非线性电力电子装置的谐波源模型及其在谐波分析中的应用

近年来电力电子装置的广泛应用使得电力系统的谐波问题越来越严重,世界各国均对谐波研究给予了更多关注。各种谐波源产生的谐波对电力系统造成污染,影响到整个电气环境。谐波可产生诸多危害,例如使电力系统中各元件产生附加损耗,如果系统中存在谐振则可引起谐波电流的放大,从而损坏线路和并联电容设备。谐波还会对继电保护、自动装置等造成干扰和误动作并可能对相邻通讯线路产生干扰影响等。谐波源是所有谐波问题的研究基础。研究谐波源产生谐波的机理,并用精确实用的模型表征谐波源的特性,将更有利于谐波分析与治理的进行。目前工程中广泛采用恒流源模型,该模型虽然原理简单、使用方便,但当系统中存在多个谐波源时精度欠佳。 谐波分析是根据电网的结构以及系统中各元件的参数和运行条件,通过谐波潮流计算确定系统中谐波电压和谐波电流的分布状况。随着数字电子技术的进步,已有仪器能对谐波进行连续的测量,提供必要的信息。但网络中节点数目多,支路分布广,不可能完全通过实测的方法了解电网中的谐波分布;而且对新投入的谐波源设备,有必要通过谐波潮流计算预测其在系统中可能引起的谐波畸变程度,以便设计相应的滤波装置。因此研究一种精确、快速的谐波潮流算法具有重要的理论意义和现实意义。 在频域中分析谐波源的谐波产生机制是一种行之有效的研究方法。本文基于调制理论,在频域中分析了非线性电力电子装置类谐波源产生的谐波电流,提出了一种研究此类谐波源的新型的数学模型。该模型将谐波源时域的非线性特征转化为频域的线性谐波耦合矩阵,并基于模型的此特点,首次提出一种非迭代的谐波潮流计算方法。该方法可快速、准确地计算系统中存在多个谐波源时各节点的谐波电压和谐波电流。论文的主要研究内容和创新性成果如下: （1）结合调制理论提出了电力系统单相整流装置和三相整流装置的新型谐波源模型-谐波耦合导纳矩阵模型。模型可考虑以下各因素对整流装置产生谐波的影响:基频供电电压的初始相位、晶闸管的触发延迟、整流装置供电端各次谐波电压、负载电动势以及晶闸管的换相过程。该模型最重要的特点为:矩阵的元素不随整流装置端口谐波电压的变化而变化,是独立于端口谐波电压状况的恒定矩阵。此特性表明,整流装置在频域中是一线性元件。另外,该模型还具有以下重要特点: a.模型反映了整流装置端口的各阶谐波电流和谐波电压的耦合关系,每阶谐波电压都会导致各阶谐波电流的产生。 b.整流装置的谐波电流不仅是其端口谐波电压相量的函数,也是谐波电压共轭相量的函数。 c.该模型不依赖于整流装置的运行点,适用于较广的运行条件。 （2）通过分析谐波耦合导纳矩阵各元素,从解析性角度得出整流装置的谐波产生特性: a.Y+的第一列元素表示整流装置的端电压基频分量对谐波电流产生的影响。基频电压对谐波电流的贡献远大于其他各阶谐波电压的贡献,第一列元素可作为传统恒流源模型的计算公式。 b.Y+和Y-的第一行元素共同表示整流装置的端电压基频分量对谐波电流产生的影响。谐波电压转换为基波电流的部分较小,此特点决定了基频潮流和谐波潮流可解耦计算。 c.Y+对角线元素的含义是hth谐波电压对hth谐波电流的影响,即整流装置谐波的自耦合效应;整流装置某次谐波电压对另外一次谐波电流的影响可通过Y+和Y-的非对角线元素来体现,是整流装置谐波电压和谐波电流之间的互耦合效应。对单相整流装置,谐波的自耦合效应远大于谐波的互耦合效应,且随着谐波阶数的增大,谐波的自耦合和互耦合效应均逐渐减小。对三相整流装置,谐波自耦合效应没有明显强于互耦合效应。 d.整流装置的基波电压初始相位只引起谐波电流的平移,不引起各元素幅值相对大小的改变;随着整流装置触发角的增大,各谐波电压对谐波电流的贡献减小。 e.谐波耦合矩阵中的任一元素均是收敛的无穷级数形式。 （3）基于谐波耦合导纳矩阵模型,首次提出一种新型的非迭代的谐波潮流算法。将谐波源视作恒功率负荷,计算基频下的系统潮流运行方式,并据此计算谐波源的控制变量及其谐波耦合矩阵模型。联立系统的谐波导纳方程和谐波源的耦合矩阵模型方程,不用迭代,即可一步求出系统中所有节点的各次谐波电压。此谐波潮流算法的主要特点如下: a.谐波潮流计算是非迭代的。谐波源的谐波耦合矩阵模型方程和系统的谐波导纳方程都是线性的,联立这两类方程,不用迭代,即可一步求解出系统中所有节点在各次谐波频率下的潮流结果。 b.该方法可考虑系统中多个谐波源所产生的谐波电流的相互作用。 c.该方法隶属于解耦的谐波潮流算法。将谐波源作为恒功率负荷作基频潮流计算,再在基频潮流已知的基础上计算谐波潮流。 以系统中存在多个分布式谐波源的实际油田系统为例,编程实现算法并与PSCAD时域仿真的结果对比,结果表明,算法准确度高、计算速度快。 （4）单相和三相晶闸管可控电抗器（TCRs）的谐波耦合导纳矩阵模型具有和整流装置的模型相同的特点。根据模型的各元素,分析得出TCRs产生的谐波电流具有如下特性: a.TCRs端电压的基频分量对TCRs谐波电流产生的影响随着谐波电流阶数h的增大,以1/h2的速度递减。TCRs产生的谐波电流随谐波阶数递减的速度大于整流装置。 b.谐波电压对基频TCRs电流的影响随谐波阶数的增大以1/h的速度递减。 c.TCRs在谐波频率下等值为πL/（?）(π-2α)的感性电抗,此公式可作为诺顿等值电路中并联感抗的计算公式。 d:对于hth谐波电流,（h-n）th谐波电压对其产生的影响与（h+n）th谐波电压产生的影响具有相同的幅度;在Y+矩阵的任一行中,对角线元素总是最大的元素,且离对角线元素越近,谐波电压与电流的耦合作用越强。 e.TCRs供电端电压的共轭相量对TCRs谐波电流的作用远小于其端电压相量。