獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)瞬時(shí)脈沖型諧波分析研究

林新東

（總政直工部軍博工程管理辦公室，北京 100032）

獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)瞬時(shí)脈沖型諧波分析研究

林新東

（總政直工部軍博工程管理辦公室，北京 100032）

介紹了獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)的特點(diǎn)并針對(duì)供電系統(tǒng)中常見的幾種瞬時(shí)脈沖型諧波進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表明瞬時(shí)脈沖型諧波對(duì)小容量供電系統(tǒng)的影響應(yīng)予以考慮。

小容量系統(tǒng) 諧波 同步發(fā)電機(jī)

0 引言

獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)是相對(duì)于傳統(tǒng)公用電網(wǎng)供電系統(tǒng)而言，公用電網(wǎng)是以大容量、高電壓為主要特征的單一集中式供電系統(tǒng)，而小容量供電系統(tǒng)是將容量較小的電源布置在用戶附近，獨(dú)立向負(fù)載輸出電能的供電系統(tǒng)，供電方式靈活、方便，廣泛應(yīng)用于船舶、工礦企業(yè)、海上石油鉆井平臺(tái)等場合，同時(shí)既可作為一些重要用戶的備用或應(yīng)急電源，又可與公用電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，提高公用電網(wǎng)的供電可靠性[1]，其顯著特點(diǎn)是系統(tǒng)短路容量小、電源內(nèi)阻抗不能忽略[2]。在供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)線路接地故障、變壓器接入過程中的涌流、大型負(fù)載突變以及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程等短時(shí)波形畸變的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在公用電網(wǎng)中可以忽略，但是在短路容量比較小、電源內(nèi)阻抗相對(duì)較大的獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)中影響不可忽略，伴隨短時(shí)波形畸變產(chǎn)生的諧波電流注入到電網(wǎng)中，諧波電流經(jīng)電源內(nèi)阻抗后引起電網(wǎng)電壓波形畸變，進(jìn)而降低電能質(zhì)量。

1 獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)大電網(wǎng)相比，獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)[3-4]：

1) 系統(tǒng)電源類型及容量。公用電網(wǎng)一般由很多大容量的機(jī)組并網(wǎng)組成，而獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)一般由一臺(tái)或數(shù)臺(tái)容量較小的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)組成供電電源，如柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等，這些電源提供的電能有限，且內(nèi)阻抗較大。系統(tǒng)容量有時(shí)甚至達(dá)不到大功率負(fù)載的需求，因此電源不能等效為無窮大。

2) 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。公用電網(wǎng)常用高壓遠(yuǎn)距離輸電以便擴(kuò)大覆蓋面，而獨(dú)立小容量電網(wǎng)多為低壓近距離輸電，通常選用電纜，以降低遭受雷擊和外力破壞的可能性，但是可能在系統(tǒng)中發(fā)生高次諧振，在線路上引起過電壓，還可能使電壓波形出現(xiàn)尖峰，加速電纜絕緣老化。

3) 配電裝置。獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)一般采用低壓近距離輸電，相對(duì)公用電網(wǎng)而言，使用變壓器、電能轉(zhuǎn)換裝置比較少。

4) 負(fù)載類型。公用電網(wǎng)包含各種負(fù)載，而獨(dú)立小容量供電系統(tǒng)根據(jù)使用場合不同供電的主要負(fù)載也不同，如用于船舶上時(shí)主要負(fù)載是電動(dòng)機(jī)、照明和導(dǎo)航儀等，用于海上石油鉆井平臺(tái)時(shí)主要負(fù)載是電動(dòng)機(jī)，用于通信站時(shí)主要負(fù)載是電子精密儀器，作為備用電源時(shí)一般向一級(jí)負(fù)載供電。

2 瞬時(shí)脈沖型諧波

瞬時(shí)脈沖型諧波主要有供電系統(tǒng)發(fā)生接地故障、大容量負(fù)載突變或變壓器涌流等短時(shí)現(xiàn)象產(chǎn)生[5]，其主要特點(diǎn)是產(chǎn)生諧波的過程比較短暫，在獨(dú)立小容量系統(tǒng)中不能自行消失，因此會(huì)對(duì)電源或用電設(shè)備帶來不利的影響。考慮到供電系統(tǒng)中一般以5、7、11、13次諧波含量較大且對(duì)系統(tǒng)的影響較為嚴(yán)重，因此文中主要分析由這些短時(shí)波形畸變帶來的諧波中5、7、11、13次的含量[6]。

以三相四線制TN系統(tǒng)為例，如圖1所示，向電動(dòng)機(jī)供電，zs表示電源內(nèi)阻抗，開關(guān)K2模擬大容量電機(jī)接入與退出，K3模擬單相接地故障。當(dāng)大容量電機(jī)突然接入系統(tǒng)或發(fā)生單相接地故障時(shí)，電流波形發(fā)生畸變，向系統(tǒng)中注入諧波，其等效電路如圖2所示。

在圖2中，諧波源是瞬時(shí)的，向系統(tǒng)注入的諧波分兩部分流向電源和負(fù)載，有：

流經(jīng)電源內(nèi)阻抗產(chǎn)生諧波電壓us1:

3 仿真分析

瞬時(shí)脈沖型諧波種類較多，以供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障為例，使用MATLAB軟件為仿真平臺(tái)[7]，設(shè)置電源容量為100 kVA，電源內(nèi)電感為4.59 mH，X/R值為5，諧波源為整流負(fù)載，仿真電路如圖所示。設(shè)置仿真時(shí)間為0.14 s，在0.04 s至0.11 s時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生接地故障。

仿真結(jié)果如圖4所示，圖4(a)表示電壓仿真結(jié)果，圖4(b)表示電流仿真結(jié)果。針對(duì)接地發(fā)生前及發(fā)生時(shí)的電流波形，分別用快速傅里葉分解，電流諧波含量分析圖如圖5所示，圖5(a)表示故障發(fā)生前負(fù)載電流的諧波頻譜，圖5(b)表示故障發(fā)生時(shí)負(fù)載電流的諧波頻譜。

分析接地故障發(fā)生前和發(fā)生時(shí)負(fù)載電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）和每次諧波含量，如表1所示。

由圖4、圖5可知，接地故障發(fā)生時(shí)，電壓和電流波形發(fā)生了變化，發(fā)生前電流THD為0.22%，接地故障發(fā)生時(shí)電流THD增加到1.85%，在獨(dú)立小容量系統(tǒng)中，由接地故障引起的諧波電流經(jīng)過電源內(nèi)阻抗后將引起電壓的畸變。如表2所示。

4 結(jié)論

相比于傳統(tǒng)大電網(wǎng)，獨(dú)立小容量電網(wǎng)供電方式靈活、方便，但是由于其短路容量較小，在考慮系統(tǒng)諧波問題時(shí)不能忽略電源內(nèi)阻的影響。瞬時(shí)脈沖型諧波類型較多，以接地故障為例，通過仿真系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)負(fù)載電流的諧波頻譜，進(jìn)而分析瞬時(shí)脈沖型諧波源對(duì)系統(tǒng)影響，接地故障發(fā)生時(shí)會(huì)改變負(fù)載電流總諧波畸變率和某些次諧波的含量。

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Research on Instantaneous Pulse Harmonic in Independent Short Capacity Power System

Lin Xindong
(The Office of Military Museum Project Management in Straight Ministry of the General Political Department, Beijing 100032, China)

This article introduces the characteristic of low capacity power system and analyzes the instantaneous pulse harmonic. Simulation results indicate that the effect of instantaneous pulse harmonic to low capacity power system needs to be considered.

low capacity power system; harmonic; synchronous generator

TM46

A

1003-4862（2013）11-0001-03

2012-12-21

林新東（1972-），男，工程師。研究方向：工程施工與管理。