分布式系統(tǒng)背景諧波APF抑制

摘要IIAbstractWithmoreandmoreattentiononsustainabledevelopmentandenvironmentalpollution,distributedgeneration,windpowerandsolarasrepresentative,hasbeenwidelydeveloped.Aimtoimprovepowerquality,acertainnumberofinductiveandcapacitivedevicesareinstalledinthedistributedsystemandtheyaffectthecharacteristicparametersofthetransmissionlinewhichmaketheharmonicmagnifyeasilyinthesituationoflightloadorno-load.Basedonthetransmissionlinetheory,itcanbeconcludedthatthereflectedwaveisthefundamentalreasonofharmonicmagnificationandthereisnoreflectedwavewhenthetransmissionlineisinfiniteandtheimpedancematchingattheendofline.InthepaperR-APFanddiscrete-frequencytuningmethodarebasedontheimpedancematchingandthesimulationandexperimentaregiven.ThepaperproposetheinfinitelonglineharmonicsuppressionstrategywhichisinstallinganAPFattheendofthelineandcontroltheoutputcurrentoftheAPFtoimitatetheinfinitelongtransmissionline.ComparetotheR-APF,itisexcellentinthevariablecharacteristicimpedanceandincludingcurrentharmonicload.Toimprovethereliabilityofthepowersystem,theringnetworkisappliedtosupplypowertousers.Thispaperresearchesintotheharmonicpropagationintheringnetwork,pointsouttheoptimalinstallationpointandalsogivesomeadvicetochoosetheAPFcompensationgain.ExperimentsbasedonTMS320F2812havebeenperformedtoverifythetheoreticalanalysisanddemonstratetheeffectivenessoftheproposedstrategies.Keyword：harmonicmagnification;R-APF;infinitelongtransrmissionline;ringnetwork;harmonicsuppress燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1引言 11.2分布式系統(tǒng)諧波繁殖傳播 21.2.1分布式系統(tǒng)諧波源 21.2.2諧波繁殖危害 21.2.3分布式系統(tǒng)諧波傳播 31.3分布式系統(tǒng)諧波抑制 31.3.1濾波裝置發(fā)展簡(jiǎn)介 31.3.2分布式系統(tǒng)諧波傳播治理現(xiàn)況 51.3.3新型環(huán)形分布式網(wǎng)絡(luò)諧波抑制 61.4課題研究?jī)?nèi)容 7第2章分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)模型 82.1傳輸線參數(shù)模型分析 82.1.1傳輸線集總參數(shù)模型 82.1.2傳輸線分布參數(shù)模型 82.2諧波傳播分析 102.2.1均勻傳輸線方程 102.2.2射線型電力網(wǎng)絡(luò)諧波傳播 122.2.3環(huán)形電力網(wǎng)絡(luò)諧波傳播 132.3有源電力濾波器 152.3.1有源電力濾波簡(jiǎn)化 152.3.2諧波檢測(cè) 162.4末端阻性有源電力濾波器 172.4.1末端匹配控制策略 172.4.2分頻調(diào)節(jié)控制策略 202.5阻性有源濾波器實(shí)驗(yàn) 22本章小結(jié) 24第3章無(wú)限長(zhǎng)傳輸線系統(tǒng)諧波抑制策略 253.1無(wú)限長(zhǎng)傳輸線思想APF控制策略 253.2APF電流源增益特性分析 263.3無(wú)限長(zhǎng)傳輸線仿真驗(yàn)證 293.4無(wú)限長(zhǎng)傳輸線濾波器實(shí)驗(yàn) 31本章小結(jié) 35第4章分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)諧波振蕩 364.1線路諧波振蕩分析 364.2諧波振蕩抑制 384.2.1單濾波器安裝位置選擇 384.2.2濾波器等效阻抗選擇 41本章小結(jié) 42第5章系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn) 435.1系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 435.1.19km傳輸線電路 435.1.2有源濾波器主電路及參數(shù) 445.1.3采樣檢測(cè)電路 455.1.4開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路 465.2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) 46本章小結(jié) 47結(jié)論 48參考文獻(xiàn) 49攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果 52致謝 53作者簡(jiǎn)介 54燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論第1章緒論1.1引言分布式供電系統(tǒng)是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式單一供電系統(tǒng)來(lái)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(jī)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(chǎng)合區(qū)域具有明顯優(yōu)勢(shì)，近些年作為傳統(tǒng)集中供電不可缺少的重要補(bǔ)充得到迅速發(fā)展[1-8]。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(fēng)力機(jī)并入供電網(wǎng)絡(luò)中均需要進(jìn)行變化，會(huì)產(chǎn)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(zhì)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(luò)的特征參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)自身狀況，如傳輸線長(zhǎng)度、帶載狀況等滿足一定條件時(shí)，線路某些節(jié)點(diǎn)的諧波含量會(huì)被放大數(shù)倍[9]，嚴(yán)重危及用電設(shè)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(duì)諧波的治理主要針對(duì)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(gè)地區(qū)分布，在電力系統(tǒng)中將它們作為一個(gè)單一的集中諧波源進(jìn)行分析治理，諧波抑制設(shè)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(huì)出現(xiàn)集中較大的諧波源負(fù)載，但其服務(wù)用戶往往是家庭或企業(yè)這種容易廣泛分布的個(gè)體，傳統(tǒng)電網(wǎng)的諧波集中治理手段對(duì)分布式系統(tǒng)已經(jīng)不再適應(yīng)。此外，分布式系統(tǒng)的負(fù)載波動(dòng)較大，像給居民區(qū)供電的分布式系統(tǒng)，某些時(shí)段會(huì)出現(xiàn)輕載，這些都可能會(huì)引起系統(tǒng)的的諧波波動(dòng)，危及用電設(shè)備，文獻(xiàn)[10]中就提到了夜間由于系統(tǒng)輕載，諧波發(fā)生嚴(yán)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(gè)新興的供電網(wǎng)絡(luò)，分布式發(fā)電機(jī)可以為光伏、風(fēng)機(jī)、燃料電池以及備用發(fā)電機(jī)等。它們必須經(jīng)過電力變換才能接入供電網(wǎng)絡(luò)中。光伏、燃料電池本身發(fā)出為直流電，需經(jīng)過直交變換，變換過程不可避免的要產(chǎn)生一定諧波電壓，風(fēng)機(jī)、備用電機(jī)其本身發(fā)出為頻率不固定的交流電，也需要經(jīng)過電力變換轉(zhuǎn)換為工頻交流電，這一過程也會(huì)給電網(wǎng)組注入諧波電壓；分布式系統(tǒng)會(huì)存在一定數(shù)量的變壓器，其勵(lì)磁曲線為非線性，會(huì)給電網(wǎng)注入諧波電流[11]。從用戶端考慮：諧波主要來(lái)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(dǎo)體開關(guān)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(fù)載，會(huì)給電網(wǎng)引入諧波電流；隨人民生活水品的提高，像電視機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)等用電設(shè)備，成為人民的生活必須品，這些用電設(shè)備核心技術(shù)都采用了非線性拓?fù)?，均?huì)給電網(wǎng)注入諧波電流。1.2.2諧波危害諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，主要分為以下幾個(gè)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(chǎn)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(shè)備的正常運(yùn)行。增加用電設(shè)備的附加損耗，產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)，噪音，影響設(shè)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(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)回路匹配時(shí)，會(huì)發(fā)生電路諧振，產(chǎn)生很大的諧振電流，危害用電設(shè)備；(4)影響繼電保護(hù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性。繼電保護(hù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)裝置是以基波為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的，諧波可能導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作和自動(dòng)控制裝置的失靈，發(fā)生事故；(5)影響通訊設(shè)備的正常工作。諧波的電磁噪聲和射頻噪聲使儀器儀表、計(jì)算機(jī)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(shí)，必需考慮線路容性成分。諧波的本質(zhì)為電磁波，在傳輸線上傳播時(shí)，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(shí)，諧波發(fā)生了全反射，當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度滿足四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，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(yán)重；諧波波長(zhǎng)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(wú)諧波放大。文獻(xiàn)[10]提到了9km傳輸線在線路空載情況，七次諧波發(fā)生嚴(yán)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(duì)分布式系統(tǒng)中的諧波振蕩，最初為限制單根傳輸線長(zhǎng)度，將單根電力傳輸線的長(zhǎng)度限制在8km以內(nèi)，當(dāng)傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，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(huì)增加電力系統(tǒng)的安裝和維修費(fèi)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(jìn)行檢修，從用戶的角度是很不利的。需要采用新的設(shè)備和措施諧波抑制技術(shù)來(lái)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(duì)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(dòng)治理，采用新的電力電子手段，更新設(shè)備降低甚至消除諧波的產(chǎn)生；二是電力部門的被動(dòng)治理，在電網(wǎng)加入有源或無(wú)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(fù)載。本文提出的抑制方案均為基于被動(dòng)治理的角度出發(fā)的。1.3.1濾波裝置發(fā)展簡(jiǎn)介諧波抑制初期，多采用無(wú)源濾波器，其結(jié)果簡(jiǎn)單、成本低，而且對(duì)固定頻率的諧波補(bǔ)償效果明顯，是抑制諧波的主要手段。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，無(wú)源濾波器的體積大、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果差、補(bǔ)償范圍窄等缺點(diǎn)制約了其應(yīng)用，已無(wú)法滿足諧波治理的需求。圖1-2給出了幾種常見的無(wú)源濾波器[16-18]。圖1-2四種類型的無(wú)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(wú)源電力濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)特性，且補(bǔ)償范圍寬，能跟蹤補(bǔ)償各次諧波，且具有補(bǔ)償無(wú)功功率的功能；與無(wú)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(duì)有源電力濾波器的研究成為了電力濾波的熱點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容主要涉及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償特性、諧波檢測(cè)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)。(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(jié)構(gòu)圖1-4混合型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)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(yán)重，文獻(xiàn)[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(xué)者最早對(duì)由于諧波繁殖造成分布式系統(tǒng)中的嚴(yán)重諧波污染進(jìn)行了研究。在文獻(xiàn)[10]、[24]提到日本6.6kV的分布式系統(tǒng)，當(dāng)夜間或系統(tǒng)輕載時(shí)，線路中的七次諧波容易發(fā)生諧波繁殖，會(huì)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(shè)備燒毀的事故。在日本學(xué)者對(duì)諧波振蕩的研究中，指出諧波繁殖是電力系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)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(cè)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(jié)構(gòu)，消除了諧波振蕩的條件，有效的抑制線路中的諧波繁殖?？紤]經(jīng)濟(jì)上的可行性，保持較好諧波抑制效果的同時(shí)，減少R-APF的濾波效果與濾波器的容量，在文獻(xiàn)[24]提出在線路末端安裝R-APF為最合理的選擇。文獻(xiàn)[10]又對(duì)R-APF又進(jìn)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(duì)線路中諧波抑制的動(dòng)態(tài)效果差。為消除該缺點(diǎn)，在文獻(xiàn)[25]提出增益自動(dòng)調(diào)節(jié)的R-APF，檢測(cè)安裝點(diǎn)的電壓畸變THD（TotalHarmonicDistortion），與參考THD進(jìn)行比較，動(dòng)態(tài)調(diào)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(dòng)態(tài)性能也得到了很大的提高。當(dāng)傳輸線的長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，R-APF對(duì)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(shí)，可能會(huì)放大其他次諧波，在文獻(xiàn)[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(chǎn)生的原因?；谖墨I(xiàn)[9]的研究成果，對(duì)傳輸線諧波抑制思想分為了兩個(gè)方向：1.在傳輸線不同位置安裝多個(gè)R-APF，實(shí)現(xiàn)整條傳輸線的諧波抑制，雖對(duì)諧波抑制效果有明顯優(yōu)勢(shì)，但動(dòng)態(tài)抑制性能仍未提高，且經(jīng)濟(jì)適用性不強(qiáng)，而且對(duì)多個(gè)濾波單元的協(xié)調(diào)控制、容量分配仍需進(jìn)一步研究；2.不同次諧波在傳輸線中傳播時(shí)，反射波情況不同，而之前的控制方案對(duì)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(xiàn)[26]中，仍將有源濾波器安裝在線路末端，而對(duì)不同次諧波提供不同的電壓增益，通過分頻控制來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸線上的諧波抑制，該方法在降低成本的同時(shí)，也提高了對(duì)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(luò)諧波抑制在低壓的分布式供電系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，保證對(duì)用戶的持續(xù)供電，并保證系統(tǒng)本身設(shè)備的安全，將傳統(tǒng)的射線型網(wǎng)絡(luò)兩端相連，構(gòu)成環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)。環(huán)形供電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)指電源端配出后經(jīng)過一系列用戶后又回到原來(lái)的電源端，環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)是封閉的，如遇到一側(cè)電網(wǎng)出現(xiàn)事故，則在另一側(cè)仍可以送電，保證對(duì)用戶的持續(xù)供電，提高用電可靠性的同時(shí)，也能提高用電效率。圖1-5給出了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的示意圖。圖1-5環(huán)形供電網(wǎng)路示意圖新的供電網(wǎng)絡(luò)改變了電力供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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(luò)的諧波抑制成為研究的新內(nèi)容，本文基于文獻(xiàn)[34]、[35]提出的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的的諧波振蕩進(jìn)行原理分析，對(duì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的諧波抑制提供理論依據(jù)。1.4課題研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)背景諧波傳輸線傳播振蕩進(jìn)行了研究，在查閱大量文獻(xiàn)，總結(jié)驗(yàn)證前人提出的抑制方案的基礎(chǔ)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(jiǎn)述了背景諧波傳播的特點(diǎn)及危害，闡明了諧波振蕩的緣由，簡(jiǎn)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(luò)諧波傳播的數(shù)學(xué)表達(dá)式，做為諧波抑制的依據(jù)。簡(jiǎn)要介紹了APF的簡(jiǎn)化及諧波提取環(huán)節(jié)，并對(duì)末端阻性APF(R-APF)諧波抑制方案進(jìn)行原理介紹與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第三章提出無(wú)限長(zhǎng)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(zhǎng)度的傳輸線，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dǎo)，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)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(duì)線路參數(shù)的變化具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，這一突出優(yōu)點(diǎn)能降低“鼴鼠現(xiàn)象”發(fā)生的可能性。此外，當(dāng)在傳輸線上突加諧波負(fù)載時(shí)，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線控制策略也具有更好的效果。第四章對(duì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)諧波傳播情況進(jìn)行了分析，指出環(huán)形網(wǎng)絡(luò)空載時(shí)，線路諧波放大更加嚴(yán)重，針對(duì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)諧波放大問題，提出了采用單臺(tái)APF實(shí)現(xiàn)線路諧波抑制，給出了APF的最佳安裝點(diǎn)，及補(bǔ)償增益選擇。第五章簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，介紹平臺(tái)中一些關(guān)鍵器件和電路，給出了選取準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)模型第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(luò)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(gòu)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(xué)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(chǔ)。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(shí)情況有所差異，但其在不影響結(jié)果的前提下，更容易實(shí)現(xiàn)仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，參考文獻(xiàn)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。圖2-1傳輸線集總參數(shù)模型在實(shí)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(rèn)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(shí)際分布式系統(tǒng)傳輸線參數(shù)。表2-1實(shí)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(zhǎng)度L6.6kV50Hz3MVA1.98mH/km0.36Ω/km25μF/km9km2.1.2傳輸線分布參數(shù)模型集總參數(shù)模型[36]在對(duì)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(shí)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(wèi)表示饋電線長(zhǎng)度，x為距始端長(zhǎng)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）。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(gè)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)R0——單位長(zhǎng)度電阻值，單位為Ω/km；L0——單位長(zhǎng)度電感值，單位為H/km；G0——單位長(zhǎng)度電導(dǎo)值，單位為S/km；C0——單位長(zhǎng)度電容值，單位為F/km，忽略電導(dǎo)影響，設(shè)置G0=0，ω為電壓（電流）頻率。傳播常數(shù)γ： (2-2)在傳輸線理論中，認(rèn)為電壓、電流電磁波，在傳輸線介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播波長(zhǎng)表達(dá)式如(2-3)。 (2-3)五、七次諧波在分布式系統(tǒng)中振蕩最為嚴(yán)重，是本文的主要研究對(duì)象，根據(jù)表2-1給出的傳輸線數(shù)據(jù)，可得： (2-4) (2-5) (2-6)可得到五、七次諧波的波長(zhǎng)： (2-7) (2-8)由式(2-7)、(2-8)，9km傳輸線近似為五次諧波波長(zhǎng)的一半，七次諧波波長(zhǎng)的3/4，分別為波節(jié)與波腹，為諧波振蕩最弱與最強(qiáng)的兩點(diǎn)，因此本文仿真與實(shí)驗(yàn)的傳輸線長(zhǎng)度為9km。表2-2給出了傳輸線上電壓頻率、波長(zhǎng)以及傳輸線長(zhǎng)度的關(guān)系。表2-2傳輸線上電壓頻率、波長(zhǎng)以及傳輸線長(zhǎng)度關(guān)系頻率f波長(zhǎng)λ傳輸線長(zhǎng)度l250Hz(5th)17.94km9km(λ5/2)350Hz(7th)12.82km9km(3λ7/4)2.2諧波傳播分析2.2.1均勻傳輸線方程[36-42]傳輸線參數(shù)往往不均勻分布，為便于分析，假設(shè)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(jìn)而傳輸線上電壓和電流可視為，時(shí)間t和距離x的函數(shù)，即： (2-8)設(shè)電壓、電流的參考方向如圖2-2(b)所示。設(shè)定諧波電壓源為傳輸線的起點(diǎn)，電壓（電流）的正方向?yàn)橛芍C波電壓源指向終端。分布參數(shù)模型中，線路參數(shù)均為無(wú)限小量，可得到傳輸線上電壓、電流的偏微分方程，對(duì)圖2-2(a)應(yīng)用基爾霍夫電壓定律得： (2-9)同理，由基爾霍夫電流定律可得： (2-10)進(jìn)一步整理，可得到： (2-11)式(2-11)即為均勻傳輸線關(guān)于電壓、電流的偏微分方程，簡(jiǎn)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(guān)；電流與電導(dǎo)和電容參數(shù)有關(guān)。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(duì)x再進(jìn)行一次求導(dǎo)數(shù)，并結(jié)合式(2-2)，得到傳輸線的二階線性微分方程： (2-12)該二階微分方程的通解方程形式： (2-13)其中，，A1、A2、B1、B2由傳輸線的邊界條件確定。圖2-3電壓正向行波與反向行波沿線分布假定u+=A1e-γx為傳輸線電壓正向行波，u+=A1eγx為電壓反向行波，傳輸線上各點(diǎn)的真實(shí)的電壓波形都可以認(rèn)為是正向行波與反向行波迭加的結(jié)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(cè)向負(fù)載側(cè)的正向行波成為入射波，而從負(fù)載側(cè)向電源側(cè)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(zhì)原因。反射波與負(fù)載阻抗有密切的關(guān)系，假設(shè)終端阻抗值為zL（空載為∞，短路為0），可得到反射系數(shù)： (2-14)末端阻抗不同，反射系數(shù)不同，根據(jù)式(2-14)可總結(jié)出：1.終端阻抗zL=z，又稱終端匹配傳輸線，此時(shí)n=0，無(wú)反射波，電壓、電流均不會(huì)發(fā)生振蕩，工作在此狀態(tài)下的傳輸線稱為無(wú)反射線。2.終端開路iL=0，反射系數(shù)n=1，此時(shí)在傳輸線末端發(fā)生全反射，其特點(diǎn)是在終端電壓最大，從負(fù)載端向電源端，電壓的最大值與最小值每隔λ/4（λ為電壓波長(zhǎng)）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(fù)載，傳輸線上的電壓、電流波形將會(huì)被部分發(fā)射，波形情況與接入負(fù)載阻值有關(guān)。此外，從式(2-14)可以看出當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度x=∞（或x足夠大），反射系數(shù)n=0，也不會(huì)存在反射波。綜上，為實(shí)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(wú)限長(zhǎng)。2.2.2射線型電力網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(zhǎng)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(duì)預(yù)抑制諧波等效為阻抗為1/Kv的電阻，結(jié)合式(2-13)，可得： (2-15) (2-16)可得到傳輸線上距始端x的諧波電壓值： (2-17)從式(2-17)，我們就可以得到整條線路的諧波電壓值，諧波的振蕩情況由諧波傳播因數(shù)Mv來(lái)表示： (2-18)Mv與傳輸線參數(shù)、傳輸線長(zhǎng)度l、APF電壓增益以及距離始端x的位置有關(guān)，其越大，說(shuō)明諧波放大的越嚴(yán)重。2.2.3環(huán)形電力網(wǎng)絡(luò)諧波傳播電力輸電系統(tǒng)將各個(gè)發(fā)電廠和負(fù)載供電之間的線路連接成環(huán)狀，構(gòu)成環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，一端線路退出運(yùn)行時(shí)，另一回路仍能繼續(xù)供電，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性，如圖1-5所示。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中諧波傳播與射狀網(wǎng)絡(luò)有所差異，下面給出環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中含有R-APF諧波傳播情況。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中傳輸線首尾相連，可將傳輸線視為雙供電電源給用戶供電，R-APF安裝在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，傳輸線的長(zhǎng)度為l，R-APF將傳輸線分成了l1、l2兩段，其中R-APF對(duì)諧波等效阻值為1/Kv的諧波阻尼，如圖2-4所示：圖2-4R-APF安裝在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電路迭加原理，建立圖2-4的分布式參數(shù)模型，如圖2-5所示。由x、y兩個(gè)方向進(jìn)行傳播，距離R-APF的長(zhǎng)度分別為l1、l2。(a)x向諧波電壓傳播(b)y向諧波電壓傳播圖2-5等效環(huán)形網(wǎng)絡(luò)分布式參數(shù)模型圖2-5(a)標(biāo)注的1為起點(diǎn)，APF安裝點(diǎn)上流側(cè)等效阻值為zu，下流側(cè)等效阻值為zd，線路特征阻抗為z。根據(jù)傳輸線阻抗計(jì)算公式，特征阻抗為z，末端短路，線路長(zhǎng)度為l的傳輸線輸入阻抗zin： (2-23)根據(jù)式(2-23)，可得到APF上、下流側(cè)等效電阻阻值： (2-24)參考式(2-17)，沿x向傳播，線路各點(diǎn)的諧波電壓值如式(2-23)所示： (2-25)其中v1為x=l1的電壓值，的值為APF與下流側(cè)傳輸線阻抗的等效值： (2-26)類似，可求出y向傳播的電壓： (2-27)其中。設(shè)x方向?yàn)橹C波傳播正方向，線路中任意一點(diǎn)處諧波電壓vh(x): vh(x)=vx(x)+vy(l-x) (2-28)2.3有源電力濾波器2.3.1有源電力濾波簡(jiǎn)化有源電力濾波器是一種基于PWM變流器，用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置。有源電力濾波器在實(shí)際應(yīng)用中大部分采用三相三線制系統(tǒng)，而三相四線制系統(tǒng)可以在三相三線制的基礎(chǔ)上對(duì)主電路、指令電流等作適當(dāng)變化即可，圖2-6給出了三相三線制濾波裝置示意圖。圖2-6三相三線制濾波裝置示意圖一個(gè)完整的有源濾波器系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路，前者為檢測(cè)諧波或者無(wú)功量，并運(yùn)算生成指令電流，后者主要是控制APF輸出電流，使其跟蹤運(yùn)算電路計(jì)算得到的指令電流。出于提高仿真速度和便于結(jié)果分析，仿真中用受控電流源替代APF裝置，以R-APF為例，圖2-7給出了等效后的電路示意圖。圖2-7三相三線制濾波裝置等效示意圖2.3.2諧波檢測(cè)[14]電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)是解決諧波問題的基礎(chǔ)，但諧波受隨機(jī)性、分布性、分平穩(wěn)性等因素影響，準(zhǔn)確檢測(cè)并非易事。選擇合適的諧波檢測(cè)方法，能為有源電力濾波器提供有效、準(zhǔn)確的指令電流。1983年日本岡山大學(xué)HirofumiAkagi教授提出了三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論，理論的成功應(yīng)用促使APF在80年代投入實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要因素，成為快速檢測(cè)諧波提供了新的方法?；谒矔r(shí)無(wú)功功率的檢測(cè)方法不僅可以檢測(cè)諧波也可以檢測(cè)無(wú)功功率，若只檢測(cè)無(wú)功功率可實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)檢測(cè)；檢測(cè)諧波時(shí)，因?yàn)V波環(huán)節(jié)的存在會(huì)造成一定延時(shí)，但最多不超過一個(gè)電源周期，以三相整流器為例，其檢測(cè)延時(shí)約為1/6周期，可見，該方法具有很好的實(shí)時(shí)性。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)得到廣泛應(yīng)用。圖2-8給出了一種常見的基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)原理圖。圖2-8一種常見的基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)原理圖其中PLL為鎖相環(huán)，C32、C23分別為Park矩陣與Park反變換矩陣，變換矩陣。檢測(cè)接入點(diǎn)三相電流ia、ib、ic，經(jīng)過變換矩陣C32和C得到p、q軸的電流值，經(jīng)低通濾波器濾波，得到電流在p、q軸下的基波電流成分，在經(jīng)反變換與ia、ib、ic作差即可得到電流的諧波含量iah、ibh、ich。2.4末端阻性有源電力濾波器諧波振蕩的根本原因是諧波反射波與入射波的迭加，消除諧波反射波是消除諧波振蕩的根本辦法。傳輸線理論給出了無(wú)諧波振蕩的兩種情況：(a)傳輸線末端阻抗匹配；(b)傳輸線長(zhǎng)度為足夠長(zhǎng)。末端阻性有源電力濾波器(R-APF)安裝在射線型傳輸線線路末端，控制使其等效阻抗與線路特征阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整條傳輸線網(wǎng)絡(luò)無(wú)諧波放大。****2.4.1末端匹配控制策略末端阻性有源濾波器又稱基于電壓檢測(cè)的并聯(lián)型有源電力濾波器，是并聯(lián)型有源電力濾波器一種控制方法，與負(fù)載端電流檢測(cè)和源端電流檢測(cè)兩種控制方法相比，具有更好的穩(wěn)定性，更適合在配電系統(tǒng)中安裝。末端阻性有源電力濾波器的工作原理如下：檢測(cè)末端設(shè)備安裝點(diǎn)的電網(wǎng)電壓v，提出其諧波含量vh，諧波含量與電壓增益Kv相乘后作為有緣電力濾波器的電流參考指令，如式(3-1)所示。 (2-29)在圖2-8的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，得到末端阻性有源電力濾波器的控制框圖，如圖2-9所示。圖2-9固定電壓增益控制框圖末端阻性有緣電力濾波器對(duì)諧波來(lái)講，相當(dāng)于阻值為1/Kv的電阻，而對(duì)基波為開路，不會(huì)對(duì)基波構(gòu)成影響。理論上，1/Kv=z(z為傳輸線特征阻抗)，阻抗匹配，線路無(wú)諧波放大。考慮線路阻性成分的存在，當(dāng)阻抗匹配后，線路中諧波含量會(huì)低于背景諧波源的水平。圖2-10給出了在傳輸線末端加入阻性有源濾波器，隨補(bǔ)償系數(shù)變化整條線路的諧波放大倍數(shù)。(a)線路七次諧波放大倍數(shù)(b)線路五次諧波放大倍數(shù)圖2-10線路諧波放大倍數(shù)9km傳輸線相當(dāng)于七次諧波波長(zhǎng)的3/4，五次諧波波長(zhǎng)的1/2，分別為對(duì)應(yīng)電壓正向行波的波峰和波節(jié)。波峰與波節(jié)分別為波傳播的兩個(gè)代表點(diǎn)，在波上的其它點(diǎn)的振蕩況處于兩者之間。從圖2-11可以看出，線路滿足l=(2k+1)λ/4（k=1,2……）時(shí)，1/Kv越大，諧波抑制效果越好；而當(dāng)l=kλ/2時(shí)，線路末端開路情況下，線路諧波狀況最好。圖2-10(b)中，隨著Kv的增加，線路諧波被放大，尤其是線路中段，造成所謂的鼴鼠現(xiàn)象。其他等效波長(zhǎng)長(zhǎng)度的傳輸線的諧波情況處于波峰與波節(jié)兩種情況之間。綜上，若不考慮傳輸線長(zhǎng)度因素，則選Kv=1/z(z為傳輸線特征阻抗)為線路中含有多次諧波的電壓增益最合理的選擇。在圖2-1給出的傳輸線集總參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)固定增益的阻性有源濾波器進(jìn)行matlab仿真，仿真簡(jiǎn)圖如圖2-11所示。圖2-11固定增益阻性有源濾波器仿真簡(jiǎn)圖在仿真模型中，采用三相50Hz電壓源V模擬含背景諧波的電網(wǎng)供電端，V中五、七次諧波含量為2%，電壓源V的基波幅值設(shè)為100V，傳輸線模型中R、L、C的值參考表2-1的值，圖2-12給出了9km傳輸線加入末端阻性有源濾波裝置前后線路諧波情況對(duì)比圖，虛線為抑制后的情況。(a)七次諧波放大(b)五次諧波放大(c)總諧波放大圖2-129km傳輸線諧波抑制前后對(duì)比在線路末端加入R-APF前，線路約為七次諧波的波長(zhǎng)的3/4，七次諧波放大嚴(yán)重，最高可達(dá)背景諧波的4.5倍；線路約為五次諧波波長(zhǎng)的一半，五次諧波無(wú)放大，整條且整條線路含量很低，最好的位置接近于零。這些現(xiàn)象驗(yàn)證了之前的理論分析。加入APF后，無(wú)論五次諧波還是七次諧波，均無(wú)諧波放大現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了末端阻抗匹配，證明末端阻性有源電力濾波器的可行性。2.4.2分頻調(diào)節(jié)控制策略通過分析圖2-11給出的不同Kv時(shí)，線路中五、七次諧波放大情況，可以看出線路諧波放大情況與傳輸線長(zhǎng)度的等效波長(zhǎng)有關(guān)系，滿足l=kλ/2(如9km五次諧波)，線路末端開路時(shí)，整條線路諧波都會(huì)得到很好的抑制，在線路中間最為明顯，接近于0；當(dāng)l=(2k+1)λ/4(如9km七次諧波)，線路末端開路為最嚴(yán)重情況，隨著Kv的增大，線路諧波得到抑制，整條線路無(wú)諧波放大。線路對(duì)不同次諧波的等效長(zhǎng)度不同，因此，針對(duì)不同次數(shù)的諧波，采用不同的電壓增益，即所謂的諧波分頻控制，可以得到更好地諧波抑制效果。針對(duì)線路中主要的五、七次諧波。圖2-13給出了分頻控制的控制框圖。圖2-13五、七次諧波分頻控制框圖圖2-13中，分別提取線路的五、七次諧波，給五、七次諧波賦予不同的電壓增益Kv7、Kv5。由圖2-11可知9km線路，五次諧波末端開路為諧波狀況最好的情況，因此設(shè)Kv5=0；而七次諧波的增益越大，對(duì)諧波的抑制效果越好。參考圖2-11給出的仿真模型，設(shè)定Kv7=1/z，Kv5=0時(shí)，在9km傳輸線線路驗(yàn)證諧波抑制的分頻調(diào)節(jié)控制策略，9km傳輸線線路諧波放大情況抑制前后對(duì)比如圖2-14所示，虛線為抑制后的諧波電壓放大倍數(shù)。(a)七次諧波放大(b)五次諧波放大(c)總諧波放大圖2-149km傳輸線分頻諧波抑制前后對(duì)比圖2-14中，在加入分頻控制的末端阻性有源濾波器前，線路中七次諧波放大嚴(yán)重，最高達(dá)到了4.5倍，而五次諧波整條傳輸線不僅未被放大，而且在線路中段接近于零。加入濾波器后，很好的抑制了線路七次諧波的放大，整條傳輸線七次諧波維持在了源端水平，而五次諧波依舊保持了抑制前的水平，相比之前末端匹配的控制策略，進(jìn)一步改善了整條線路的電壓畸變，對(duì)比圖2-12和圖2-14中總諧波放大，很明顯分頻控制具有更好的抑制效果。2.5阻性有源濾波器實(shí)驗(yàn)在搭建后好的9km傳輸線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)第2.4節(jié)提到的末端阻性有源濾波器和分頻控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖2-15無(wú)補(bǔ)償裝置線路電壓波形圖2-16鎖相環(huán)DA輸出圖2-15為未加入有源濾波裝置時(shí)，節(jié)點(diǎn)1、4、6和9四個(gè)典型位置的電壓波形，從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)4和9電壓畸變最為嚴(yán)重，諧波含量已經(jīng)到了7%，驗(yàn)證了圖2-12的仿真結(jié)果。圖2-16為對(duì)線路末端電壓的DSP鎖相環(huán)的AD輸出，盡管電壓畸變已經(jīng)很嚴(yán)重，仍能成功鎖相，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。圖2-17加入末端阻性濾波器節(jié)點(diǎn)電壓波形圖2-18給定電流與補(bǔ)償電流對(duì)比圖2-17給出了末端加入阻抗匹配的阻性有源濾波器，節(jié)點(diǎn)1、4、6和9的電壓波形與圖2-15相比，電壓波形得到了很大的改善，分析波形，電壓的諧波含量降到了4%左右，說(shuō)明阻性有源濾波器對(duì)線路諧波振蕩起到了很好的抑制效果。圖2-18為給濾波器輸出電流與給定補(bǔ)償電流。圖2-19抑制前后七次諧波含量圖2-20抑制前后五次諧波含量圖2-19和圖2-20給出了在線路末端加入末端阻性有源濾波器前后，線路中的五、七諧波含量對(duì)比，虛線為抑制后的諧波含量。加入末端阻性有源濾波器后，整條線路的五、七次諧波均不會(huì)發(fā)生放大現(xiàn)象，除去實(shí)驗(yàn)參數(shù)不均對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可認(rèn)為與仿真相同，證明末端阻性諧波抑制方案能很好的抑制線路諧波振蕩。圖2-21分頻控制特殊節(jié)點(diǎn)電壓波形圖2-22給定電流與補(bǔ)償電流對(duì)比圖2-21為基于分頻控制的諧波抑制方案，線路節(jié)點(diǎn)1、4、6和9的電壓波形。與圖2-17相比，節(jié)點(diǎn)電壓波形變的更加平滑，圖2-22為濾波器輸出電流與參考指令電流的對(duì)比。圖2-23分頻控制五次諧波含量抑制前后對(duì)比與末端阻性諧波抑制方案相比，諧波的分頻控制最大的改善就是維持加入濾波裝置前線路中良好的五次諧波狀況。圖2-23為加入分頻控制濾波器前后線路中五次諧波含量對(duì)比，虛線為加入后的。很明顯，線路中五次諧波沒有受濾波器的影響，依舊維持抑制前的狀況。本章小結(jié)本章首先給出了分析傳輸線的兩種基本模型——集總參數(shù)模型和分布參數(shù)模型。根據(jù)傳輸線理論，推導(dǎo)了諧波在傳輸線上傳播的電壓、電流方程，總結(jié)出無(wú)諧波放大的兩種情況：a)末端阻抗匹配；(b)傳輸線足夠長(zhǎng)。并在分布式參數(shù)模型的基礎(chǔ)上給出了加入等效阻值為1/Kv的APF后，幾種常見線路線路諧波表達(dá)式，作為優(yōu)化諧波抑制的重要的數(shù)學(xué)依據(jù)。驗(yàn)證了末端阻性APF抑制諧波振蕩的可行性，給出相應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第3章無(wú)限長(zhǎng)傳輸線系統(tǒng)諧波抑制策略第3章無(wú)限長(zhǎng)傳輸線系統(tǒng)諧波抑制策略無(wú)限長(zhǎng)傳輸線是除末端阻抗匹配外，另外一種無(wú)反射波，諧波不會(huì)放大的情況，本章通過控制APF，模擬無(wú)限長(zhǎng)傳輸線，為抑制線路諧波放大提供了新的思路與方法。3.1無(wú)限長(zhǎng)傳輸線思想APF控制策略為實(shí)現(xiàn)無(wú)限長(zhǎng)傳輸線，在線路末端加入APF，控制APF輸出電流近似模擬長(zhǎng)度為x的傳輸線，當(dāng)x足夠大時(shí)，即可近似消除傳輸線上的諧波反射波，實(shí)現(xiàn)無(wú)諧波振蕩，圖3-1給出了模擬傳輸線無(wú)限長(zhǎng)的等效示意圖。圖3-1模擬無(wú)限長(zhǎng)傳輸線模型在圖3-1當(dāng)中A為含背景諧波的9km傳輸線，B為加入的受控電壓源和受控電流源。在傳輸線理論中，若已知起始點(diǎn)電壓U0和電流I0，則距離起始點(diǎn)長(zhǎng)度為x的電壓ux和電流ix的值如式(3-2)所示。 (3-1)假定圖3-1中B部分a為起始端，電壓和電流的值分別為U0、I0，參考(3-1)即可得出b點(diǎn)的電壓和電流。則B部分中的受控電壓源和受控電流源的表達(dá)式即可得到，如式(3-2)所示。 (3-2)圖3-1中b點(diǎn)為空載情況，則存在i=-I0，將該等式代入(3-2)中，可得到等式： (3-3)進(jìn)而可以得到圖3-1中B部分的等效阻抗： (3-4)當(dāng)x∞時(shí)，B部分的等效阻抗為線路的特征阻抗，在傳輸線的末端實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，在整條傳輸線上不存在諧波反射波，實(shí)現(xiàn)無(wú)諧波振蕩。根據(jù)電路的替代定理，對(duì)圖3-1給出的無(wú)限長(zhǎng)傳輸線進(jìn)行簡(jiǎn)化，可用值為式(3-5)的受控電流源替代原B部分。 (3-5)簡(jiǎn)化后的控制示意圖如圖3-2所示，采集線路末端諧波電壓和諧波電流，作相應(yīng)運(yùn)算作為受控電流源的指令信號(hào)。圖3-2無(wú)限長(zhǎng)傳輸線簡(jiǎn)化控制示意圖其中K1、K2分別為電流、電壓增益系數(shù)，且： (3-6)3.2APF電流源增益特性分析由式(3-6)可以看出K1、K2的值只與γ、x有關(guān)系，且當(dāng)x足夠大時(shí)，K1/K2=z。圖3-3給出了7次諧波情況下K1、K2與等效延長(zhǎng)傳輸線長(zhǎng)度x的關(guān)系，圖中虛線為K1，實(shí)線為K2。圖3-3電壓、電流增益與等效延長(zhǎng)x關(guān)系在實(shí)驗(yàn)與仿真中，將五、七次諧波的電壓、電流增益設(shè)置為相同的較大的值，使對(duì)五、七次諧波均有較大的等效長(zhǎng)度來(lái)消除五、七次諧波因γ不同而影響的諧波抑制效果。分析圖3-3可以看出：隨著K1、K2的增加，受控電流源的等效延長(zhǎng)傳輸線長(zhǎng)度x越大。K1、K2與x成指數(shù)性變化，以K1為例，當(dāng)K1=2.6時(shí)，等效傳輸線長(zhǎng)度已增長(zhǎng)為100km。在等效延長(zhǎng)距離x的變化過程中，K1和K2的比恒為z。傳輸線等效長(zhǎng)度在100km以上時(shí)，由于傳輸線阻性成分的存在，諧波反射波已經(jīng)很微弱，諧波情況已接近無(wú)限長(zhǎng)傳輸線，因此，在仿真和實(shí)驗(yàn)中可以用較小K1、K2值來(lái)模擬無(wú)限長(zhǎng)傳輸線，在保持較好的諧波抑制效果的同時(shí)，還提高了濾波器的反應(yīng)速度。為驗(yàn)證K1/K2=z是線路諧波抑制最優(yōu)選擇，圖3-4給出了在不同K1、K2值的情況下，9km傳輸線路上1km、4km、6km和9km四個(gè)節(jié)點(diǎn)的諧波放大情況。其中左側(cè)圖為節(jié)點(diǎn)電壓諧波放大倍數(shù)，右側(cè)圖為無(wú)諧波放大區(qū)域示意圖。1000m(b)4000m(c)6000m(d)9000m圖3-4不同K1、K2值線路諧波放大情況分析圖3-4給出的線路節(jié)點(diǎn)在不同K1、K2情況下線路諧波放大情況，結(jié)合每個(gè)節(jié)點(diǎn)給出的兩幅諧波放大示意圖，看出對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)講，K1、K2的變化范圍是很寬的，但對(duì)整條線路來(lái)講，K1/K2維持在特征阻抗附近時(shí)，整條線路都不會(huì)發(fā)生諧波放大情況。3.3無(wú)限長(zhǎng)傳輸線仿真驗(yàn)證在圖2-1和表2-1給出的實(shí)際傳輸線模型的基礎(chǔ)上，按照上文推導(dǎo)的無(wú)限長(zhǎng)傳輸線思想，搭建如圖3-2的仿真圖。在仿真時(shí)保持K1/K2=z，分別將K1設(shè)置為0(開路)、1、5、10和30，圖3-5給出了在不同K1、K2下線路諧波放大情況。(a)七次諧波放大(b)五次諧波放大(c)總諧波放大圖3-59km無(wú)限長(zhǎng)傳輸線控制諧波抑制從圖3-5可以看出，當(dāng)K1大于5時(shí)，線路諧波含量在抑制后基本維持相同，五、七次諧波均未被放大。K1大于5的等效延長(zhǎng)傳輸線長(zhǎng)度大于100km，傳輸線足夠長(zhǎng)，可近似等效為無(wú)限長(zhǎng)傳輸線。圖3-6給出了無(wú)限長(zhǎng)傳輸線有源濾波器與末端阻性有源濾波器的諧波抑制情況對(duì)比，其中線路始端含五、七次諧波均為2%，末端阻性有源濾波器Kv=z，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線K1=10，K2=1.12，虛線無(wú)限長(zhǎng)傳輸線有源濾波器的線路諧波抑制曲線。(a)總諧波放大(b)五次諧波放大圖3-69km無(wú)限長(zhǎng)傳輸線與末端阻性濾波器諧波抑制對(duì)比從圖3-6可以看出無(wú)限長(zhǎng)傳輸線對(duì)整條線路和五次諧波的抑制要優(yōu)于末端阻性有源濾波器，對(duì)五次諧波抑制效果比較好，比較適合于線路中五次諧波含量較高的情況。分布式系統(tǒng)中電容器的投切、負(fù)載的工況以及天氣變化均會(huì)影響線路的特征阻抗。對(duì)線路特征阻抗發(fā)生變化，對(duì)無(wú)限長(zhǎng)傳輸線與末端阻性有源濾波器兩種方法進(jìn)行了仿真對(duì)比，圖3-7給出了兩種方法的諧波抑制效果對(duì)比，虛線為無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案。(a)特征阻抗變大(b)特征阻抗變小圖3-79km特征阻抗改變無(wú)限長(zhǎng)傳輸線與末端阻性濾波器諧波抑制對(duì)比圖3-7(a)為線路特征阻抗變?yōu)橹暗?.5倍，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案的諧波抑制情況明顯優(yōu)于末端阻性諧波抑制方案；圖3-7(b)為特征阻抗變?yōu)橹暗?/3，兩種控制方案的諧波抑制效果基本相同，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線抑制方案略優(yōu)于末端阻性諧波抑制方案。綜合起來(lái)，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案，對(duì)線路的特征阻抗的靈敏度小，對(duì)傳輸線線路參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，具有更好的諧波抑制效果。傳輸線路中間往往會(huì)帶有非線性負(fù)載，這些負(fù)載會(huì)給電網(wǎng)注入諧波電流，考慮線路中含有諧波電流源的情況，對(duì)前面提到的兩種諧波抑制方案進(jìn)行了仿真對(duì)比。仿真中，在3km處加入三相五、七次諧波電流源負(fù)載（五、七次諧波電流幅值均為1A），圖3-8給出了兩種諧波抑制方案的效果對(duì)比圖。圖3-83km加入諧波電流源負(fù)載諧波抑制對(duì)比圖3-8中虛線為無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波放大曲線，點(diǎn)劃線為末端阻性諧波放大曲線，實(shí)線為抑制前諧波放大曲線。由于3km處加入諧波負(fù)載，線路3km處諧波有一定放大，在1-3km段，兩種抑制方案抑制效果相同，而在3km以后，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線的抑制效果凸顯出來(lái)，尤其是在4-7km段，諧波放大倍數(shù)明顯低于末端阻性控制方案，最高抑制效果提高20%以上。*****3.4無(wú)限長(zhǎng)傳輸線濾波器實(shí)驗(yàn)無(wú)限長(zhǎng)傳輸線有源濾波器有末端阻性有源濾波器相似，仍安裝在線路末端，但無(wú)限長(zhǎng)傳輸線濾波器需對(duì)濾波器輸出電流進(jìn)行采樣，作為閉環(huán)控制的輸入指令。圖3-9為加入無(wú)限長(zhǎng)傳輸線濾波器之前，線路節(jié)點(diǎn)1、4、6和9的電壓波形，電壓畸變已相當(dāng)嚴(yán)重。圖3-10為加入該控制方案濾波器(K1=10，K2=1.12)后的電壓波形，從圖中明顯看出電壓波形得到很好的改善，通過分析軟件得出線路最高的諧波含量從之前的7%降到了4%以下。圖3-9分頻控制特殊節(jié)點(diǎn)電壓波形圖3-10給定電流與補(bǔ)償電流對(duì)比圖3-11和圖3-12給出了抑制前后線路的諧波含量，虛線為五次諧波THD，點(diǎn)虛線為七次諧波THD，實(shí)線為總THD。加入濾波器之前，線路中的七次諧波從之前的4%左右最高放大到了近8%，已經(jīng)超過了電網(wǎng)對(duì)諧波要求的標(biāo)準(zhǔn)。加入濾波器后整條線路維持在了背景諧波源的水平，諧波未被放大。圖3-11未抑制前線路諧波含量圖3-12抑制后線路諧波含量圖3-13給出了不同電壓、電流增益及未加補(bǔ)償裝置、末端加入阻抗匹配的阻性有源濾波器的線路THD情況。圖3-13不同情況下，線路THD電壓、電流增益越大，等效延長(zhǎng)的距離也就越大，從圖3-13中可以看出，隨著K1的增加，整條線路的THD維持的越平滑，諧波抑制效果越好。但電壓、電流的增益增大到一定值后，諧波抑制效果改善不明顯。實(shí)驗(yàn)中通過改變?yōu)V波器等效阻抗值，模擬線路特征阻抗發(fā)生變化，特征阻抗變大或變小與濾波裝置阻抗不匹配下，R-APF與無(wú)限長(zhǎng)傳輸線APF對(duì)線路諧波的抑制情況。圖3-14為特征阻抗小于濾波器等效阻抗，濾波器等效阻抗大于線路特征阻抗(約是特征阻抗的1.5倍)，在加入兩種控制策略濾波器后，線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)五、七次諧波含量及總諧波含量。虛線為無(wú)限長(zhǎng)傳輸線APF的抑制結(jié)果。(a)(b)(c)圖3-14特征阻抗等效變小時(shí)，兩種抑制方案線路諧波對(duì)比(a)七次諧波含量對(duì)比；(b)五次諧波含量對(duì)比；(c)總諧波含量對(duì)比分析圖3-14的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)線路節(jié)點(diǎn)七次諧波的抑制，末端阻性控制方案要略優(yōu)于無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案，但對(duì)線路中五次諧波的抑制，很明顯末端阻性的效果要差很多，綜合起來(lái)，整體對(duì)線路諧波抑制，仍是無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案占優(yōu)。驗(yàn)證了之前的仿真分析。圖3-15給出的為特征阻抗大于濾波器等效阻抗的情況，特征阻抗約為濾波器等效阻抗的1.5倍。(a)(b)(c)圖3-15特征阻抗等效變大時(shí)，兩種抑制方案線路諧波對(duì)比(a)七次諧波含量對(duì)比；(b)五次諧波含量對(duì)比；(c)總諧波含量對(duì)比分析圖3-15的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)特征阻抗等效變大時(shí)，對(duì)線路節(jié)點(diǎn)七次諧波的抑制，末端阻性控制方案與無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案，接近相同，而對(duì)線路中五次諧波的抑制，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案的效果突出，而考慮總的諧波抑制效果，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案的效果是要優(yōu)于末端阻性控制方案。綜合圖3-14和圖3-15的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以總結(jié)：無(wú)論線路特征阻抗變大還是變小，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案是要好于末端阻性控制方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前的理論仿真相符。本章小結(jié)zhuyu提出了無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案，給出了方案的理論推導(dǎo)，原理上證明了方案的可行性。對(duì)無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，與末端阻性APF相比，具有更好的諧波抑制效果，尤其對(duì)傳輸線線路特征阻抗發(fā)生改變時(shí)，抑制效果更優(yōu)，降低了鼴鼠現(xiàn)象發(fā)生的可能性。最后對(duì)仿真進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。證明方案的正確性與可行性。第4章分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)諧波振蕩第4章分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)諧波振蕩分布式系統(tǒng)電壓等級(jí)較低，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性，如4-1所示將供電端引出的兩個(gè)射線型網(wǎng)絡(luò)終端連接起來(lái)即構(gòu)成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。本章針對(duì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的諧波放大做了相應(yīng)的理論分析，指出環(huán)形網(wǎng)絡(luò)諧波危害的嚴(yán)重性。圖4-1等效環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)4.1線路諧波振蕩分析環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)是兩個(gè)射線型傳輸線連接而成的，分析諧波在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的放大情況，可等效為兩個(gè)射線型傳輸線網(wǎng)絡(luò)的迭加。圖2-5和圖2-6給出了分析環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的模型。在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，諧波振蕩最為嚴(yán)重的往往是線路空載時(shí)，圖4-2給出了空載情況下的電路模型。(a)x向諧波電壓傳播(b)y向諧波電壓傳播圖4-2空載等效環(huán)形網(wǎng)絡(luò)分析模型(yuxu)參考式(2-23)~(2-28)可以得到線路空載時(shí)，諧波在線路中傳播表達(dá)式： (4-1)假設(shè)線路長(zhǎng)度l固定，求對(duì)x的導(dǎo)數(shù)，可得到長(zhǎng)度l上的諧波電壓極大值點(diǎn)需滿足式(4-2)。 (4-2)若式(4-2)成立，有x=l/2。即在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，空載情況下，線路中點(diǎn)諧波含量最高。基于表2-1給出的傳輸線參數(shù)，圖4-3給出了線路空載，五次諧波在不同長(zhǎng)度的傳輸線上的放大情況，線路長(zhǎng)度從五次諧波波長(zhǎng)的一半變化為一個(gè)波長(zhǎng)。(a)9km(b)12km(c)15km(d)18km圖4-3空載五次諧波振蕩放大圖4-3(a)、(b)、(c)和(d)分別為9km(λ5/2)、12km(2λ5/3)、15km(3λ5/4)和18km(λ5)中五次諧波的放大倍數(shù)，線路中間位置的諧波含量整條傳輸線最嚴(yán)重的。結(jié)合式(4-1)，當(dāng)分母sinhγl=0時(shí)，線路的諧波情況會(huì)更嚴(yán)重，即線路長(zhǎng)度l需滿足： l=nλ/2 (4-3)結(jié)合波的傳播理論，傳輸線上位置相距為半波長(zhǎng)整數(shù)倍的諧波含量相同。式(4-3)中若n為偶數(shù)時(shí)，諧波最為嚴(yán)重的中點(diǎn)位置諧波含量與背景諧波源情況相同，受背景諧波源的影響，整條線路諧波都不會(huì)發(fā)生放大，圖5-3(d)給出的傳輸線長(zhǎng)度為λ，中點(diǎn)位置諧波含量與背景諧波源相同，整條線路的諧波放大倍數(shù)均在1以下。繼續(xù)延長(zhǎng)傳輸線，每當(dāng)傳輸線的距離l=(2k+1)λ/2時(shí)，線路就會(huì)出現(xiàn)諧波放大的現(xiàn)象，由于阻性成分的存在，諧波放大的倍數(shù)會(huì)有所降低，圖4-4給出了27km(3λ5/2)傳輸線五次諧波放大情況。線路中點(diǎn)等位置的諧波被放大3.5倍，與9km(λ5/2)相比諧波放大情況相比略顯緩和，但諧波放大對(duì)線路的危害仍很大，若背景諧波含量為4%，4km、12km等諧波放大嚴(yán)重的點(diǎn)的電容裝置就可能被燒毀。因此，傳輸網(wǎng)絡(luò)較短的分布式供電系統(tǒng)，必須采取措施來(lái)防止線路中的諧波放大，以保護(hù)安裝在線路中功率因數(shù)校正電容器等用電設(shè)備。圖4-427km空載五次諧波振蕩放大****4.2諧波振蕩抑制對(duì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)諧波振蕩的抑制主要針對(duì)線路空載或者輕載的情況，仿照射線型供電網(wǎng)絡(luò)抑制諧波振蕩的方法，通過在線路中接入一個(gè)或多個(gè)APF作為只針對(duì)諧波的負(fù)載來(lái)抑制諧波振蕩，濾波裝置的安裝位置與等效阻抗決定了整條線路諧波振蕩的水平。4.2.1單濾波器安裝位置選擇從節(jié)約成本的角度考慮在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)加入單個(gè)APF實(shí)現(xiàn)線路空載時(shí)可能發(fā)生的諧波放大。將圖2-6給出的加入APF后的分析模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，如圖4-5所示。圖4-5環(huán)形網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型其中，。當(dāng)圖4-5中兩條等效傳輸線均滿足阻抗匹配時(shí)，沿x、y方向傳播的諧波均不會(huì)發(fā)生諧波放大，迭加后，整條線路也不會(huì)發(fā)生諧波放大。沿x、y傳輸線的特征阻抗均為z，則有： Rx=Ry=z (4-4)為滿足(4-4)等式，需要zd=zu，則APF必須安裝在線路中點(diǎn)，且線路中點(diǎn)是單個(gè)APF的最優(yōu)安裝點(diǎn)。圖4-6給出了λ5/2環(huán)形線路，線路不同位置接入從輕到重的負(fù)載時(shí)，線路中五次諧波放大情況。(a)1km加入負(fù)載(b)2km加入負(fù)載(c)3km加入負(fù)載(d)4km加入負(fù)載(d)5km加入負(fù)載圖4-69km線路中間帶載諧波振蕩圖4-6給出了在9km線路中點(diǎn)加入從輕到重負(fù)載時(shí)，線路中的諧波放大情況。APF安裝點(diǎn)越接近中點(diǎn)位置，抑制諧波放大的效果越好，在1km、2km和3km加入APF后線路都會(huì)存在一些節(jié)點(diǎn)，無(wú)論APF等效阻抗值為多少，均會(huì)出現(xiàn)諧波放大；接近中點(diǎn)后，只要等效阻抗大于某個(gè)值后，不會(huì)出現(xiàn)諧波放大。因此線路中點(diǎn)附近是安裝單個(gè)APF的最佳位置。4.2.2濾波器等效阻抗選擇濾波器安裝在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的中間位置為抑制諧波的最優(yōu)點(diǎn)，在傳輸線中間點(diǎn)時(shí)，可將傳輸線等效為兩條長(zhǎng)度相同(均為l/2)、特征阻抗為為z的傳輸線并聯(lián)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)變換為射線型網(wǎng)絡(luò)，如圖4-7所示，可將射線型網(wǎng)絡(luò)中的諧波抑制方案應(yīng)用到環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中。圖4-7中間加濾波器等效傳輸模型兩條等長(zhǎng)、等特征阻抗并聯(lián)以后，傳輸線線路電感變?yōu)橹暗?/2，電容變?yōu)橹暗亩叮鶕?jù)第二章給出的特征阻抗給出的計(jì)算公式，等效模型的特征阻抗變?yōu)閦/2。為實(shí)現(xiàn)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配，在線路中點(diǎn)位置加入等效阻抗如式(4-5)的R-APF，即可實(shí)現(xiàn)整條線路無(wú)諧波放大。 RAPF=1/KV=z/2 (5-5)假設(shè)線路背景諧波源只含有五次諧波，圖4-8隨機(jī)給出幾段傳輸線長(zhǎng)度，在線路中點(diǎn)加入等效阻抗為z/2有源濾波器，整條線路的諧波電壓放大情況。(b)(d)圖4-8不同長(zhǎng)度傳輸線阻抗匹配諧波放大圖4-8給出了6km(λ5/3)、9km(λ5/2)、14km(3λ5/4)、18(λ5)長(zhǎng)度具有代表性，圖中虛線為加入濾波器后，線路的諧波放大情況。無(wú)論傳輸線為諧波放大最為嚴(yán)重的(2k+1)λ/2,還是整條線路諧波狀況最好的kλ，加入等效阻值為z/2的濾波器后，整條傳輸線的諧波含量維持在背景諧波的水平，諧波放大系數(shù)M<1，無(wú)諧波放大。本章小結(jié)本章對(duì)分布式系統(tǒng)中環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)諧波振蕩進(jìn)行了分析，線路滿足一定長(zhǎng)度時(shí)，空載會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的諧波放大問題，并指出線路中點(diǎn)為線路諧波的極值點(diǎn)。以單臺(tái)APF為基礎(chǔ)，給出了其最佳安裝位置：安裝在線路中點(diǎn)附近，這樣可以將傳輸線等效為長(zhǎng)度與特征阻抗均減半的射線型傳輸線網(wǎng)絡(luò)，可以將射線型網(wǎng)絡(luò)抑制諧波振蕩的方法應(yīng)用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，例如在中間加入阻抗匹配的R-APF。第5章系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)第5章系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)5.1系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)前文分析了末端阻性諧波抑制方案與無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案，基于以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建?？紤]只有單相可編程交流電源，搭建了單相傳輸線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。系統(tǒng)平臺(tái)包括9km傳輸線電路、單相有源電力濾波器、DSP控制板、霍爾采樣電路及開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。5.1.19km傳輸線電路考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性和平臺(tái)空間大小，搭建了基于傳輸線集總參數(shù)模型的9km傳輸線，9組RLC分為9個(gè)節(jié)點(diǎn)，串聯(lián)等效實(shí)驗(yàn)，如圖5-1所示。圖5-1單相9km傳輸線手工纏繞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需的9個(gè)電感，電表4-1給出了9段RLC的實(shí)際電路參數(shù)值。表5-19km傳輸線數(shù)據(jù)線路電感/mH電容/μF電阻/Ω0-11.9823.40.51-21.8721.60.52-31.9824.30.53-42.0024.20.54-51.9622.90.55-61.9420.10.56-72.0425.20.57-82.1123.60.58-91.9933.90.5試驗(yàn)中，諧波電壓源有Chroma6350單相可編程交流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，chroma6350最大功率可以達(dá)到3kVA，輸出頻率最高可達(dá)2kHz，，輸出電壓150V/300V可調(diào)，對(duì)應(yīng)輸出電流有效值為30A/15A可選。輸入電壓190V-250V，輸入頻率為47Hz-63Hz，輸入最大電流有效值為23A。實(shí)驗(yàn)利用Chroma6530,通過編程發(fā)出含五、七次諧波的50Hz工頻電壓源，其中5次諧波含量2.45%，七次諧波含量3.95%[43]。5.1.2有源濾波器主電路及參數(shù)實(shí)驗(yàn)用到有源濾波器為單相全橋電壓型PWM變換器，將其用作單相有源濾波器需考慮的主電路參數(shù)包括交流側(cè)電感、直流側(cè)儲(chǔ)能電容和功率開關(guān)管，圖5-2給出了單相濾波器的示意圖。圖5-2有源濾波器主電路交流側(cè)電感：有源濾波器中，交流側(cè)電感的選取需考慮輸出補(bǔ)償電流跟蹤指令電流能力的能力，L取值太大，跟蹤電流變化慢，導(dǎo)致跟蹤電流與參考電流之間的誤差較大；L值太小，則當(dāng)參考電流變化緩慢時(shí)，補(bǔ)償電流的變化可能超過參考電流的變化量，形成毛刺，增加電流的紋波[44]。此外，L的選取還要考慮開關(guān)的頻率。綜合，本實(shí)驗(yàn)選取的電感值L為0.4mH。直流側(cè)電容：直流側(cè)電容主要為電壓型變流器提供穩(wěn)定的直流側(cè)電壓，它可以緩沖負(fù)序電流和高次諧波電流在直流電容側(cè)的能量脈動(dòng)以及由于電力開關(guān)的作用和有源電力濾波器的交流電感儲(chǔ)能造成的脈動(dòng)。電容電壓值及其波動(dòng)取決于濾波器補(bǔ)償容量和電容值的大小。它們不僅決定了濾波器的補(bǔ)償效果，也決定了濾波器的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，電壓值越小，對(duì)開關(guān)管的耐壓能力要求越低，成本也就越低；電容電壓的波動(dòng)直接決定了電容容值的大小，允許波動(dòng)范圍越大，電容取值可以越小，降低成本。綜合考慮成本與補(bǔ)償效果，本實(shí)驗(yàn)采取直流側(cè)采取值為1000μF，耐壓為450V的電解電容。功率開關(guān)器件：有源濾波裝置開關(guān)管多為GTO和IGBT，對(duì)大容量(100kVA以上)的有源電力濾波器一般選擇GTO，而小容量的通常選擇IGBT。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為小容量濾波器樣機(jī)，為提高開關(guān)的工作頻率，選用英飛凌的IKW40T120(1200V,40A)型IGBT作為主電路開關(guān)器件。5.1.3采樣檢測(cè)電路實(shí)驗(yàn)中，有源電力濾波器需閉環(huán)運(yùn)行的，電路中加入電壓、電流檢測(cè)元件實(shí)時(shí)檢測(cè)關(guān)鍵位置的電壓和電流，再經(jīng)采樣電路處理，輸入DSP經(jīng)過相應(yīng)計(jì)算，生成濾波器功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中用到的電壓檢測(cè)元件為CHV-25P，將電壓瞬時(shí)值轉(zhuǎn)化為電流瞬時(shí)信號(hào)，輸入輸出電流比為1000:2500。電壓霍爾傳感器，電流檢測(cè)元件為L(zhǎng)A-50P電流霍爾傳感器，將電流瞬時(shí)值轉(zhuǎn)化為電流瞬時(shí)值，輸入輸出電流比1000:1。圖5-3給出了實(shí)驗(yàn)用到的采樣檢測(cè)電路，圖中運(yùn)放A、B采用TI公司的TLC2272芯片。圖5-3采樣檢測(cè)電路DSP對(duì)AD轉(zhuǎn)換信號(hào)有要求，必須為0-3.3V直流電壓信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的均為交流信號(hào)，通過運(yùn)放A搭建同向加法電路增加1.5V偏移量，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，在經(jīng)過運(yùn)放B濾波后，得到滿足DSP輸入的信號(hào)，其中R1為檢測(cè)電阻。5.1.4開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路濾波器樣機(jī)中采用IGBT作為開關(guān)器件，IGBT的驅(qū)動(dòng)應(yīng)滿足：足夠大的驅(qū)動(dòng)電流；適當(dāng)反向關(guān)斷電壓，防止開關(guān)誤動(dòng)作；具有驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主電路信號(hào)隔離。綜合考慮，選擇Agilent公司的光耦驅(qū)動(dòng)芯片HCPL312J，TI公司的電源芯片DCP020515DP提供光耦驅(qū)動(dòng)芯片的VCC和VEE兩路電壓信號(hào)。5.2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)本文實(shí)驗(yàn)，采用TI公司數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2812[45]作為閉環(huán)算法控制芯片，該DSP主要完成采樣數(shù)據(jù)處理、電壓鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)、指令電流瞬時(shí)值計(jì)算、數(shù)字調(diào)節(jié)器(PI)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成等。實(shí)驗(yàn)中涉及的控制程序主要由C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，編寫程序的流程圖如圖5-4所示。圖5-4軟件編寫流程圖本章小結(jié)本章給出了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的構(gòu)成，簡(jiǎn)要介紹了平臺(tái)中的主要部件，給出了電容、電感及功率開關(guān)管選取的原則，并對(duì)采用電路及驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)短說(shuō)明，最后給出了實(shí)驗(yàn)中的軟件編寫的流程圖。結(jié)論結(jié)論APF為抑制諧波的主要手段，本文以APF為基礎(chǔ)yanjiuruhe抑制分布系統(tǒng)背景諧波在傳輸線上的諧波振蕩，本文的主要工作和結(jié)論如下：建立了分布式系統(tǒng)背景諧波在傳輸線上傳播的兩種數(shù)學(xué)模型——集總參數(shù)模型與分布參數(shù)模型。以分布參數(shù)模型為基礎(chǔ)，說(shuō)明在線路輕載或空載時(shí)，線路諧波振蕩的嚴(yán)重性，驗(yàn)證了傳統(tǒng)的末端阻性有源濾波抑制方案及改進(jìn)的分頻控制方案。區(qū)別于末端阻性有源濾波控制方案，提出無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案，完成該控制方案的理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并與阻性有源濾波抑制方案進(jìn)行對(duì)比。仿真與實(shí)驗(yàn)均證明le無(wú)限長(zhǎng)傳輸線諧波抑制方案能更好的適應(yīng)線路工況變化，在特征阻抗變大變小及線路中引入諧波電流，無(wú)限長(zhǎng)傳輸線均有更優(yōu)的抑制效果。建立分布式環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)學(xué)模型，指出空載情況下線路諧波可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重放大及諧波最嚴(yán)重的位置。提出了基于單APF的環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)諧波抑制方案，指出單APF的最優(yōu)安裝位置及電壓增益選取。由于時(shí)間有限，本課題還有很多工作不盡完善，今后可以在一下幾個(gè)方案展開進(jìn)一步研究：有源電力濾波器檢測(cè)環(huán)節(jié)優(yōu)化，提高諧波的提取精度與APF的處理速度，減少檢測(cè)延遲時(shí)間。射線型與環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)中，采用多個(gè)APF的抑制策略沒有做研究，在射頻網(wǎng)絡(luò)中，提到過采用多節(jié)分支來(lái)消除反射波，多個(gè)APF的抑制策略有很大的研究意義。多含分支的傳輸線網(wǎng)絡(luò)未作研究，實(shí)際中很多配電網(wǎng)絡(luò)為多分支的，建立分支傳輸線數(shù)學(xué)模型，分析諧波傳播過程也有很好的實(shí)際意義。燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]袁越，錢科軍，ChengkeZhou.分布式發(fā)電的環(huán)境價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