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两端供电网络系统电力谐波传播抑制策略的研究

  • 发布日期:2018-06-09
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本文是一篇硕士电力工程论文,电力工程的快速发展和合理的建设结构为我国的经济发展提供了有力保障,强健的“筋骨”促进了我国国民经济的又好又快发展。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士电力工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论
 
1.1 引言
随着人类社会的发展,电能作为一种清洁高效的二次能源,已逐渐成为人类利用能源的最主要方式。电能的生产、运输、分配和使用环节共同构成电力系统。在电力系统中,配电网主要负责将电能分配给用户,配电网的电能质量直接影响着人们的生产与生活。电能质量主要体现在电压偏移、频率偏移和波形畸变三方面,当它们不满足要求时,可能造成设备损坏,甚至引起大面积停电。电压和频率偏移可通过电力系统中已有的有功和无功电源的优化配置实现控制,但波形畸变主要由配电网中各种非线性元件注入谐波及可能存在的谐波谐振造成,因此配电系统需要采取专门的谐波治理措施才能改善电压波形,保证电能质量[1]。配电网中变压器、电抗器、电弧炉和电力电子变换器等谐波源的存在是造成谐波污染的根本原因,因此可通过对谐波源设备进行改进,减小其注入谐波。但随着社会的发展,越来越多的非线性负载接入配电网,不能仅依靠改进谐波源的主动方式治理谐波,被动治理也很重要。谐波就近补偿是被动治理谐波的一种重要方式,即通过无源滤波器和有源滤波器等将谐波就近引入其自身之中[2]。这种谐波治理方式可有效减少流入配电网中谐波,但不能抑制配电网中的谐波谐振。配电网中由于系统电容元件(功率因数校正电容、线路对地电容等)和电感元件(变压器耦合电感、线路分布电感等)之间存在谐振,谐波在传播过程中可能被放大,造成电压波形严重畸变[3]。抑制谐波谐振也是被动治理谐波的一种重要方式,是解决配电网谐波污染问题的有效手段。本文的主要研究方向就是通过有源滤波器抑制谐波谐振引起的传播放大问题。
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1.2 课题研究背景
 
1.2.1 配电网接线方式
实际电力系统中配电网的接线方式十分复杂,但经简化可按供电可靠性分为无备用接线和有备用接线两类[1]。无备用接线是指负荷在获取电能时只存在一条路径,这类接线具有结构简单、控制方便、运行经济等优点,适用于对供电可靠性要求较低的三级负荷以及配置自动重合闸装置的二级负荷。图 1-1 给出了常见的无备用接线类型:单回路干线式、链式和放射式网络,图中方形代表独立电源,圆形代表负荷点。干线式网络开关设备较少,投资较低,但可靠性低,主干线发生故障或检修将引起所有相关支路停电。链式网络与干线式特点相似,但其适用于容量较小且距离较近的用电设备。放射式网络相对于干线式和链式,供电可靠性较高,各放射支路间互不影响,但这种网络需要更多的配电线和开关设备,成本较高。随着能源和环境危机的加剧,基于清洁能源的分布式发电并网技术迅速发展,其中风力并网发电和光伏并网发电已占据主要地位[4-6]。对于接入分布式发电系统的配电网而言,其接线方式也等同于两端供电网络。故两端供电网络已成为目前配电网的主要接线方式之一,本文重点针对采用两端供电网络接线方式的配电网进行谐波传播抑制策略研究。
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第 2 章 两端供电网络谐波传播特性及传统 RAPF 分析
 
两端供电网络是供电可靠性很高的一种接线方式,在电力系统的配电网中得到广泛应用。由于配电网系统中功率因数校正电容、线路对地电容等电容元件和变压器耦合电感、线路分布电感等电感元件之间存在谐振,谐波在传播过程中可能被严重放大,加剧系统的谐波污染和威胁设备的安全运行。因此,本章通过建立两端供电网络的均匀传输线模型,详细地分析了两端供电网络中的谐波传播特性,并且分析了不同网络中传统 RAPF 的工作原理及谐波抑制效果,为后文提出可有效解决两端供电网络中谐波传播放大的新策略奠定基础。
 
2.1 两端供电网络的谐波传播特性
为研究两端供电网络中谐波传播放大问题,两端供电网络可采用均匀传输线模型,即假设传输线上单位长度(每千米)的电阻 R、电感 L 和电容 C 均相同,且线路无分支,此时两端供电网络的集总参数模型如图 2-1 所示。图中 Vs1和 Vs2分别表示配电网两端供电电源的等效电压源,电源 Vs1位于节点 0,电源 Vs2位于节点 n,线路具体参数如表 2-1 所示。在两端供电网络中,供电电源可能是变电站,由于变电站中变压器会渗透上级电网中非线性负载注入的谐波,故此时供电电源为包含谐波的电压源;供电电源也可能是发电厂,此时系统谐波来源仅是本级电网中的非线性负载,而供电电源则可近似为理想电压源。故在两端供电网络中,谐波的主要来源为:Vs1或 Vs2中包含上级电网渗透的谐波电压,以及非线性负载注入的谐波电流。
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2.2 传统 RAPF 谐波抑制策略分析
对于射线式配电网,传统 RAPF 策略是指在配电网末端安装与线路特征阻抗匹配的 RAPF。图 2-8 给出了当射线式配电网中电源侧存在谐波电压源 Vh且配电网末端安装电导增益为 KV(等效阻抗为 1/KV)的 RAPF 时的配电网分布参数模型。当 KV等于 0,即射线式配电网末端空载时,谐波传播特性为:若配电网长度 l等于 mλ / 2 时,式(2-11)的结果不会超过 1,对应次谐波在传播过程中不会被放大;若配电网长度 l 等于(2m-1)λ / 4 时,式(2-11)的分母为 0,对应次谐波的传播放大问题最严重。当 1/KV等于射线式配电网的特征阻抗 Zc时,式(2-11)的结果恒等于 1,即任意次谐波电压放大倍数均为 1,整条配电网不存在谐波传播放大现象。射线式配电网的传统 RAPF 策略即根据此原理,通过对 KV的控制实现了谐波传播放大抑制。当 9km 射线式配电网的电源侧(节点 0)或 9km 两端供电网络的一端电源侧(节点0 或节点 9)含谐波电压源,而配电网的另一端安装阻抗匹配的 RAPF 时,配电网中各节点的谐波放大倍数的仿真结果如图 2-9 所示,图中 A 式代表射线式配电网,B 式代表两端供电网络。
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第 3 章 单端谐波源时两端供电网络的谐波传播抑制策略...............17
3.1 RAPF 分频控制谐波抑制策略 ....17
3.1.1 RAPF 分频控制策略的原理及仿真结果 .....17
3.1.2 RAPF 分频控制策略的实验结果 .....22
3.2 RAPF 分频控制位置选择策略 ....24
3.3 本章小结 ..............31
第 4 章 两端谐波源时两端供电网络的谐波传播抑制策略...............33
4.1 双 RAPF 分频控制谐波抑制策略 ..........33
4.2 串联型 IAPF 谐波抑制策略........41
4.3 本章小结 ..............50
第 5 章 实验平台的软硬件实现...........51
5.1 实验平台的硬件部分 ......51
5.2 实验平台的软件部分 ......54
5.3 本章小结 ..............58
 
第 5 章 实验平台的软硬件实现
 
本文实验主要针对 RAPF 分频控制策略、RAPF 分频控制位置选择策略、双RAPF 分频控制策略和串联型 IAPF 谐波抑制策略的有效性进行验证。本章对实验平台进行了介绍,其中硬件部分包括两端供电网络的模拟电路、APF 主电路、检测采样电路和驱动电路;软件部分则包括程序流程图,以及谐波提取、锁相环和调节器环节的实现原理。
 
5.1 实验平台的硬件部分
实验中谐波电压源通过可编程交流电源 Chroma6530 实现,谐波电流源则通过直流侧为阻感性负载(电阻值为 12.5 ,电感值为 0.91H)的二极管不控整流模块实现。分频控制 RAPF 和串联型 IAPF 的主电路结构的差别仅在于滤波器。由于分频控制 RAPF 需要实现受控电流源的功能,其控制环为电流闭环,故采用 L 型滤波器;而串联型 IAPF 需要实现受控电压源的功能,其控制环为电压闭环,故采用 LC 型滤波器。综合考虑滤波性能和闭环跟踪能力,分频控制 RAPF和串联型 IAPF 的滤波电感均选取为 0.4mH,而串联型 IAPF 的滤波电容选取为20μF。同时,综合考虑稳压性能和成本,分频控制 RAPF 和串联型 IAPF 直流侧的电容选取耐压 400V,容值 1000μF 的电解电容。
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结 论
 
本文通过建立两端供电网络的均匀传输线模型,依据传输线理论分析得出两端供电网络中谐波的传播特性:(1) 当配电网长度为某次谐波 1/2 波长的正整数倍时,该次谐波被严重放大;(2) 当配电网长度为某次谐波 1/4 波长的正奇数倍时,该次谐波不会被放大。两端供电网络中的谐波传播特性与射线式和环式配电网不同,传统的 RAPF 策略不能有效抑制两端供电网络的谐波传播放大。因此,本文分别针对单端谐波源和两端谐波源的情况提出两端供电网络的谐波传播抑制策略。(1) 单端谐波源时,提出 RAPF 分频控制策略:在距离理想电源主要次谐波 1/4波长的位置,针对相应次谐波安装与线路特征阻抗匹配的 RAPF。该策略可有效抑制变压器渗透的谐波电压和非线性负载注入对的谐波电流在两端供电网络中的谐波传播放大,但不能有效衰减谐波,存在“打鼹鼠”现象。(2) 单端谐波源时,提出 RAPF 分频控制位置选择策略:通常安装在距离理想电源谐波 1/4 波长正奇数倍且距离谐波源最近的位置,当配电网长度恰为谐波 1/4 波长的正奇数数倍时,安装在距离谐波源最近的位置即可。在该位置策略下,分频控制RAPF 通过合理选择电导增益,可有效衰减各次谐波,避免“打鼹鼠”。(3) 两端谐波源时,提出双 RAPF 分频控制策略:在距离两端供电电源主要次谐波 1/4 波长的位置,针对相应次谐波对称安装阻抗匹配的分频控制 RAPF。该策略对配电网任意一端谐波源的传播抑制效果都优于 RAPF 分频控制策略,且对两端谐波源具有相同的谐波衰减效果。(4) 两端谐波源时,提出串联型 IAPF 策略,通过对谐波模拟无限长配电网实现谐波传播抑制。该策略对配电网两端谐波源的传播抑制效果不同,对其安装侧谐波源可实现有效衰减,而对另一侧的谐波源可实现阻抗匹配。
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