电厂发电机的谐波危害分析与测试

《电气开关》 （ 2013． No． 3 ）
93 外发电机的定子和转子发热严重 。
式中， Φ 为发电机主磁通 ω1 = 2 πf1 。 将 E' ω1 代入式（ 4 ） ， 得 2， T = N1 K N1 ΦI' 2 cos θ2 2 槡 pm1 N1 K N1 u1n cosnωt = cosθ2 ∑ （ 5） Z n = 1， 2， 3， … 2 槡 Z1n + 1 + 1n Z' Zmn 2n pm1
（ 4）
u n cos ( ωt － ∑ n = 1， 2， 3， …
∑ n = 1， 2， 3， …
) u cos ( ωt + 3 π ) 2
3 π 2
n
（ 2）
( ) 槡
r' 2 s
2 2 + x' 2
根据发电机的谐波等效电路， 发电机的励磁、 定
E' 2 = E 1 = 4. 44 f1 N1 K N1 Φ 。
(
)
图 1 中的各种参数应当与绕组电流的实际频率相 对应。由图 1 可得 n 次谐波频率下的发电机的基本方 程为： U1n = － E1n + I 1n （ r1n + jx1n ） · · · · r' 2n + j x2n ' 2n － I' 2n 0 = E' sn · · · － E1n = I mm Z mn = I mn （ r mn + jx mn ） · · 2n E1n = E' · · · I 1n = I mn + （ － I' 2n ）
(
)
Z' 2n Z mn = ∑ u1n cosnωt － i' 2 Z n = 1， 2， 3， … Z1n + 1 + 1n Z' Z mn 2n 1+
(
)
=
Z1 + 1 +
图1 同步发电机 n 次谐波的 T 形等效电路
(
u1
Z1 Z' Zm 2
)
=
∑ n = 1， 2， 3， …
u1n cosnωt Z Z1n + 1 + 1n Z' Zmn 2n
《电气开关》 （ 2013． No． 3 ）
(
)
=
u1n cosnωt ∑ n = 1， 2， 3， …
Z1n Z mn + 1 +
(
Z' 2n
Z1n Z' Z Z mn 2n mn
)
Z' 2 1+ u1 Zm i1 = = u1 Z m Z' Z 2 Z1 + 1 + 1 Z' Z1 + Z m + Z' Zm 2 2
mothed of the generator and harmonic voltage and current of the generator are analyzed． The stable electromagetic torque the experiand pulsating electromagnetic torque of the generator under the haumonic influence are worked out． Finally， mental generator is tested and analyzes the harmonic to the generator of the power plant．
· · ·
上述三式中： Z1n = r1n + jx1n r' 2n + jx' Z' 2n = 2n s Z mn = r mn + jx mn 可见发电机的机端三相电压、 三相电流以及转子 励磁电流均含有谐波分量。
(
)
（ 1）
4
发电机的谐波电磁转矩分析
发电机的电磁转矩为： PJ PJ （ 1 － s） P M P M T= = = = 2 π n Ω1 Ω 2 πn （ 1 － s） 60 60
《电气开关》 （ 2013． No． 3 ）
91
文章编号： 1004 － 289X（ 2013 ） 03 － 0091 － 03
电厂发电机的谐波危害分析与测试
1 2 罗灿坤 ， 晁储乾
( 1． 湖南省电力公司柘溪水力发电厂， 湖南 郴州 423000 )
摘
益阳
413508 ; 2． 湖 南 省 电 力 公司 郴 州 电 业 局， 湖南
Key words： generator； harmonic； torque 1 引言
率的归算， 将转子方面的各个物理量归算到定子方面 ， 归算时， 一般将定子侧参数以下标“1 ” 表示， 转子侧参 数以下标“2 ” 表示。 具体过程包含电流归算、 电动势 归算、 阻抗归算、 频率归算， 归算方法如下： m1 N1 K N1 m2 N2 K N2 × 0. 9 I' × 0. 百度文库 I 2 = 2 p 2 p 2 E' 2 = r' 2 = N1 K N1 E = K e E2 N2 K N2 2
6
总结
(
)
受非线性负载的影响， 发电机的机端电压、 电流以 及转子电流都会有谐波分量； 谐波对发电机的电磁转 矩有很大的危害， 产生了一系列的附加谐波稳定转矩 和脉动转矩； 谐波还会使发电机产生附加发热 。
参考文献
［ 1］ 徐育福， 蔡金锭， 李天友． 钢铁厂电弧炉对配电网电能 质 量 影响 的 J］ ． 电力科学与技术学报， 2008 ， 23 ( 4 ) : 83 － 87． 预测与治理［ ［ 2］ 帅智 康， 罗安， 舒 适， 等． 注 入 式 混 合 型有 源电 力 滤 波 器 的研究 ［ J］ ． 电力科学与技术学报， 2008 ， 23 ( 1 ) : 43 － 49． ［ 3］ 罗隆福， 兰丽霞， 李勇， 等． 新 型 直 流 输 电 系 统 谐波 对 旋 转 电 机 的 ［ J ］ ． 2010 ， 22 ( 1 ) : 48 － 53． 影响 电力系统及其自动化学报， ［ 4］ 黄劫刚， 夏永洪， 张景明， 等． 谐波 励 磁同 步 发 电 机 空 载 谐波 磁 场 J］ ． 电机与控制学报， 2005 ， 9 ( 1 ) : 55 － 58． 分析［ ［ 5］ 吴新振， 王祥珩， 罗成． 多相异步电机谐波电流与谐波 磁 势 的 对 应 J］ 2005 ， 45 ( 7 ) : 865 － 868 关系［ 清华大学学报: 自然科学版， ［ 6］ 周理兵， 陆佳政， 马志云． 系统谐波与负序电流对水轮 发 电 机 的 影 J］． 华中科技大学学报: 自然科学版， 2002 ， 30 ( 5 ) : 68 － 70． 响［ ［ 7］ 吴志敢， 贺益康． 交 － 交 变 频 器 交 流 励 磁 发 电 机谐波 的 解析 分 析 ［ J］ ． 电工技术学报， 1999 ， 12 ( 6 ) : 9 － 14． ［ 8］ 马伟明， 张盖凡． 三相同 步 发 电 机供 交 直 流 混 合负 载 时 交 流 电 压 J］ ． 电工技术学报， 1996 ， 11 ( 4 ) : 36 － 42． 波形的畸变［
要： 电力系统中的谐波污染日益严重， 会对电厂发电机 带 来一 系 列 的 危害， 分 析 了 谐波 影响下 的 发 电 机 等 效 模型建立方法， 以及发电机的谐波电压与电流， 计算出了发 电 机 在 谐波 影响下 的 稳 定电 磁 转 矩 与 脉 动 电 磁 转 矩， 最后对实验发电机进行了测试， 分析了谐波对电厂发电机的危害。 关键词： 发电机; 谐波; 转矩 中图分类号： TM62 文献标识码： B
2 2 e i 2
非线性负载是一种非线性的时变拓扑负载 ， 不可 避免的会产生畸变波形， 向电网注入谐波， 非线性负载 “公害” ， 已成为电网的 由谐波引起的电能质量问题 ［2 ， 3 ］ 。 已经引起了电力研究者的广泛关注 谐波会对系统中的多种电力设备产生危害 ， 如继 电保护装置、 旋转电机、 电力网络、 通信装置、 电容器组 等。而对电厂发电机的危害最为严重又是无法避免 当同步发电机对含有谐波的电网供电时 ， 除了对电 的， 机本身带来一系列的影响， 还会对同步发电机所带的 ［4 － 8 ］ 。 因此， 其他电力用户产生不利影响 分析同步发 电机的谐波危害， 对保障同步发电机和电网用户的安 全稳定运行， 显得尤为重要。
（ 3）
“m” 式中， 下标 表示励磁支路参数， 比如“I mn ” 为 ； “Z mn ” 励磁电流的 n 次谐波分量 为励磁支路的 n 次 谐波等效阻抗。
·
式中： P M —电磁功率； P J —总的机械功率； Ω—转子角速度； Ω1 —同步角速度， Ω1 = Ω 。 1 －s
3
发电机的谐波电压与电流波形分析
Analysis and Test of Harmonic Harm of the Gnerator in the Power Plant
LUO Cankun1 ， CHAO Chuqian2 （ 1． Zhexi Hydraqlic Power Plant， Hunan Power Company， Yiyang 413508 ， China； 2． Chenzhou Power Hunan Power Company， Chenzhou 423000 ， China） Administration， Abstract： The harmonic pollution in the power system can bring the generator much harm． The equivalent model
收稿日期： 2013 － 03 － 11 作者简介： 罗灿坤（ 1984 － ） 男， 研究方向： 水电厂自动化； 晁储乾（ 1984 － ） 男， 硕士， 研究方向： 电能计量。
发电机除了具有基波电磁转矩和谐波稳定电磁转 还存在另一种电磁转矩， 这种电磁转矩是由气隙 矩外， 中的任意两个磁场相互作用而产生的， 故具有脉动的 特性， 且在一个脉动周期上的积分为零 ， 即不存在平均 7， 值。在实际运行中， 主要考虑幅值相对较 大 的 5 ， 11 ， 13 等各次谐波电流所产生的磁场与基波电流的磁 场相互作用引起的脉动电磁转矩 。 各次脉动转矩 T eΣ1n 的总和： T eΣ1n = T e1． 5 + T e1． 7 + T e1． 11 + … + T e1． n = C5 sin （ － 6 sω1 t） + C7 sin （ － 6 sω1 t + α7 ） + C11 sin （ － 12 sω1 t + （ 6） α11 ） + … + C n sin（ （ n ± 1 ） sω1 t + α n ） 7， 式中为分析简便 n 取主要谐波次数， 即 n = 5， πDgl 9， 11 …； C n = p B B ；B ， B 分别为基波和谐波磁 2 μ0 1 n 1 n 场的幅值； D 为电机定子内圆直径； l 为电机轴向有效 长度； μ0 为气隙磁导系数； g 为电机的有效气隙长度； a n 为 n 次谐波电流磁场与 5 次谐波电流磁场的初相 位差； ω1 为基波磁场旋转角频率即同步角频率 ； s 含义 即转差率。 同上文，
［1 ］
( ) r =K K r m N K x' = ( x =K K x m N K )
m1 N1 K N1 m2 N2 K N2
1 2 1 2 2 N1 N2 2 2 e
i 2
I2 =
2
发电机的谐波等效电路模型
为建立谐波影响下的等效模型， 需要进行绕组、 频
E2 E2 = r2 1 －s + jx2 （ r2 + jx2 ） + s r2 s sx2 r2
－1 θ2 = tg
92 N1 为定子侧绕组匝数； m1 为定子侧 上述几式中， 相数； K N1 为定子侧绕组因数； N2 为转子侧绕组匝数； m2 为 转 子 侧 相 数； K N2 为 转 子 侧 绕 组 因 数； I'2 = m2 N2 K N2 I2 I = ； I 为转子电流； K i 为电流变比， Ki = m1 N1 K N1 2 K1 2 m1 N1 K N1 N1 K N1 ； p 为极对数； K e 为电动势的变比， Ke = ； m2 N2 K N2 N2 K N2 K e K i 为阻抗变比； s 为转差率。 经过上述的归算后， 定子和转子可以构成一个等 效电路， 对于每一次谐波， 都可以建立图 1 所示的 T 形 等效电路。 子、 转子电流分别为： u1 Z' 2 im = Zm Z Z1 + 1 + 1 Z' Zm 2
当发电机向含谐波源的电网供电时， 由于谐波源 的工作方式的问题， 会使发电机机端电压发生畸变， 通 可表示为： 过傅立叶分解， ua = ub = u = c
n = 1， 2， 3， …
∑
u n cosnωt
电磁转矩电流谐波分量的表达形式为 P M m1 p T= = E' I' cosθ2 Ω1 ω1 2 2 式中： cosθ2 为功率因数， 基波情况下形式为 cosθ2 = r' 2 s