非線性電力電子裝置的諧波源模型及其在諧波分析中的應(yīng)用.pdf

1、近年來電力電子裝置的廣泛應(yīng)用使得電力系統(tǒng)的諧波問題越來越嚴(yán)重，世界各國(guó)均對(duì)諧波研究給予了更多關(guān)注。各種諧波源產(chǎn)生的諧波對(duì)電力系統(tǒng)造成污染，影響到整個(gè)電氣環(huán)境。諧波可產(chǎn)生諸多危害，例如使電力系統(tǒng)中各元件產(chǎn)生附加損耗，如果系統(tǒng)中存在諧振則可引起諧波電流的放大，從而損壞線路和并聯(lián)電容設(shè)備。諧波還會(huì)對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置等造成干擾和誤動(dòng)作并可能對(duì)相鄰?fù)ㄓ嵕€路產(chǎn)生干擾影響等。諧波源是所有諧波問題的研究基礎(chǔ)。研究諧波源產(chǎn)生諧波的機(jī)理，并用精確實(shí)用的模

2、型表征諧波源的特性，將更有利于諧波分析與治理的進(jìn)行。目前工程中廣泛采用恒流源模型，該模型雖然原理簡(jiǎn)單、使用方便，但當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)諧波源時(shí)精度欠佳。 諧波分析是根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)中各元件的參數(shù)和運(yùn)行條件，通過諧波潮流計(jì)算確定系統(tǒng)中諧波電壓和諧波電流的分布狀況。隨著數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)步，已有儀器能對(duì)諧波進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，提供必要的信息。但網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，支路分布廣，不可能完全通過實(shí)測(cè)的方法了解電網(wǎng)中的諧波分布；而且對(duì)新投入的諧波

3、源設(shè)備，有必要通過諧波潮流計(jì)算預(yù)測(cè)其在系統(tǒng)中可能引起的諧波畸變程度，以便設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波裝置。因此研究一種精確、快速的諧波潮流算法具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 在頻域中分析諧波源的諧波產(chǎn)生機(jī)制是一種行之有效的研究方法。本文基于調(diào)制理論，在頻域中分析了非線性電力電子裝置類諧波源產(chǎn)生的諧波電流，提出了一種研究此類諧波源的新型的數(shù)學(xué)模型。該模型將諧波源時(shí)域的非線性特征轉(zhuǎn)化為頻域的線性諧波耦合矩陣，并基于模型的此特點(diǎn)，首次提出一種非迭代

4、的諧波潮流計(jì)算方法。該方法可快速、準(zhǔn)確地計(jì)算系統(tǒng)中存在多個(gè)諧波源時(shí)各節(jié)點(diǎn)的諧波電壓和諧波電流。論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果如下： （1）結(jié)合調(diào)制理論提出了電力系統(tǒng)單相整流裝置和三相整流裝置的新型諧波源模型-諧波耦合導(dǎo)納矩陣模型。模型可考慮以下各因素對(duì)整流裝置產(chǎn)生諧波的影響：基頻供電電壓的初始相位、晶閘管的觸發(fā)延遲、整流裝置供電端各次諧波電壓、負(fù)載電動(dòng)勢(shì)以及晶閘管的換相過程。該模型最重要的特點(diǎn)為：矩陣的元素不隨整流裝置端口諧波電壓

5、的變化而變化，是獨(dú)立于端口諧波電壓狀況的恒定矩陣。此特性表明，整流裝置在頻域中是一線性元件。另外，該模型還具有以下重要特點(diǎn)： a.模型反映了整流裝置端口的各階諧波電流和諧波電壓的耦合關(guān)系，每階諧波電壓都會(huì)導(dǎo)致各階諧波電流的產(chǎn)生。 b.整流裝置的諧波電流不僅是其端口諧波電壓相量的函數(shù)，也是諧波電壓共軛相量的函數(shù)。 c.該模型不依賴于整流裝置的運(yùn)行點(diǎn)，適用于較廣的運(yùn)行條件。 （2）通過分析諧波耦合導(dǎo)納矩陣

6、各元素，從解析性角度得出整流裝置的諧波產(chǎn)生特性： a.Y+的第一列元素表示整流裝置的端電壓基頻分量對(duì)諧波電流產(chǎn)生的影響?；l電壓對(duì)諧波電流的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其他各階諧波電壓的貢獻(xiàn)，第一列元素可作為傳統(tǒng)恒流源模型的計(jì)算公式。 b.Y+和Y-的第一行元素共同表示整流裝置的端電壓基頻分量對(duì)諧波電流產(chǎn)生的影響。諧波電壓轉(zhuǎn)換為基波電流的部分較小，此特點(diǎn)決定了基頻潮流和諧波潮流可解耦計(jì)算。 c.Y+對(duì)角線元素的含義是hth諧

7、波電壓對(duì)hth諧波電流的影響，即整流裝置諧波的自耦合效應(yīng)；整流裝置某次諧波電壓對(duì)另外一次諧波電流的影響可通過Y+和Y-的非對(duì)角線元素來體現(xiàn)，是整流裝置諧波電壓和諧波電流之間的互耦合效應(yīng)。對(duì)單相整流裝置，諧波的自耦合效應(yīng)遠(yuǎn)大于諧波的互耦合效應(yīng)，且隨著諧波階數(shù)的增大，諧波的自耦合和互耦合效應(yīng)均逐漸減小。對(duì)三相整流裝置，諧波自耦合效應(yīng)沒有明顯強(qiáng)于互耦合效應(yīng)。 d.整流裝置的基波電壓初始相位只引起諧波電流的平移，不引起各元素幅值相對(duì)大

8、小的改變；隨著整流裝置觸發(fā)角的增大，各諧波電壓對(duì)諧波電流的貢獻(xiàn)減小。 e.諧波耦合矩陣中的任一元素均是收斂的無窮級(jí)數(shù)形式。 （3）基于諧波耦合導(dǎo)納矩陣模型，首次提出一種新型的非迭代的諧波潮流算法。將諧波源視作恒功率負(fù)荷，計(jì)算基頻下的系統(tǒng)潮流運(yùn)行方式，并據(jù)此計(jì)算諧波源的控制變量及其諧波耦合矩陣模型。聯(lián)立系統(tǒng)的諧波導(dǎo)納方程和諧波源的耦合矩陣模型方程，不用迭代，即可一步求出系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的各次諧波電壓。此諧波潮流算法的主要特點(diǎn)

9、如下： a.諧波潮流計(jì)算是非迭代的。諧波源的諧波耦合矩陣模型方程和系統(tǒng)的諧波導(dǎo)納方程都是線性的，聯(lián)立這兩類方程，不用迭代，即可一步求解出系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)在各次諧波頻率下的潮流結(jié)果。 b.該方法可考慮系統(tǒng)中多個(gè)諧波源所產(chǎn)生的諧波電流的相互作用。 c.該方法隸屬于解耦的諧波潮流算法。將諧波源作為恒功率負(fù)荷作基頻潮流計(jì)算，再在基頻潮流已知的基礎(chǔ)上計(jì)算諧波潮流。 以系統(tǒng)中存在多個(gè)分布式諧波源的實(shí)際油田系統(tǒng)為例

10、，編程實(shí)現(xiàn)算法并與PSCAD時(shí)域仿真的結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，算法準(zhǔn)確度高、計(jì)算速度快。 （4）單相和三相晶閘管可控電抗器（TCRs）的諧波耦合導(dǎo)納矩陣模型具有和整流裝置的模型相同的特點(diǎn)。根據(jù)模型的各元素，分析得出TCRs產(chǎn)生的諧波電流具有如下特性： a.TCRs端電壓的基頻分量對(duì)TCRs諧波電流產(chǎn)生的影響隨著諧波電流階數(shù)h的增大，以1/h2的速度遞減。TCRs產(chǎn)生的諧波電流隨諧波階數(shù)遞減的速度大于整流裝置。 b.

11、諧波電壓對(duì)基頻TCRs電流的影響隨諧波階數(shù)的增大以1/h的速度遞減。 c.TCRs在諧波頻率下等值為πL/3√2（π-2α）的感性電抗，此公式可作為諾頓等值電路中并聯(lián)感抗的計(jì)算公式。 d.對(duì)于hth諧波電流，（h-n）th諧波電壓對(duì)其產(chǎn)生的影響與（h+n）th諧波電壓產(chǎn)生的影響具有相同的幅度；在Y+矩陣的任一行中，對(duì)角線元素總是最大的元素，且離對(duì)角線元素越近，諧波電壓與電流的耦合作用越強(qiáng)。 e.TCRs供電