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摘要：由于电力系统中存在着许多冲击性负荷, 在运行过程中频繁地从系统取用快速变动电能,出现冲击性功率变化,造成公共连接点(PCC)电压在短时间内急剧变动, 并且明显偏离标称电压值即产生了电流波动。虽然电流波动会引起部分电气设备不能正常工作, 但由于实际运行中出现的电流波动值往往小于电气设备对电压敏感度门槛值, 故因电流波动导致电气设备运行出现问题甚至损坏的情况并不多见。本文对电力系统电流波动的影响和检测进行分析，在抑制电力系统电流波动方面起到了很好的作用。
关键词：电力系统电流波动 影响检测
中图分类号：TM7文献标识码： A
电网产生局部谐振严重时，电网损耗明显加大，发电机转子损坏，继电保护和自动装置非正常频繁动作，用户电机和电容器大量烧坏或不能正常运行，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使国民经济蒙受损失。
一、关于电力系统电流波动的影响
1.对输电线路的影響，谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的程度。谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。在电缆输电中，谐波电压以正比于其幅值电压的形式的情况下增加了介质的电场强度。这一影响缩短了电缆的使用寿命，增加了事故次数和修理费用。另外，对于超高压长距离输电线路，常采用单相自动重合闸来提高电力系统暂态稳定性。较大的高次谐波电流，会导致单相重合闸失败，或延缓供电电流的熄灭不能采用较短的自动重合闸时间。
2.对电容器和串联电抗器的影响，高次谐波流入电容器，无论从电压、容量、电流，都可能引起电容器的过电压、温升过高、过负荷，电容器要承受额外的电压和发热的影响，会导致无功补偿装置无法投入运行。串联电抗器受高次谐波的影响要比电容器严重。因为串联电抗器的高次谐波电抗与电容器正好相反,它是与高次谐波的次数成正比的增大。所以由于高次谐波的流入，大大增加了串联电抗器额外的电压和发热的影响，必须十分注意它的温升问题。另外，高次谐波电流可能引起LC回路与电力系统的并联谐振。
3.对继电保护和自动装置的影响，谐波在负序（基波）量的基础上产生的干扰，如对各种以负序滤波器为启动元件的保护及自动装置的干扰。由于保护按负序（基波）量整定，整定值小、灵敏度高。滤波器为启动元件时，实际运行中会引起下列保护和自动装置误动：发电机的负序电流保护误动；变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动；母线差动保护的负序电压闭锁元件误动；线路相差高频保护误动。
4.谐波对电力成本的影响，谐波不仅对各种电器设备有影响，造成电网对用户供电成本的上升，而且还会由于谐波的存在使电能表产生误差，造成电能表读数与实际所用负荷数不符，影响电力公司的收入。附加损耗使电力可变成本上升谐波电流在变压器、电机和线路传输中都要产生附加损耗，各次谐波附加损耗与谐波电流含有率的平方及谐波次数的平方根成正比。电器设备中的铁芯在交变磁通作用下会造成铁芯线圈中涡流损耗和磁滞损耗，产生大量的热量。
二、关于无功补偿装置对电流波动起到抑制分析
1.由于可控电抗器的容量可以平滑调节, 同时它还具有较小的自发谐波以及较快的响应速度, 作为电弧炉的无功补偿及抑制电流波动的装置(见图1), 其可向电弧炉提供任意波动的电流使得供电线路的无功功率波动减小, 从而达到抑制电压闪变的目的。但是由于可控电抗器所吸收的基波电流总是滞后电压, 即只能吸收无功功率, 故实用中总是与固定电容器组FC并联使用以将无功功率的补偿扩充到超前范围, 从而更好地抑制闪变。鉴于固定电容器组FC亦有补偿无功的作用, 为了更好地说明可控电抗器抑制波动的问题, 对单独投入电容器组的系统进行了仿真(见图1) 。这种无功补偿装置在没有谐波的场合, 显示了很好的性能。然而, 当电网中存在谐波源负载时, 电容器将对谐波电流产生放大作用, 使系统电压、电流波形发生畸变。
图1 带电容器组补偿的电弧炉系统接线图
2.仿真得到的波形也验证了这一点,由于系统中电弧炉的非线性特性, 电容器的投入使得谐波放大化, 从而加重了闪变程度。随后又将可控电抗器与固定电容器组FC同时投入并进行了仿真研究。从检测到的电弧炉电流中分解出其中的无功分量, 即为可控电抗器要补偿的量, 根据这个补偿量得到可控电抗器的晶闸管触发角信号, 进而实现对可控电抗器的控制。此时, 得到的公共点处的电压波形, 以及经过傅立叶分解后得到的基波电压幅值见图2。
3.将补偿前后PCC点处A相电压的基波幅值进行比较可以看出, 补偿后电压的波动幅值较补偿前明显减小。可以计算得到, 补偿后PCC点处的短时间电压闪变值Pst≈0.68, 长时间电压闪变值Plt≈0.56。已经完全满足电压波动和闪变的国家标准,即可控电抗器起到了很好的抑制作用。但是,从仿真过程来看, 可控电抗器的响应时间还有待进一步提高, 以达到更好的电流波动变抑制效果。由于电弧炉是通过电极的短路来工作的, 导致电弧炉变压器副边短路, 因此原边电压全部降落到变压器的漏抗上, 从电源侧看, 电弧炉是一个感性的负载, 流过其的电流绝大部分都是无功电流, 只有很小一部分的有功损耗, 故采用可控电抗器和电容器组配合可以有效补偿电弧炉工作时的动态无功变化, 起到抑制电流波动的效果。
图2� 补偿后的A相电压及其基波幅值
4.实现电容分组补偿,即将电容器和电抗器装置产生适量无功，补偿电力机车所需的无功功率，尽量不产生过补。虽然这种方法仅能减少无功功率的过补偿，不能进行追踪补偿，但比现有的固定容量补偿的方式效果要好，研制新型的电容补偿设备,达到自动跟踪补偿的目的。目前许多国家研制了多种类型的静止无功补偿装置（简SVC）。SVC具有快速调节无功的功能，能够达到较为理想的补偿效果，虽然价格较高，但无疑是今后的发展方。选择高质量的电容器、电抗器，减小电容、电抗值误差。
5.波动性、冲击性负荷不可避免地会引起电流波动电压波动, 为减小因电流波动所带来的损失, 采用基于磁阀式可控电抗器的SVC拓扑结构是非常有效的途径, 在电力系统中具有广阔的应用前景。采用移相绕组可以很好地抑制可控电抗器的自发谐波, 同时可以和可控电抗器做成一体, 还可以进一步将电路进行拓扑, 运用多组接成三角形的可控电抗器组, 以获得不同的补偿容量和谐波抑制效果, 满足不同的系统要求。
三、关于电流波动的检测分析
1.基于Matlab /Simu link仿真中设电网电压无畸变, 负载为单相感性整流负载。电网电压us、电流波形is如图3(a)所示, is 为滞后电压л/6的方波电流。仿真结果见图3(b)、2(c)。动态响应性能的仿真结果。假定电网电流为1800方波, 与电网电压的相位差为300。为便于观察, 假设在0.40-0.41ms之间, is 的幅值由10mA 线性增加到15 mA, us、is 的波形如图3a)所示。图3(b)、3(c)、分别为检测电路低通滤波器的输出、基波有功电流、基波无功电流及谐波电流的检测结果。由图可见, 无论从检测电路低通滤波器的输出, 还是从基波电流和谐波电流的检测结果来看, 都是约在0.4s开始变化直到0.5s结束并稳定。检测方法有0.1s延时(这一延时是由低通滤波器引起)。可见检测方法的跟踪性能比较快。
图3 电网电压无畸变时的仿真结果
2.仿真中设电压发生了畸变, 负载仍为单相感性整流负载。电压us、电流波形is 如4(a)所示。电网电压us 含有3、5、7、9、11次谐波, is 仍为滞后基波电压л/6的方波电流。采用该检测方法的仿真结果如图4(b)、4(c)所示。圖4(b)是对基波电流的检测结果。图中两条曲线分别是基波电流理论值曲线和检测值曲线。由图可见, 大约0.1s后两曲线重合, 由此说明该方法能够实时、准确地检测电网基波电流。图4(c)是对谐波电流的检测结果。图4是电网电压发生畸变时含有锁相环电路的仿真结果。电网电压us、电流波形is 仍如图4(a)所示。图4(a)是基波电流的检测结果、(b)是对谐波电流的检测结果。由图可见, 在电网电压发生畸变时含有锁相环电路无法准确地检测谐波和无功电流。
图4 电网电压畸变无锁相环时的仿真结果
3.在有功电流分离法的基础上, 构造了一种无锁相环的单相电路谐波检测方法, 通过预设正余弦信号的基频和初相角, 不要锁相环就能准确地检测出谐波和无功电流。该检测方法中幅值和初相角的计算, 可以通过DSP实现, 从而简化了硬件电路。通过分析和仿真证明, 该方法节省了锁相环电路, 算法简单, 硬件电路容易实现。
为抑制电力系统的电流波动, 提出了一种基于可控电抗器的静止无功补偿器(SVC)拓扑结构。它可以做成任何电压等级直接接入高压电网, 能够根据系统无功功率变化动态地调节可控电抗器的饱和度, 平滑地改变其发出的无功功率。但是由于其补偿容量与电压的平方成正比, 输出受电压变化影响大。同时SVC在其容量调节范围内谐波畸变率较大, 需要附加滤波装置, 联接入电网可实现感性和容性无功的调节。
作者简介：陈宝贵 河北省沧州大化TDI有限公司维护车间技术员
参考文献：
[1]唐开林，李群湛，张丽艳，等．电气化铁道牵引网馈线电流概率分布[J]．电力系统及其自动化学报，2010，22(6)：12-16．
[2]黄石柱，李建华，赵娟，等．电气化铁路牵引变电所概率谐波电流的仿真计算[J]．电力系统自动化，2002，26(5)：1-6．
[3]万庆祝，吴命利，陈建业，等．基于牵引计算的牵引变电所馈线电流仿真计算[J]．电工技术学报，2007，22(6)：108-113．
[4]杨少兵，吴命利．电气化铁道牵引变电所负荷概率模型[J]．电力系统自动化，2010，34(24)：40-44．
[5]杨少兵，吴命利．基于模拟退火算法的牵引站谐波发射水平估算[J]．电力系统自动化，2011，35(11)：60-64．
关键词：电力系统电流波动 影响检测
中图分类号：TM7文献标识码： A
电网产生局部谐振严重时，电网损耗明显加大，发电机转子损坏，继电保护和自动装置非正常频繁动作，用户电机和电容器大量烧坏或不能正常运行，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使国民经济蒙受损失。
一、关于电力系统电流波动的影响
1.对输电线路的影響，谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的程度。谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。在电缆输电中，谐波电压以正比于其幅值电压的形式的情况下增加了介质的电场强度。这一影响缩短了电缆的使用寿命，增加了事故次数和修理费用。另外，对于超高压长距离输电线路，常采用单相自动重合闸来提高电力系统暂态稳定性。较大的高次谐波电流，会导致单相重合闸失败，或延缓供电电流的熄灭不能采用较短的自动重合闸时间。
2.对电容器和串联电抗器的影响，高次谐波流入电容器，无论从电压、容量、电流，都可能引起电容器的过电压、温升过高、过负荷，电容器要承受额外的电压和发热的影响，会导致无功补偿装置无法投入运行。串联电抗器受高次谐波的影响要比电容器严重。因为串联电抗器的高次谐波电抗与电容器正好相反,它是与高次谐波的次数成正比的增大。所以由于高次谐波的流入，大大增加了串联电抗器额外的电压和发热的影响，必须十分注意它的温升问题。另外，高次谐波电流可能引起LC回路与电力系统的并联谐振。
3.对继电保护和自动装置的影响，谐波在负序（基波）量的基础上产生的干扰，如对各种以负序滤波器为启动元件的保护及自动装置的干扰。由于保护按负序（基波）量整定，整定值小、灵敏度高。滤波器为启动元件时，实际运行中会引起下列保护和自动装置误动：发电机的负序电流保护误动；变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动；母线差动保护的负序电压闭锁元件误动；线路相差高频保护误动。
4.谐波对电力成本的影响，谐波不仅对各种电器设备有影响，造成电网对用户供电成本的上升，而且还会由于谐波的存在使电能表产生误差，造成电能表读数与实际所用负荷数不符，影响电力公司的收入。附加损耗使电力可变成本上升谐波电流在变压器、电机和线路传输中都要产生附加损耗，各次谐波附加损耗与谐波电流含有率的平方及谐波次数的平方根成正比。电器设备中的铁芯在交变磁通作用下会造成铁芯线圈中涡流损耗和磁滞损耗，产生大量的热量。
二、关于无功补偿装置对电流波动起到抑制分析
1.由于可控电抗器的容量可以平滑调节, 同时它还具有较小的自发谐波以及较快的响应速度, 作为电弧炉的无功补偿及抑制电流波动的装置(见图1), 其可向电弧炉提供任意波动的电流使得供电线路的无功功率波动减小, 从而达到抑制电压闪变的目的。但是由于可控电抗器所吸收的基波电流总是滞后电压, 即只能吸收无功功率, 故实用中总是与固定电容器组FC并联使用以将无功功率的补偿扩充到超前范围, 从而更好地抑制闪变。鉴于固定电容器组FC亦有补偿无功的作用, 为了更好地说明可控电抗器抑制波动的问题, 对单独投入电容器组的系统进行了仿真(见图1) 。这种无功补偿装置在没有谐波的场合, 显示了很好的性能。然而, 当电网中存在谐波源负载时, 电容器将对谐波电流产生放大作用, 使系统电压、电流波形发生畸变。
图1 带电容器组补偿的电弧炉系统接线图
2.仿真得到的波形也验证了这一点,由于系统中电弧炉的非线性特性, 电容器的投入使得谐波放大化, 从而加重了闪变程度。随后又将可控电抗器与固定电容器组FC同时投入并进行了仿真研究。从检测到的电弧炉电流中分解出其中的无功分量, 即为可控电抗器要补偿的量, 根据这个补偿量得到可控电抗器的晶闸管触发角信号, 进而实现对可控电抗器的控制。此时, 得到的公共点处的电压波形, 以及经过傅立叶分解后得到的基波电压幅值见图2。
3.将补偿前后PCC点处A相电压的基波幅值进行比较可以看出, 补偿后电压的波动幅值较补偿前明显减小。可以计算得到, 补偿后PCC点处的短时间电压闪变值Pst≈0.68, 长时间电压闪变值Plt≈0.56。已经完全满足电压波动和闪变的国家标准,即可控电抗器起到了很好的抑制作用。但是,从仿真过程来看, 可控电抗器的响应时间还有待进一步提高, 以达到更好的电流波动变抑制效果。由于电弧炉是通过电极的短路来工作的, 导致电弧炉变压器副边短路, 因此原边电压全部降落到变压器的漏抗上, 从电源侧看, 电弧炉是一个感性的负载, 流过其的电流绝大部分都是无功电流, 只有很小一部分的有功损耗, 故采用可控电抗器和电容器组配合可以有效补偿电弧炉工作时的动态无功变化, 起到抑制电流波动的效果。
图2� 补偿后的A相电压及其基波幅值
4.实现电容分组补偿,即将电容器和电抗器装置产生适量无功，补偿电力机车所需的无功功率，尽量不产生过补。虽然这种方法仅能减少无功功率的过补偿，不能进行追踪补偿，但比现有的固定容量补偿的方式效果要好，研制新型的电容补偿设备,达到自动跟踪补偿的目的。目前许多国家研制了多种类型的静止无功补偿装置（简SVC）。SVC具有快速调节无功的功能，能够达到较为理想的补偿效果，虽然价格较高，但无疑是今后的发展方。选择高质量的电容器、电抗器，减小电容、电抗值误差。
5.波动性、冲击性负荷不可避免地会引起电流波动电压波动, 为减小因电流波动所带来的损失, 采用基于磁阀式可控电抗器的SVC拓扑结构是非常有效的途径, 在电力系统中具有广阔的应用前景。采用移相绕组可以很好地抑制可控电抗器的自发谐波, 同时可以和可控电抗器做成一体, 还可以进一步将电路进行拓扑, 运用多组接成三角形的可控电抗器组, 以获得不同的补偿容量和谐波抑制效果, 满足不同的系统要求。
三、关于电流波动的检测分析
1.基于Matlab /Simu link仿真中设电网电压无畸变, 负载为单相感性整流负载。电网电压us、电流波形is如图3(a)所示, is 为滞后电压л/6的方波电流。仿真结果见图3(b)、2(c)。动态响应性能的仿真结果。假定电网电流为1800方波, 与电网电压的相位差为300。为便于观察, 假设在0.40-0.41ms之间, is 的幅值由10mA 线性增加到15 mA, us、is 的波形如图3a)所示。图3(b)、3(c)、分别为检测电路低通滤波器的输出、基波有功电流、基波无功电流及谐波电流的检测结果。由图可见, 无论从检测电路低通滤波器的输出, 还是从基波电流和谐波电流的检测结果来看, 都是约在0.4s开始变化直到0.5s结束并稳定。检测方法有0.1s延时(这一延时是由低通滤波器引起)。可见检测方法的跟踪性能比较快。
图3 电网电压无畸变时的仿真结果
2.仿真中设电压发生了畸变, 负载仍为单相感性整流负载。电压us、电流波形is 如4(a)所示。电网电压us 含有3、5、7、9、11次谐波, is 仍为滞后基波电压л/6的方波电流。采用该检测方法的仿真结果如图4(b)、4(c)所示。圖4(b)是对基波电流的检测结果。图中两条曲线分别是基波电流理论值曲线和检测值曲线。由图可见, 大约0.1s后两曲线重合, 由此说明该方法能够实时、准确地检测电网基波电流。图4(c)是对谐波电流的检测结果。图4是电网电压发生畸变时含有锁相环电路的仿真结果。电网电压us、电流波形is 仍如图4(a)所示。图4(a)是基波电流的检测结果、(b)是对谐波电流的检测结果。由图可见, 在电网电压发生畸变时含有锁相环电路无法准确地检测谐波和无功电流。
图4 电网电压畸变无锁相环时的仿真结果
3.在有功电流分离法的基础上, 构造了一种无锁相环的单相电路谐波检测方法, 通过预设正余弦信号的基频和初相角, 不要锁相环就能准确地检测出谐波和无功电流。该检测方法中幅值和初相角的计算, 可以通过DSP实现, 从而简化了硬件电路。通过分析和仿真证明, 该方法节省了锁相环电路, 算法简单, 硬件电路容易实现。
为抑制电力系统的电流波动, 提出了一种基于可控电抗器的静止无功补偿器(SVC)拓扑结构。它可以做成任何电压等级直接接入高压电网, 能够根据系统无功功率变化动态地调节可控电抗器的饱和度, 平滑地改变其发出的无功功率。但是由于其补偿容量与电压的平方成正比, 输出受电压变化影响大。同时SVC在其容量调节范围内谐波畸变率较大, 需要附加滤波装置, 联接入电网可实现感性和容性无功的调节。
作者简介：陈宝贵 河北省沧州大化TDI有限公司维护车间技术员
参考文献：
[1]唐开林，李群湛，张丽艳，等．电气化铁道牵引网馈线电流概率分布[J]．电力系统及其自动化学报，2010，22(6)：12-16．
[2]黄石柱，李建华，赵娟，等．电气化铁路牵引变电所概率谐波电流的仿真计算[J]．电力系统自动化，2002，26(5)：1-6．
[3]万庆祝，吴命利，陈建业，等．基于牵引计算的牵引变电所馈线电流仿真计算[J]．电工技术学报，2007，22(6)：108-113．
[4]杨少兵，吴命利．电气化铁道牵引变电所负荷概率模型[J]．电力系统自动化，2010，34(24)：40-44．
[5]杨少兵，吴命利．基于模拟退火算法的牵引站谐波发射水平估算[J]．电力系统自动化，2011，35(11)：60-64．