外文翻译译文-谐波传播在电力配电系统设计中的影响

谐波传播在电力配电系统设计中的影响J.A.Ghijselen,W.A.Ryckaert,J.A.Melkebeek摘要本文介绍了电力配电系统的参数设计对谐波失真的传播所产生的影响。这种理论的研究主要是基于模拟一个被推广的配电系统模型，从而进一步了解了电压失真产生和传播的机理。并且通过分析可以预测变更设计参数对电压波形失真产生的影响。关键词：配电系统；电压波形失真；谐波；电能质量；电力系统阻抗1.导言在电力配电系统中，由于非线性负荷的逐渐增加，设备制造者逐渐开始考虑电压波形的谐波污染。电压波形失真导致许多不利的影响，尤其在开放的电力市场，甚至担心在不久的将来电压波形失真会继续增加。在世界的许多地方，通过对设备的谐波线电流强制进行适当的发射限制，使得实际的电压波形失真程度保持在计划的水平之内。为了决定适当的设备发射限度，测量活动和仿真都需要在一个实际的网络中研究谐波的传播。首先，相对于测量来说，进行仿真似乎更容易和经济些。然而，参数和设计策略在不同网络之间存在许多不同之处，需要做出大量必须的仿真数据。另外，许多参数都是未知的和需要估计的，或者甚至被忽视，导致得到的结果远远不同于测量出的数据。最后，因为谐波传播的研究主要局限于相当特殊的情况，所以关于谐波传播的机理和对电力配电系统的影响的基本观点还有待于研究。本文研究了不同配电系统的参数设计对谐波失真的传播所产生的影响，研究是以一个被推广的配电馈线模型为基础分析得到的，这种模型的参数可以改变。在文献9中介绍了基于模拟和一个特例得到的一些初步和定性的结论。然而本文采用了相对基本的方法，分析过程和数量的结果得知可以合理地预测变更设计参数对电压波形失真所产生的冲击，并且通过仿真验证了分析预测的正确性，然后进一步分析了包括与电力系统谐振相关的分布电容的影响。2.基本电力系统的安装2.1网络拓扑结构为了研究不同配电系统参数对谐波传播的影响，采用了典型中压（MV）配电系统的单一化模型（图1）。浇注通常耦合点式的高中压（HV/MV）变压器通过它的短路阻抗Zm表示，通过一些相同的和平行的馈电线与负载连接，馈电线呈放射状并且每条线有五个节点。系列阻抗Zs,k表示为互相连接的馈电线节点间导体阻抗。中低压变压器可能位于中压母线和馈电线（Z1，图1a）之间，或者位于馈电线节点和负载（Zc，图1b）之间。欧洲大部分地区采用前者，其需要较长的低压（LV）馈电线，而后者经常用在北美洲的许多区域，其需要较长的中压（MV）馈电线。被连接到波节的负载可以看做理想的电流源；当适度的电压波形失真程度(总谐波失真（THD）4和产生更大的缩减因数。对于相同的例子，当在进入馈线导体（举例来说，通过中间的中低压变压器和Y连接起来）以前忽略零序电流阻抗时，导体截面的总的谐波压降的缩减因数几乎相同：（6）22,3/13/123/1()()()shneutralhhohIkIVI对于表1中的线路电流光谱，在六线制中当ks=1时缩减因数（6）等于1.28；而在对称的四线制中当ks=4时缩减因数变为3.36。实际上，在六线制中忽略零序电流是不符合实际的；因此计算出的总的缩减因数是纯粹的理论值。3.2变压器配置由于中低压变压器，与Y制连接的半导体，因此减少始端高中压变压器（在PCC中）的谐波压降等原因，半导体有可能不通电。使用公式（1）并且假设是平衡负载，在PCC中计算电压波形失真的缩减因数：(7)223/13/123/1()()()PCnetraloushhhTHDVIkIIkm表示高中压变压器的零序阻抗与正序阻抗的比值。对于表1中负载的电流光谱和km=1，在PCC中电压波形失真的缩减量为1.28。4.决定电力系统谐波传播的基本因数在以上章节里，为了估计对电力系统参数的影响，在网络上进行了仿真，如图1。在此忽略了中低压变压器的阻抗，也就是说|Zc|=|Zl|=0。通过研究表明，在第五部分对中低压变压器的非零阻抗做了假设。在本部分忽略分布电容的作用；对于适当的馈电线长度（几公里的电缆线和数十公里的架空线），分布电容通常可以使高次谐波引入的电流非常小。分布电容的作用见第六部分。在功率因数=1的情况下一条馈线的总负载等于1pu，其负载是平衡负载并cos且均等的分配在馈电线的各个波点之间。在所有的仿真实验中，第一个馈电线的波点（最靠近PCC）的电压控制到|VFl|=1.06pu。来自高压母线的电压源的波形是标准的正弦曲线。导致失真的负载（在表1中具有线性电流光谱）占所有基本负载的10%，而剩下的线性负载只产生基级电流。为了符合IEC标准14，当计算THD值时只考虑前四十次谐波。经过公式（4）的类推，馈电线的总的谐波压降VFh定义为：（8）402152()FFhVVh这种计算方法在PCC中电压波形失真和馈线末端之间存在差异。的确，除了当半导体不导电时，如果以“每单位”表示时，本文中运行条件需要考虑下面的近似值：（9）5()()PCFhTHDVV表2中总结了被确认的仿真结果并且将会在下面的部分中进行讨论。把第一次的模拟作为基准，其它所有变更参数所产生的影响都需要和第一次的进行比较。4.1变压器的选择从表2的第1-3号模拟的比较可以解释变压器参数对电压波形失真的影响，并且在图2a中表示出来。从2.2部分中得知，与一号仿真（基准）相比，二号和三号模拟中变压器的调节阻抗值分别为3.48倍和1.39倍，因此认为它导致PCC中电压THD值有相同因数的减少。在馈电线的末端，馈线导体的谐波压降使得电压THD值是PCC中的好几倍；这个结论和法国低压系统13最近的测量结果相符合。因为馈线导体的总谐波压降在1，2和3号之间保持不变，所以在馈线末端电压THD值的减少量相当小而且大约与PCC中的相等。表2不同网络参数的THD电压值总之，在PCC中变压器阻抗对电压波形失真的影响相当重要，但是在馈线末端由于馈线导体的谐波压降对其影响较大，电压波形失真就不是太重要了。当变压器阻抗增加或者感性增强时，在PCC中的电压波形失真就会增加。4.2馈电导线类型对电压畸变的馈线导体类型的影响是通过模拟46号从表2说明。结果图形化表示2b为模拟4号,导体阻抗的相位角由55降低到30与仿真1相比。根据2.3部分，这会导致馈线的谐波阻抗，以减少一个因素1.71。正如预期的那样，总谐波该机dvfh压降约减少同样的因素。反过来，这导致电压THD显著降低馈线的一端。比较仿真时，得到了类似的结果编号1和5，其中导体阻抗角从55增加到80（引起馈线的谐波阻抗增加约1.52），并为模拟6号，这里的预期位移系数增加从0.8（电感）至1（引起馈线的谐波阻抗增加约1.93）。值得注意的是，预期的基本位移因子增加（模拟编号1和6）比增加的相位角导体阻抗（模拟编号1和5）有更多的影响。在PCC电压THD的影响很小。然而，值得注意的是在PCC电压THD略有降低，当导体阻抗角增大。这是造成的相位角的多样性之间的节点11，并变得越来越重要，越来越多的谐波订单和越来越多的感应导体。负载电流越高的谐波越强，这种效果就越明显；例如在9。最后，对电压畸变的馈线导体阻抗的影响，在馈电端相当重要，但非常小的PCC。与变压器的阻抗类似，它原来的馈线的谐波电压降的馈线增加时，（基本）导体阻抗的增加或变得更加感性。4.3馈电导线渐变馈线导线对电压的失真影响可以通过表2的模拟1、7和8来解释的。结果在图2c表示。与1号模拟相比，模拟编号7和8的锥形系数从1增加到3和5。这个在PCC和结束时的电压总谐波失真的影响馈线可以忽略不计。这主要是由于平等计算的基本电压降准则导体段阻抗ZS，K（2.3部分）。因此，馈线导体逐渐减少将不在本文中进一步探讨。4.4中性线的做法4.1.1四线指挥安排中断中性导体上的电压畸变的影响可以通过表2的模拟1、9和10来解释。结果在图3A表示。在模拟的9号，中性导体中断器和负荷节点的DY变压器之间的阻抗可忽略不计Zc=0。此之前的预期降低电压THD的PCC约1.28(3.2部分)匹配模拟得很好。此外，减少的馈线的谐波电压降（约3.36的因子作为预测在3.1部分）在馈电端会导致相当大的减少电压THD。相同的谐波电压降低在PCC全部比较时发现模拟号1和10，其中，在后者中，中性导体在PCC的无阻抗Z1=0Dy中断。然而，该线路的谐波电压降不受影响导致只有一小部分在机端电压THD。4.4.2六线指挥安排在模拟的11号和12号，一个六导线导线布置代替四线导线布置的仿真1号。结果在图3b表示。仿真结果吻合较好，预测的总谐波电压降的导体（一个因素2.62，3.1部分），又造成了相当大的减少电压THD在馈电端。最后，在模拟的12号，中性导体在PCC的无阻抗Z1=0Dy中断。与四线导线布置，这减少了PCC电压THD（等于模拟号9和10的值），但不是谐波电压降的导体dvfh（相当于模拟11号的价值），收益的只有一小部分的电压THD在馈电端。4.4.3结论中性线实践意义重大影响了整个的电压畸变分配系统,因为它会影响由零序电流引起的谐波电压降。断开中性导体总是减少在PCC电压畸变，而且谐波电压降的馈线导体中断上游。也在四导线和六线导体安排之间切换降低了馈线导体的谐波电压降。5.案例研究:在欧洲和北美电力系统设计之间的区别5.1电力系统和典型的参数设置在本节中,谐波之间进行了比较传播属性的两个配电系统结构图1,不同的位置和排列MV/LV变压器。变压器是放在馈线的开始（这是大多数欧洲的配电系统中，常见的图1A），或之间的馈线负荷节点（这是许多北美分布系统中常见的一，图1b）。当低压变压器位于馈线的开始（Z1），其规模通常很大。在这种情况下，中性导体被中断在中压/低压变压器，这在欧洲很常见。当低压变压器位于馈线负荷节点（Zc），它们的大小通常是相当小的。在这种情况下，中性导体不中断在中压/低压变压器，这是常见的北美例子。由此产生的配电系统，包括变压器的安排，如图4所示。注意，在设计风格的考虑下，配电馈线始终包含中性导体。导体类型可能是常规的架空或电缆，然而尖端细的不考虑。导体的排列可以是四线或六线。导体和变压器的参数取自于部分2.2和2.3。馈线的符合是相同的在第四部分，结果总结于表3。5.2传播的电压畸变表3的仿真结果表明，不同的参数的影响是根据第四部分的调查结果。在任何情况下，当比较相等的导体类型和安排（比较模拟第C1与C2C5，C6，等等），产生的电压THD在PCC和负荷节点在馈电端总差为北美分布方式。这并不奇怪，因为中性导体被中断在中压/低压变压器是欧洲风格，而北美风格恰恰相反。然而，北美设计风格通常会导致单相（或六线）在MV操作馈线（模拟第C2和C4，表3），而欧洲的风格主要是造成三相（或四线）在低压操作器（模拟及C5和C7，表3）15。北美和欧洲的设计风格是图3C表达的比较。在欧洲和北美国，架空线路仍然广泛存在于农村地区。比较模拟第C2和C5，很容易看出，产生的电压THD在PCC是北美分布式大由于中性导体不在到达高压/中压变压器中断。在北美洲的风格里，电压THD在馈线末端是比较小的。这主要是由于减少了零序列馈线阻抗相关的六线安排。在实践中，从表3可以看出这种效果将更为明显比预测，因为中性导体的截面通常是小于相导线截面。在国内外商业领域，电缆导体是首选。模拟C4和C7的比较显示了架空线相同的趋势。表3案例研究仿真结果总结：电压畸变在PCC和负荷节点在馈电端图4中压配电系统模型用于案例研究：a大中压/低压变压器位于馈线的开始b小的中压/低压变压器位于馈线节点6并联电容的影响可能存在的并联电容器在馈线引起共振。在图1的电力系统中引入了谐振条件，通过在馈线节点上增加电容器。电容的总导纳仪为代表，它是分馈线节点之间，并表示导体电容等电容（例如，功率因数校正电容器）。此外，馈线节点分流分寄生电阻，其中总导纳等于0.01pu。剩余的电力系统参数从第四部分中选择。为了评估谐振对电压失真的影响，引入了谐波电压放大系数M。使用表1的负载电流谱计算在这一节中计算的M值。通过计算确定某共振条件的质量因子Q（10）使用负载电流频谱仅包含基波和同一次谐波的高次谐波，作为电力系统的谐振频率。仿真结果如表4所示，解释如下。更详细的分析，包括一个更详细的讨论阻尼效应，在16呈现。6.1谐振所需电容所需的总容性导纳仪在一个给定的谐波获得共鸣是本系统中的电感的课程功能。表4模拟号R1在模拟号R2（六线而不是四线馈线零序电流），对于零序电流馈电电感降低由一个因素4，上升到一个很大的提高YC要求获得在第三和第九次谐波共振。这一结论是从模拟号R3（中性线中断的DyPCC），其中高压/中压变压器电感几乎消除零序电流。得出对于模拟号R4所有谐波类似的结论（电缆馈线，馈线电感），明显减少的基本情况。也注意到，基本情况下较大的零序电感（模拟号R1）第九谐波共振小于第十一谐波共振的所需电容。表4质量因素和在不同的共振放大电压畸变的条件6.2共振质量因子共振的质量因子是由在电力系统中的阻尼的量的确定。在电力系统研究和假设的负载条件下，阻尼主要是由导体和变压器阻抗的串联损耗。因此，质量因数随着谐波的增加而增加16。然而，在模拟R5寄生损失增加（分路损耗，总电阻并联导纳0.05pu)和模拟R6(电容器串联损耗，损耗因子0.01)显著降低质量因数，特别是对高次谐波。6.3峰值整流电流谱在实践中，实际负载电流谱包含着几个强谐波。此外，共振也会影响在其他频率的谐振频率的电源系统阻抗。因此，在共振条件下的电压畸变的放大倍数的分析预测是不可能的，如果单单只知道质量因子的话。实际电压失真水平是从模拟得到的。表4的结果是根据第四部分的结论得到的。其他显著的特点解释如下。从表4得出,它遵循实际电压畸变放大因子M趋于下降谐波共振，质量因子Q递增的顺序相反。线幅度迅速减小的这一结果应用非线性负载频谱的电流谐波。此外，实际的放大系数M是小于相应的质量因素Q的，因为质量因数只需要考虑在谐振频率的负载电流分量。在基本情况（模拟号R1），值得注意的是，第三次谐波共振是不可见的。事实上，它是被屏蔽掉的紧密相邻的第五谐波共振，如示于图5。同样的效果在模拟号R4R6体现。在模拟及R3和R6、第十一次谐波共振在馈电端也掩盖了第九次谐波共振。最后，中断的中性导体在到达PCC(模拟号R3)之前消除了第三次和第九次谐波共振(所致零序电流)在PCC也就不足为奇了。图5在PCC电压失真（THD（比例），较低的跟踪）和馈线上的节点（THD（V5），上的痕迹），案号R1（基本情况）7结论在本文中，被认为是配电系统参数对谐波失真传播的影响。当电力系统电容可以忽略不计，在不同设计的馈线参数选择的情况下，得到相同的馈线导体的基本电压降