信号分析与系统仿真

华 北 水 利 水 电 学 院 研 究 生 试 卷

姓 名 聂贞 学 号 20091904073 专 业 水利水电工程 性 质 国家统招（ ）、单 考（ ）

工程硕士（ ）、同等学力（ ） 考试科目 信号分析与系统仿真 考试时间 2010.6. 成 绩

注意事项： 1、 试题随试卷交回，答在试题纸上的为无效卷，答案不得用铅笔。 2、 统一采用A4纸答题。 电力系统谐波的分析 电能作为现代社会的重要能源之一，广泛应用于工农业生产、人民生活、国防科技等各个领域。随着电力系统规模的飞速发展，人们对电能质量的要求越来越高。谐波是目前电力系统中存在的最普遍现象，是电能质量的主要指标。电力系统谐波是电能质量的重要参数之一。随着电子技术的发展, 尤其是可控硅技术的发展, 非线性负荷急剧增加, 其所产生的谐波电流大量注入电网, 使电压正弦波形畸变, 电能质量下降, 威胁电网和其他用电设备的安全经济运行。谐波已成为污染电网的公害, 同时谐波给供电企业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。 必须采取措施加以限制。因此了解谐波及其给电网带来的危害,治理谐波污染, 确保电能质量, 仍是电力部门以及用电单位的当务之急。 一、谐波的概念 谐波这一名词起源于仿生学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基本循环（或基波）频率的倍数频率振动。对电气信号也与此相仿，谐波被定义为一个信号量，改信号的频率是实际系统频率（及发电机所产生的频率）的整数倍。即谐波是一种频率为基波整数倍的系列正弦波。这些不同频率、幅值的系列正弦波, 使系统正弦电流、电压产生不对称。电力系统所指的谐波是稳态工频倍数的波型。电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压则不属谐波范畴。 二、电力系统中谐波产生的原因 电力系统中谐波产生的原因主要有以下三个方面： 1.电源本身谐波 由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分稍稍偏离正弦波，由此产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。 2.输配电系统产生的谐波 在输配电系统中则主要是变压器产生谐波，由于其铁芯饱和时，磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变也就越严重，再加上设计时出于经济性考虑，使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段，从而产生谐波电流。 3. 由非线性负载所致 电力系统负荷端大量的大功率换流设备和调压装置的广泛应用,而这些电设备具有非线性特征，即使供给的是标准的正弦波电压，也会产生谐波电流注入系统，给电网造成大量的谐波，这是电网主要的谐波源。 三、谐波对电力系统的危害和影响 1.对系统设备的危害和影响

由于谐波的存在可能引起多种不良的效应, 如串、并联谐振引起的过电压、过电流、机械谐振等, 从而引起过热、绝缘老化、轴扭振等。 1) 为了补偿负载的无功功率, 提高功率因数,常在变电所安装并联电抗器。此外, 为了滤除谐波, 也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器, 在工频频率下, 电容器的容抗比系统的感抗大得多,不会产生谐振。但对谐波频率而言, 系统感抗大大增加而容抗大大减小, 就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍, 对系统特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁, 常常使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中, 这类事故占有很高的比例。 2) 谐波对旋转电机和变压器的影响主要是引起附加损耗和过热, 其次是产生机械震动、噪声和谐波过电压。这将缩短电机的寿命, 严重时甚至会损坏电机。谐波电流流入变压器时, 增加了它的铜损耗和铁损耗。随着谐波频率的增高, 集肤效应加剧, 铁损耗也更大。谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热, 并可能引起变压器局部过热。 3) 硅整流器、电力电子器件在各行各业得到广泛应用。这些设备大到整流和逆变装置, 小到电池充电器、不停电电源等。一方面这些装置是一种谐波源, 产生谐波并注入电网; 另一方面, 外部畸变可影响换流器和整流装置的运行, 引起控制系统失控, 导致晶闸管故障, 从而给换流装置带来不良影响。 4) 数字电路所用逻辑组件都有各自的阀电平和与之相对应的干扰信号容限, 如果谐波的干扰超过其容限, 就可能会破坏触发器和存储器所保存的信息, 排除干扰后, 它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹, 系统也不会再恢复到原来的工作状态。即使含有微处理器的系统程序没有遭到破坏,若地址总线受到干扰, 也会有程序失控的危险, 使系统进入预想不到的状态, 甚至陷入意外停机状态。 2. 对系统运行的影响 由于谐波的存在, 通过电气传导、电磁感应等方式影响电网、继电保护及自动装置、计量系统和通讯远动系统正常工作。 1) 谐波电流通过电网会在线路上产生有功功率损耗。一般来说, 谐波电流与基波电流相比, 所占比例不大, 但谐波频率高, 导线的集肤效应使谐波电阻增加比基波电阻增加要大, 因此谐波引起的附加线路损耗也增大。导线的直径愈大, 因集肤效应而使谐波频率下的电阻增大愈明显, 谐波产生的附加损耗也愈大。对于架空线路来说, 由于谐波的存在, 当谐波电压与基波电压波峰重合时, 其电压峰值可能超过允许值而产生电晕, 使电晕损耗增加。流过电网中断路器的电流含有较大的谐波时,在电流过零点处的di/ dt 可能要比正常时大得多,从而使断路器的断开能力降低。有的断路器的磁吹线圈在谐波电流严重的情况下不能正常工作, 从而使断路器无法断开以致损坏。 2) 电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能, 引起各类保护和自动装置的误动或拒动, 如发电机的负序电流保护、主变压器的复合电压起动过流保护、母线差动保护、线路的距离保护和高频保护、自动准同期装置等。尤其是对各种以负序过滤器为起动元件的保护的干扰最大, 这类保护按负序基波量整定, 整定值小, 灵敏度高, 在电气铁路、电弧炉等谐波源又是负序源的干扰下, 很容易发生误动, 严重威胁电网安全运行。 3) 随着谐波频率的增大, 电能表误差向负方向增大, 即实际计量的电能越来越少, 但对线性负荷而言, 基波功率方向与谐波功率方向相同, 因此感应式电能表所计量的电能大于基波电能, 但小于基波 与各次谐波电能之和; 对非线性负荷而言, 基波功率方向与谐波功率方向相反, 因此感应式电能表所计量的电能大于基波与各次谐波电能之和, 但小于基波电能。 其次一些电度表是接在PT、CT 二次侧, 从而测量大用户消耗的电能的, 谐波的存在会使PT、CT 的原、副边波形不完全相符合, 也会使电度表产生计量误差。 4) 高次谐波的存在对附近的通信设备和线路产生信号干扰, 影响通信网络正常的通信载波工作。如对电话线而又通常音频通道的工作范围约为200～3500Hz , 而电力系统的许多谐波就在这个频率范围内。所以电力系统的谐波将引起电话杂音。在极端情况下, 谐波对通信网络的干扰甚至能威胁通信线路及人身安全。 四、管理与治理谐波污染的建议 谐波既降低电网效率, 又污染了整个电网。根据国内外谐波治理经验, 谐波污染问题应遵循综合治理的原则, 从加强谐波管理和技术措施上人手。 4.1 加强谐波管理 电力管理部门应严格监督实施电网谐波管理有关规定。另外, 电网各电压等级均允许存在一定比例的谐波, 因此需按公正的原则, 合理分配用户注人电网的谐波限值, 制订出相应的奖惩法 规, 对超限者按比例及用电容量给予经济处罚。 4.2 采取技术措施 在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或者消除注人系统的谐波电流, 以便把谐波电压控制在限定值之内。近年来电子电力设备的迅速发展所造成的谐波污染越来越严重，使电力系统越来越敏感，电子电气设备翻造厂家也面临压力，要求降低产品谐波电流。下面介绍消除系统谐波电流措施。 1）变频启动的消谐措施 以前的电机启动都装有电压源转换器和电流源转换器。这种做法可产生相当大的电流谐波分量。因此变频启动(Ⅵms)技术近几年得到迅速发展，美国已进入商业应用。采用变频启动可以降低谐波电流(总谐波电流畸变可减到10％)、减少功率消耗、减少变压器铁心发热。图1为变频启动接线图。这种方法综合电压畸变的降低和系统阻抗特性有关，包括阻抗数和原有畸变水平。如果变压器阻抗低，电流畸变相对较高；如果变压器阻抗高，电流畸变则相对较低。

图1变频启动接线图 a．具有扼流圈的变频启动 多数变频启动装置上都装有直流扼流圈(Knk choke)，其接线如图2。扼流圈是脉动滤波电路上一个简单的电感器，它抑制了到电容器去的电流对时间的变化率(di／dt)，使峰流变低。扼流圈一般能降低40％～60％的电流畸度，这是很典型的以扼流圈代替3相输入电抗的做法，这种技术也可以应用到其它电气设备上。

b．具有输人电抗器的变频启动 当选用变频启动装置时，一般都装有3相输人电抗器(input reactor)，接线如图3。输入电抗器的作用是消除高频噪声，增强对涌流效应的保护及减少谐波。

c．专用脉冲系统 对于大容量(370 kw以上)电机启动，可采用两个脉冲启动组成一套专用的12脉冲系统。这种系统具有均分负荷能力，并能产生12脉冲 启动，该系统又可构成两组基本组合：其一,两台隔离变压器各自独立，其中一台接成△／Y结线，另一台接成△／△结线，总接线图见图4。