羅燦坤，晁儲乾

(1．湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠，湖南 益陽 413508;2．湖南省電力公司郴州電業(yè)局，湖南郴州 423000)

電廠發(fā)電機(jī)的諧波危害分析與測試

羅燦坤1，晁儲乾2

(1．湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠，湖南 益陽 413508;2．湖南省電力公司郴州電業(yè)局，湖南郴州 423000)

電力系統(tǒng)中的諧波污染日益嚴(yán)重，會對電廠發(fā)電機(jī)帶來一系列的危害，分析了諧波影響下的發(fā)電機(jī)等效模型建立方法，以及發(fā)電機(jī)的諧波電壓與電流，計算出了發(fā)電機(jī)在諧波影響下的穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩與脈動電磁轉(zhuǎn)矩，最后對實驗發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測試，分析了諧波對電廠發(fā)電機(jī)的危害。

發(fā)電機(jī);諧波;轉(zhuǎn)矩

1 引言

非線性負(fù)載是一種非線性的時變拓?fù)湄?fù)載，不可避免的會產(chǎn)生畸變波形，向電網(wǎng)注入諧波，非線性負(fù)載已成為電網(wǎng)的“公害”［1］，由諧波引起的電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起了電力研究者的廣泛關(guān)注［2，3］。

諧波會對系統(tǒng)中的多種電力設(shè)備產(chǎn)生危害，如繼電保護(hù)裝置、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電力網(wǎng)絡(luò)、通信裝置、電容器組等。而對電廠發(fā)電機(jī)的危害最為嚴(yán)重又是無法避免的，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)對含有諧波的電網(wǎng)供電時，除了對電機(jī)本身帶來一系列的影響，還會對同步發(fā)電機(jī)所帶的其他電力用戶產(chǎn)生不利影響［4－8］。因此，分析同步發(fā)電機(jī)的諧波危害，對保障同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)用戶的安全穩(wěn)定運(yùn)行，顯得尤為重要。

2 發(fā)電機(jī)的諧波等效電路模型

為建立諧波影響下的等效模型，需要進(jìn)行繞組、頻率的歸算，將轉(zhuǎn)子方面的各個物理量歸算到定子方面，歸算時，一般將定子側(cè)參數(shù)以下標(biāo)“1”表示，轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)以下標(biāo)“2”表示。具體過程包含電流歸算、電動勢歸算、阻抗歸算、頻率歸算，歸算方法如下:

經(jīng)過上述的歸算后，定子和轉(zhuǎn)子可以構(gòu)成一個等效電路，對于每一次諧波，都可以建立圖1所示的T形等效電路。

圖1 同步發(fā)電機(jī)n次諧波的T形等效電路

圖1中的各種參數(shù)應(yīng)當(dāng)與繞組電流的實際頻率相對應(yīng)。由圖1可得n次諧波頻率下的發(fā)電機(jī)的基本方程為:

式中，下標(biāo)“m”表示勵磁支路參數(shù)，比如“·I”為mn勵磁電流的n次諧波分量;“Zmn”為勵磁支路的n次諧波等效阻抗。

3 發(fā)電機(jī)的諧波電壓與電流波形分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)向含諧波源的電網(wǎng)供電時，由于諧波源的工作方式的問題，會使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓發(fā)生畸變，通過傅立葉分解，可表示為:

根據(jù)發(fā)電機(jī)的諧波等效電路，發(fā)電機(jī)的勵磁、定子、轉(zhuǎn)子電流分別為:

可見發(fā)電機(jī)的機(jī)端三相電壓、三相電流以及轉(zhuǎn)子勵磁電流均含有諧波分量。

4 發(fā)電機(jī)的諧波電磁轉(zhuǎn)矩分析

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:

式中:PM—電磁功率;

PJ—總的機(jī)械功率;

Ω—轉(zhuǎn)子角速度;

電磁轉(zhuǎn)矩電流諧波分量的表達(dá)形式為

式中:cosθ2為功率因數(shù)，基波情況下形式為

式中，Φ為發(fā)電機(jī)主磁通ω1=2πf1。

將E'2，ω1代入式(4)，得

發(fā)電機(jī)除了具有基波電磁轉(zhuǎn)矩和諧波穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩外，還存在另一種電磁轉(zhuǎn)矩，這種電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙中的任意兩個磁場相互作用而產(chǎn)生的，故具有脈動的特性，且在一個脈動周期上的積分為零，即不存在平均值。在實際運(yùn)行中，主要考慮幅值相對較大的5，7，11，13等各次諧波電流所產(chǎn)生的磁場與基波電流的磁場相互作用引起的脈動電磁轉(zhuǎn)矩。

各次脈動轉(zhuǎn)矩TeΣ1n的總和:

5 實驗測試

用示波器記錄實驗發(fā)電機(jī)的機(jī)端線電壓和三相電流，波形如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)端線電壓、三相電流波形

實驗可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)帶整流負(fù)載時，受負(fù)載非線性工作特性的影響，發(fā)電機(jī)的機(jī)端線電壓和三相電流的波形都發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，含有大量的諧波。而且發(fā)電機(jī)伴隨著震動現(xiàn)象，這是受諧波電磁轉(zhuǎn)矩的影響，另外發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重。

6 總結(jié)

受非線性負(fù)載的影響，發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、電流以及轉(zhuǎn)子電流都會有諧波分量;諧波對發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有很大的危害，產(chǎn)生了一系列的附加諧波穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩和脈動轉(zhuǎn)矩;諧波還會使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加發(fā)熱。

［1］ 徐育福，蔡金錠，李天友．鋼鐵廠電弧爐對配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的預(yù)測與治理［J］．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2008，23(4):83 －87．

［2］ 帥智康，羅安，舒適，等．注入式混合型有源電力濾波器的研究［J］．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2008，23(1):43 －49．

［3］ 羅隆福，蘭麗霞，李勇，等．新型直流輸電系統(tǒng)諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響［J］．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2010，22(1):48 －53．

［4］ 黃劫剛，夏永洪，張景明，等．諧波勵磁同步發(fā)電機(jī)空載諧波磁場分析［J］．電機(jī)與控制學(xué)報，2005，9(1):55 －58．

［5］ 吳新振，王祥珩，羅成．多相異步電機(jī)諧波電流與諧波磁勢的對應(yīng)關(guān)系［J］清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，45(7):865 －868

［6］ 周理兵，陸佳政，馬志云．系統(tǒng)諧波與負(fù)序電流對水輪發(fā)電機(jī)的影響［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，30(5):68 －70．

［7］ 吳志敢，賀益康．交－交變頻器交流勵磁發(fā)電機(jī)諧波的解析分析［J］．電工技術(shù)學(xué)報，1999，12(6):9 －14．

［8］ 馬偉明，張蓋凡．三相同步發(fā)電機(jī)供交直流混合負(fù)載時交流電壓波形的畸變［J］．電工技術(shù)學(xué)報，1996，11(4):36 －42．

Analysis and Test of Harmonic Harm of the Gnerator in the Power Plant

LUO Can-kun1，CHAO Chu-qian2
(1．Zhexi Hydraqlic Power Plant，Hunan Power Company，Yiyang 413508，China;2．Chenzhou Power Administration，Hunan Power Company，Chenzhou 423000，China)

The harmonic pollution in the power system can bring the generator much harm．The equivalent model mothed of the generator and harmonic voltage and current of the generator are analyzed．The stable electromagetic torque and pulsating electromagnetic torque of the generator under the haumonic influence are worked out．Finally，the experimental generator is tested and analyzes the harmonic to the generator of the power plant．

generator;harmonic;torque

TM62

B

1004－289X(2013)03－0091－03

2013－03－11

羅燦坤(1984－)男，研究方向:水電廠自動化;

晁儲乾(1984－)男，碩士，研究方向:電能計量。