一种主动式配电网高频谐波潮流的计算方法与流程

文档序号:11108627
一种主动式配电网高频谐波潮流的计算方法与制造工艺

本发明涉及电力系统高频谐波计算领域相关技术领域,具体地说,涉及一种主动式配电网高频谐波潮流的计算方法。



背景技术:

近年来,随着能源短缺和环境问题的日益突出,新能源发电技术在国家政策的大力支持下得到了迅猛的发展,大量的新能源发电装置以分布式电源的形式接入到电网中,它的优点得到人们越来越多的关注。当分布式电源在逐渐发挥优势时,也给电力系统带来了一系列的负面影响。分布式电源带来的难题,在近年来逐渐的成为电力工作者以及学术研究人员所关注的焦点,具体表现在配电网注入的高频谐波对于潮流分布的影响等。

分布式电源越来越多的接入配电网,传统单向潮流的被动式配电网正逐步演变成双向潮流的集成分布式发电装置的主动式配电网。然而,随着分布式电源越来越多的接入配电网,其自身的问题也日益显现。可再生能源以分布式电源形式并网通常需要通过电力电子装置转换成标准的工频交流电供给负荷或并网。随着技术的发展,并网逆变器使用的电力电子器件多为IGBT等全控型器件。IGBT属于高频开关元件,其开关频率很高,在运行过程中会产生大量的高频谐波。谐波叠加在基波上,造成基波波形严重畸变,造成很多精密的设备损坏,甚至造成变压器损坏。同时,由于工业中非线性负荷的大量增加,引起了电网电压、电流波形发生畸变,造成电网谐波污染。这些都给电力系统的规划和运行带来了很大的挑战,其中对主动式配电网高频谐波潮流的计算方法近年来逐渐成为电力行业所关注的主要问题之一。因此正确合理的计算主动式配电网的高频谐波潮流有利于更好的制定谐波治理措施,降低电力系统谐波治理的成本,对于研究和发展主动式配电网具有十分重要的意义。然而,主动式配电网的高频谐波潮流该如何进行计算,现有技术中还没有相关的计算方法。



技术实现要素:

本发明针对主动式配电网高频谐波潮流的计算方法近年来逐渐成为电力行业所关注的主要问题,正确合理的计算主动式配电网的高频谐波潮流有利于更好的制定谐波治理措施,降低电力系统谐波治理的成本,对于研究和发展主动式配电网具有十分重要的意义现实情况,而主动式配电网的高频谐波潮流该如何进行计算,现有技术中还没有相关的计算方法的问题,提供一种主动式配电网高频谐波潮流的计算方法。

本发明所需要解决的技术问题,可以通过以下技术方案来实现:

一种主动式配电网高频谐波潮流的计算方法,其特征在于,包括:

1)确定主动式配电网的拓扑结构和各元器件的参数,得到各元器件的高频谐波阻抗模型;

2)将主动式配电网高频背景谐波的高频谐波等效模型用谐波电压源表示,将电压源型并网逆变器的高频谐波等效模型用一个受控谐波电压源和逆变器等效谐波阻抗串联表示,将电流源型并网逆变器的高频谐波等效模型用一个受控谐波电流源和逆变器等效谐波阻抗并联表示;

3)分别计算主动式配电网中,背景谐波电压源单独作用时、受控谐波电压源单独作用时和受控谐波电流源单独作用时,主动式配电网拟计算结点的谐波电压;

4)利用叠加定理将背景谐波电压源单独作用时、受控谐波电压源单独作用时和受控谐波电流源单独作用时,得到的谐波电压相加,得到拟计算结点的高频谐波潮流。

本发明中,在利用叠加定理时,受控谐波电压源和受控谐波电流源需要考虑其单独作用的情况;若受控谐波电压源或者受控谐波电流源不作用时,则受控谐波电压源和受控谐波电流源都作断路处理。

本发明中,所述受控谐波电压源表示为:

其中,udc为电压源型并网逆变器的直流侧电压,fk为开关频率,k为调制比。

本发明中,所述受控谐波电流源表示为:

其中,idc为电流源型并网逆变器的直流侧电流,fk为开关频率,k为调制比。

本发明中,所述元器件包括配电变压器,所述配电变压器的高频谐波阻抗模型表示为:

其中,h为主动式配电网的高频谐波次数,为配电变压器的h次谐波阻抗,为配电变压器的基波阻抗。

本发明中,所述元器件包括配电线路,所述配电线路的高频谐波阻抗模型表示为:

其中,h为主动式配电网的高频谐波次数,为配电线路的h次谐波阻抗,为配电线路的基波阻抗,为配电线路的h次谐波导纳,为配电线路的基波导纳。

本发明中,所述元器件包括线性负荷,当主动式配电网存在高频谐波时,所述线性负荷的高频谐波阻抗模型表示为:

其中,h为主动式配电网的高频谐波次数,Yh为线性负荷的h次谐波导纳,Rh为线性负荷并联电阻的h次谐波阻抗,Xh为线性负荷并联电抗的h次谐波阻抗,X1为线性负荷并联电抗的基波阻抗。

本发明中,所述主动式配电网结构,包括:形成高频背景谐波的上级电源,上级电源连接配电变压器的一次侧,所述配电变压器的二次侧连接配电线路,配电线路的输出端连接线性负荷、包含电压源型并网逆变器的非线性负荷以及包含电流源型并网逆变器的非线性负荷,所述拟计算结点设置在配电线路的输出端。

所述背景谐波电压源单独作用时,所述拟计算结点的谐波电压为:

其中,为背景谐波电压源的电压,Yh′为折算到配电变压器一次侧的线性负荷的h次谐波导纳,为配电变压器一次侧主动式配电网系统h次谐波阻抗,为折算到配电变压器一次侧的h次配电变压器谐波阻抗,为折算到配电变压器一次侧的配电线路h次谐波阻抗。

所述受控谐波电压源单独作用时,所述拟计算结点的谐波电压为:

其中,受控谐波电压源的电压,Yh为折算到配电变压器二次侧的线性负荷h次谐波导纳,为折算到配电变压器二次侧的主动式配电网系统h次谐波阻抗,为折算到配电变压器二次侧的h次配电变压器谐波阻抗,为配电变压器二次侧的配电线路h次谐波阻抗,为配电变压器二次侧的电压源型并网逆变器等效h次谐波阻抗。

所述受控谐波电流源单独作用,所述拟计算结点的谐波电压为:

其中,为受控谐波电流源的电流,Yh为折算到配电变压器二次侧的线性负荷h次谐波导纳,为折算到配电变压器二次侧的主动式配电网系统h次谐波阻抗,为折算到配电变压器二次侧的h次配电变压器谐波阻抗,为配电变压器二次侧的配电线路h次谐波阻抗,为配电变压器二次侧的电流源型并网逆变器等效h次谐波阻抗。

本发明主动式配电网高频谐波潮流的计算方法,通过确定主动式配电网谐波源类型,利用主动式配电网等效的高频谐波模型和电工学中的叠加定理,得到了主动式配电网高频谐波潮流,可以更为准确地把握高频谐波的潮流分布,有利于更好的制定谐波治理措施,以降低谐波治理成本和对电力系统产生的影响,对于研究和发展主动配电网具有十分重要的作用。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实施例提供的主动式配电网结构示意图。

图2A为本发明实施例提供的主动式配电网配电变压器的高频谐波阻抗模型图。

图2B为本发明实施例提供的主动式配电网输电线路的高频谐波阻抗模型图。

图3为本发明实施例提供的主动式配电网线性负荷的高频谐波阻抗模型图。

图4A为本发明实施例提供的主动式配电网电压源型并网逆变器拓扑结构图。

图4B为本发明实施例提供的主动式配电网并网电流源型逆变器拓扑结构图。

图5A为本发明实施例提供的电压源型并网逆变器的高频谐波等效模型图。

图5B为本发明实施例提供的电流源型并网逆变器的高频谐波等效模型图

图6为本发明实施例提供的主动式配电网高频谐波等值电路阻抗模型图。

图7为本发明实施例提供的主动式配电网背景谐波(谐波电压源)单独作用时的高频谐波等值电路阻抗模型图。

图8为本发明实施例提供的主动式配电网受控谐波电压源单独作用时的高频谐波等值电路阻抗模型图。

图9为本发明实施例提供的主动式配电网受控谐波电流源单独作用时的高频谐波等值电路阻抗模型图。

图10为本发明主动式配电网高频谐波潮流的计算方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于,通过对现有主动式配电网在高频谐波潮流计算需求的分析,发现现有针对主动式配电网高频谐波潮流的计算方法近年来逐渐成为电力行业所关注的主要问题,正确合理的计算主动式配电网的高频谐波潮流有利于更好的制定谐波治理措施,降低电力系统谐波治理的成本,对于研究和发展主动式配电网具有十分重要的意义现实情况,而主动式配电网的高频谐波潮流该如何进行计算,现有技术中还没有相关的计算方法的问题,通过本发明提供一种主动式配电网高频谐波潮流的计算方法以解决上述问题。

参见图1,发明的实施例提供了一种主动式配电网结构,其包括形成高频背景谐波的上级电源,上级电源连接配电变压器的一次侧,配电变压器的二次侧连接配电线路,配电线路的输出端连线性负荷、包含电压源型并网逆变器的非线性负荷以及包含电流源型并网逆变器的非线性负荷。

结合图1再参见图10,由于本发明的主动式配电网高频谐波潮流的计算方法,计算主动式配电网中任何结点的高频谐波潮流的过程都是一样的,在本实施例中采用将配电线路的输出端作为拟计算结点进行示例性说明,同理,对于主动式配电网的结构,除了本实施例中所示外,也可以有其他形式,本实施例中并非对本发明的限制。

因此,本发明的在进行计算时,首选确定主动式配电网的拓扑结构和各元器件的参数,主动式配电网的拓扑结构如图1所示主要包括,上级电源、系统阻抗、配电变压器、配电线路、线性负荷和非线性负荷,然后得到各元器件的高频谐波阻抗模型。

如图2A和图2B所示,为主动式配电变压器和配电线路的高频谐波阻抗模型。在谐波作用下,配电变压器绕组的集肤效应以及铁芯中的涡流损耗都将增大,有关资料表明,变压器的等值电阻大致与谐波次数的平方根成正比,其谐波阻抗可以表示为:

其中,h为主动式配电网的高频谐波次数,为配电变压器的h次谐波阻抗,为配电变压的基波阻抗。

在电力系统中在长的配电线路中存在高频谐波时,可使用π型的等效模型进行精确的描述,这种模型采用双曲函数用来表示系统中阻抗以及导纳,这个时候每配电条线路仅仅只是需求一个π型等值电路就可以达到目的。此时,配电线路的谐波阻抗可以表示为:

其中,h为主动式配电网的高频谐波次数,为配电线路的h次谐波阻抗,为配电线路的基波阻抗,为配电线路的h次谐波导纳,为配电线路的基波导纳。

如图3所示,为主动式配电网线性负荷的高频谐波模型。在给定频率时,线性负荷等值阻抗为常数,负荷吸收的有功功率和无功功率与负荷的电压平方成正比,并联负荷模型适用于表示含感应电动机的集中负荷,当主动式配电网存在高频谐波时,线性负荷的高频谐波阻抗模型表示为:

其中,h为主动式配电网的高频谐波次数,Yh为线性负荷的h次谐波导纳,Rh为线性负荷并联电阻的h次谐波阻抗,Xh为线性负荷并联电抗的h次谐波阻抗,X1为线性负荷并联电抗的基波阻抗。

在进行后续计算前,需要说明一下,主动式配电网高频谐波源分类,包括来自主动式配电网系统的高频背景谐波以及由主动式配电网内非线性用电设备(非线性负荷)产生的高频谐波。高频背景谐波以谐波电压源表征,非线性用电设备等效的高频谐波源模型分为谐波电压源和谐波电流源两种类型。对含并网逆变器供用电设备(包含分布式电源),确定其变流器拓扑结构及变流原理,进而确定高频谐波源类型,是受控谐波电压源还是受控谐波电流源。

如图4A和图4B所示,主动式配电网并网逆变器的拓扑结构图。如前所述,主动式配电网的并网逆变器主要分为电压源型和电流源型并网逆变器。在主动式配电网中分布式电源通常需要通过电力电子装置转换成标准的工频交流电供给负荷或并网。一般电力电子装置采用PWM控制,它们的开关过程势必会向配电网注入高频谐波。对于配电网来说分布式电源逆变器、以及含有电力电子装置的设备都是非线性负荷。

主动式配电网非线性负荷的高频谐波阻抗模型。非线性负荷高频谐波阻抗模型主要包括电压源型和电流源型高频谐波阻抗模型。图5A中电压源型并网逆变器的高频谐波等效模型可以用一个受控谐波电压源和逆变器等效谐波阻抗串联表示,图5B中,电流源型并网逆变器的高频谐波等效模型可以用一个受控谐波电流源和逆变器等效谐波阻抗并联表示。

在主动式配电网中,高频谐波的来源一般是上级电网传下来的背景谐波和配电网中非线性负荷自身产生的谐波。背景谐波一般以谐波电压源的形式传递到配电网。电压源型非线性负荷产生的谐波通常以谐波电压的形式注入配电网。电压源型非线性负荷产生的谐波电压的大小和频谱分布与其电路参数有关。以电压源型并网逆变器为例,它注入电网的谐波电压的大小和频谱主要由直流侧电压的大小、稳定性以及全控型器件的开关频率和调制比等参数所决定,可将其等效为一个受控谐波电压源和逆变器等效谐波阻抗串联起来表示:

其中,udc为电压源型并网逆变器的直流侧电压,fk为开关频率,k为调制比。

电流源型非线性负荷产生的谐波通常以谐波电流的形式注入配电网。电流源型非线性负荷产生的谐波电流的大小和频谱分布与其电路参数有关。以电流源型并网逆变器为例,它注入电网的谐波电流的大小和频谱主要由直流侧电流的大小、稳定性以及全控型器件的开关频率和调制比等所决定,可将其等效为一个受控谐波电流源和逆变器等效谐波阻抗并联起来表示:

其中,idc为电流源型并网逆变器的直流侧电流,fk为开关频率,k为调制比。

如图6所示,主动式配电网高频谐波等值电路阻抗模型图。在上述得到的主动式配电网高频谐波阻抗模型和高频谐波源的基础上,利用叠加定理将高频谐波在主动式配电网的各结点进行叠加,得到整个主动式配电网的高频谐波潮流。在利用叠加定理时,对于受控源电路原理中一般不考虑其单独作用,而对于独立源,电压源单独作用时,电流源作断路处理;电流源单独作用时,电压源作短路处理。但是,在本发明专利中,受控谐波电压源和受控谐波电流源的大小和频谱分布并不是受配电网外部电路参数的控制,而是受电压源型和电流源型非线性负荷的内部电路参数,控制方式等影响。因此,在本发明专利中利用叠加定理时,受控谐波电压源和受控谐波电流源需要考虑其单独作用的情况;若受控源不作用,则都应作断路处理。

如图7所示,为考虑高频背景谐波(谐波电压源)单独作用时的主动式配电网高频谐波等值电路阻抗模型图。此高频谐波等值电路阻抗模型图中的电路阻抗均为折算到配电变压器一次侧的阻抗。此时,由高频背景谐波单独作用的结点1处(配电线路的输出端)的谐波电压为:

其中,为背景谐波电压源的电压,Yh′为折算到配电变压器一次侧的线性负荷的h次谐波导纳,为配电变压器一次侧主动式配电网系统h次谐波阻抗,为折算到配电变压器一次侧的h次配电变压器谐波阻抗,为折算到配电变压器一次侧的配电线路h次谐波阻抗。。

如图8所示,为主动式配电网受控谐波电压源单独作用时的高频谐波等值电路阻抗模型图。此高频谐波等值电路阻抗模型图中的电路阻抗均为折算到配电变压器二次侧的阻抗。此时,由受控谐波电压源单独作用的结点1处的谐波电压为:

其中,为受控谐波电压源的电压,Yh为折算到配电变压器二次侧的线性负荷h次谐波导纳,为折算到配电变压器二次侧的主动式配电网系统h次谐波阻抗,为折算到配电变压器二次侧的h次配电变压器谐波阻抗,为配电变压器二次侧的配电线路h次谐波阻抗,为配电变压器二次侧的电压源型并网逆变器等效h次谐波阻抗。

如图9所示,为主动式配电网受控谐波电流源单独作用时的高频谐波等值电路阻抗模型图。此高频谐波等值电路阻抗模型图中的电路阻抗均为折算到配电变压器二次侧的阻抗。此时,由受控谐波电流源单独作用的结点1处的谐波电压为:

其中,为受控谐波电流源的电流,Yh为折算到配电变压器二次侧的线性负荷h次谐波导纳,为折算到配电变压器二次侧的主动式配电网系统h次谐波阻抗,为折算到配电变压器二次侧的h次配电变压器谐波阻抗,为配电变压器二次侧的配电线路h次谐波阻抗,为配电变压器二次侧的电流源型并网逆变器等效h次谐波阻抗。

将上述各谐波单独作用在结点1处得到的谐波电压相加,即得到主动式配电网高频谐波在结点1处的潮流。

本发明专利的具体实施方式以结点1为例,说明主动式配电网高频谐波潮流的计算方法,其他结点处的谐波潮流计算与结点1处的方法相同,不再进行累述。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明,但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例,其具体结构允许有变化。总之,凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

再多了解一些
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