畢業(yè)論文-智能電網(wǎng)下寬頻域諧波的產(chǎn)生機(jī)理、危害及治理方法

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目智能電網(wǎng)下寬頻域諧波的產(chǎn)生機(jī)理、危害及治理方法學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化1109班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年5月19日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第圖3.13中可以看出，當(dāng)考慮了輸電線路分布電容、變壓器雜散電容時(shí)，諧波電壓出現(xiàn)了諧振放大現(xiàn)象，與諧波電流諧振特點(diǎn)相似，諧振點(diǎn)呈帶狀分布。3.5本章小結(jié)本章首先建立了考慮輸電線路分布電容和變壓器雜散電容后的線路模型。然后用Matlab仿真軟件觀察隨著諧波次數(shù)、線路長(zhǎng)度變化的線路阻抗、諧波電壓和電流的放大情況。最后得出了相應(yīng)的結(jié)論，概括起來是線路的阻抗出現(xiàn)了幾條明顯的阻抗帶，諧波電壓和電流也出現(xiàn)了諧振放大現(xiàn)象?？梢姡S著電力電子設(shè)備的廣泛使用，寬頻域、高頻率、多類型交互耦合的諧波問題將日益嚴(yán)重。第4章串聯(lián)型APF的寬頻域諧波治理方法研究4.1有源電力濾波器有源電力濾波器是一種新型的電力電子裝置。它能夠補(bǔ)償不斷變化著的無功功率和頻率大小都在發(fā)生變化的諧波。它彌補(bǔ)了以往LC濾波器等傳統(tǒng)抑制諧波和補(bǔ)償無功方法的不足。有源電力濾波器的系統(tǒng)包含兩個(gè)部分。其中，一部分是指令電流運(yùn)算電路，另一部分是補(bǔ)償電流發(fā)生電路。指令電流運(yùn)算電路是用于檢測(cè)需要補(bǔ)償?shù)膶?duì)象的無功電流和諧波電流成分，因此其也被稱為諧波和無功電流檢測(cè)電路。另外一部分（即補(bǔ)償電流發(fā)生電路）則是依據(jù)諧波和無功電流檢測(cè)電路得出的補(bǔ)償電流信號(hào)，提供實(shí)際所需的補(bǔ)償電流。有源電力濾波器的主電路，到目前為止用的都是PWM變流器。當(dāng)變流器在產(chǎn)生實(shí)際所需的補(bǔ)償電流的時(shí)候，它主要是工作于逆變狀態(tài)；當(dāng)有源電力濾波器直流側(cè)的儲(chǔ)能元件從電力網(wǎng)吸收能量的時(shí)候，PWM變流器工作于整流狀態(tài)。由此可見，PWM變流器可以工作于逆變、整流這兩種狀態(tài)下。由于無法嚴(yán)格將整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)區(qū)分開來，故通常不把PWM變流器叫做逆變器。4.1.1基本原理有源電力濾波器的工作流程可簡(jiǎn)要概括為以下幾個(gè)步驟：第一步，將被補(bǔ)償對(duì)象中的電流、電壓值檢測(cè)出來；第二步，通過諧波和無功電流檢測(cè)電路所測(cè)得的電流、電壓，把所需補(bǔ)償量的信號(hào)計(jì)算出來；第三步，使此補(bǔ)償信號(hào)通過補(bǔ)償電流發(fā)生電路，得以放大，從而得到實(shí)際所需的補(bǔ)償電流。通過以上的三個(gè)步驟，將補(bǔ)償電流用于與負(fù)載電流的諧波分量和無功電流等相互抵消，這樣便可以得到令人較為滿意的電源電流。下面，具體舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來說明以上論述。比如，現(xiàn)在我們需要補(bǔ)償由非線性負(fù)載引起的諧波電流，有源電力濾波器通過指令電流運(yùn)算電路，得到了實(shí)時(shí)的負(fù)載電流中的諧波成分。那么，接著我們需要把它的極性反過來，并以此作為我們所要補(bǔ)償?shù)膶?duì)象的指令信號(hào)。因?yàn)樨?fù)載電流中所含的諧波成分與實(shí)際所需補(bǔ)償電流在數(shù)量上有大小相等的關(guān)系，且它們的方向相反，所以二者因相互抵消使得電源電流中不會(huì)含有諧波分量，而只含有基波成分。這樣便巧妙地削弱了電網(wǎng)中的諧波成分。以上所敘述的原理，可以通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的公式展現(xiàn)出來，公式如下：(4.1)(4.2)(4.3)(4.4)式中，為電源電流，為負(fù)載電流，為負(fù)載電流中的基波，為負(fù)載電流中的諧波成分，為補(bǔ)償電流。4.1.2系統(tǒng)構(gòu)成如下，圖4.1為單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器原理圖。從圖中可以看出，有負(fù)載和變流器以及各種電容、電感元件。單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器的主電路是由變流器、電感、直流側(cè)用于儲(chǔ)蓄能量的電容三者構(gòu)成的。電網(wǎng)中的諧波是由負(fù)載產(chǎn)生的，通常是非線性的負(fù)載。圖4.1單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器有源電力濾波器的主電路有電流型和電壓型兩種。如下，圖4.2是三相的電流型PWM變流器，圖4.3是三相的電壓型PWM變流器。圖4.2三相電流型PWM變流器圖4.3三相電壓型PWM變流器這兩種主電路中，在電流型變流器的直流側(cè)，接有一個(gè)數(shù)值很大的電感，起維持電流恒定的作用，因此可以認(rèn)為直流側(cè)是一個(gè)恒流源；在電壓型變流器的直流側(cè)，是一個(gè)數(shù)值很大的電容器，起到維持電壓不變的作用，因此可以認(rèn)為直流側(cè)是一個(gè)恒壓源REF_Ref8524\r\h[6]。其中，電流型變流器有一個(gè)顯著地好處，那就是當(dāng)主電路中上下橋臂的器件直接連通時(shí)，電路不會(huì)引起短路。但是，在電路工作時(shí)，主電路中一直都會(huì)有電流流經(jīng)大電感，使得大電感自身的內(nèi)阻有很大的能量損耗，很不經(jīng)濟(jì)。這也是電流型變流器應(yīng)用較少的原因。但是，近年來，人們對(duì)超導(dǎo)儲(chǔ)磁體的研究有了新的進(jìn)展。如果在不久的將來，能把超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，大電感就會(huì)被大批取代，那時(shí)就會(huì)有很多的電流型變流器。本文采用的是電壓型PWM變流器。4.2串聯(lián)型APF仿真4.2.1仿真電路圖為了對(duì)串聯(lián)型APF的原理進(jìn)行驗(yàn)證并分析輸出特性，利用PSCAD電力系統(tǒng)仿真工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。圖4.4是串聯(lián)型APF系統(tǒng)仿真圖。圖STYLEREF1\s4.4串聯(lián)型APF系統(tǒng)仿真為了對(duì)串聯(lián)型APF的原理進(jìn)行驗(yàn)證并分析輸出特性，利用PSCAD電力系統(tǒng)仿真工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。圖4.4是串聯(lián)型APF系統(tǒng)仿真圖。上圖中，grid模塊如REF_Ref388454553\h圖4.5所示，三相電源線電壓有效值為110kV，輸電線路阻抗是用型模型參數(shù)。線路上有兩個(gè)變壓器，一個(gè)為110kV降壓到10kV，另一個(gè)為10kV降壓到400V。10kV上有阻感性負(fù)載。Seriestransformer模塊如REF_Ref388455074\h圖4.6所示，三個(gè)單相變壓器變比都為1。Passivebandrejectionfilter模塊如REF_Ref388455243\h圖4.7所示，由LC并聯(lián)構(gòu)成，并聯(lián)諧振頻率為50Hz。Load模塊如REF_Ref388455431\h圖4.8所示，由兩個(gè)三相不可控整流負(fù)載構(gòu)成。圖STYLEREF1\s4.5PSCAD電網(wǎng)模型圖4.6SeriesTransformer內(nèi)部連接圖圖STYLEREF1\s4.7PassiveBandRejectionFilter模塊內(nèi)部連接圖圖STYLEREF1\s4.8Load模塊內(nèi)部連接圖4.2.2仿真結(jié)果及分析REF_Ref388460821\h圖4.9為負(fù)載電流與電網(wǎng)電流比較，圖中為負(fù)載電流，可以看出畸變非常嚴(yán)重；為400V電網(wǎng)電流，為正弦曲線，說明串聯(lián)型APF可以治理電網(wǎng)電流波形畸變。圖STYLEREF1\s4.9負(fù)載電流與電網(wǎng)電流比較圖STYLEREF1\s4.10負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓比較圖4.10為負(fù)載A相電壓與電網(wǎng)A相電壓比較，圖中為負(fù)載電壓，可以看出有較小的畸變；為電網(wǎng)電壓，為正弦曲線，說明串聯(lián)型APF也可以治理電網(wǎng)電壓波形畸變。圖4.11為負(fù)載A相電流FFT分析，可以看出諧波電流含量大，而且分布廣泛，主要是三相阻感負(fù)載的特征次諧波。REF_Ref388461118\h圖4.12為電網(wǎng)電流FFT分析，可以看出諧波含量被大幅削弱。圖STYLEREF1\s4.11負(fù)載電流FFT分析圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s112電網(wǎng)電流FFT分析REF_Ref388461257\h圖4.13為負(fù)載電壓FFT分析，可以看出諧波也含量較大，而且分布廣泛。REF_Ref388461259\h圖4.14為電網(wǎng)電壓FFT分析，可見諧波含量也大大降低。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s113負(fù)載電壓FFT分析圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s114電網(wǎng)電壓FFT分析4.3本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)單介紹了有源電力濾波器，然后用PSCAD對(duì)串聯(lián)型APF進(jìn)行系統(tǒng)仿真。先介紹了仿真圖中各模塊的功能，給出了仿真的結(jié)果，包括負(fù)載電流和電網(wǎng)電流的比較，負(fù)載電壓和電網(wǎng)電壓的比較以及負(fù)載電流、電壓，電網(wǎng)電流、電壓的FFT分析。證明了本文提出的串聯(lián)型APF能夠很好地治理寬頻域諧波。結(jié)論隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，使得電網(wǎng)諧波問題逐漸表現(xiàn)為寬頻域、高頻率的特征，影響電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文在總結(jié)諧波新特征的基礎(chǔ)下，做了以下幾個(gè)方面的工作：1.介紹了諧波以及幾種主要的諧波源，并總結(jié)了諧波的危害。2.建立了考慮輸電線路分布電容和變壓器雜散電容后的線路模型。然后用Matlab仿真軟件詳細(xì)觀察了隨著諧波次數(shù)、線路長(zhǎng)度變化的線路阻抗、諧波電壓和電流的放大情況。據(jù)此，分析諧波諧振的內(nèi)在機(jī)理。3.介紹了用于抑制諧振放大的串聯(lián)型有源電力濾波器，用PSCAD軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的分析。對(duì)于展望，本文第4章中也提到了對(duì)于超導(dǎo)儲(chǔ)磁體的研究。如果在不久的將來，能把超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，大電感就會(huì)被大批取代，那時(shí)就會(huì)有很多的電流型變流器。同時(shí)目前混合型電力濾波器HAPF也是一大熱點(diǎn)，它同時(shí)結(jié)合了PPF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低以及APF補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，若有機(jī)會(huì)，自己希望可以深入探討。致謝時(shí)間如白駒過隙，大學(xué)四年匆匆而過，歡樂也好，遺憾也罷，都將是自己人生中難以磨滅的記憶。大學(xué)后幾個(gè)月在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)使我的生活無比充實(shí)，同時(shí)也了解了研究生的生活學(xué)習(xí)模式。因?yàn)橛兄鴮W(xué)校各老師和同學(xué)的慷慨幫助，自己大學(xué)四年的收獲才能如此豐富。至此論文即將完工之際，向他們致以我真誠(chéng)的感謝。首先要感謝我的畢設(shè)指導(dǎo)老師許加柱老師。在實(shí)驗(yàn)室中，許老師的嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)、知識(shí)淵博、平易近人等特點(diǎn)都給我留下了深刻的印象。同時(shí)許老師在生活上也絕對(duì)是一名優(yōu)秀的老師，他身體力行的教導(dǎo)我們，學(xué)習(xí)的同時(shí)不要忽略身體，多進(jìn)行鍛煉，以及他對(duì)家庭與工作的平衡也值得我以后學(xué)習(xí)。衷心感謝許老師的悉心指導(dǎo)。感謝廖安平老師，因?yàn)槟实拇髮W(xué)第一課，引導(dǎo)了我豐富的大學(xué)生活。感謝我親愛的室友們，謝謝你們四年來的包容與關(guān)心。感謝曹新英、廖文駿、劉樂、易偉浪、李孟澤等朋友們，因?yàn)橛心銈?，我的大學(xué)才更加精彩。感謝湖大的各老師和同學(xué)，這四年里，是你們的無私奉獻(xiàn)和關(guān)懷，讓我受益匪淺。最后要感謝我的家人們，是你們的辛勤勞動(dòng)讓我有機(jī)會(huì)無憂無慮的學(xué)習(xí)和生活，是你們溫暖堅(jiān)實(shí)的后盾，讓我勇于挑戰(zhàn)困難。感謝所有關(guān)心我的人，我會(huì)加倍努力，讓你們看到一個(gè)更好的我。?，F(xiàn)銳2015年5月于湖南大學(xué)參考文獻(xiàn)王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:257-259駱鶴松,駱?biāo)?電力系統(tǒng)諧波研究綜述[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2011,(5):64-67劉翼.諧波的危害及對(duì)諧波污染的治理[J].低壓電器,2007,(16):48-52劉定國(guó)，帥智康等.寬頻域諧波串并聯(lián)諧振問題及其治理方法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(2)帥智康，涂春鳴等.寬頻域諧波諧振劣化機(jī)理及其抑制措施研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(12)[6]王群，姚為政等.直流側(cè)串聯(lián)型有源電力濾波器的建模與控制研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,7:30-35[7]姚為政,劉進(jìn)軍等.串聯(lián)型有源電力濾波器控制方式的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1999,14(6):47-51[8]于晶榮，粟梅，孫堯.有源電力濾波器的改進(jìn)重復(fù)控制及其優(yōu)化設(shè)計(jì).電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012,27(82):235-242.[9]王群,姚為正,劉進(jìn)軍,王兆安.電壓型諧波源與串聯(lián)型有源電力濾波器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,07:30-35.[10]Suslov,K.V.;Smirnov,A.S.;Solonina,N.N."Distributedfilteringofhighharmonicsinmicrogrids",ElectricalPowerQualityandUtilisation(EPQU),201111thInternationalConferenceon,