碩士畢業(yè)論文-分布式系統(tǒng)背景諧波APF抑制.doc

碩碩 士士 學學 位位 論論 文文 MASRTERS DISSERTATION 論文題目 分布式系統(tǒng)背景諧波 APF 抑制 作者姓名作者姓名 11111 學科專業(yè)學科專業(yè) 電力電子與電力傳動 指導教師指導教師 111111 2012 年年 5 月月 中圖分類號： 學校代碼：10216 UDC： 密級：公開 工學碩士學位論文工學碩士學位論文 分布式系統(tǒng)背景諧波 APF 抑制 碩士研究生 1 1111 導師 11111111 申請學位：工學碩士 學科專業(yè)：電力電子與電力傳動 所 在 單 位：電氣工程學院 答 辯 日 期：2012 年 5 月 授予學位單位 ：燕山大學 A Dissertation in Mechanical Manufacturing and Automation （Times New Roman 字體 4 號） BIO-SYNCRETIC REHABILITATION MECHANISM THEORY AND APPLICATION （Times New Roman 2 號字加粗，題目太長時可用小 2 號字） by （Times New Roman 字體 4 號） Supervisor: Professor （Times New Roman 字體 4 號） Yanshan University （Times New Roman 4 號字 加粗） June,2009 （Times New Roman 字體 4 號） 性聲明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學位論文 ，是本 人在導師指導下，在燕山大學攻讀碩士學位期間獨立進行研究工作所取得的成果。 論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究工作 做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結果將完 全由本人承擔。 作者簽字： 日期： 年 月 日 燕山大學碩士學位論文使用授權書 系本人在燕山大學攻讀碩士學位期間在導 師指導下完成的碩士學位論文。本論文的研究成果歸燕山大學所有，本論文的研究 內容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解燕山大學關于保存、使用學位論文 的規(guī)定，同意學校保留并向有關部門送交論文的復印件和電子版本，允許論文被查 閱和借閱。本人授權燕山大學，可以采用影印、縮印或其它復制手段保存論文，可 以公布論文的全部或部分內容。 保密，在 年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于 不保密。 （請在以上相應方框內打“”） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 隨著人們對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境污染的重視，以風能、太陽能為主的分布式發(fā)電 (distributed generation，DG)得到了廣泛的應用。以分布式發(fā)電為基礎構成的分布式 供電系統(tǒng)中存在一定數(shù)量用于優(yōu)化電能質量的感、容性器件，這些器件影響了諧波 在傳輸線上的傳播參數(shù)，輕載或空載時容易發(fā)生嚴重的諧波振蕩。 本文根據(jù)均勻傳輸線理論，分析得出諧波振蕩產生的根源為反射波，并總結了 無反射波的兩種情況：末端阻抗匹配和無限長傳輸線。以傳輸線的分布參數(shù)模型和 集總參數(shù)模型為基礎，驗證了基于末端阻抗匹配的末端阻性諧波抑制策略及其改進 的分頻控制方案。 本文提出了無限長傳輸線諧波抑制方案，在線路末端加入有源電力濾波器模擬 無限長傳輸線，實現(xiàn)了了無反射波第二種情況，豐富完善了諧波抑制手段。經實驗 驗證，無限長傳輸線抑制方案比末端阻性諧波抑制策略能更好的適應線路特征阻抗 的改變，并對線路中含諧波負載的情況具有更好的抑制效果。 為提高供電系統(tǒng)的可靠性，分布式系統(tǒng)往往采用環(huán)形網(wǎng)絡給用戶供電，本文對 環(huán)形網(wǎng)絡諧波振蕩進行了研究，給出了單 APF 環(huán)形網(wǎng)絡諧波抑制方案。指出了環(huán)形 中點為 APF 的最優(yōu)安裝位置，并對 APF 的控制增益進行了初步研究。 基于傳輸線的集總參數(shù)模型，搭建了 9km 射線型傳輸線，并以 TMS320F2812DSP 為主控制芯片搭建了有源電力濾波器實驗平臺，對末端阻抗 APF 與無限傳輸線諧波抑制方案進行了相應的實驗，驗證理論與仿真分析。 關鍵詞：諧波振蕩；阻性 APF；無限長傳輸線；環(huán)形網(wǎng)絡；諧波抑制 燕山大學工學碩士學位論文 II Abstract With more and more attention on sustainable development and environmental pollution, distributed generation, wind power and solar as representative, has been widely developed. Aim to improve power quality, a certain number of inductive and capacitive devices are installed in the distributed system and they affect the characteristic parameters of the transmission line which make the harmonic magnify easily in the situation of light load or no-load. Based on the transmission line theory, it can be concluded that the reflected wave is the fundamental reason of harmonic magnification and there is no reflected wave when the transmission line is infinite and the impedance matching at the end of line. In the paper R- APF and discrete-frequency tuning method are based on the impedance matching and the simulation and experiment are given. The paper propose the infinite long line harmonic suppression strategy which is installing an APF at the end of the line and control the output current of the APF to imitate the infinite long transmission line. Compare to the R-APF, it is excellent in the variable characteristic impedance and including current harmonic load. To improve the reliability of the power system, the ring network is applied to supply power to users. This paper researches into the harmonic propagation in the ring network, points out the optimal installation point and also give some advice to choose the APF compensation gain. Experiments based on TMS320F2812 have been performed to verify the theoretical analysis and demonstrate the effectiveness of the proposed strategies. Keyword：harmonic magnification; R-APF; infinite long transrmission line; ring network; harmonic suppress 目 錄 III 目 錄 摘 要.I Abstract.II 第 1 章 緒 論.1 1.1 引言.1 1.2 分布式系統(tǒng)諧波繁殖傳播.2 1.2.1 分布式系統(tǒng)諧波源.2 1.2.2 諧波繁殖危害.2 1.2.3 分布式系統(tǒng)諧波傳播.3 1.3 分布式系統(tǒng)諧波抑制.3 1.3.1 濾波裝置發(fā)展簡介.3 1.3.2 分布式系統(tǒng)諧波傳播治理現(xiàn)況.5 1.3.3 新型環(huán)形分布式網(wǎng)絡諧波抑制.6 1.4 課題研究內容.7 第 2 章 分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)模型.8 2.1 傳輸線參數(shù)模型分析.8 2.1.1 傳輸線集總參數(shù)模型.8 2.1.2 傳輸線分布參數(shù)模型.8 2.2 諧波傳播分析.10 2.2.1 均勻傳輸線方程.10 2.2.2 射線型電力網(wǎng)絡諧波傳播.12 2.2.3 環(huán)形電力網(wǎng)絡諧波傳播.13 2.3 有源電力濾波器.15 2.3.1 有源電力濾波簡化.15 2.3.2 諧波檢測.16 2.4 末端阻性有源電力濾波器.17 2.4.1 末端匹配控制策略.17 2.4.2 分頻調節(jié)控制策略.20 2.5 阻性有源濾波器實驗.22 本章小結.24 燕山大學工學碩士學位論文 IV 第 3 章 無限長傳輸線系統(tǒng)諧波抑制策略.25 3.1 無限長傳輸線思想 APF 控制策略 .25 3.2 APF 電流源增益特性分析 .26 3.3 無限長傳輸線仿真驗證.29 3.4 無限長傳輸線濾波器實驗.31 本章小結.35 第 4 章 分布式環(huán)形網(wǎng)絡諧波振蕩.36 4.1 線路諧波振蕩分析.36 4.2 諧波振蕩抑制.38 4.2.1 單濾波器安裝位置選擇.38 4.2.2 濾波器等效阻抗選擇.41 本章小結.42 第 5 章 系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn).43 5.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn).43 5.1.1 9km 傳輸線電路.43 5.1.2 有源濾波器主電路及參數(shù).44 5.1.3 采樣檢測電路.45 5.1.4 開關驅動電路.46 5.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn).46 本章小結.47 結 論.48 參考文獻.49 攻讀碩士學位期間承擔的科研任務與主要成果.52 致 謝.53 作者簡介.54 第 1 章 緒 論 1 第 1 章 緒 論 1.1 引言 分布式供電系統(tǒng)是相對于傳統(tǒng)的集中式單一供電系統(tǒng)來講的，是指將發(fā)電系統(tǒng) 以小規(guī)模(數(shù)千瓦至 50MW 的小型模塊式)、分散式的放置在用戶附近，圖 1-1 給出 了一種分布式系統(tǒng)示意圖。分布式供電系統(tǒng)與“小機組”已不是同一概念，與集中供 電電站相比，分布式供電系統(tǒng)在安全可靠性及特殊場合區(qū)域具有明顯優(yōu)勢，近些年 作為傳統(tǒng)集中供電不可缺少的重要補充得到迅速發(fā)展1-8。 交流總線 光伏發(fā)電風力機燃料電池備用發(fā)電機 中央控制器 蓄電池組 負荷 圖 1-1 分布式供電系統(tǒng)框圖 電力系統(tǒng)本身為非清潔能源，含有大量背景諧波，分布式系統(tǒng)也不例外，分布 式系統(tǒng)中的光伏、風力機并入供電網(wǎng)絡中均需要進行變化，會產生一定含量的背景 諧波；在分布式系統(tǒng)中存在一定數(shù)目的用于優(yōu)化電能質量的電感和電容裝置，這些 感、容性裝置影響了分布式配電網(wǎng)絡的特征參數(shù)。當系統(tǒng)自身狀況，如傳輸線長度、 帶載狀況等滿足一定條件時，線路某些節(jié)點的諧波含量會被放大數(shù)倍9，嚴重危及 用電設備的安全。分布式系統(tǒng)諧波放大抑制成為研究的新型課題。 傳統(tǒng)電網(wǎng)對諧波的治理主要針對耗電量大的大型工礦企業(yè)比如電化廠、鋼鐵廠 等，這些大型工礦企業(yè)往往集中于某個地區(qū)分布，在電力系統(tǒng)中將它們作為一個單 一的集中諧波源進行分析治理，諧波抑制設備也安裝在諧波源周圍，目的就是減少 這些工廠注入電網(wǎng)中的諧波。 分布式系統(tǒng)容量較小，不會出現(xiàn)集中較大的諧波源負載，但其服務用戶往往是 家庭或企業(yè)這種容易廣泛分布的個體，傳統(tǒng)電網(wǎng)的諧波集中治理手段對分布式系統(tǒng) 已經不再適應。此外，分布式系統(tǒng)的負載波動較大，像給居民區(qū)供電的分布式系統(tǒng)， 燕山大學工學碩士學位論文 2 某些時段會出現(xiàn)輕載，這些都可能會引起系統(tǒng)的的諧波波動，危及用電設備，文獻 10中就提到了夜間由于系統(tǒng)輕載，諧波發(fā)生嚴重振蕩造成電網(wǎng)中電容器燒毀的事 件。 1.2 分布式系統(tǒng)諧波繁殖傳播 1.2.1 分布式系統(tǒng)諧波源 從配電端考慮：分布式系統(tǒng)是一個新興的供電網(wǎng)絡，分布式發(fā)電機可以為光伏、 風機、燃料電池以及備用發(fā)電機等。它們必須經過電力變換才能接入供電網(wǎng)絡中。 光伏、燃料電池本身發(fā)出為直流電，需經過直交變換，變換過程不可避免的要產生 一定諧波電壓，風機、備用電機其本身發(fā)出為頻率不固定的交流電，也需要經過電 力變換轉換為工頻交流電，這一過程也會給電網(wǎng)組注入諧波電壓；分布式系統(tǒng)會存 在一定數(shù)量的變壓器，其勵磁曲線為非線性，會給電網(wǎng)注入諧波電流11。 從用戶端考慮：諧波主要來自用戶注入分布式系統(tǒng)的的諧波電流，工廠企業(yè)中 半導體開關器件裝置，例如交直流換流裝置（整流器、逆變器）、雙向晶閘管等為 典型的非線性負載，會給電網(wǎng)引入諧波電流；隨人民生活水品的提高，像電視機、 個人計算機等用電設備，成為人民的生活必須品，這些用電設備核心技術都采用了 非線性拓撲，均會給電網(wǎng)注入諧波電流。 1.2.2 諧波危害 諧波對電力系統(tǒng)的危害是嚴重的，主要分為以下幾個方面12,13： (1)降低供電系統(tǒng)的可靠性。諧波電流在傳輸線路中產生附加損耗，將加速電力 電纜、電線的絕緣老化，造成電壓擊穿； (2)諧波影響電氣設備的正常運行。增加用電設備的附加損耗，產生機械震動， 噪音，影響設備的使用壽命； (3)諧波頻率與電力系統(tǒng)中的某些電感、電容元件構成串聯(lián)或并聯(lián)回路匹配時， 會發(fā)生電路諧振，產生很大的諧振電流，危害用電設備； (4)影響繼電保護和自動控制系統(tǒng)可靠性。繼電保護和自動控制系統(tǒng)裝置是以基 波為基礎實現(xiàn)相關功能的，諧波可能導致繼電保護誤動作和自動控制裝置的失靈， 發(fā)生事故； 第 1 章 緒 論 3 (5)影響通訊設備的正常工作。諧波的電磁噪聲和射頻噪聲使儀器儀表、計算機 和通信系統(tǒng)失靈，影響正常工作。 1.2.3 分布式系統(tǒng)諧波傳播 分布式系統(tǒng)中安裝了一定數(shù)量為提高功率因數(shù)的較大的校正電容器，這些電容 裝置改變了傳輸?shù)奶卣髯杩?，分析分布式系統(tǒng)傳輸模型時，必需考慮線路容性成分。 諧波的本質為電磁波，在傳輸線上傳播時，滿足波傳播的特性，根據(jù)傳輸線理論， 線路中諧波狀況易受諧波反射波的影響，諧波反射波與入射波的迭加是諧波振蕩的 根本原因15。 根據(jù)傳輸線理論，空載或者輕載時，諧波發(fā)生了全反射，當傳輸線長度滿足四 分之一波長的奇數(shù)倍時，入射波與發(fā)射波同相迭加，背景諧波源位于波節(jié)位置，振 蕩最為嚴重；諧波波長一半的整數(shù)倍，背景諧波源位于波峰位置，受背景諧波源限 制，整條線路無諧波放大。文獻10提到了 9km 傳輸線在線路空載情況，七次諧波 發(fā)生嚴重振蕩，而五次諧波卻維持在較低的水平，證明了諧波放大是由于反射波引 起的。 電力系統(tǒng)針對分布式系統(tǒng)中的諧波振蕩，最初為限制單根傳輸線長度，將單根 電力傳輸線的長度限制在 8km 以內，當傳輸距離較長時，傳輸線間需加入隔離裝置， 以防止諧波振蕩的發(fā)生。加入隔離裝置，不僅會增加電力系統(tǒng)的安裝和維修費用， 更降低了系統(tǒng)的可靠性，若隔離裝置發(fā)生事故，則整條傳輸線必須切斷進行檢修， 從用戶的角度是很不利的。需要采用新的設備和措施諧波抑制技術來改善這一尷尬 境況。 1.3 分布式系統(tǒng)諧波抑制 很早就展開了對諧波危害的治理。治理手段從用戶和電力部門的角度可以歸納： 一是用戶的主動治理，采用新的電力電子手段，更新設備降低甚至消除諧波的產生； 二是電力部門的被動治理，在電網(wǎng)加入有源或無源濾波器，吸收電網(wǎng)中的諧波，或 者阻礙電網(wǎng)中的諧波流入負載。本文提出的抑制方案均為基于被動治理的角度出發(fā) 的。 1.3.1 濾波裝置發(fā)展簡介 燕山大學工學碩士學位論文 4 諧波抑制初期，多采用無源濾波器，其結果簡單、成本低，而且對固定頻率的 諧波補償效果明顯，是抑制諧波的主要手段。但隨著電力電子技術的發(fā)展，對電能 質量要求的提高，無源濾波器的體積大、動態(tài)補償效果差、補償范圍窄等缺點制約 了其應用，已無法滿足諧波治理的需求。圖 1-2 給出了幾種常見的無源濾波器16-18。 單協(xié)調 濾波器 二階高通 濾波器 三階高通 濾波器 C型高通 濾波器 圖 1-2 四種類型的無源濾波器 有源濾波器19-23的出現(xiàn)，給諧波抑制提供了新的手段，與無源電力濾波器相比， 具有高度可控性和快速響應特性，且補償范圍寬，能跟蹤補償各次諧波，且具有補 償無功功率的功能；與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器的體積和重量也小很 多，安裝方便。針對有源電力濾波器的研究成為了電力濾波的熱點，研究內容主要 涉及拓撲結構、補償特性、諧波檢測方法和控制算法等。 圖 1-3、圖 1-4 分別為有源電力濾波器的主電路與一種常見的混合型有源電力 濾波器系統(tǒng)。 C AC ia ib ic 驅動 信號 比較器 三角載波 PI i*abc iabc L (a)有源濾波器主電路 (b)電流控制環(huán)節(jié) 圖 1-3 有源濾波單元結構 第 1 章 緒 論 5 es 主 電 路 驅動電路 電流跟蹤 控制電路 指令電流 運算電路 負載 ic ic* iL is APF HPF 圖 1-4 混合型有源電力濾波器系統(tǒng)構成 1.3.2 分布式系統(tǒng)諧波傳播治理現(xiàn)況23-35 分布式系統(tǒng)中諧波振蕩造成的危害更加嚴重，文獻10提到，由于諧波振蕩， 諧波都被放大了三四倍，諧波含量的突變，致使線路中并聯(lián)電容的燒毀。抑制諧波 振蕩是分布式系統(tǒng)中諧波治理的主要方面。 日本學者最早對由于諧波繁殖造成分布式系統(tǒng)中的嚴重諧波污染進行了研究。 在文獻10、24提到日本 6.6kV 的分布式系統(tǒng)，當夜間或系統(tǒng)輕載時，線路中的七 次諧波容易發(fā)生諧波繁殖，會被放大到 7%甚至更高，由于線路諧波含量過高，引 發(fā)了一系列電力設備燒毀的事故。 在日本學者對諧波振蕩的研究中，指出諧波繁殖是電力系統(tǒng)中的無功補償電容 器與線路中的電感發(fā)生串、并聯(lián)諧振引起的，電力部門可通過在傳輸線中安裝基于 電壓檢測的有源電力濾波器，該類型的有源電力濾波器可等效為一諧波阻尼，也稱 R-APF，其改變諧波的傳輸結構，消除了諧波振蕩的條件，有效的抑制線路中的諧 波繁殖。 考慮經濟上的可行性，保持較好諧波抑制效果的同時，減少 R-APF 的濾波效果 與濾波器的容量，在文獻24提出在線路末端安裝 R-APF 為最合理的選擇。文獻10又 對 R-APF 又進行了深入的研究，指出 R-APF 不僅可以為本地的諧波電流源提供低 阻抗消除通路，又可以為傳輸線的諧波傳播提供阻尼，有效抑制電力系統(tǒng)傳輸線上 的諧波傳播振蕩，但最初由于濾波裝置控制策略的電壓增益為固定值，對線路中諧 波抑制的動態(tài)效果差。為消除該缺點，在文獻25提出增益自動調節(jié)的 R-APF，檢 測安裝點的電壓畸變 THD（Total Harmonic Distortion），與參考 THD 進行比較， 燕山大學工學碩士學位論文 6 動態(tài)調節(jié)濾波器的電壓增益，保證電壓 THD 維持在參考電壓 THD，以確保整條傳 輸線不發(fā)生諧波振蕩，阻性濾波器的動態(tài)性能也得到了很大的提高。 當傳輸線的長度過長時，R-APF 對線路諧波傳播的抑制出現(xiàn)了新的問題，在抑 制某次諧波的同時，可能會放大其他次諧波，在文獻9稱之為“鼴鼠現(xiàn)象”，并從傳 輸線理論的角度，闡述了諧波繁殖、“鼴鼠現(xiàn)象”產生的原因。 基于文獻9的研究成果，對傳輸線諧波抑制思想分為了兩個方向：1.在傳輸線 不同位置安裝多個 R-APF，實現(xiàn)整條傳輸線的諧波抑制，雖對諧波抑制效果有明顯 優(yōu)勢，但動態(tài)抑制性能仍未提高，且經濟適用性不強，而且對多個濾波單元的協(xié)調 控制、容量分配仍需進一步研究；2.不同次諧波在傳輸線中傳播時，反射波情況不 同，而之前的控制方案對所有次諧波提供了相同的諧波阻尼，造成了“鼴鼠現(xiàn)象”， 在文獻26中，仍將有源濾波器安裝在線路末端，而對不同次諧波提供不同的電壓 增益，通過分頻控制來實現(xiàn)傳輸線上的諧波抑制，該方法在降低成本的同時，也提 高了對諧波抑制的效果，但與方向 1 比較，仍然不理想。 1.3.3 新型環(huán)形分布式網(wǎng)絡諧波抑制 在低壓的分布式供電系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)運行的安全可靠性，保證對用戶的持 續(xù)供電，并保證系統(tǒng)本身設備的安全，將傳統(tǒng)的射線型網(wǎng)絡兩端相連，構成環(huán)形供 電網(wǎng)絡。環(huán)形供電網(wǎng)網(wǎng)絡指電源端配出后經過一系列用戶后又回到原來的電源端， 環(huán)形配電網(wǎng)絡是封閉的，如遇到一側電網(wǎng)出現(xiàn)事故，則在另一側仍可以送電，保證 對用戶的持續(xù)供電，提高用電可靠性的同時，也能提高用電效率。圖 1-5 給出了環(huán) 形網(wǎng)絡的示意圖。 3 圖 1-5 環(huán)形供電網(wǎng)路示意圖 新的供電網(wǎng)絡改變了電力供電系統(tǒng)的結構，與之前的放射式或樹干式配電相比 提高了供配電的可靠性，但諧波振蕩情況也與之不同。形成諧波反射波的條件不同， 環(huán)形網(wǎng)絡的諧波抑制成為研究的新內容，本文基于文獻34、35提出的環(huán)形網(wǎng)絡模 第 1 章 緒 論 7 型，對環(huán)形網(wǎng)絡的的諧波振蕩進行原理分析，對環(huán)形網(wǎng)絡的諧波抑制提供理論依據(jù)。 1.4 課題研究內容 本文針對背景諧波傳輸線傳播振蕩進行了研究，在查閱大量文獻，總結驗證前 人提出的抑制方案的基礎上，提出自己的抑制方案，豐富諧波抑制手段，本文的主 要工作包括： 第一章簡述了背景諧波傳播的特點及危害，闡明了諧波振蕩的緣由，簡單介紹 背景諧波抑制的研究境況。 第二章中建立與分析分布式系統(tǒng)諧波傳播模型，從理論上給出了射線型傳輸線 和環(huán)形傳輸線網(wǎng)絡諧波傳播的數(shù)學表達式，做為諧波抑制的依據(jù)。簡要介紹了 APF 的簡化及諧波提取環(huán)節(jié)，并對末端阻性 APF(R-APF)諧波抑制方案進行原理介紹與 仿真實驗驗證。 第三章提出無限長傳輸線諧波抑制策略，通過在線路末端加入 APF 模擬等效一 定長度的傳輸線，實現(xiàn)對傳輸線諧波振蕩的抑制。給出了該控制方案完整的理論推 導，并通過仿真與實驗進行了驗證。與前面提到的 R-APF 相比不僅具有更好的抑制 效果，而且還對線路參數(shù)的變化具有更強的適應性，這一突出優(yōu)點能降低“鼴鼠現(xiàn) 象”發(fā)生的可能性。此外，當在傳輸線上突加諧波負載時，無限長傳輸線控制策略 也具有更好的效果。 第四章對環(huán)形網(wǎng)絡諧波傳播情況進行了分析，指出環(huán)形網(wǎng)絡空載時，線路諧波 放大更加嚴重，針對環(huán)形網(wǎng)絡諧波放大問題，提出了采用單臺 APF 實現(xiàn)線路諧波抑 制，給出了 APF 的最佳安裝點，及補償增益選擇。 第五章簡要介紹了實驗平臺的軟硬件實現(xiàn)，介紹平臺中一些關鍵器件和電路， 給出了選取準則與設計原理，并給出了基于 TMS320F2812DSP 控制芯片的軟件控 制的流程圖。 燕山大學工學碩士學位論文 8 第 2 章 分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)模型 分布式系統(tǒng)的供電網(wǎng)絡中存在著一定數(shù)量的功率校正電容器，線路中也存在等 效電感與電阻，這些構成了傳輸線的基本參數(shù)。與傳統(tǒng)大電網(wǎng)分析模型相比，分布 式系統(tǒng)的容量較小，分析模型中容性成分的影響已不能忽略，本章給出了比較常見 的兩種傳輸線模型，基于傳輸線理論與數(shù)學模型分析了諧波在傳輸線上的傳播情況， 為諧波抑制提供理論基礎。 2.1 傳輸線參數(shù)模型分析 2.1.1 傳輸線集總參數(shù)模型 傳輸線集總參數(shù)模型36雖與傳輸線的真實情況有所差異，但其在不影響結果的 前提下，更容易實現(xiàn)仿真、實驗驗證，參考文獻中均采用該模型模擬傳輸線的諧波 情況。圖 2-1 給出了傳輸線的集總參數(shù)模型。 3 50Hz RL C RRLL C C 圖 2-1 傳輸線集總參數(shù)模型 在實際傳輸線中，線路參數(shù)是非均勻分布的，傳輸線空間狀況以及校正電容的 分布均使傳輸線的容、感性參數(shù)分布不均，為便于分析起見，通常忽略造成不均勻 性的因素，且將校正電容認為均勻分布在傳輸線每千米線路中，將傳輸視為均勻傳 輸線。表 2-1 為基于 6.6kV、3MVA 實際分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)。 表 2-1 實際傳輸線電路參數(shù) 線路電壓 V頻率 f容量 S線路電感 L線路電阻 R線路電容 C線路長度 L 6.6kV50Hz3MVA1.98mH/km0.36/km25F/km9km 第 2 章 分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)模型 9 2.1.2 傳輸線分布參數(shù)模型 集總參數(shù)模型36在對傳輸線模擬仿真方面具有便利性，但不夠精確。傳輸線 的分布參數(shù)模型是集總參數(shù)模型的極限情況，分布參數(shù)模型更加接近傳輸線的實際 情況，采用分布參數(shù)模型，原理分析線路諧波振蕩。 圖 2-2 給出了均勻傳輸線的電路模型，及含諧波電壓源與末端阻性有源電力濾 波器(R-APF)的分布式參數(shù)模型，在分布式參數(shù)模型中 l 表示饋電線長度，x 為距始 端長度，R-APF 安裝在線路末端，可等效為一阻值 1/Kv 的電阻（Kv 為 R-APF 的 電壓增益）。 R0dxL0dx C0dx G0dx A B A B vs,h Vh(x) ( h, z) 1/Kv l x (a)(b) i(x,t) i(x+x,t) u(x,t) u(x+x,t) + - + - 圖 2-2 傳輸線分布參數(shù)模型 (a)傳輸線電路模型；(b)分布式參數(shù)模型 傳輸線理論中，決定電壓(電流)在傳輸線中傳播形態(tài)的兩個重要參數(shù)：傳輸線 特征阻抗，傳播常數(shù)。 傳輸線的特征阻抗： (2-1) 00 00 Rj L z Gj C R0單位長度電阻值，單位為 /km； L0單位長度電感值，單位為 H/km； G0單位長度電導值，單位為 S/km； C0單位長度電容值，單位為 F/km，忽略電導影響，設置 G0=0， 為電壓 （電流）頻率。 傳播常數(shù) ： (2-2) 0000 = ()()Rj LGj Cj 燕山大學工學碩士學位論文 10 在傳輸線理論中，認為電壓、電流電磁波，在傳輸線介質中傳播時，傳播波長 表達式如(2-3)。 (2-3) 2 五、七次諧波在分布式系統(tǒng)中振蕩最為嚴重，是本文的主要研究對象，根據(jù)表 2-1 給出的傳輸線數(shù)據(jù)，可得： (2-4) 00 0 8.9 Rj L z j C (2-5) 505050 ()0.00035RjLjCj (2-6) 707070 ()0.00049RjLjCj 可得到五、七次諧波的波長： (2-7) 5 5 2 17.94km (2-8) 7 7 2 12.82km 由式(2-7)、(2-8)，9km 傳輸線近似為五次諧波波長的一半，七次諧波波長的 3/4，分別為波節(jié)與波腹，為諧波振蕩最弱與最強的兩點，因此本文仿真與實驗的傳 輸線長度為 9km。 表 2-2 給出了傳輸線上電壓頻率、波長以及傳輸線長度的關系。 表 2-2 傳輸線上電壓頻率、波長以及傳輸線長度關系 頻率 f波長 傳輸線長度 l 250Hz(5th)17.94km9km(5/2) 350Hz(7th)12.82km9km(37/4) 2.2 諧波傳播分析 2.2.1 均勻傳輸線方程36-42 第 2 章 分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)模型 11 傳輸線參數(shù)往往不均勻分布，為便于分析，假設分布式系統(tǒng)容、感性參數(shù)均勻 分布在傳輸線上，視傳輸線為均勻傳輸線，進而傳輸線上電壓和電流可視為，時間 t 和距離 x 的函數(shù)，即： (2-8) ( , )Re2 ( ) ( , )Re2 ( ) j t j t u x tU x e i x tI x e 設電壓、電流的參考方向如圖 2-2(b)所示。設定諧波電壓源為傳輸線的起點， 電壓（電流）的正方向為由諧波電壓源指向終端。 分布參數(shù)模型中，線路參數(shù)均為無限小量，可得到傳輸線上電壓、電流的偏微 分方程，對圖 2-2(a)應用基爾霍夫電壓定律得： (2-9) 00 ( , ) ( , )(, )( , ) i x t u x tu xx tR i x tLx t 同理，由基爾霍夫電流定律可得： (2-10) 00 (, ) ( , )(, )(, ) i xx t i x ti xx tG u xx tCx t 進一步整理，可得到： (2-11) 00 00 ui R iL xt iu G iC xt 式(2-11)即為均勻傳輸線關于電壓、電流的偏微分方程，簡稱均勻線方程。電 壓的變化與分布的電阻和電感參數(shù)有關；電流與電導和電容參數(shù)有關。 在給定傳輸線的初始條件和邊界條件后，即可確定線路中 x 位置處的電壓 u(x,t) 和電流 i(x,t)，在式(2-11)中，對 x 再進行一次求導數(shù)，并結合式(2-2)，得到傳輸線 的二階線性微分方程： (2-12) 2 2 2 2 2 2 u u x i i x 該二階微分方程的通解方程形式： 燕山大學工學碩士學位論文 12 (2-13) 12 12 x xrx rx uAeA e iBeB e 其中，A1、A2、B1、B2由傳輸線的邊界條件確定。 1 1 A B z 2 2 A B z OO 正向行波反向行波 圖 2-3 電壓正向行波與反向行波沿線分布 假定 u+=A1e-x為傳輸線電壓正向行波，u+=A1ex為電壓反向行波，傳輸線上各 點的真實的電壓波形都可以認為是正向行波與反向行波迭加的結果，如圖 2-3 所示。 類似的傳輸線上各處的電流也可以看做正向電流和反向電流行波的迭加。 通常將由電源側向負載側的正向行波成為入射波，而從負載側向電源側的反向 行波成為反射波。反射波與入射波迭加造成了諧波的放大。反射波為線路諧波振蕩 的本質原因。 反射波與負載阻抗有密切的關系，假設終端阻抗值為 zL（空載為，短路為 0），可得到反射系數(shù)： (2-14) x L L zz ne zz 末端阻抗不同，反射系數(shù)不同，根據(jù)式(2-14)可總結出： 1.終端阻抗 zL=z，又稱終端匹配傳輸線，此時 n=0，無反射波，電壓、電流均 不會發(fā)生振蕩，工作在此狀態(tài)下的傳輸線稱為無反射線。 2.終端開路 iL=0，反射系數(shù) n=1，此時在傳輸線末端發(fā)生全反射，其特點是在 終端電壓最大，從負載端向電源端，電壓的最大值與最小值每隔 /4（ 為電壓波長） 交替出現(xiàn)。 3.終端短路 uL=0，反射系數(shù) n=-1，情況與開路類似。 4.終端接人非特征阻抗負載，傳輸線上的電壓、電流波形將會被部分發(fā)射，波 形情況與接入負載阻值有關。 第 2 章 分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)模型 13 此外，從式(2-14)可以看出當傳輸線長度 x=（或 x 足夠大），反射系數(shù) n=0， 也不會存在反射波。 綜上，為實現(xiàn)消除線路諧波振蕩，需滿足：a.傳輸線末端阻抗匹配；b.傳輸線 無限長。 2.2.2 射線型電力網(wǎng)絡諧波傳播43-44 諧波電壓源處于傳輸線始端，如圖 2-2(b)所示，假定諧波電壓值為 vh，負載(R- APF)位于傳輸線的末端，式(2-13)中的 A1、A2、B1、B2由傳輸線長度與末端阻抗決 定。 圖 2-2(b)模擬了在線路末端加入 R-APF，其對預抑制諧波等效為