电厂发电机的谐波危害分析与测试

罗灿坤，晁储乾

(1．湖南省电力公司柘溪水力发电厂，湖南 益阳 413508;2．湖南省电力公司郴州电业局，湖南郴州 423000)

电厂发电机的谐波危害分析与测试

罗灿坤1，晁储乾2

(1．湖南省电力公司柘溪水力发电厂，湖南 益阳 413508;2．湖南省电力公司郴州电业局，湖南郴州 423000)

电力系统中的谐波污染日益严重，会对电厂发电机带来一系列的危害，分析了谐波影响下的发电机等效模型建立方法，以及发电机的谐波电压与电流，计算出了发电机在谐波影响下的稳定电磁转矩与脉动电磁转矩，最后对实验发电机进行了测试，分析了谐波对电厂发电机的危害。

发电机;谐波;转矩

1 引言

非线性负载是一种非线性的时变拓扑负载，不可避免的会产生畸变波形，向电网注入谐波，非线性负载已成为电网的“公害”［1］，由谐波引起的电能质量问题已经引起了电力研究者的广泛关注［2，3］。

谐波会对系统中的多种电力设备产生危害，如继电保护装置、旋转电机、电力网络、通信装置、电容器组等。而对电厂发电机的危害最为严重又是无法避免的，当同步发电机对含有谐波的电网供电时，除了对电机本身带来一系列的影响，还会对同步发电机所带的其他电力用户产生不利影响［4－8］。因此，分析同步发电机的谐波危害，对保障同步发电机和电网用户的安全稳定运行，显得尤为重要。

2 发电机的谐波等效电路模型

为建立谐波影响下的等效模型，需要进行绕组、频率的归算，将转子方面的各个物理量归算到定子方面，归算时，一般将定子侧参数以下标“1”表示，转子侧参数以下标“2”表示。具体过程包含电流归算、电动势归算、阻抗归算、频率归算，归算方法如下:

经过上述的归算后，定子和转子可以构成一个等效电路，对于每一次谐波，都可以建立图1所示的T形等效电路。

图1 同步发电机n次谐波的T形等效电路

图1中的各种参数应当与绕组电流的实际频率相对应。由图1可得n次谐波频率下的发电机的基本方程为:

式中，下标“m”表示励磁支路参数，比如“·I”为mn励磁电流的n次谐波分量;“Zmn”为励磁支路的n次谐波等效阻抗。

3 发电机的谐波电压与电流波形分析

当发电机向含谐波源的电网供电时，由于谐波源的工作方式的问题，会使发电机机端电压发生畸变，通过傅立叶分解，可表示为:

根据发电机的谐波等效电路，发电机的励磁、定子、转子电流分别为:

可见发电机的机端三相电压、三相电流以及转子励磁电流均含有谐波分量。

4 发电机的谐波电磁转矩分析

发电机的电磁转矩为:

式中:PM—电磁功率;

PJ—总的机械功率;

Ω—转子角速度;

电磁转矩电流谐波分量的表达形式为

式中:cosθ2为功率因数，基波情况下形式为

式中，Φ为发电机主磁通ω1=2πf1。

将E'2，ω1代入式(4)，得

发电机除了具有基波电磁转矩和谐波稳定电磁转矩外，还存在另一种电磁转矩，这种电磁转矩是由气隙中的任意两个磁场相互作用而产生的，故具有脉动的特性，且在一个脉动周期上的积分为零，即不存在平均值。在实际运行中，主要考虑幅值相对较大的5，7，11，13等各次谐波电流所产生的磁场与基波电流的磁场相互作用引起的脉动电磁转矩。

各次脉动转矩TeΣ1n的总和:

5 实验测试

用示波器记录实验发电机的机端线电压和三相电流，波形如图2所示。

图2 发电机端线电压、三相电流波形

实验可知，当发电机带整流负载时，受负载非线性工作特性的影响，发电机的机端线电压和三相电流的波形都发生了严重的畸变，含有大量的谐波。而且发电机伴随着震动现象，这是受谐波电磁转矩的影响，另外发电机的定子和转子发热严重。

6 总结

受非线性负载的影响，发电机的机端电压、电流以及转子电流都会有谐波分量;谐波对发电机的电磁转矩有很大的危害，产生了一系列的附加谐波稳定转矩和脉动转矩;谐波还会使发电机产生附加发热。

［1］ 徐育福，蔡金锭，李天友．钢铁厂电弧炉对配电网电能质量影响的预测与治理［J］．电力科学与技术学报，2008，23(4):83 －87．

［2］ 帅智康，罗安，舒适，等．注入式混合型有源电力滤波器的研究［J］．电力科学与技术学报，2008，23(1):43 －49．

［3］ 罗隆福，兰丽霞，李勇，等．新型直流输电系统谐波对旋转电机的影响［J］．电力系统及其自动化学报，2010，22(1):48 －53．

［4］ 黄劫刚，夏永洪，张景明，等．谐波励磁同步发电机空载谐波磁场分析［J］．电机与控制学报，2005，9(1):55 －58．

［5］ 吴新振，王祥珩，罗成．多相异步电机谐波电流与谐波磁势的对应关系［J］清华大学学报:自然科学版，2005，45(7):865 －868

［6］ 周理兵，陆佳政，马志云．系统谐波与负序电流对水轮发电机的影响［J］．华中科技大学学报:自然科学版，2002，30(5):68 －70．

［7］ 吴志敢，贺益康．交－交变频器交流励磁发电机谐波的解析分析［J］．电工技术学报，1999，12(6):9 －14．

［8］ 马伟明，张盖凡．三相同步发电机供交直流混合负载时交流电压波形的畸变［J］．电工技术学报，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

罗灿坤(1984－)男，研究方向:水电厂自动化;

晁储乾(1984－)男，硕士，研究方向:电能计量。