热加工厂电能质量的分析与治理方案研究

分类号                                                   密级                  

UDC注1                                                                           

学    位    论    文

精机热加工厂电能质量分析与

治理方案研究

（题名和副题名）

张

（作者姓名）

指导教师姓名              杨  伟       副教授                                                               

企 业 导 师                          高级工程师                                     

申请学位级别     工程硕士    专业名称 电力系统及其自动化             

论文提交日期      2012.12     论文答辩日期                            

学位授予单位和日期             南 京 理 工 大 学               

    答辩委员会                         

 评阅人                      

年 月 日

注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。

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

*    *****

指导教师：杨  伟   副教授

   高级工程师

南京理工大学

2012年12月

M.SC.Dissertation

power quality analysis and management

By

Zhang Wen Qiang

Supervised by Associate Prof. Yang Wei

              S. E. 

Nanjing University of Science & Technology

December, 2012

声  明

本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。

研究生签名：                                 年  月  日 

学位论文使用授权声明

南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。

研究生签名：                                  年  月   日

摘  要

电能质量关系到整个电电力系统安全、稳定、经济、可靠运行。随着国民经济的高速发展，大量电力电子设备和非线性负荷在电力系统中的应用，注入电网中的谐波越来越来，对电网及用电设备造成了很大的危害，致使电能质量不断恶化，甚至恶化电网的运行状况。随着电力部门及电力用户对电能质量的要求越来越高，因此有效的治理电网中的谐波，提高电能质量变得尤为重要。

论文首先阐述了电能质量的基本内容，谐波的基本概念以及国内外对谐波的研究现状；然后对谐波的来源、主要危害、评判标准进行了详细的阐述，概述了治理谐波的相关方法；针对某热加工厂现状，建立系统仿真模型，分析了系统两段母线分列和并列运行时的电能质量相关指标，其中的谐波电流、谐波电压和功率因数存在不合格问题；在此基础上，设计了治理方案，采用静止无功发生器(SVG)和无功补偿装置(FC)在母线侧进行补偿，计算了相应的补偿容量和相应的装置的配置参数；通过CYME PSAF仿真软件对系统模型进行了仿真，结果表明补偿后的系统母线侧的谐波电流、谐波电压和功率因数均满足要求。因而该方法对消除谐波，改善电能质量有实际意义。

关键词：电力系统；电能质量；谐波；SVG；CYME PSAF

ABSTRCT

The power quality relates to the whole electric power system safety, stability, economic and reliable operation. With the high-speed development of national economy, a large number of power electronic equipment and nonlinear load have been applied in the power system .More and more harmonic wave injecting into the electric network, causes great harm to the electric equipment, deteriorates the power quality , and worsens the operational status of the power grid. As the electric power department and power users to power quality requirements more and more high, effective management in the grid harmonic and good power quality is particularly important.

This paper focuses on the theme of power quality. Firstly, this paper expounds the basic contents of the power quality, the basic concept of the harmonic wave and the research status about harmonic wave at home and abroad. Then describe the harmonic source, main hazards and evaluation criteria in detail. Summarize the related approaches of the harmonic management. In view of present situations of some thermal processing factories, establish the system simulation model. Analysising the situation, two buses are in the parse operation or the parallel operation, it can be found that current harmonics, harmonic voltage and power factor are not qualified. Use SVG and FC to compensate on the bus side in this paper, and design the corresponding compensation capacity and the corresponding device configuration parameters.

Finally, simulate the system model by the CYME PSAF simulation software. Through observing the simulation waveform, it can be found that harmonic current and harmonic voltage and power factor of the bus side do meet the requirements. The simulation results show that this method is rational and efficient, eliminating harmonic have practical significance, and improving the quality of power.

Key words: power system; power quality; harmonic wave; SVG; CYME PSAF

1 绪论

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

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

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，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

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

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

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，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 .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1.1  IEC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 %
5	6	3	5	2	2
7	5	9	1.5	4	1
11	3.5	15	0.3	6	0.5
13	3	21	0.2	8	0.5
17	2	>21	0.2	10	0.5
19	1.5			12	0.2
23	1.5			>12	0.2
25	1.5
>25	0.2+12.5/h

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1.4[15-16]。

表1.4  公用电网谐波电压(相电压)值

网标称电压（KV）	电压总谐波畸变率（％）	各单次谐波电压含有率（％）
		奇次	偶次
0.38	5.0	4.0	2.0
6～10	4.0	3.2	1.6
35	3.0	2.4	1.2
110	2.0	1.6	0.8

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，以体现供配电的公正性 [17-20]。

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CYME PSAF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CYME PSAF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 电能质量理论

2.1电能质量的定义

电能质量主要包括五个方面的指标：（1）电压偏差；（2）频率偏差；（3）电压波动和闪变；（4）三相电压不平衡；（5）谐波含量。其中前二者基本取决于供求平衡关系，后三者不但与电力系统有关，而且与用户负荷性质有关[13]。

2.1.1 电压偏差

电压偏差就是，由电力网的电压损耗引起的电力网首末端电压与其额定电压的差值，通常是以其与电力网的额定电压的百分数来表示，即为

                                        （2.1）

式中，—电压偏差；U—实际电压；—额定电压。

在系统运行中，如果电压的偏差太大，会影响工农业产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起毁灭性的“电压崩溃”，造成大面积的停电。电压偏差对系统和用户端都会产生影响。

2.1.2 频率偏差

频率偏差是指电网频率对于额定频率的偏离程度，一般用百分比表示即：

                                          （2.2）

式中，—频率偏差；f—实际频率；—额定频率。

2.1.3 电压波动和闪变

电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期性变化。通常使用用相邻两个电压波形的峰值之差和额定电压比值表示。电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受，通常以白炽灯的光通量作为判断。

衡量电压波动的表达式为：

                                         （2.3）

式中，、分别为工频电压调幅波的相邻两个极值电压（或均方根值）。规定电压变化率大于每秒百分之零点二时为电压波动，否则视为电压偏差。

由于电压波动引起人眼对灯闪的感觉称为闪变，用下式表示：

                                         （2.4）

式中，—电压调幅波中频率为f的正弦分量视感度加权系数，它用来反映人眼对电压调幅波中各种频率成分的敏感程度；—电压调幅波中频率为f的正弦分量的幅值。

2.1.4 三相电压不平衡

在电力系统的实际运行中，由于诸多不平衡因素的存在，使得电力系统一般都处于不平衡的运行状态下。

三相不平衡度的度量可用下式表示：

                                             （2.5）

式中，—三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值；—三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值

电力系统中三相电压的不平衡主要是由负荷不平衡、系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐引起的。

2.1.5 谐波含量

谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。谐波电压含量为：

                                           （2.6）

谐波电压总畸变率为：

                                       （2.7）

第h次谐波电压含有率为：

                                       （2.8）

上述三定义同样适用谐波电流。

2.2 谐波的检测与分析

随着国民经济的不断发展，越来越多的换流设备被用到社会生产和社会建设中，与此同时，随着家庭收入的提高，越来越多的大、小家电走进了千家万户，由此便带来了大量的非线性设备接入到电网中，使得注入电网中的谐波电流越来越多，从而导致了电网中的电压畸变日益增加。所以，消除电网中的谐波含量，降低由于谐波带来的各种事故和损失，保证电网的稳定运行，变得刻不容缓。14-16]。

2.2.1 谐波的主要危害和影响

1）谐波对低压开关设备的影响

对于断路器来说，由于谐波电流的影响，在工作中它们都有可能造成误动作。

2）谐波对并联补偿电容器的影响

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加的更大，使电容器损耗功率增加。

3）谐波对旋转电机的影响

引起附加损耗，产生机械振动、噪声和谐波过电压。

此外，谐波还对通信、继电保护和自动装置以及输电线路的产生影响

2.2.2 谐波分析方法

谐波分析是为了求出各次谐波的幅值和相角，对于不同类型的谐波，有不同的分析方法：对于稳态谐波，可用快速傅立叶算法（FFT）、快速Hartley变换(FHT)和离散小波变换(DWT)；对于暂态谐波，可采用改进的FFT分析和小波变换方法。

2.2.3 谐波的治理及改善措施

传统的谐波抑制一般有以下几种方法:第一种从谐波源本身出发，采用诸如：增加变流装置的相数或脉冲数、多重化技术、脉宽调制(PWM)技术、高功率因数变流器等技术，使谐波源不产生谐波或降低谐波源；第二种是外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。此外，还可以采用同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置(SVC)等技术，当前像静止无功发生器 (STATCOM)和统一潮流控制器(UPFC)等新技术也得到了充分的发展。

2.3 SVG的工作原理与控制

SVG系统由变流器、变压器、电抗器等器件构成主系统，由电压互感器、电流互感器、检测电路、控制器、驱动电路、保护电路、检测器等构成二次系统，如图2.1所示。其中，变流器是静止无功发生器系统中的最核心器件。电压互感器、电流互感器起电气隔离主系统与二次系统的作用，是同步信号和指令信号的检测基础 [46]。

图2.1 SVG的系统构成示意图

2.3.1SVG的优点

启动冲击小；动态响应速度快；优异的谐波输出特性；占地面积小；超强的补偿能力；高可靠性。此外，还具有多种补偿功能：抑制电力系统过电压，改善系统电压稳定性；提高系统暂态稳定水平，减少低压释放负荷数量，并防止发生暂态电压崩溃；动态地维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输功率极限；阻尼电力系统功率振荡；在负荷侧，能抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高负荷功率因数、滤除谐波。

2.3.2SVG应用对象

SVG广泛应用于石油化工、冶金、电力、煤炭、电气化铁路、风电厂以及其他具有或者靠近冲击性负荷和大容量电动机的工业领域，可以在节能降耗、提高电网安全性和稳定性、提高电网功率因数、改善电能质量等方面，发挥重要作用。

2.4 本章小结

本章首先介绍了电能质量的常用指标及其检测方法，然后重点介绍了谐波的起源、危害、分析方法、和治理措施，谐波的治理是本文的主要内容，最后介绍了SVG的基本结构，结合SVG的相关优点，研究了SVG在电能质量方面的应用。

3 精机热加工厂电能质量现状分析

连云港通能精机热加工有限公司位于连云港市崇川区观音山区，公司主要生产与数控机床相配套的铸、锻、热处理器件；为满足生产需求，新增频感应电炉、机床、清理机等设备，这些设备在运行时，将会产生谐波、功率冲击和不平衡干扰，所以需要对新接入的负荷进行电能治理。

根据项目提供的资料，用户由110kV母线单母线供电，厂用主变为2台电压变比为110kV/10kV变压器，主变压器选用三相油浸自冷式有载调压变压器，接线组别Yn,d11,阻抗电压为10.5%。10kV为A段、B段两段母线。电能质量考核点为钟秀变110kv母线。一次系统如图3.1所示：

图3.1 一次系统框图

10kV A段和B段母线存在分列运行及并列运行两种工况，在本方案中，对这两种工况分别进行仿真分析。由于本次项目所有负荷均由10kV供电，因此,需要同时对10kV母线各项电能质量进行分析。

本次项目的主要谐波负荷为中频炉的中频电源，根据用户提供的资料，中频电源谐波含量见表3.1,3.2所示：

表3.1 6100kW中频电源谐波电流含量：

谐波次数	5	7	11	13	17	19	23	25
谐波电流含量（%）	1.72	1.11	0.48	0.31	0.13	0.1	0.99	0.99
谐波电流值（A）	6.85	4.42	1.91	1.23	0.52	0.40	3.94	3.94

表3.2 8400kW中频电源谐波电流含量：

谐波次数	5	7	11	13	17	19	23	25
谐波电流含量（%）	1.71	1.06	0.41	0.25	0.12	0.11	0.94	0.78
谐波电流值（A）	9.37	5.81	2.25	1.37	0.66	0.60	5.15	4.27

注：由于以上谐波电流值为中频炉厂家提供的理论计算值，实际运行时，谐波电流会比上表中的数值大，本文中考虑按照1.5倍数值计算谐波电流。

还有一部分谐波来自变频驱动及直流调速的电动行车及机床负荷，此部分负荷谐波含量根据工程经验核算，具体谐波电流含量如表3.3所示：

表3.3 谐波电流含量

谐波次数	5	7	11	13	17	19	23	25
谐波电流含量（%）	10	5	6	4	2	1.5	1.5	1
谐波电流值（A）	14	7	8.4	5.6	2.8	2.1	2.1	1.4

不采取补偿措施时，根据供电系统参数、负荷参数和谐波电流源参数，建立谐波潮流计算网络，利用国际流行的仿真软件PSAF进行仿真分析。

在A段母线添加FC装置、B段母线添加SVG装置后，为了验证治理效果，需要对各电能质量指标进行仿真计算分析，本文采用的仿真软件为从加拿大进口的CYME PSAF（Power Systems Analysis Framework）电力系统分析软件。

CYME为一套专业电力工程软件，它以个人计算机及微软窗口（Microsoft Windows）为操作平台，具有便利性及亲和力，它结合优异的分析能力与先进的界面技术，是当前电力工程软件中，被公认具有高质量及高信赖的电力工程软件，它被许多电力公司，工业组织、顾问公司、研究机构及学校等选为电力系统仿真之标准软件[52]。

CYME PSAF是一个新的整合性电力系统分析软件系列，它主要是从原有的CYME的多个电力系统分析软件加以改版，采模块化设计并整合而得。它的基本架构系于仿真模块的型态与数量，这些仿真模块都共用一个集成的电网设备数据库。PSAF可运行广泛的电力系统分析工作，如：电力潮流分析、紧急事故分析、电动机启动分析、短路故障分析、暂态稳定度分析、谐波分析等。

PSAF 配备有多个仿真模块，可从事广泛的电力系统分析工作。目前提供的模块有：PSAF-FLOW(电力潮流分析)、AC-Contingency Analysis(交流紧急事故分析)、PSAF-MOTORSTART(电动机起动分析模块)、PSAF-FAULT(短路故障分析)、PSAF-STAB(瞬时稳定度分析)、PSAF-HARMO(谐波分析)、PSAF-LINE(单线图绘制)，每一成员(分析模块)均有获工业上之应用实证，以及具有现代化模型与求解法则、技巧的特性，使得其成为工程师及技师们可靠的工程分析工具。

其中PSAF-HARMO(谐波分析)模块提供完备的电力系统组件(谐波源)数据库，并可透过图形化之界面应用至状况分析及影响改善工作上，其以MS Windows为操作平台，执行电力系统的谐波侵入分析(harmonic penetration analysis)。此模块可自PSAF-Flow取得基波的系统状态(fundamental frequencysystem status)作为谐波电压、电流失真(harmonic voltage and currentdistortions)的计算基准，具有单相(single-phase)及全三相(full three-phase)两种模型，且具备解析三项及单相谐坡影响之功能，也可提供完整之IEEE谐波标准，利于状况改善及相关策略拟定之参考，弹性及容易地分析任何形态的电力公司电网、工业电力系统及配电馈线的谐波问题。软件界面如图3.2,3.3所示：

图3.2 软件界面

图3.3 软件界面

3.2 A、B两段母线并列运行时的电能质量问题

当A、B两段母线并列运行时，考核点的各项电能质量问题如下所示：

3.2.1 谐波电流

1.治理前考核点谐波电流：

不采取补偿措施时，用户考核点的谐波电流值如下表3.4所示，考核点的电流曲线如图3.4所示。

表3.4  考核点110kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	负荷注入 110kV系统的谐波电流	国标限值	分析
2	0.06	9.79
3	0.25	4.
4	0.06	4.90
5	5.54	5.11	超标
6	0.05	3.26
7	3.39	4.22	较大
8	0.04	2.45
9	0.03	2.61
10	0.03	1.96
11	1.95	3.27	较大
12	0.03	1.63
13	1.28	2.92	较大
14	0.03	1.39
15	0.03	1.55
16	0.03	1.22
17	1.02	2.28
18	0.03	1.06
19	0.44	2.04
20	0.01	0.98

21	0.01	1.14
22	0.01	0.90
23	2.65	1.71	超标
24	0.01	0.82
25	2.58	1.55	超标

图3.4 不采取措施时110kV母线的电流曲线

通过与谐波电流国标限值对比，110kV总母线的5次、25次谐波电流超标， 7次、11次、13次、17次、19次、23次谐波电流较大。

2.治理前10kV母线谐波电流：

不采取补偿措施时，A、B段10kV母线的谐波电流值如下表3.5所示，A、B段10kV母线的电流曲线如图3.5所示。

表3.5治理前A、B段10kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	负荷注入A段 10kV系统的谐波电流	负荷注入B段 10kV系统的谐波电流
2	0.24	0.46
3	0.95	1.85
4	0.24	0.46
5	20.6	40.3
6	0.19	0.37
7	12.62	24.68
8	0.14	0.28
9	0.09	0.19
10	0.09	0.19
11	7.27	14.23
12	0.09	0.19
13	4.75	9.31
14	0.09	0.19
15	0.09	0.19
16	0.09	0.19
17	3.81	7.45
18	0.09	0.19
19	1.63	3.2
20	0.05	0.09

21	0.05	0.09
22	0.05	0.09
23	9.85	19.26
24	0.05	0.09
25	9.61	18.79

图3.5  不采取措施时A、B段10kV母线的电流曲线

3.2.2谐波电压

1.治理前110kV母线谐波电压：

不采取补偿措施时，考核点110kV母线的谐波电压值如下表3.6所示，考核点110kV母线的电压曲线如图3.6所示。

表3.6  考核点的谐波电压（%）

谐波次数	110kV系统的谐波电压	国标限值	分析
2	0	0.8	合格
3	0.01	1.6	合格
4	0	0.8	合格
5	0.5	1.6	合格
6	0.01	0.8	合格
7	0.43	1.6	合格
8	0.01	0.8	合格
9	0	1.6	合格
10	0	0.8	合格
11	0.4	1.6	合格
12	0.01	0.8	合格
13	0.32	1.6	合格
14	0.01	0.8	合格
15	0.01	1.6	合格
16	0.01	0.8	合格
17	0.34	1.6	合格
18	0.01	0.8	合格
19	0.17	1.6	合格
20	0.01	0.8	合格

21	0.01	1.6	合格
22	0.01	0.8	合格
23	1.31	1.6	较大
24	0.01	0.8	合格
25	1.45	1.6	较大
THDu	2.16	2	超标

图3.6  不采取措施时110kV的电压曲线

由仿真结果可知，110kV总母线的谐波电压总畸变率为2.16%，超过国标限值，23次、25次谐波电压较大。

2.治理前10kV母线谐波电压：

不采取补偿措施时，A、B段10kV母线的谐波电压值如下表3.7所示，A、B段10kV母线的电压曲线如图3.7所示。

表3.7  治理前A、B段10kV母线的谐波电压（%）

谐波次数	治理前，A段10kV系统的谐波电压	治理前，B段10kV系统的谐波电压
2	0.01	0.01
3	0.05	0.05
4	0.02	0.02
5	1.76	1.76
6	0.02	0.02
7	1.52	1.52
8	0.02	0.02
9	0.01	0.01
10	0.02	0.02
11	1.38	1.38
12	0.02	0.02
13	1.08	1.07
14	0.02	0.02
15	0.02	0.02
16	0.03	0.03
17	1.14	1.14
18	0.03	0.03
19	0.55	0.55
20	0.02	0.02

21	0.02	0.02
22	0.02	0.02
23	4.11	4.11
24	0.02	0.02
25	4.42	4.42
THDu	6.82	6.82

图3.7  治理前A、B段10kV母线的电压曲线

3.2.3 功率因数

由于目前用户的车间内都装有低压无功补偿装置，可以确保10kV母线功率因数因数能够达到0.9，但是两台主变的无功损耗将导致考核点110kV母线的功率因数更低，不满足要求。

3.3 A、B两段母线分列运行时的电能质量问题

当A、B两段母线分列运行时，考核点的各项电能质量问题如下所示：

3.3.1谐波电流 

1. 治理前考核点谐波电流：

不采取补偿措施时，用户考核点的谐波电流值如下表3.8所示，考核点的电流曲线如图3.8所示。

表3.8  考核点110kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	负荷注入 110kV系统的谐波电流	国标限值	分析
2	0.06	9.79
3	0.25	4.
4	0.06	4.90
5	5.54	5.11	超标
6	0.05	3.26
7	3.39	4.22	较大
8	0.04	2.45
9	0.03	2.61
10	0.03	1.96
11	1.95	3.27	较大
12	0.03	1.63
13	1.28	2.92	较大
14	0.03	1.39
15	0.03	1.55
16	0.03	1.22
17	1.02	2.28
18	0.03	1.06
19	0.44	2.04
20	0.01	0.98

21	0.01	1.14
22	0.01	0.90
23	2.65	1.71	超标
24	0.01	0.82
25	2.58	1.55	超标

图3.8  不采取措施时110kV母线的电流曲线

由仿真结果可知，与谐波电流国标限值对比，110kV总母线的5次、25次谐波电流超标， 7次、11次、13次、17次、19次、23次谐波电流较大。

2.治理前10kV母线谐波电流：

不采取补偿措施时，A、B段10kV母线的谐波电流值如下表3.9所示，A、B段10kV母线的电流曲线如图3.9所示。

表3.9 治理前A、B段10kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	负荷注入A段 10kV系统的谐波电流	负荷注入B段 10kV系统的谐波电流
2	0.70	0.00
3	2.80	0.00
4	0.70	0.00
5	14.00	46.92
6	0.56	0.00
7	7.00	30.28
8	0.42	0.00
9	0.28	0.00
10	0.28	0.00
11	8.40	13.09
12	0.28	0.00
13	5.60	8.46
14	0.28	0.00
15	0.28	0.00
16	0.28	0.00
17	2.80	8.46
18	0.28	0.00
19	2.10	2.73
20	0.14	0.00

21	0.14	0.00
22	0.14	0.00
23	2.10	27.01
24	0.14	0.00
25	1.40	27.01

图3.9  治理前A、B段10kV母线的电流曲线

3.3.2 谐波电压

1. 治理前110kV母线谐波电压：

不采取补偿措施时，考核点110kV母线的谐波电压值如下表3.10所示，考核点110kV母线的电压曲线如图3.10所示。

表3.10 考核点的谐波电压（%）

谐波次数	110kV系统的谐波电压	国标限值	分析
2	0	0.8	合格
3	0.01	1.6	合格
4	0	0.8	合格
5	0.5	1.6	合格
6	0.01	0.8	合格
7	0.43	1.6	合格
8	0.01	0.8	合格
9	0	1.6	合格
10	0	0.8	合格
11	0.4	1.6	合格
12	0.01	0.8	合格
13	0.32	1.6	合格
14	0.01	0.8	合格
15	0.01	1.6	合格
16	0.01	0.8	合格
17	0.34	1.6	合格
18	0.01	0.8	合格
19	0.17	1.6	合格
20	0.01	0.8	合格

21	0.01	1.6	合格
22	0.01	0.8	合格
23	1.31	1.6	较大
24	0.01	0.8	合格
25	1.45	1.6	较大
THDu	2.16	2	超标

图3.10  不采取措施时110kV的电压曲线

由仿真结果可知，110kV总母线的谐波电压总畸变率为2.16%，超过国标限值，23次、25次谐波电压较大。

2.治理前10kV母线谐波电压：

不采取补偿措施时，A、B段10kV母线的谐波电压值如下表3.11所示，A、B段10kV母线的电压曲线如图3.11所示。

表3.11  治理前A、B段10kV母线的谐波电压（%）

谐波次数	治理前，A段10kV系统的谐波电压	治理前，B段10kV系统的谐波电压
2	0.02	0
3	0.11	0.02
4	0.04	0.01
5	1.39	1.96
6	0.04	0.01
7	1.07	1.75
8	0.05	0.01
9	0.03	0
10	0.04	0.01
11	1.53	1.31
12	0.05	0.01
13	1.2	1.01
14	0.05	0.01
15	0.06	0.01
16	0.06	0.01
17	0.94	1.24
18	0.07	0.01
19	0.65	0.5
20	0.04	0.01

21	0.04	0.01
22	0.04	0.01
23	2.07	5.15
24	0.05	0.01
25	2.07	5.62
THDu	4.1	8.3

图3.11  不采取措施时10kV母线的电压曲线

3.3.3 谐波电流

由于目前用户的车间内都装有低压无功补偿装置，可使10kV母线功率因数因数能够达到0.9，但是两台主变的无功损耗将会导致考核点110kV母线的功率因数更低，不满足要求。

3.4 本章小结

本章首先介绍了PSAF仿真软件，然后通过PSAF仿真软件，分别对A、B两段母线分列运行和并列运行进行仿真，通过测量和观察考核点、10kv母线的谐波电流的数据和相应的电流波形曲线，可以发现与谐波电流国际标限值相比，可以发现谐波电流较大，不符合和要求。通过测量和观察110kv母线谐波电压和10kv母线谐波电压的数据和相应的电压波形曲线，与谐波电压国际标限值相比谐波电压较大。

4 治理方案设计

本次项目为了解决谐波电流及110kV变电站主变无功损耗的问题，根据以上对A、B段母线的负荷特性分析及用户的要求，最终确定在A段10kV母线装设一套滤波兼无功补偿（FC）成套装置，在B段10kV母线装设一套动态无功发生器（SVG+FC）成套装置。

根据用户提供的资料，10kV B段母线上的负荷为6套中频炉，其中有3套8t*2频炉，每套频炉的最大负荷为6100kW，另外3套为12t*2的频炉，每套频炉最大负荷为8400kW。中频炉负荷的同时率为60%，均为24脉动整流，平均功率因数0.9。

10kV A段母线的负荷为锻造机加工负荷等，同时率为46%，由于各车间变压器低压侧均有无功补偿装置，因此A段母线10kV侧功率因数可以按照0.9考虑。

根据以上的数据进行计算，并同时考虑110kV主变的无功损耗，将考核点的功率因数提高到0.95以上，同时考虑一定欲度后，由计算可得，A段母线FC成套补偿容量为5Mvar，B段母线SVG成套补偿容量为10Mvar，其中SVG支路容量为±5Mvar，FC滤波支路补偿容量为5Mvar。 

4.2  A、B段母线电能质量治理装置的配置参数

确定了基波补偿容量后，需要分配到滤波支路上，滤波支路的配置需要考虑以下几点：

(1)根据谐波电流超标情况，确定滤波支路数量；

(2)根据谐波电流的大小，确定各个滤波支路的有效容量；

(3)根据滤波支路的安全性，确定各个滤波支路的电容器额定电压；

(4)根据串、并联台数以及保护方式，确定各个滤波支路的单台电容器容量；

(5)根据多个仿真计算的结果，确定各个滤波支路的最终详细参数；

(6)电容器组额定电压的选取考虑下列因素：

(7)串联电抗器引起的滤波电容器工频电压升高；

(8)接入点的系统最高运行电压；

(9)谐波引起的电容器电压升高；

(10)相间和串联段间的电压分配不均匀；

根据以上几点，可计算出各个滤波支路的最终参数。见表4.1，表4.2。

根据用户10kV母线的谐波电流情况分析，主要特征谐波为5次、7次、11次、13次等谐波，因此， A段母线FC装置装设1组5次滤波支路、1组7次滤波支路、1组11次滤波支路，B段母线FC装置装设1组5次滤波支路、1组7次滤波支路、1组11次滤波支路，A、B两段母线FC装置滤波器支路采取如下接线方式：

5次滤波器——采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果；

7次滤波器——采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果；；

11次滤波器——采用高通减幅滤波器，能有效滤除11次及11次以上的谐波。

表4.1  A段10kV母线FC装置各支路参数

支路名称	5次滤波支路	7次滤波支路	11次滤波支路
系统额定电压(kV)	10	10	10
设备运行电压(kV)	10	10	10
补偿容量（Mvar）	5
接线方式	单调谐滤波支路	单调谐滤波支路	二阶高通滤波支路

表4.2  B段10kV母线SVG装置各支路参数

支路名称	SVG支路	5次滤波支路	7次滤波支路	11次滤波支路
系统额定电压(kV)	10	10	10	10
设备运行电压(kV)	10	10	10	10
补偿容量（Mvar）	±5	5
接线方式	-	单调谐滤波支路	单调谐滤波支路	二阶高通滤波支路

4.3 本章小结

本章根据以上对A、B段母线的负荷特性分析及用户的要求，设计了相应的解决方案，在本章中确定了系统补偿的容量，给出了治理装置的配置参数。

5精机热加工厂治理后电能质量分析

5.1 治理效果分析（A、B两段母线并列运行时）

1. 治理后考核点谐波电流：

A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，用户考核点的谐波电流值如下表5.1所示，考核点的电流曲线如图5.1所示。

表5.1  考核点110kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	负荷注入 110kV系统的谐波电流	国标限值	分析
2	0.07	9.79	合格
3	0.41	4.	合格
4	1.59	4.90	合格
5	0.4	5.11	合格
6	0.17	3.26	合格
7	0.23	4.22	合格
8	0.04	2.45	合格
9	0.02	2.61	合格
10	0	1.96	合格
11	0.12	3.27	合格
12	0	1.63	合格
13	0.19	2.92	合格
14	0	1.39	合格
15	0	1.55	合格
16	0.01	1.22	合格
17	0.23	2.28	合格
18	0.01	1.06	合格
19	0.11	2.04	合格
20	0	0.98	合格

21	0	1.14	合格
22	0	0.90	合格
23	0.68	1.71	合格
24	0	0.82	合格
25	0.68	1.55	合格

图5.1  治理后110kV母线的电流曲线

通过与谐波电流国标限值对比，A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，110kV总母线的各次谐波电流均满足国标要求。

2.治理后10kV母线谐波电流：

A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，A、B段10kV母线的谐波电流值如下表5.2所示，A、B段10kV母线的电流曲线如图5.2所示。

表5.2 治理前A、B段10kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	治理后，注入A段 10kV系统的谐波电流	治理后，注入B段 10kV系统的谐波电流
2	0.28	0.54
3	1.52	2.97
4	5.87	11.5
5	1.48	2.92
6	0.63	1.23
7	0.85	1.68
8	0.17	0.33
9	0.07	0.14
10	0.02	0.03
11	0.44	0.87
12	0.01	0.02
13	0.69	1.35
14	0.02	0.03
15	0.02	0.04
16	0.02	0.04
17	0.85	1.67
18	0.02	0.04
19	0.39	0.77
20	0.01	0.02

21	0.01	0.02
22	0.01	0.02
23	2.53	4.97
24	0.01	0.02
25	2.51	4.93

 

图5.2  治理前A、B段10kV母线的电流曲线

通过与谐波电流治理前对比，当A段母线添加的FC装置、B段母线添加的SVG装置都投运后，A、B段10kV母线的特征谐波和较治理前相比较均有明显减小，滤波效果较好。

1. 治理后110kV母线谐波电压：

当A段母线添加的FC装置、B段母线添加的SVG装置都投运后，考核点110kV母线的谐波电压值如下表5.3所示，考核点110kV母线的电压曲线如图5.3所示。

表5.3  考核点的谐波电压（%）

谐波次数	110kV系统的谐波电压	国标限值	分析
2	0	0.8	合格
3	0.02	1.6	合格
4	0.11	0.8	合格
5	0.04	1.6	合格
6	0.02	0.8	合格
7	0.03	1.6	合格
8	0.01	0.8	合格
9	0	1.6	合格
10	0	0.8	合格
11	0.02	1.6	合格
12	0	0.8	合格
13	0.05	1.6	合格
14	0	0.8	合格
15	0	1.6	合格
16	0	0.8	合格
17	0.08	1.6	合格
18	0	0.8	合格
19	0.04	1.6	合格
20	0	0.8	合格

21	0	1.6	合格
22	0	0.8	合格
23	0.34	1.6	合格
24	0	0.8	合格
25	0.38	1.6	合格
THDu	0.53	2	合格

图5.3  治理后110kV母线的电压曲线

由仿真结果可知，SVG装置投运后，110kV总母线的谐波电压总畸变率及各次谐波电压均小于国标限值，满足国标要求。

2.治理后10kV母线谐波电压：

当A段母线添加的FC装置、B段母线添加的SVG装置都投运后，A、B段10kV母线的谐波电压值如下表5.4所示，A、B段10kV母线的电压曲线如图5.4所示。

表5.4  治理后A、B段10kV母线的谐波电压（%）

谐波次数	治理后，A段10kV系统的谐波电压	治理后，B段10kV系统的谐波电压
2	0.01	0.01
3	0.08	0.08
4	0.4	0.4
5	0.13	0.13
6	0.06	0.06
7	0.1	0.1
8	0.02	0.02
9	0.01	0.01
10	0	0
11	0.08	0.08
12	0	0
13	0.16	0.16
14	0	0
15	0	0
16	0.01	0.01
17	0.26	0.26
18	0.01	0.01
19	0.13	0.13
20	0	0

21	0	0
22	0	0
23	1.06	1.06
24	0.01	0.01
25	1.16	1.16
THDu	1.67	1.67

 

图5.4  治理后A、B段10kV母线的电压曲线

将上图所得数据和波形曲线和谐波电压治理前相比较，可以发现，SVG投运后，A、B段两段母线的特征谐波电压均较治理前明显减小，电压总畸变率明显减小，滤波效果较好。

SVG投运后，考核点的功率因数能够达到0.95以后，满足用户要求。

5.2 治理效果分析（A、B两段母线分列运行时）

1. 治理后考核点谐波电流：

当A段母线添加的FC装置、B段母线SVG装置投运后，用户考核点的谐波电流值如下表5.5所示，考核点的电流曲线如图5.5所示。

表5.5  考核点110kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	负荷注入 110kV系统的谐波电流	国标限值	分析
2	0.08	9.79	合格
3	0.49	4.	合格
4	0.49	4.90	合格
5	0.46	5.11	合格
6	0.36	3.26	合格
7	0.28	4.22	合格
8	0.05	2.45	合格
9	0.01	2.61	合格
10	0	1.96	合格
11	0.13	3.27	合格
12	0	1.63	合格
13	0.2	2.92	合格
14	0	1.39	合格
15	0	1.55	合格
16	0	1.22	合格
17	0.28	2.28	合格
18	0.01	1.06	合格
19	0.12	2.04	合格
20	0	0.98	合格

21	0	1.14	合格
22	0	0.90	合格
23	0.96	1.71	合格
24	0	0.82	合格
25	0.99	1.55	合格

图5.5  治理后110kV母线的电流曲线

通过与谐波电流国标限值对比，A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，110kV总母线的各次谐波电流均满足国标要求。

2.治理后10kV母线谐波电流：

A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，A、B段10kV母线的谐波电流值如下表5.6所示，A、B段10kV母线的电流曲线如图5.6所示。

表5.6治理后A、B段10kV母线的谐波电流（A）

谐波次数	治理后，注入A段 10kV系统的谐波电流	治理后，注入B段 10kV系统的谐波电流
2	0.84	0.02
3	4.99	0.41
4	3.67	1.67
5	0.23	4.82
6	3.23	0.71
7	0.01	2.97
8	0.51	0.02
9	0.19	0.11
10	0.04	0.01
11	0.29	1.12
12	0.03	0.01
13	0.51	1.62
14	0.04	0.01
15	0.05	0.01
16	0.05	0.01
17	0.26	2.51
18	0.06	0.01
19	0.36	0.82
20	0.03	0.01

21	0.03	0.01
22	0.03	0.01
23	0.7	9.44
24	0.03	0.01
25	0.91	9.63

 

图5.6  治理后10kV母线的电流曲线

通过与谐波电流治理前对比，A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，10kV母线的特征谐波均较治理前明显减小，滤波效果较好。

1. 治理后110kV母线谐波电压：

A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，考核点110kV母线的谐波电压值如下表5.7所示，考核点110kV母线的电压曲线如图5.7所示。

表5.7  考核点的谐波电压（%）

谐波次数	110kV系统的谐波电压	国标限值	分析
2	0	0.8	合格
3	0.03	1.6	合格
4	0.03	0.8	合格
5	0.04	1.6	合格
6	0.04	0.8	合格
7	0.03	1.6	合格
8	0.01	0.8	合格
9	0	1.6	合格
10	0	0.8	合格
11	0.03	1.6	合格
12	0	0.8	合格
13	0.05	1.6	合格
14	0	0.8	合格
15	0	1.6	合格
16	0	0.8	合格
17	0.08	1.6	合格
18	0	0.8	合格
19	0.04	1.6	合格
20	0	0.8	合格

21	0	1.6	合格
22	0	0.8	合格
23	0.39	1.6	合格
24	0	0.8	合格
25	0.44	1.6	合格
THDu	0.61	2	合格

图5.8  治理后110kV母线的电压曲线

由仿真结果可知，SVG装置投运后，110kV总母线的谐波电压总畸变率及各次谐波电压均小于国标限值，满足国标要求。

2.治理前10kV母线谐波电压：

A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，A、B段10kV母线的谐波电压值如下表5.9所示，A、B段10kV母线的电压曲线如图5.9所示。

表5.9  治理后A、B段10kV母线的谐波电压（%）

谐波次数	治理后，A段10kV系统的谐波电压	治理后，B段10kV系统的谐波电压
2	0.02	0
3	0.2	0.04
4	0.21	0.08
5	0.06	0.19
6	0.27	0.07
7	0.04	0.16
8	0.05	0.01
9	0.02	0.01
10	0.01	0
11	0.07	0.1
12	0	0
13	0.13	0.18
14	0.01	0
15	0.01	0
16	0.01	0
17	0.15	0.35
18	0.01	0
19	0.13	0.14
20	0.01	0

21	0.01	0
22	0.01	0
23	0.27	1.73
24	0.01	0
25	0.25	1.92
THDu	0.6	2.63

 

图5.9  治理后A、B段10kV母线的电压曲线

通过与谐波电压治理前对比，SVG投运后，A、B段两段母线的特征谐波电压均较治理前明显减小，电压总畸变率明显减小，滤波效果较好。

A段母线FC装置、B段母线SVG装置投运后，考核点的功率因数能够达到0.95以后，满足用户要求。

当电容器承受的电气条件超出其耐受能力，电容器可能会出现击穿、膨胀甚至爆炸事件，所以电容器的安全运行是非常令人瞩目的。为了保证滤波电容器所承受的电气条件在其耐受能力范围内，需通过过电流、过电压2项安全性能校验。

过电流、过电压安全性能校验如下：

    滤波电容器的过电流校验公式如下：

式中： ICN──滤波电容器的额定电流

       IC1──滤波电容器的基波电流

       ICh──滤波电容器的谐波电流

按照上式对SVG投运时，对各滤波支路电容器组进行过电流安全性能校验，校验结果如下表5.10、5.11所示。

1.A段10kV母线FC装置滤波支路过电流校验：

表5.10  过电流安全性能校验（A）

谐波次数	FC装置各滤波支路
	5P	7P	11P
过流倍数	0.93	0.97	0.90
结论	<1.3，安全	<1.3，安全	<1.3，安全

2.B段10kV母线SVG装置滤波支路过电流校验：

表5.11  过电流安全性能校验（A）

谐波次数	SVG装置各滤波支路
	5P	7P	11P
过流倍数	0.93	0.97	0.91
结论	<1.3，安全	<1.3，安全	<1.3，安全

由校验结果可知，无论系统时处于最小短路容量下还是处于最大短路容量下，当SVG运行时，SVG装置各滤波支路滤波电容器组过电流倍数都在1.3以内，所以SVG装置可以安全可靠的运行。

    滤波电容器的过电压校验公式如下：

式中：UCN──滤波电容器的额定电压

      UC1──滤波电容器的基波电压

      UCh──滤波电容器的谐波电压

按照上式对SVG投运时，对各滤波支路电容器组进行过电压安全性能校验，校验结果如下表5.12、5.13所示。

1.A段10kV母线SVG装置滤波支路过电压校验：

表5.12  过电压安全性能校验（A）

谐波次数	FC装置各滤波支路
	5P	7P	11P
过压倍数	0.95	0.95	0.92
结论	<1.1，安全	<1.1，安全	<1.1，安全

2.B段10kV母线SVG装置滤波支路过电压校验：

表5.13  过电压安全性能校验（A）

谐波次数	SVG装置各滤波支路
	5P	7P	11P
过压倍数	0.95	0.95	0.92
结论	<1.1，安全	<1.1，安全	<1.1，安全

由校验结果可知，无论系统处于最小短路容量下还是处于最大短路容量下，当SVG运行时，SVG装置各滤波支路滤波电容器组过电压倍数都在1.1以内，所以SVG装置可以安全可靠的运行。

SVG投运后，在两种工况条件下，与系统并联运行的阻抗-频率特征如图5.10，5.11所示。

1.A、B两段母线并列运行时：

图5.10 A、B两段母线并列运行时A、B段10kV 阻抗-频率特征曲线

2.A、B两段母线分列运行时：

图5.11 A、B两段母线分列运行时A、B段10kV 阻抗-频率特征曲线

从图中可以看出，无论在哪种工况条件下，A、B两段母线A段母线添加的FC装置、B段母线添加的SVG装置投入运行后和系统在整数次谐波处均没有发生并联谐振，装置运行安全可靠。

5.4 本章小结

本章中，首先对CYME PSAF仿真软件进行了介绍。在A端母线加装FC装置，在B段母线加装SVG装置，对系统进行仿真。在A、B两端母线分列运行时，测量并观察系统考核点谐波电流和10kv母线谐波电流的数据和电流波形曲线，将其与谐波电流国际标限值进行比较，可以发现经过补偿后的系统，谐波电流满足要求；在A、B两端母线并列运行时，测量并观察系统110kv母线谐波电压和10kv母线谐波电压数据和相应的电压波形曲线，将其与谐波电压国际标限值进行比较，可以发现进过补偿后的系统，谐波电压满足要求；此外，通过过电流检验和过电压检验对滤波器进行安全性分析，通过仿真波形比较可以得到，所加装置能够安全可靠运行。

6 总结与展望

随着电力电子技术的发展，人们能够更加方便地对电能加以转换和控制，但由于电力电子装置的非线性特性，带来的谐波污染越来越严重，严重影响了电能质量，给工业生产带来了巨大的经济损失，有时甚至会严重威胁电力系统安全。因此治理谐波污染变得越来越重要。与传统的无功补偿装置相比较，SVG不仅能够动态补偿系统中的无功电流，还能够补偿谐波以及实现有功功率在两臂之间的流动。

本文基于通能精机热加工有限责任公司的电能质量项目，针对系统两段母线在分列和并列运行时，母线侧谐波电流和谐波电压不满足谐波国际标限值问题，采用静止无功发生器SVG对母线侧进行补偿，并通过仿真分析，验证了设计方案的可行性。

论文主要完成了一下几个方面的工作：

1.研究了国内外电能质量的定义方法和评价体系，对谐波的来源，对电网的危害，以及谐波的评价标准做了详细的阐述。

2.研究了系统中两段母线分列和并列运行时，母线侧的谐波电压，谐波电流以及功率因数的特性，并与谐波国际标限值进行比较，得出了谐波过大的。介绍了SVG的结构、优点和应用。

3.设计了基于无功补偿装置(FC)和无功发生器(SVG)的谐波补偿方案，确定了补偿容量和治理装置的配置参数。

4.对母线侧用SVG进行补偿，通过仿真分析，仿真结果表明系统两段母线在分列和并列运行时，谐波电流、谐波电压以及功率因数满足要求，并且通过国电流检验和过电压检验来验证了滤波装置的安全性。

仿真结果表明：本文提出的采用静止无功发生器SVG治理谐波的方案是正确可行的。

此外本文也存在不足之处，在本文中采用的是SVG，其成本远远高于无源对称补偿构成的无功补偿装置，母线还不能得到大规模的应用，随着电力电子器件的不断发展，以及人们对电能质量要求的不断提高，SVG的应用前景在将来肯定会十分广阔。

致  谢

本文是在我的导师杨伟副教授的细心指导和无微的关怀下完成的。他渊博的学术知识、严谨的治学态度、精益求精的科研精神、敏锐的科学洞察力、孜孜不倦的工作热情、开朗豁达的胸襟、诲人不倦的师者风范以对我产生了重大的影响，让我受益匪浅。在杨老师的悉心栽培和指导下，我顺利的实现了从课题的选择到项目的最终完成。值此论文完成之际，特想杨老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

在论文工作期间，我得到了             的指导和帮助，也得到了同门师弟师妹的热情支持和无私的帮助。感谢他们给予我的关心和帮助。

在此，我再一次真诚地向所有支持我帮助过我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢。

参考文献

[1]GB/T14549-1993电能质量一公用电网谐波；GB/T15543-1995电能质量-三相电压允许不平衡度.

[2]林海雪.现代电能质量的基本问题.电网技术，2001，25(10)，5-12.

[3]孙雷波，刘晓路.用于中压配电系统的电能质量综合治理方案[J].继电器，2006，34(5):81-84.

[4]郑文秀，苏杭.电能质量分析及改善措施研究[J].计算机与信息技术，2010，4(12):6-9.

[5]肖湘宁，徐永海.电能质量问题剖析.电网技术，2001，25(3):66-69.

[6]李桂丹.供配电系统电能质量问题及其改善措施[J].内蒙古科技与经济，2012，4(254):114-115.

[7]胡铭，陈晰.电能质量及其分析方法综述.电网技术，2000，24(2):36-38.

[8]石莉,王立奎,叶立. 工供电电能质量分析[J]. 宇航计测技术， 2005, 25(3):37-40.

[9]王晓，罗安.基于光伏并网的电能质量控制系统[J].电网技术，2012，4(36):68-73.

[10]杨廷强，翁利民.电能质量及其改善措施的研究[J].电气工程应用，2006，01(3):11-14.

[11]徐永海，肖湘宁.电力市场环境下的电能质量问题[J].电网技术，2004，28(22):48-52.

[12]左群锋.石嘴山地区电网电能质量的分析与综合治理实施方案[D].重庆大学，2008.

[13]杜善武，任福贵.论谐波危害与抑制方法[J].学术研究，2012，3(10):257.

[14]李圣清，朱英浩，周有庆等.电网谐波检测方法的综述[J].高电压技术，2004，30(3):39-42.

[15]李圣清，朱英浩，周有庆等.电网谐波检测方法的综述[J].高电压技术，2004，30(3):39-42.

[16]刘秋池，周傲.浅析变电站谐波治理[J].价值工程.2012，4(15):32.

[17]高大威，孙孝瑞，陈宇一种谐波和无功电流检测的新方法[J]，现代电力，2000(l):65-68.

[18]链式STATCOM在密集型大城市电网中的应用[J].动力与电气工程，2012，1(12):129-131.

[19]周双喜,朱凌志 ,郭锡玖,等. 电力系统电压稳定性及其控制[M]. 北京:中国电力出版社，2004.

[20]王兆安，杨军，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，2002:209-241，245-311.

[21]刘桂敏，梁凯.STATCOM并补输电线路谐波特性的仿真与分析[J].电力科学与工程，2011，11(27):44-48.

[22]张媛，. STATCOM谐波分析及其对输电线路保护的影响[J].华北电力大学学报，2009，5(36).

[23]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006:86-.

[24]程浩忠.SVG对电气化铁路电能质量补偿效果的研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[25]唐杰，罗安，范瑞祥等.无功补偿和混合滤波综合补偿系统及其应用[J]].中国电机工程学报，2007，27(l):88-92.

[26]Yonghai Chen,Lei Chen,Xiangnin Xiao.Sythetic quantitative assessment of Power quality in competition market environment[C].2005 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference & Exhibition:Asia and Paeific，2005，Pase(s):1-4.

[27]Mamo X,Javerzac J.Power quality indieators[C].2001 IEEE porto of power Teeh Proeeedings,2001,Page(s):l-4.

[28]R.E.Morrison,A.D.Clark.Probabilistic representation of harmonic currents in AC traction systems,IEE proc.VO1.131，No.5，1984.

[29]A.Domjlan，G.T.Heydt，A.RS.MelioPoulos.Direetion of research on eleetric power quality.IEEE Trans PWRD,VOI.8，No.1，1993，429-436.

[30]Bollen M H J.Understanding power quality problems，voltage sags and intemiptions[M].New York.IEEE PRESS，2000.

[31]Mohd F. Kharbat. Real-Time Power Quality Monitoring[D]. Jordan: The University of Jordan,2006.

[32]P. Bilik. Creating Power Acquisition Network (PAQ Net) with LabVIEWNational[J]. Instruments customer solutions, 2002. 21(7):16-24.

[33]Santoso S. Electrical Power Systems Quality[J]. McGraw-Hill. 2002(5):30-31.

[34]Bollen M H J.Understanding Power quality problems,voltage sags and interruptions.New York.IEEE PRESS,2000.

[35]Smedley, K.; Taotao Jin. One-cycle control and its applications in power quality control and renewable power generation[J]. Power Engineering Society General Meeting, 2005, 12:2999-3007.

[36]Zhan, Y.Q.; Li, Y.H.; Choi, S.S.; Rajakaruna, S.; Vilathgamuwa, D.M.. Some recent results on the design of power quality control center[J]. Power Engineering Conference, 2005, 21(5):1496-1500.

[37]George J.Wakileh. Power Systems Harmonics[M]. New York:Springer Press,2000.

[38]Cho, J.W.; Kim, H.J.; Bae, J.H.; Sim, K.D.; Seong, K.C.. Fabrication and test of a 3MJ SMES magnet[J]. Applied Superconductivity, 2004, 14(2) :743-745.

[39]Chongming Qiao; Taotao Jin; Smedley, K.M.. One-cycle control of three-phase active power filter with vector operation[J]. Industrial Electronics, 2004, 51(2), 455-463.

[40]Dugan R C,etc.Electrical Power system quality.New York，McGraw-Hill,1996.

[41]Heydt G T.Eleetric Power quality.IEEE Computer Applications in Power,l998，11(l):15-19.

[42]The IEEE Standard dictionary of eleetrical and electrol and electronics terms.6thed,IEEE Std100-1996，IEEE，New York，1997.

[43]Kazibwe W E,ete.Electric Power quality control techniques. Temple University,1996.

[44]粟时平, 刘桂英. 静止无功功率补偿技术[M]. 中国电力出版社，2006.

[45]静止同步补偿器(STATCOM)的原理与实现[M].中国电力出版社，2005.

[46]翁利民，舒立平．静止无功发生器(SVG)简介．供用电，2001,18(1)：16—17.

[47]殷雄，基于IGBT的静止无功发生器的研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[48]欧开健．STATCOM直流侧电容值对系统谐波含量和电容电压波动幅值的影响及其选择．电力自动化设备，24(6)，2004：6-9.

[49]李旷，刘进军，魏标.直接电流控制的SVG补偿不平衡电压的研究[J].电力电子技术，2004.38(4):42-43

[50]Cavaliere C A C，Watanabe E H,Aredes M．Multi-pulse STATCOM opration under unbalanced voltages．In：Proc of IEEE Power Engineering Society Winter Meeting．New York，2002,1(1):567-572.

[51]PraoShun, XiaoXiangning. Synthetic Grading Evaluation of power Quality Based on Cask Principle[C].Third International Conference on Eleetric Utility Deregulation and Restructuring and Power Teehnologies，2008，Page(s):2353-2357.

[52]CYME International T&D Ine, Power System Analysis Framework, Version 3.10.