{公司治理}精机热加工厂电能质量分析与治理方案研究

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1、公司治理精机热加工厂 电能质量分析与治理方案 研究 公司治理精机热加工厂 电能质量分析与治理方案 研究 工 程 硕 士 学 位 论 文 热加工厂电能质量的分析与治理方案研究热加工厂电能质量的分析与治理方案研究 作者：张文强作者：张文强 指导教师：杨伟副教授指导教师：杨伟副教授 高级工程师高级工程师 南 京 理 工 大 学南 京 理 工 大 学 2012 年 12 月2012 年 12 月 M. powerqualityanalysisandmanagementpowerqualityanalysisandmanagement By ZhangWenQiangZhangWenQiang Supe

2、rvisedbyAssociateProf.YangWeiangWei S.E. NanjingUniversityofSciencepowerquality;harmonicwave;SVG;CYMEPSAF 目录目录 摘 要摘 要 I ABSTRCTII 1 绪论1 绪论 1 1.1 课题的研究背景与意义 1 1.2 电能质量 1 1.2.1 电能质量概述 1 1.2.2 电能质量特点 2 1.2.3 电能质量问题的起因 2 1.3 谐波的相关概念 3 1.4 国内外谐波研究现状 3 1.4 .1 国外谐波研究现状 3 1.4.2 国内谐波研究现状 4 1.5 论文的主要工作 4 2 电能

3、质量理论2 电能质量理论 6 2.1 电能质量的定义 6 2.1.1 电压偏差 6 2.1.2 频率偏差 6 2.1.3 电压波动和闪变 6 2.1.4 三相电压不平衡 7 2.1.5 谐波含量 7 2.2 谐波的检测与分析 7 2.2.1 谐波的主要危害和影响 8 2.2.2 谐波分析方法 8 2.2.3 谐波的治理及改善措施 8 2.3 SVG 的工作原理与控制 8 2.3.1SVG 的优点 9 2.3.2SVG 应用对象 9 2.4 本章小结 9 3 精机热加工厂电能质量现状分析3 精机热加工厂电能质量现状分析 10 3.1 仿真软件背景介绍 11 3.2 A、B 两段母线并列运行时的电

4、能质量问题 12 3.2.1 谐波电流 13 3.2.2 谐波电压 16 3.2.3 功率因数 18 3.3 A、B 两段母线分列运行时的电能质量问题 19 3.3.1 谐波电流 19 3.3.2 谐波电压 21 3.3.3 谐波电流 24 3.4 本章小结 25 4 治理方案设计4 治理方案设计 26 4.1 补偿容量的确定 26 4.2 A、B 段母线电能质量治理装置的配置参数 26 4.3 本章小结 27 5 精机热加工厂治理后电能质量分析5 精机热加工厂治理后电能质量分析 28 5.1 治理效果分析（A、B 两段母线并列运行时）28 5.1.1 谐波电流 28 5.1.2 谐波电压 3

5、0 5.1.3 功率因数 34 5.2 治理效果分析（A、B 两段母线分列运行时）34 5.2.1 谐波电流 34 5.2.2 谐波电压 36 5.2.3 功率因数 39 5.3 滤波器安全性分析 40 5.3.1 过电流校验 40 5.3.2 过电压校验 40 5.3.3 运行安全稳定性 41 5.4 本章小结 43 6 总结与展望6 总结与展望 44 致 谢致 谢 45 参考文献参考文献 46 1 绪论1 绪论 1.1 课题的研究背景与意义1.1 课题的研究背景与意义 一个理想的电力系统常常以恒定的频率和要求的电压，按照正弦波的形式， 向用户提供电能。但是在实际的应用中，由于在输送过程中各

6、种各样的干扰或者 影响，电能受到了破坏，所以在用户端接受到的电能常常会发生畸变。在当前， 由于不对称负荷的增加， 冲击性负荷的增加， 使得影响电能质量的因素越来越多， 从而引起电能质量越来越差。 电能质量不仅与发电、输电和供电系统有关，其还和电网中的非线性负荷有关， 为了降低生产过程中由于电能质量差引起的生产损失和因此而造成的事故，所以 加强电能管理变成越来越重要。 在电能质量的多项指标中，受干扰性负荷影响最普遍的是谐波。随着非线性 负荷的快速增长，电网的谐波水平也在不断提高。由于谐波干扰引起的电气设备 异常和事故有逐年增加的趋势。谐波对电网的污染，危及到各种用电设备的运行 安全和使用寿命，因

7、此，研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具 有重要的实际意义1-2。 1.2 电能质量1.2 电能质量 电能是一种清洁、高效的能源，是社会经济快速发展的重要物质保证，是各 种高新技术，尤其是信息技术应用的前提。近年来，随着现代科学技术的不断发 展和电力市场的不断的完善，各种电力用户对电能质量的要求也越来越高，对电 能应用过程中出现的各种质量问题越来越重视。随着电力市场的形成和推进，电 力用户不仅对电力数量有不断的增长需求，对电能质量的要求也越来越高。为用 户提供安全、可靠、清洁的电力能源成为电力部门获取利润的先决条件，也是实 现良好的社会效益的唯一手段，因此，电能质量的好坏直接关系到

8、电力工业在内 的工商业系统，乃至整个国民经济的发展前景，具有不可忽略的实现意义和战略 意义4。本节将就电能质量相关问题做一简要介绍。 1.2.1 电能质量概述1.2.1 电能质量概述 一个理想的电力系统应以恒定频率(50Hz)的正弦波形，按规定的电压水平对 用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相 位相差 120 度的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、线路等)参数并不 是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运 行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态实际上并不存在，由此产生 了电网运行、 电气设备和用电中的各种各样的问题

9、， 也就产生了电能质量的概念。 但迄今为止，对电能质量的技术含义还存在着不同的认识5。 电能质量可用电网谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度等指标来表示。目 前还没有一个统一的电能质量标准。IEC 标准对电能质量的定义为：电能质量是 指供电装置在正常工作情况下部中断和干扰用户使用电力的物理特性。文献6 给出了一个比较直观的不合格电能质量的定义：导致用户设备故障或不能正常工 作的电流、电压或频率偏差。 1.2.2 电能质量特点1.2.2 电能质量特点 由于电能的特殊性，电能质量有以下几个特点。 （1）动态性：电能的生产、传输、供电和消耗是一个整体，它一直维持动态 平衡，当系统的结构发生变化时，当负

10、荷的状态发生变化时，电能状态都将跟随 着变化，在系统中，地点不同、时刻不同时，电能质量的指标通常也不相同。 （2）相关性：由于现今电源技术的局限性，产生的电能还不能够被大量储存， 所以电能的生产、传输、分配和消耗都是同时进行的，当其中一处电能质量不达 标时，与其相关的设备都会受到影响。 （3）潜在性：由于电力系统非常复杂，也就造成了电能在传输过程中，受到 的扰动和破坏具有很大的不确定性，当电能质量下降时，其对系统设备的损坏有 时不能立刻表现出来，为系统的安全运行埋下了隐患。 （4）整体性：为了获得良好的电能质量，不仅需要供电方能够提供优质的电 能， 还需要使用方和设备方的同力协作， 只有各方都

11、自觉遵守相关的标准和协议， 对电能进行有效的管理，才能是电能保持了良好的状态。 此外，电能还具有传播性、复杂性等特点。 1.2.3 电能质量问题的起因1.2.3 电能质量问题的起因 造成当前电能质量问题主要有以下两个方面的原因： （1）电力负荷构成的变化。随着科学技术的发展，越来越多的非线性负荷被 应用到电网中，例如：大规模电力电子应用装置（节能装置、变频设备等） 、大 功率的电力拖动设备、直流输电装置、电化工设备（化工、冶金企业的整流）等 其他非线性负荷。另外，还存在很多快速变化的冲击性负荷：如摩天大厦的高速 电梯、动车组及其变化负荷7-9。 （2）大量谐波注入电网。在对非线性负荷和冲击性负

12、荷的电力设备进行控制 时，常常会伴随着大量的谐波电流的产生，进而使电网中的谐波电压越来越多， 最终引起电压发生严重畸变。所以，随着大量非线性和冲击性负荷的使用，电网 的安全性变的越来越差，严重危害了电网中设备的安全使用10-12。 1.3 谐波的相关概念1.3 谐波的相关概念 提供给用户电压，其波形是评价电能质量好坏的一个重要标准。良好的电压 波形应该是正弦波，当用户端收到的电压波形不是正弦波时，就认为其实不标准 的，或者说该电压发生了畸变。一般该波形中用谐波的含量来表示畸变的程度。 为了能够有效的分析谐波，所以谐波的概念便由此而提出了。谐波通常用基波频 率的倍数来衡量，当其为基波频率的几倍时

13、，就称为几次谐波。例如，当基波频 率取 50Hz 时，如果该谐波为 150Hz，就称该谐波为三次谐波，图 1.1 及图 1.2 表 示了两种频率波形的叠加过程13。 图 1.1 谐波波形图 1.2 谐波波形 1.4 国内外谐波研究现状1.4 国内外谐波研究现状 1.4.1 国外谐波研究现状1.4.1 国外谐波研究现状 关于 THDU 的标准，每个国家给出的规定基本上都差不多，比如前苏联，该 国对 THDU 给出了两个标准，分别为正常允许值和最大允许值。而 America 不仅 对公共电网给出了 THDU 的标准外，还对特殊的用户给出了 THDU 的标准值。国际 电工委员会对正常允许值和最大允许

14、值分别作了如下定义：正常允许值，电网在 正常运行的情况下，一整日内九成五的时间不允许超过的限制值；最大允许值， 在电压发生事故时，电网保持运行时不能超过的限制值。此外，国际电工委员会 给出了高、中、低电压的谐波电压兼容值。如表 1.1 所示： 表 1.1IEC 规定系统的谐波电压兼容值 奇次谐波（非 3 的倍数）奇次谐波（3 的倍数）偶次谐波 谐波次数 h 谐波电压 % 谐波次数 h 谐波电压 % 谐波次数 h 谐波电压 % 563522 7591.541 113.5150.360.5 133210.280.5 172210.2100.5 191.5120.2 231.5120.2 251.5

15、 250.2+12.5/h 1.4.2 国内谐波研究现状1.4.2 国内谐波研究现状 我国也颁布了相关的谐波标准，标准中对谐波电压和谐波电流都做出了如下 规定，见表 1.415-16。 表 1.4 公用电网谐波电压(相电压)限制值 各单次谐波电压含有率（） 网标称电压（KV）电压总谐波畸变率（） 奇次偶次 0.385.04.02.0 6104.03.21.6 353.02.41.2 1102.01.60.8 该标准不但规定了用户注入电网的谐波值，而且还规定了位于同一个公共连 接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其 公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电

16、的公正性17-20。 1.5 论文的主要工作1.5 论文的主要工作 论文以连云港通能精机有限责任公司电能质量项目为依托，主要研究了电力 系统中谐波的分析和治理方法，从研究电力系统电能质量分析和治理入手，明确 了论文的实际意义。论文研究了静止无功发生器（SVG）在谐波治理中的应用， 并采用 CYMEPSAF 仿真软件对系统模型进行了仿真分析，得出相关结论。 本文的主要工作如下： （1）阐述电能质量的定义、源来、重要性，分析了电能质量的评价体系和国内 外研究现状。 （2）研究电力系统中谐波的来源、分类、对电力系统带来的危害、以及治理的 方法。阐述 SVG 的结构、优点及其在在电力系统中的应用。 （3）分析了精机热加工有限责任公司在没有加补偿时的电能质量相关指标，其 中的谐波电流、谐波电压及功率因数存在不合格问题； （4）设计了基于无功补偿(FC)和无功发生器(SVG)的补偿方案，确定了补偿 容量和治理装置的配置参数； （5）运用 CYMEPSAF 软件对系统进行仿真，验证了加补偿后系统母线侧谐波 电流、谐波电压和功率因数全部合格，表明了治理方案的合理有效。 2 电能