独立小容量供电系统瞬时脉冲型谐波分析研究

林新东

（总政直工部军博工程管理办公室，北京 100032）

独立小容量供电系统瞬时脉冲型谐波分析研究

林新东

（总政直工部军博工程管理办公室，北京 100032）

介绍了独立小容量供电系统的特点并针对供电系统中常见的几种瞬时脉冲型谐波进行了分析，仿真结果表明瞬时脉冲型谐波对小容量供电系统的影响应予以考虑。

小容量系统 谐波 同步发电机

0 引言

独立小容量供电系统是相对于传统公用电网供电系统而言，公用电网是以大容量、高电压为主要特征的单一集中式供电系统，而小容量供电系统是将容量较小的电源布置在用户附近，独立向负载输出电能的供电系统，供电方式灵活、方便，广泛应用于船舶、工矿企业、海上石油钻井平台等场合，同时既可作为一些重要用户的备用或应急电源，又可与公用电网联网运行，提高公用电网的供电可靠性[1]，其显著特点是系统短路容量小、电源内阻抗不能忽略[2]。在供电系统运行过程中，会出现线路接地故障、变压器接入过程中的涌流、大型负载突变以及电动机启动过程等短时波形畸变的现象，这些现象在公用电网中可以忽略，但是在短路容量比较小、电源内阻抗相对较大的独立小容量供电系统中影响不可忽略，伴随短时波形畸变产生的谐波电流注入到电网中，谐波电流经电源内阻抗后引起电网电压波形畸变，进而降低电能质量。

1 独立小容量供电系统的特点

与传统大电网相比，独立小容量供电系统有以下几个特点[3-4]：

1) 系统电源类型及容量。公用电网一般由很多大容量的机组并网组成，而独立小容量供电系统一般由一台或数台容量较小的发电机并网组成供电电源，如柴油发电机组、蓄电池、风力发电机组等，这些电源提供的电能有限，且内阻抗较大。系统容量有时甚至达不到大功率负载的需求，因此电源不能等效为无穷大。

2) 电网结构。公用电网常用高压远距离输电以便扩大覆盖面，而独立小容量电网多为低压近距离输电，通常选用电缆，以降低遭受雷击和外力破坏的可能性，但是可能在系统中发生高次谐振，在线路上引起过电压，还可能使电压波形出现尖峰，加速电缆绝缘老化。

3) 配电装置。独立小容量供电系统一般采用低压近距离输电，相对公用电网而言，使用变压器、电能转换装置比较少。

4) 负载类型。公用电网包含各种负载，而独立小容量供电系统根据使用场合不同供电的主要负载也不同，如用于船舶上时主要负载是电动机、照明和导航仪等，用于海上石油钻井平台时主要负载是电动机，用于通信站时主要负载是电子精密仪器，作为备用电源时一般向一级负载供电。

2 瞬时脉冲型谐波

瞬时脉冲型谐波主要有供电系统发生接地故障、大容量负载突变或变压器涌流等短时现象产生[5]，其主要特点是产生谐波的过程比较短暂，在独立小容量系统中不能自行消失，因此会对电源或用电设备带来不利的影响。考虑到供电系统中一般以5、7、11、13次谐波含量较大且对系统的影响较为严重，因此文中主要分析由这些短时波形畸变带来的谐波中5、7、11、13次的含量[6]。

以三相四线制TN系统为例，如图1所示，向电动机供电，zs表示电源内阻抗，开关K2模拟大容量电机接入与退出，K3模拟单相接地故障。当大容量电机突然接入系统或发生单相接地故障时，电流波形发生畸变，向系统中注入谐波，其等效电路如图2所示。

在图2中，谐波源是瞬时的，向系统注入的谐波分两部分流向电源和负载，有：

流经电源内阻抗产生谐波电压us1:

3 仿真分析

瞬时脉冲型谐波种类较多，以供电系统发生单相接地故障为例，使用MATLAB软件为仿真平台[7]，设置电源容量为100 kVA，电源内电感为4.59 mH，X/R值为5，谐波源为整流负载，仿真电路如图所示。设置仿真时间为0.14 s，在0.04 s至0.11 s时间范围内发生接地故障。

仿真结果如图4所示，图4(a)表示电压仿真结果，图4(b)表示电流仿真结果。针对接地发生前及发生时的电流波形，分别用快速傅里叶分解，电流谐波含量分析图如图5所示，图5(a)表示故障发生前负载电流的谐波频谱，图5(b)表示故障发生时负载电流的谐波频谱。

分析接地故障发生前和发生时负载电流总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）和每次谐波含量，如表1所示。

由图4、图5可知，接地故障发生时，电压和电流波形发生了变化，发生前电流THD为0.22%，接地故障发生时电流THD增加到1.85%，在独立小容量系统中，由接地故障引起的谐波电流经过电源内阻抗后将引起电压的畸变。如表2所示。

4 结论

相比于传统大电网，独立小容量电网供电方式灵活、方便，但是由于其短路容量较小，在考虑系统谐波问题时不能忽略电源内阻的影响。瞬时脉冲型谐波类型较多，以接地故障为例，通过仿真系统发生接地故障时负载电流的谐波频谱，进而分析瞬时脉冲型谐波源对系统影响，接地故障发生时会改变负载电流总谐波畸变率和某些次谐波的含量。

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Research on Instantaneous Pulse Harmonic in Independent Short Capacity Power System

Lin Xindong
(The Office of Military Museum Project Management in Straight Ministry of the General Political Department, Beijing 100032, China)

This article introduces the characteristic of low capacity power system and analyzes the instantaneous pulse harmonic. Simulation results indicate that the effect of instantaneous pulse harmonic to low capacity power system needs to be considered.

low capacity power system; harmonic; synchronous generator

TM46

A

1003-4862（2013）11-0001-03

2012-12-21

林新东（1972-），男，工程师。研究方向：工程施工与管理。