概述

摘要：現(xiàn)代港口供配電系統(tǒng)所采用大量的電力電纜以及具有能量回饋的變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，會產(chǎn)生大量的諧波，由此引發(fā)的諧振和波形畸變大大降低了電能的質(zhì)量，對系統(tǒng)的安全運行造成了嚴(yán)重威脅。應(yīng)用電力系統(tǒng)的基本理論，分析了港口供配電系統(tǒng)中電纜分布電容與系統(tǒng)參數(shù)之間發(fā)生諧波諧振，應(yīng)用對系統(tǒng)諧波所起到放大、抑制或濾除等不同影響，最后用PSCAD/EMTDC軟件驗證了理論分析的正確性，強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)設(shè)計時合理選擇參數(shù)的重要性。

1港口供配電系統(tǒng)介紹

圖1所示為該港口10kV配電系統(tǒng)：變電站

主變壓器T1將系統(tǒng)電壓110kV降壓成10kV，由多路電纜供給碼頭吊機(jī)用電。采用變流器來控制橋吊升降機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行能量回饋。逆變器橋吊負(fù)載與一般電機(jī)負(fù)載相比，啟動時對電網(wǎng)的影響小，功率因數(shù)較高，這突出了電力電纜分布電容的作用。由于直流濾波環(huán)節(jié)支撐電容的隔離作用，三相PWM整流器在交流側(cè)產(chǎn)生的諧波電流理論上可認(rèn)為是諧波電流源所產(chǎn)生。其配電系統(tǒng)可簡化為圖2所示。

圖2中，1為10kV母線的公共節(jié)點，2為橋吊變壓器，3為橋吊逆變器等效的諧波源，4為分布電容等效值，5為系統(tǒng)側(cè)變壓器，6為110kV無窮大系統(tǒng)。其等效電路如圖3所示。

圖3中，Ih為諧波源電流；Ich為電容電流；Ish為電網(wǎng)電流；Xs=jωL為電網(wǎng)基波電抗；Rs為電網(wǎng)電阻；Xc=j/ωC，為分布電容基波容抗。

2 分布電容引起的系統(tǒng)串聯(lián)諧振

如圖4所示，將圖3中的分布電容阻抗Zc與電網(wǎng)阻抗Zs并聯(lián)，即h2Xs-Xc>0為系統(tǒng)滿足串聯(lián)諧振的必要條件。由于分布電容很小，基波容抗較大，等值容抗X。則隨系統(tǒng)中線路長度、并聯(lián)拓?fù)涞纫蛩刈兓^大。多數(shù)情況下，h>1時的間諧波和高次諧波，容易發(fā)生串聯(lián)諧振。

通過分析計算（分析計算過程略，請查原文），得出h2Xs-Xc>0為系統(tǒng)滿足串聯(lián)諧振的必要條件。由于分布電容很小，基波容抗較大，等值容抗Xc則隨系統(tǒng)中線路長度、并聯(lián)拓?fù)涞纫蛩刈兓^大。多數(shù)情況下，h>1時的間諧波和高次諧波，容易發(fā)生串聯(lián)諧振。

3 分布電容引起的系統(tǒng)并聯(lián)諧振模型

對圖3建立方程：

通過分析計算（過程略，請查原文）當(dāng)

時，系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

可得出并聯(lián)諧振頻率為：

式中：f為工頻，并聯(lián)諧振時，電網(wǎng)參數(shù)對諧振條件無約束，因此，系統(tǒng)更容易發(fā)生并聯(lián)諧波諧振。

并聯(lián)諧振比串聯(lián)諧振對電網(wǎng)的危害更大。

4 PSCAD仿真

根據(jù)港口供配電系統(tǒng)各設(shè)備建立諧波數(shù)學(xué)模型：電纜線路采用π型集中參數(shù)模型，化簡至圖3。得到在工頻情況下，港口10kV系統(tǒng)側(cè)參數(shù)為Rg=0.009Ω,Xg=0.5403Ω；橋吊側(cè)變壓器阻抗X=0.3083Ω；電纜分布電容容抗X=466.91Ω。

根據(jù)以上電路參數(shù)用電力系統(tǒng)軟件PSCAD進(jìn)行仿真，得在實際情況下系統(tǒng)阻抗X，β隨頻率的變化曲線如圖5、圖6所示。

港口在該參數(shù)情況下，仿真顯示港口供配電系統(tǒng)有以下特點：

（1）由圖5曲線可知，當(dāng)諧波次數(shù)0

（2）當(dāng)h=29.4時，β=1，系統(tǒng)諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過的電流最大，嚴(yán)重危害電網(wǎng)的安全和港口的正常工作。

5結(jié)論

（1）當(dāng)電纜接入含有諧波成分的電網(wǎng)時會對原有的諧波分布產(chǎn)生一定的影響，同時由于其結(jié)構(gòu)和參數(shù)不同，電纜分布電容會“吸收”或“發(fā)出”部分諧波電流；且當(dāng)電纜電容與系統(tǒng)阻抗發(fā)生匹配時諧波電流成分被放大，即發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象；同樣在某種參數(shù)情況下發(fā)生串聯(lián)諧振。

(2)選擇適當(dāng)電抗率的電抗器可抑制放大某次以上的高次諧波，但這并不能杜絕諧波電流流入分布電容回路，流入電容支路的諧波電流跟電纜參數(shù)以及系統(tǒng)參數(shù)密切相關(guān)。另外，適當(dāng)情況下，分布電容和電抗器可以構(gòu)成濾波器，接入系統(tǒng)可起到“濾除”部分諧波，改善電能質(zhì)量的目的。當(dāng)然濾波器也是常用的消除諧波的方法。

(3)系統(tǒng)參數(shù)變化時（如串聯(lián)電抗器）或主要諧波的次數(shù)發(fā)生變化，都會改變系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的環(huán)境，系統(tǒng)的諧振頻率偏移，危害系統(tǒng)安全。故在設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)全面評估，合理地選擇參數(shù)，使系統(tǒng)運行的固有頻率遠(yuǎn)離諧振頻率。

素材來源：

易啟邦（工控一體化縱深服務(wù)生態(tài)平臺）編輯部

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