传统的配电网被设计成运行在单一、恒定频率和固定幅值的电压水平上,然而非线性和电子开关型负荷在配电网中应用的增加导致了电压、电流波形的畸变。配电网中大型的非线性谐波源设备,如变频调速电机,整流器等一直被广泛关注,已经做过了大量研究。然而单个容量不大,但数量巨大的小型非线性设备却没有受到应有的重视。现在,我国居民用电占总需求的比例为12%,而美国为36%。我国居民用电还有非常大的增长空间,所以研究低压用电负荷和配电网的谐波状况具有长远的意义。
我们对低压民用负荷进行了实测调查,研究了它们对谐波畸变的影响。并对0.4 kV配电网进行了测量,实测数据表明非线性负荷是影响谐波畸变和功率因数的主要因素。同时,还对配电变压器低压侧的中性线和相线电流进行了全面调查。
本文从低压民用负荷和现代化办公楼等配电网的实测数据出发,对谐波引起的各种问题及其对配电网的影响进行了分析研究。多种低压民用负荷的谐波调查表明,低压民用负荷会产生大量的谐波和畸变功率,且功率因数较低,是影响配电网无功含量和功率因数的主要因素。典型配电网变压器低压侧的中性线和相线电流调查结果表明,中性线电流中三倍次谐波含量很高,相电流中奇次谐波含量很高。在三相四线制配电网中普遍存在三相不平衡、谐波电流放大、中性线电流过大、网损增加、变压器出力下降等问题。
同频谐波电流、电压产生的谐波功率增大了电网的网损,而了解电网中谐波网损的比例对于电力公司制定节能降耗的措施具有指导意义。本文比较分析了估算电网谐波网损方法的优缺点,并以实际配电网和实测数据为基础,建立了计算谐波网损的简易模型,分析计算了配电网的谐波网损及其所占总网损的比例。
理论分析表明谐波畸变功率是影响功率因数的一个重要因素,谐波畸变功率本质上也是在供用电之间形成的能量往返传输。我们在分析计算谐波对功率因数和无功功率影响的基础上,发现谐波在电网中流动不但会增加网损,而且会产生远大于传统无功功率的畸变功率,严重降低了线路的功率因数,并且由此产生的损失往往大于传统无功流动所造成的损失。由此可见,治理谐波对于降低网损、提高功率因数都具有重要的意义。最后,本文提出谐波存在情况下的无功补偿应当包括基波无功功率的补偿和谐波畸变功率的补偿两部分。另外,在综合考虑谐波现状、负荷类型的基础上,分析了滤波器的特性和不同谐波补偿方案的适用情况,对于谐波治理具有借鉴意义。
本文还利用电磁暂态仿真程序ATP建立了两类主要的低压民用负荷模型,模型的仿真结果与实测数据基本吻合。最后搭建了一个简单的三相四线制系统,仿真分析了低压民用负荷的谐波功率及其对配电网的影响。
