷中含有的電容器和電抗器容易造成諧振，此時可能會放大諧波電流，導致電能質量下降，同時對電氣設備和用戶也造成一定影響。

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

1　配電網電能質量的標準

國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）對電能質量的定義是：在電力系統中某一指定點上的電特性，這些特性可根據預定的基準技術參數來評價［6］。從理想角度定義電能質量，它是指恒定幅值、相位和頻率的正弦波電壓和持續供電。因為電力系統的龐大結構和外在因素，實際的電能質量會處于一種動態過程之中，在允許范圍內的波動不會干擾電網和設備的正常運行。

1.1電能質量參數

電能質量參數主要包括以下內容：

1）電壓質量。表示實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、電壓波動和閃變、波形畸變等。

2）電流質量。表示實際電流和標準電流的偏差，電流質量通常包括電流諧波、間諧波、電流相位超前與滯后、噪聲等。為提高電能質量，用戶側電流不僅要求是單一頻率的正弦波電流，而且應保持電流波形和電壓波形基本相同。

無論是在采用快速維修的模式和方法上，還是認識到保險公司傾向于與維修連鎖集團合作的現實方面，AMA與CapitalSmart兩家集團都對澳大利亞事故車維修市場產生了重大影響。受其影響，市場上僅有2～6個小型門店的維修連鎖集團數量在逐漸增加。但據說，AMA集團在過去6個月里已經收購了兩家這樣的小型維修連鎖集團。

3）供電質量。從技術含義上講，供電質量指的是供電部門提供的電壓質量和供電可靠性。從非技術含義上說，供電質量指的是用戶對供電部門的滿意度。

4）用電質量。用電質量反映供、用電雙方相互作用與影響的責任和義務。從技術含義上講，用電質量包括對電力系統電能質量技術指標的影響和要求。從非技術含義上說，用電質量指用電責任和義務的履行度。

1.2電能質量的標準

各個地區和國家根據自身工業的發展水平和電磁特性，來制定電能質量的標準。我國目前已經實施的電能質量標準［7］主要有：GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》、GB/T12325—2003《電能質量 供電電壓允許偏差》、GB/T 15945—2008《電能質量 電力系統頻率偏差》、GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》、GB/T 12326—2008《電能質量電壓波動和閃變》。

根據GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》的規定，各中、高壓等級的諧波電壓限制見表1。

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

對于注入公共連接點的諧波電流允許值的規定：注入0.38 kV低壓電網的電流總諧波畸變率允許值為3.70%，注入10 kV中壓電網的總諧波電流畸變率允許值為3.22%。

2　非線性負荷的仿真分析

非線性負荷投入使用的影響主要包括：1）產生大量的諧波污染，增加電器設備的附加損耗，影響其正常運行。2）電機產生機械振動和噪聲影響電氣測量儀表的精確度。3）由于非線性負荷結構的復雜性，內部電容電感容易與外界電容電感產生諧振，放大諧波。

非線性負荷產生的諧波帶來的電壓電流波形變形程度，用總諧波畸變率［8］（total harmonic distortion，THD）來表示。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

非線性負荷中，比較常見的是由單相不可控整流濾波電路組成的負荷。這類負荷的特點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值，其中k，k分別為k次諧波電流和電壓瞬時值的相角，Ik和Uk分別為k次諧波的電流幅值和電壓幅值。

式（3）可以簡寫為

式中：Iin為電路輸入側電流向量；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，而且與l次（p≠l，且均為正整數）諧波電壓的幅值和相位以及電路的導通角和截止角有關。

為研究單相不可控整流濾波電路模型對電能質量的影響，將一負載Z1與單相不可控整流電路模型并聯，工頻f=50 Hz，初相位為0°，改變正弦電壓幅值，觀察電源端和負荷端的電壓、電流的THD。仿真中采用快速傅里葉變換（fast fourier transformation，FFT）［10］來計算電壓和電流THD，計算公式如式（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中的數據可以看出，正弦電壓幅值的改變，影響的只有負荷端的電流畸變率，負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，負荷端的電流畸變率變化愈明顯。實際中，除意外事故的發生外（如雷擊等），正弦電壓幅值一般不會有大的變化。正弦電壓幅值的改變，雖對電源端的電能質量影響不大，但對負荷端電流的電能質量有一定的影響，因此也應該重視電源端電壓幅值的監測。

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

表3　調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數據可知，改變正弦電壓的相位，對負荷端的電流THD影響不大，電源端的電壓THD也幾乎不受影響；但是對電源端的電流THD有一定的影響。雖然從表中的數據來看，負荷端的電壓THD有所下降，但電源端的電流THD呈現增大趨勢，這種情況對負荷端的用戶不利。

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（見圖2）組成的負荷與2.1節中的非線性負荷不同之處在于，整流所采用的電力電子器件不同，該負荷采用的是晶閘管（TH1，TH2， TH3， TH4），晶閘管開通需要一個脈沖信號。

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

設計一個脈沖時間不同的發生器，觀察電源端和負荷端的電壓、電流THD的變化。晶閘管的觸發脈沖通過簡單的脈沖發生器模塊產生，脈沖發生器的脈沖周期取為2倍的系統頻率，即為100 Hz。正弦電壓V，晶閘管的控制角d以脈沖的延遲時間t1來表示，，脈沖寬度用脈沖周期的百分比表示，默認值為50%。仿真模擬時取L=1.5 H，C=2.5 F，Z2=（3-j）；d從18°開始取不同的值，步長為6°。仿真得到負荷端和電源端的電壓、電流的THD隨d的變化規律，如圖3所示。

圖3　負荷端和電源端的電壓、電流的THD隨d的變化規律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個點比較特殊，分別是取18， 36， 54， 72。負荷端和電源端電壓的THD在這4個點附近是呈現一種頂端優勢，但是負荷端和電源端電流的THD在這4個點附近處于波谷位置。因為d在這4個點的脈沖時間剛好是正弦電壓周期的整數倍，而且這4個點的電壓和電流的THD處于一種最大差的時刻。從圖3看到電源電流的THD甚至達到100%以上，此時嚴重影響電網的電能質量，所以d的取值是相當重要的，可以增大電壓電流的THD或者減小其THD。因為非線性負荷結構的復雜性，d的取值不僅與其結構有關，還與電源的頻率相關。因此，從電路自身結構出發，對于一些濾波裝置的參數進行調整，不僅可以避免設備與設備之間的諧振發生，而且還可以減少與電網中設備發生諧振，也可減輕自身和設備的負擔。

3　結語

本文對2種典型的非線性負荷進行了分析和仿真，仿真結果表明，電源電壓幅值的改變對非線性負荷產生的電流THD有明顯的影響，非線性負荷自身的結構對電壓電流的THD也有明顯影響。在單相帶濾波可控整流電路中，晶閘管導通角的不同，會使電壓電流的畸變率有明顯變化，特殊情況下，畸變率可達到100%以上。這種情況可以通過2種途徑來改善：一是優化非線性負荷結構，以減少諧波的產生。二是對配電網的電能質量進行實時監測，投入一定數量的有源電力濾波器，以減少諧波的產生。

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（責任編輯 ：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研究開發中心開放基金資助項目（2015GH712901）

陳剛（1977-），男，湖南新化人，湖南工業大學副教授，博士，主要研究方向為網絡控制系統，E-mail：chengang@hut.edu.cn

潘心斌（1990-），男，湖南冷水江人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為電力系統及其自動化，E-mail：panxinbin3017@qq.com