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可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术杂志2(2015)368小型并网发电厂共同耦合点的谐波侵入马吉德·穆姆塔兹·阿,萨伊马岛。Khana,W aqas A.Chaudhryb, Za far A.汗湾a联合王国巴基斯坦米尔布尔科技大学(MUST接收日期:2015年1月8日;接收日期:2015年4月27日;接受日期:2015年6月1日2015年12月8日在线发布摘要传统的电力分配系统通常是放射状的,电力的流动方向通常是从电网到消费者。有时,由于输电损耗、输电线路服务成本等相关问题,利用输电网络传输新设立的小电站产生的电力是不可行的。这就是为什么在许多情况下,小型发电站直接连接到当地配电网。这些小型发电站向现有网络注入有功和无功功率,严重干扰电力流动,从而在公共耦合点(PCC)处向系统注入谐波这种谐波注入在PCC由于直接并网的小电站到现有的大型电力系统被确定。此外,这些小发电机组谐波入侵的影响进行了分析,使用一个简单的和毫不费力的方法。这种基于仿真的方法将电力系统元件简化为基本的电感和电容元件,如果扩展到实际的大型互联电力系统,可以非常有助于快速评估PCC处的谐波侵入© 2015作者。Elsevier B.V.代表电子研究所(ERI)制作和主持。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。关键词:公共耦合点;谐波侵入;电力系统。1. 介绍对发电机、输电线路和变压器等电力系统部件的分析依赖于谐波电压和电流失真水平。电压和电流中的谐波失真通常通过潮流研究来计算,假设发电和输电系统是完全线性的。然而,在实践中,Transformer磁化电流谐波将导致发电机产生谐波电压和电流,因为发电机的转子和定子电路之间发生谐波相互作用谐波过程*通讯作者。联系电话:+44 7766249740。电子邮件地址:sardar. gmail.com(M. Mumtaz)。电子研究所(ERI)负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.06.0052314-7172/© 2015作者。制作和主办:Elsevier B.V.电子研究所(ERI)这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368369=Fig. 1.系统的戴维南谐波等效转换改变了Transformer通量的波形,这在磁化频谱中产生失真这种新的磁化频谱导致同步发电机处的谐波转换过程的重复除此之外,任何其他网络元件(如传输线)的谐波贡献都会触发这两个非线性电力系统元件之间的在传统的参考系中,很难分析谐波交叉耦合的影响然而,这是一个重要的特点,谐波制定和其相关性是显而易见的谐波研究。电力系统元件的动态分析往往需要对网络的某一部分建立详细的模型,而网络的其余部分则可以看作是一个等效电路。以这种方式,整个网络的仿真所需的计算工作量大大减少和简化。短路阻抗可能是基频下最简单的等效模型方法。对于故障分析等研究,这种方法已经足够好了。然而,对于在谐波频率下再现系统响应的研究,该模型不能近似系统谐波发生设备的影响,加上系统谐振条件是累积的,如果不减轻,可能会用于无功补偿的电容器组、用于风力发电机变速控制的功率变换器、用于电力系统控制的FACTS装置和其他大功率电子装置,都是谐振条件下系统中谐波渗透的主要原因Eto等人利用频率响应特性对可再生能源发电进行了可靠集成的简要工作。(2010年)。这里提出的,是一种尝试,由于小型发电站的谐波渗透水平的快速测定。实现这一点的另一种选择可能是对典型的稳态潮流软件进行可怕且耗时的编程以计算系统频率响应。2. 系统谐波条件下的系统建模涉及到谐波频率下系统阻抗的确定,以及谐波源的表示。前者是根据不同元件在50 Hz电源频率下的值确定的。该模型取决于许多因素,例如数据的准确性和频率范围。在所有的谐波研究中,很难完全代表完整的系统。因此,系统的尺寸减少到最小可能的规模使用的等效阻抗表示的行为的组件谐波干扰。阻抗随时间变化,并且在系统内从一点到另一这种变化取决于电缆长度、系统的短路功率、无功补偿和系统中的负载水平系统谐波阻抗的测量是很难实现的。 它需要在要测量阻抗的节点处存在大功率谐波电流源或相对高的预先存在的谐波电压(Robert,1992; Lemoine,1977)。如图1所示,预先存在的谐波或间谐波电压Vh导致间谐波电流在负载Z中流动。预先存在的谐波或间谐波电压Vh表示在连接任何非线性负载e之前的母线畸变。g由于源阻抗引起的失真。Robert(1992)和Lemoine(1977)对此有更详细的论述。谐波阻抗Zh由下式给出:ZVh1−Vh2喜喜(一)370M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368ZH图二. 谐波阻抗Zh的测定。如果在设备或使用设备注入谐波电流之前系统中没有任何谐波电压,则注入(图 2)会产生谐波电压Vh。从注入点看,流系的谐波阻抗Zh为:Vh=ih(二)在电力系统中,系统响应与谐波源同样重要谐波源的识别电力系统在各次谐波频率下的响应决定了非线性负荷对谐波电压畸变的真实影响。只要系统的尺寸不太大,系统的阻抗可以通过分析计算来确定系统的阻抗由连续的谐振和主要由于电缆/传输线电容而发生的任何谐振形成。如果电容很高,这些谐振在低频(有时甚至在电源频率)。由于VAR补偿的高安装负载,它们也存在。在基频下,电力系统主要是电感性的,等效阻抗有时简称为短路电抗。在公用配电系统和工业电力系统中,电容效应通常被忽略系统的感抗随频率线性变化。在电力系统中,9次谐波之前一般不随频率显著变化。对于线路和电缆,一旦在较高频率下导体中的集肤效应变得显著,则电阻按频率的平方根变化在使用电压下,等效系统电抗通常由运行中的Transformer阻抗决定仅基于Transformer阻抗的XSC近似值为(Dugan,1987):XSC=Xt(3)哪里(kV)2Xt=MVA×%Z(4)表中给出了10%变压器的等效电抗之和。对于没有安装任何电容器的电感系统,阻抗与频率的关系图将是一条直线。然而,真正的电力系统很少这样做。这里电容被忽略,这在谐波分析中是无法做到的。由于电缆或由于在用户位置处用于公用事业配电系统上的功率因数校正的电容器而产生的并联电容会使系统阻抗随频率显著变化由于它们的存在,有时会导致严重的谐波失真容抗Xc由下式给出:1Xc=2πfC(5)其中C是电容。等效线对中性点容抗可由下式确定kV2Xc=MVAR(6)谐波的一个特殊问题是电力系统中的谐振条件在某些频率下,系统中电感组件和电容组件的存在如果谐振发生在谐波电流注入系统的母线处,则可能观察到过电压状况。M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368371.ΣMVA所有同时含有电感和电容的电路都有一个或多个固有频率。当这些频率中的一个与电力系统上产生的频率对齐时,可以产生谐振,其中系统中的电压和电流保持非常高的值。这是电力系统中谐波失真的许多问题的根源。在谐波频率下,从谐波源的角度来看,并联电容器似乎与等效系统电感并联。在基频以外的频率下,电力系统发电表现为短路。当Xc与系统总电抗相等时(XL与Xc之差为零),谐波电流变得非常大。电感和电容元件的并联组合的谐振频率为:1f共振=2πLC(7)其中L是电感,C是网络的电容(Lukasz等人, 2009年)。 在高电压下,网络的电阻与电容和电感相比往往很小。因此,阻抗可以根本改变。当谐振频率与任何谐波电流或电压的频率匹配时,情况变得苛刻。谐波电流或电压被放大,会造成网络元件损坏在这一点上,有必要指出,谐振频率往往存在于谐波频率之间(谐波间谐振)(Gunther,2001)。根据电网配置,同一系统可能具有几个谐振频率。谐振频率处的相对较小的失真可能导致压倒性的后果,这强调了谐波的高级分析的重要性网络中可能发生两种不同类型的谐振:并联谐振和串联谐振(Patel,2010;Wakileh,2001)。在并联谐振中,电路的阻抗通常很高.在理想谐振(电路没有任何电阻)中,阻抗变得无限高,这导致极高的过电压。 在并联谐振频率下,电压在给定电流下获得其最大可能值(Young和Freedman,2011)。当谐波电流源连接到电路时,可以发生并联谐振,该电路可以简化为电感和电容组件的并联连接在极端情况下,即使相对小的当有电容器组或长交流线路或电缆与大型变压器连接时,并联谐振是常见的。在这种情况下,大电容和电感开始彼此谐振(Lukasz等人, 2009年)。3. 一个典型的学习系统设计了具有代表性的研究系统,并对频率响应特性进行了实例研究。并指出了影响并联谐振的重要因素。基于表1中给出的两种不同电缆长度的数据进行模拟。假设电缆长度为25和50千米,电容为0.4µF/km。因此,10µF和20µF电容分别对应于Xc320▲和Xc= 160▲的表1图3(b)中不同参数的数据,用于绘图。V2MVA百分之十V210%1π病例/图T1(MVA)T2(MVA)X1(▲)X2(▲)L1(mH)L2(mH)号X= 10%X= 10%L×L×X/2fX2/2πf150.52.4224.27.7772512.4212.17.738.53552.422.427.77.74100.51.2124.23.97751011.2112.13.938.561051.212.423.97.77150.50.8124.22.67781510.8112.12.638.5372M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368图三. (a)感应系统中的电缆电容。(b)相当于假设图3电路中的电阻R1和R2很小(0.01▲),相应地转换为400 V。Transformer通常是一种非常有效的机器,工作效率约为98%;因此,它的绕组电阻通常很小,本讨论中假设的情况也是如此。图4所示两种情况下的并联谐振发生在相同区域,对于50 km和25 km电缆长度分别为400 Hz和575 Hz。这表明,Transformer不考虑表1中的情况3,因为从Transformer额定值可以看出,采用这种布置的系统将是不经济和不必要的。图中所示的图表。 5对应于数据表1中的情况4 -6。 与前三种情况不同,从33 kV到11 kV使用的Transformer是10 MVA的Transformer,这表明感抗值较小。因此,电路中的电感已经移动到由电缆长度确定的新位置。谐振频率随电缆电容而变化电缆的长度越长,谐振频率越低同样重要的是要注意,情况5和情况6中与蓝线的偏差比实际峰值发生的时间早得多这说明了在系统中产生谐波失真的实际间隔不能仅由并联谐振引起的尖峰指定,并联谐振会对电源电压的质量造成严重M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368373C=20uFC=10uF无电容无电容C=10uFC=20uF情况1100080060040020000 500 1000 1500频率Hz壳体2100080060040020000 500 1000 1500频率Hz见图4。电路的频率响应如图3,情况1和2,表1所示。对于某一已知的谐振条件,给定感抗或容抗的值,可以计算未知分量例如,如果对于L1和C的并联组合,假设谐振频率为500 Hz;1 1C=(2π× 500)2×L1(8)对于L1的三个值:7.7 mH、3.9 mH和2.6 mH,对应于5和10 MVA变压器,假设谐振频率为500 Hz,相关电容为:1 1C5 MVA=(2 π× 500)2×7。7 × 10 −3=13。16µF1 1C10 MVA=(2 π× 500)2×3。9× 10−3=26µF图5中的曲线表明与前面计算的谐振频率的相应值良好一致,这证实了仿真过程的正确性。图6描绘了在并联谐振的相同情况下三个不同并联电阻对系统响应特性的影响。即使只有10%的电阻负载也会对峰值阻抗产生显著而有价值的影响。当电容器安装在变电站总线上时,最麻烦的谐振条件发展,其中Transformer主导系统阻抗并且具有高X/R比。相对电阻较低,相应的并联谐振阻抗峰值很尖,很高.这是电容器故障、Transformer故障或其它负荷设备故障认为阻性负载对谐波有阻尼作用是一种误解,因为在没有谐振的情况下,负载对谐波电流和由此产生的电压畸变的影响很小大部分电流将在电源中回流然而,可以说电阻性负载阻尼了谐振,因此大大减少了谐波失真。电动机负载主要是感性的,并且提供很少的阻尼,相反,它们可能通过将谐振频率移动到更接近于显著阻抗欧姆阻抗欧姆374M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368无电容C=10uFC=20uF无电容C=10uFC=20uF无电容C=10uFC=20uFR=2XcR=1.5XcR=XcR=0.5Xc1000800600400200壳体400 500频率Hz1000 1500壳体5100080060040020000100080060040020000500频率Hz1000壳体6500频率Hz100015001500图五.图3中电路的频率响应,情况4 -6,表1。案例5,C=20u F,Xc=160 Ohm3503002502001501005000 500 1000 1500频率Hz见图6。并联负载电阻对频率响应特性的影响。阻抗欧姆阻抗欧姆阻抗欧姆阻抗欧姆M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368375.ΣMVA表2图中组件的数据7.第一次会议。V2MVA百分之十V2 Σ13.4e−6见图7。(a)连接到图3的系统的发电机。(b)每相当量。和声然而,一些小的分马力电动机可能有助于阻尼,因为它们的X/R比低于大型三相电动机。4. 小型并网电站的谐波侵入小型并网发电厂将大量的非线性电力电子设备(如全尺寸变频器)引入电网。脉宽调制(PWM)控制变流器的开关操作是谐波和间谐波电流的主要来源。一般来说,转换器产生几千赫兹范围内的谐波(Tentzerakis等人,2007年)。测量和控制这些谐波是小型发电站,特别是风力发电厂的电能质量的最大挑战之一(Ackermann,2005)。大量的非线性电力电子器件会对谐波产生显著的影响。这些谐波会对电能质量构成严重威胁。这就是为什么谐波分析必须发展并作为发电厂设计的一个组成部分。由于每个电力网络都是独特的,具有不同的特性,谐波对每个电力系统的影响也各不相同。然而,可以发现一些共同的特征即使病例/图T1(MVA)T2(MVA)X1(▲)X2(▲)L1(mH)L1,400 V(H)L2(mH)L2(400 V(H))号X= 10%X= 10%L×L×0%X1/2πfBase 400 VX2/2πf Base 400 V1512.4212.17.71.02e−538.55.1e−51.02e−5376M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368C1和C2有C1但无C2有C2但无C1无C1和C2C1和C2有C1但无C2有C2但无C1无C1和C220001800160014001200100080060040020000 500 1000 1500频率(Hz)(一)20001800160014001200100080060040020000 500 1000 15002000频率(Hz)(b)第(1)款2500 3000见图8。图7所示电路的响应。(a)案例1。(b)案例2.谐波的百分比似乎很小,当并网发电厂的容量为数百兆瓦时,谐波发射成为一个重要的问题每个小型发电厂都具有其自己的谐振频率,该谐振频率取决于电网拓扑结构、相关联的发电机和所使用的无功功率设备(Fox等人, 2007年)。 此外,当运行中的涡轮机和电容器组的数量改变时,设备的阻抗和谐振点也可能改变。电容器组通常用于补偿电力系统网络中的无功功率,并帮助提高功率因数。 很多时候,每个涡轮机以及公共耦合点(PCC)处都有一个电容器组(Heier,2006年)。还使用了单个涡轮机中的电容器组。起动电容器也用于感应发电机。甚至具有数百个涡轮机的大型风力发电厂具有大量不同的电容器组开关选项。还可以存在连接到传输电缆终端的并联电抗器,以补偿电缆的高电容。这些电抗器是电感元件,可以调节并配备有抽头变换器。电抗器可以与电缆连接一起连接到同一开关(Shewarega等人,2009年)。异步发电机是风力发电厂中应用最广泛的电机。根据风力发电站的规模和位置,它们通常连接到主电网中的11 kV母线。因此,通过增加感应发电机研究了系统的响应(表2和图3)。 7),并分析了它对并联谐振的影响。与表1不同,这里只处理两种不同的情况假设发电机为a,500 kVA,440 V,50 Hz,X每相= 0.8▲。还假设机器不是自启动机器,而是使用电容器组启动,即 启动= 200 µF。 此外,发电机通过长度相对较小的电缆和额定值与表2中的Transformer T2相似的Transformer连接到11 kV断路器。整个装置及其等效电路图如图所示。7.第一次会议。 由于转移到Transformer二次侧的启动电容的影响很小,因此电路中的相应电容与将发电机功率馈送到电网的电缆电容一起四舍五入为0.5 µF的小值。阻抗(欧姆)阻抗(欧姆)M. Mumtaz等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2(2015)368377在表2的两种情况下电路的响应如图所示。8.第八条。 将这些波形与表1中的相应情况进行比较,表明在超过约600 Hz的波形中存在巨大的失真;这表明由于集电电缆和馈电Transformer的存在而引起的并联谐振导致发电机与主系统的电网连接的影响。这清楚地表明,小型并网发电站可能会导致严重的谐波入侵。5. 结论集电器电缆长度的变化会移动谐振频率。作为一般规则,电容性元件的电容越大,谐振频率越低。必须考虑的是,电缆不会单独谐振,因为它们需要与电感元件相互作用以产生谐振。典型地,该元件由于其大电感而为(电)局部Transformer。谐振的数量可能等于物理和等效电容器(电缆、电容器组等)的数量电容元件对谐振的影响似乎是解耦的。每个电容性元件有助于谐振。没有最后,在PCC增加小型风力发电机组的效果进行了调查。目前,大多数变速发电机通过电力电子转换器连接到PCC,电力电子转换器充当谐波注入源另一方面,固定速度风力发电机组使用功率因数校正电容器,其可以使先前计算的谐振频率值偏移,因此导致电流和电压波形的严重失真。引用阿克曼,T.,2005年 电力系统中的风能。 约翰·威尔,英格兰。杜根河,一九八七年电力系统谐波设计指南。在:美国能源部的报告。Eto,J.H.,例如,2010. 使用频率响应度量评估可变能量发电可靠集成的规划和运行要求。欧内斯特·奥兰多劳伦斯·伯克埃莱国家实验室,伯克埃莱,加利福尼亚州,LBNL-4142 E,12月。Fox,B.,Flynn,D.,马利,妈的布莱恩湖沃森,R.,2007年风力发电集成连接和系统运行方面。捷克共和国工程技术研究所。冈瑟E.W.2001年 电力系统中的间谐波。在:IEEE电力工程学会夏季会议,卷。2,页。813-817 Heier,S.,2006. 风能转换系统的网格集成。再见,奇切斯特。Lemoine,M.,一九七七年 测量谐波阻抗的方法。IEEInternational Conference on Electricity Distribution(IEE国际配电会议)Lukasz,H.K.,Hjerrild,J.,Bak,C.L.,2009年大型近海风电场背靠背变频器谐波模型与实测值的比较。在:北欧风能会议。帕特尔,D.,2010年。风力发电机对电网谐振和谐波畸变的影响。电气和计算机工程,加拿大。罗伯特,A.,1992. 评估网络谐波阻抗的指南,工作组CC 02,第36.05/2条。Shewarega,F.,埃利希岛Rueda,J.L.,2009. 大型近海风电场对电力系统暂态稳定性的影响在:IEEE/PES电力系统会议和博览会,pp。1-8号。Tentzerakis,S.,Papathanassiou,S.,Papadopoulos,P.,Foussekis,D.,Vionis,P.,2007. 风电场谐波电流排放评估。在:欧洲能源会议,米兰,意大利。Wakileh,G.J.,2001年 电力系统谐波:基础,分析和滤波器设计。斯普林格。杨,H. 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