CN107317336B - 并联阻抗型装置治理背景谐波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，包括：根据母线所在系统的无功需量，确定阻抗型装置的基波无功补偿容量；根据母线的电压等级，确定阻抗型装置所承受的电压，再依据所需滤除谐波的次数和阻抗型装置的基波无功补偿容量，计算阻抗型装置中电容器组的总容抗和电抗器感抗；确定单个电容器的容抗，再根据母线电压、电容器组的容抗和无功补偿容量来确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数，获得阻抗型装置的结构；将获得的阻抗型装置并联在母线上，从而实现背景谐波的治理。该方法可以大幅地减少背景谐波电压在负荷母线上含量，从而减少或改善背景谐波电压对负荷下用电设备安全稳定运行的不利影响。

Description

并联阻抗型装置治理背景谐波的方法

技术领域

本发明涉及背景谐波治理技术领域，尤其涉及并联阻抗型装置治理背景谐波的方法。

背景技术

随着新能源技术的大规模应用，光伏等新能源发电装机容量逐年提高，非线性用电负荷所占的比例逐步增大，造成配电网的谐波污染有逐步恶化的趋势。尤其在分布式光伏接入的配电网系统中，光伏逆变器的入口LCL滤波器与配电系统等效阻抗之间在某些频率范围内发生串并联谐振，如果在这些频率范围内有背景谐波的存在，就会对背景谐波进行放大，造成光伏逆变器入口LCL滤波器的谐振过电压，进一步导致其保护动作，造成光伏发电的解列；不仅如此，高频背景谐波电压还可能导致光伏逆变器孤岛保护的误动作。电力系统和用电设备的电力电子化程度日益提高的形式下，背景谐波还可能造成一些电压源型换流器过流跳电等问题。因此，对配电网治理背景谐波有很多的工程应用的需求。

对于背景谐波，必须采取有效的措施对其进行治理，通常采用在配电变压器低压出线处串联有源电力滤波器和装设隔离变压器两种方法。这两种方法均有不同程度的缺陷，APF是单体设备，容量有限，成本较高，并不适合直接串联在配电变压器低压出线处。而隔离变压器通常设置在重要负荷馈线上，使用范围有限，不能直接用于配电变压器低压出线处对整条负荷母线的背景谐波电压进行抑制。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，可以大幅地减少背景谐波电压在负荷母线上含量，从而减少或改善背景谐波电压对负荷下用电设备安全稳定运行的不利影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，包括：

对于存在背景谐波治理需求和无功补偿需求的母线，根据母线所在系统的无功需量，确定阻抗型装置的基波无功补偿容量，所述阻抗型装置由电容器组与电抗器串联组成；

根据母线的电压等级，确定阻抗型装置所承受的电压，再依据所需滤除谐波的次数和阻抗型装置的基波无功补偿容量，计算阻抗型装置中电容器组的总容抗和电抗器感抗；

确定单个电容器的容抗，再根据母线电压、电容器组的容抗和无功补偿容量来确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数，获得阻抗型装置的结构；

将获得的阻抗型装置并联在母线上，从而实现背景谐波的治理。

该方法还包括：根据母线所在系统的背景谐波电压频率，确定所需滤除谐波的次数h。

所述计算阻抗型装置中电容器组的总容抗和电抗器感抗的公式为：

其中，h为所需滤除谐波的次数，Q_C为阻抗型装置的基波无功补偿容量，U_N为阻抗型装置所承受的电压，X_C、X_L分别对应为电容器组的总容抗、电抗器感抗。

所述确定单个电容器的容抗公式为：

其中，Q为额定容量，U_C,N为单个电容器的额定电压。

将获得的阻抗型装置并联在母线上之后，计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗和系统谐波阻抗，通过阻抗分压的原理，得到分压在母线上的背景谐波电压；若分压在母线上的背景谐波电压满足要求，则获得的阻抗型装置的结构也满足要求；否则，阻抗型装置的结构不满足要求，重新确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数。

所述计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗、系统谐波阻抗和、阻抗型装置的谐波阻抗和阻抗型装置的谐波阻抗，通过阻抗分压的原理，得到分压在母线上的背景谐波电压包括：

计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗：

计算配电变压器谐波阻抗：Z_T,h＝jhX_T；

计算系统谐波阻抗：Z_S,h＝jhX_S；

计算阻抗型装置的谐波阻抗：

其中，h为所需滤除谐波的次数，

为系统阻抗，U_S为系统电源电压，R_L和X_L1分别为母线所接入负荷的等效电阻和感抗，X_T为配电变压器阻抗，X_C、X_L分别对应为电容器组的总容抗、电抗器感抗，j为虚数的单位；

系统谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗和母线所接入负荷的等效谐波阻抗串联分压，分压在母线上的背景谐波电压U_h1为：

其中，U_h为背景谐波电压；

阻抗型装置在h次谐波发生谐振，上述公式中Z_L1,h的值减小，使得分压在母线上的背景谐波电压U_h1也将减小。

所述将获得的阻抗型装置并联在母线上之后还包括：

对电容器组进行过电压、过电流和过容量校核，若任一项未通过校核，则重新确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该治理方法以背景谐波的传递为基础，通过并联阻抗型装置使所治理母线负荷的等效阻抗降低，从而减少谐波电压在该母线上的含量，达到治理背景谐波电压的目的，具有结构简单，治理成本低的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的阻抗型装置并联介入母线的示意图；

图3为本发明实施例提供的背景谐波在供配电系统中传递规律的阻抗模型图；

图4为本发明实施例提供的背景谐波治理装置投入前35kV母线谐波电压频谱图；

图5为本发明实施例提供的投入阻抗型装置后供配电系统的阻抗模型图；

图6为本发明实施例提供的投入阻抗型装置后35kV母线谐波电压频谱图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法的流程图。如图1所示，主要包括如下步骤：

步骤1、对于存在背景谐波治理需求和无功补偿需求的母线，根据母线所在系统的无功需量，确定阻抗型装置的基波无功补偿容量，所述阻抗型装置由电容器组与电抗器串联组成。

本发明实施例中，阻抗型装置可称为治理装置或者背景谐波治理装置，主要由一个电抗器与电容器组串联组成，电容器组包括若干串联和/或并联的电容器，电容器组的具体结构需要根据系统情况来进行确定，后续的步骤主要针对这一过程进行介绍。

步骤2、根据母线的电压等级，确定阻抗型装置所承受的电压，再依据所需滤除谐波的次数和阻抗型装置的基波无功补偿容量，计算阻抗型装置中电容器组的总容抗和电抗器感抗。

电容器组的总容抗X_C、电抗器感抗X_L的计算公式如下：

其中，h为所需滤除谐波的次数(需要根据母线所在系统的背景谐波电压频率来确定)，Q_C为阻抗型装置的基波无功补偿容量(步骤1中获得)，U_N为阻抗型装置所承受的电压。

步骤3、确定单个电容器的容抗，再根据母线电压、电容器组的容抗和无功补偿容量来确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数，获得阻抗型装置的结构。

确定单个电容器的容抗公式为：

其中，Q为额定容量，U_C,N为单个电容器的额定电压。

根据单个电容器的容抗，再结合系统其他参数可以确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数，也即电容器组的具体结构，从而确定阻抗型装置的结构。

步骤4、将获得的阻抗型装置并联在母线上，从而实现背景谐波的治理。

如图2所示，将获得的阻抗型装置并联在母线上将获得的阻抗型装置并联在母线上。

之后，计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗和系统谐波阻抗，通过阻抗分压的原理，得到分压在母线上的背景谐波电压；若分压在母线上的背景谐波电压满足要求，则获得的阻抗型装置的结构也满足要求；否则，阻抗型装置的结构不满足要求，重新确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数。主要计算公式如下：

计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗：

其中R_L和X_L1分别为母线所接入负荷的等效电阻和感抗；

计算配电变压器谐波阻抗：Z_T,h＝jhX_T；

计算系统谐波阻抗：Z_S,h＝jhX_S；

计算阻抗型装置的谐波阻抗：

其中，

为系统阻抗，U_S为系统电源电压，X_T为配电变压器阻抗，X_C、X_L分别对应为电容器组的总容抗、电抗器感抗，j为虚数的单位。

系统谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗和母线所接入负荷的等效谐波阻抗串联分压，分压在母线上的背景谐波电压U_h1为：

其中，U_h为背景谐波电压。

阻抗型装置在h次谐波发生谐振，上述公式中Z_L1,h的值减小，使得分压在母线上的背景谐波电压U_h1也将减小。

另一方面，所述将获得的阻抗型装置并联在母线上之后还包括：

对电容器组进行过电压、过电流和过容量校核，若任一项未通过校核，则重新确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数。

为了便于理解，下面救援上述实施例的方案结合一具体的示例进行说明；下述示例中所采用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改。

在本示例中，系统电源电压U_S＝220kV，短路容量为S_d＝3472MVA，主变压器为三绕组变压器，变压器容量S_T＝180MVA，高中绕组之间阻抗电压为13.6％，高低绕组之间阻抗电压为23.1％，中低绕组间阻抗电压为7.6％。系统电源经过主变压器分别给110kV和35kV母线供电，其中110kV进线的视在功率41.21MVA，功率因数为0.96，35kV进线的视在功率为2.39MVA，功率因数为0.87。由此可以的得到系统阻抗，变压器阻抗和负载阻抗，110kV母线所供电负荷中存在23次受控谐波电流源，I_23,110kV＝10A，具体如图3所示。

计算得到的系统感抗X_s和系统电阻R_s分别为：

系统23次谐波阻抗Z_s,23为：

X_s,23＝23×X_S＝j320.62Ω

Z_s,23＝R_s,23+jX_S,23＝6.33+j320.62Ω

计算得到的三绕组变压器感抗X_T1,X_T2,X_T3和电阻R_T1,R_T2,R_T3分别为：

R_T1＝0.49Ω，X_T1＝j39.12Ω

R_T2＝0.49Ω，X_T2＝-j2.55Ω

R_T3＝0.72Ω，X_T3＝j22.99Ω

计算得到的三绕组变压器23次谐波阻抗Z_T1,23,Z_T2,23,Z_T3,23分别为：

R_T1,23＝2.35Ω，X_T1,23＝j899.76Ω

R_T2,23＝2.35Ω，X_T1,23＝-j0.11Ω

R_T3,23＝3.45Ω，X_T3,23＝j528.77Ω

Z_T1,23＝2.35+j899.76Ω

Z_T2,23＝2.35-j0.11Ω

Z_T3,23＝3.45+j528.77Ω

110kV母线下负荷的等效电阻R_L,1和等效感抗X_L,1分别为：

R_L,1＝305.86Ω，X_L,1＝j1048.53Ω

折算至220kV的等效电阻R_L1,220和等效感抗X_L1,220分别为：

R_L1,220＝1223.44Ω，X_L1,220＝j4194.12Ω

110kV负荷23次谐波阻抗Z_L1,23为：

R_L1,220,23＝5867.22Ω，X_L1,220,23＝j96464.76Ω

Z_L1,23＝5845.8+j355.88Ω

35kV母线下负荷的等效电阻R_L,2和等效感抗X_L,2分别为：

R_L,2＝588.94Ω，X_L,2＝j1038.14Ω

折算至220kV的等效电阻R_L2,220和等效感抗X_L2,220分别为：

R_L2,220＝23269.14Ω，X_L2,220＝j41017.12Ω

35kV母线下负荷等效23次谐波阻抗Z_L2,23为：

R_L2,220,23＝111594.88Ω，X_L2,220,23＝j943393.76Ω

Z_L2,23＝1.1×10⁵+j1.3×10⁴Ω

所以依据背景谐波传递规律可得，当h＝23时，谐波电流系数为：

所以35kV母线上的23次背景谐波电压为：

搭建仿真模型，得到35kV母线主导谐波电压频谱分布图，如图4所示。

35kV系统所需滤除谐波次数为23次，根据调谐系数的推荐值，本例α值取0.98，即在22.54次使单调谐滤波器串联谐振。

为了抑制背景谐波电压，需要在35kV母线并联背景谐波治理装置(即阻抗型装置)，设计步骤如下。将35kV进线功率因数补偿至0.99，所需无功功率为：

依据系统无功需量与调谐次数，求得背景谐波治理装置电抗器的感抗与电容器组的总容抗：

X_L＝2.60Ω

X_C＝1320.93Ω

选取单个电容的额定电压为12kV，额定容量为334kvar，则单个电容的容抗为：

电容器组所连接母线电压为35kV，因此相电压为20.2kV，至少串联2个电容器才能保证电容器组的安全稳定运行。单相电容器组的连接方式为串联3个电容器，则正常运行时电容等效容抗为1293.36Ω，折算至220kV电压等级为51100.92Ω，滤波电容器的等效补偿容量约为0.95Mvar，安装容量为3.006Mvar。

电抗器感抗折算至220kV，感抗值为：

X_L,220＝102.73Ω

则背景谐波治理装置的23次谐波阻抗为：

如图5所示，接入背景谐波治理装置。接入背景谐波治理装置后，折算至220kV电压等级下35kV母线负荷的等效23次谐波阻抗为：

Z'_L2,23＝0.18+j140.99Ω

折算至35kV电压等级的三绕组变压器三个绕组联接点的23次谐波电压为：

所以依据背景谐波传递规律可知，在投入治理装置工况下，35kV母线上的23次谐波电压为：

搭建仿真模型，得到35kV母线各次主导谐波电压频谱分布图，如图6所示。由图4和图6对比可以看出在背景谐波治理装置投入后，23次背景谐波电压大幅减小，治理效果明显。

根据滤波器过电压校核原则得：

28634+1027＝29661V≤39600V

因此，滤波电容器通过过电压校核。

根据滤波器过电流校核原则：

因此，滤波电容器通过过电流校核。

根据滤波器过容量校核原则得：

因此，滤波电容器通过过容量校核。

本发明实施例提供的治理方法以背景谐波的传递为基础，通过并联阻抗型装置使所治理母线负荷的等效阻抗降低，从而减少谐波电压在该母线上的含量，达到治理背景谐波电压的目的，具有结构简单，治理成本低的优势。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，其特征在于，包括：

对于存在背景谐波治理需求和无功补偿需求的母线，根据母线所在系统的无功需量，确定阻抗型装置的基波无功补偿容量，所述阻抗型装置由电容器组与电抗器串联组成；

根据母线的电压等级，确定阻抗型装置所承受的电压，再依据所需滤除谐波的次数和阻抗型装置的基波无功补偿容量，计算阻抗型装置中电容器组的总容抗和电抗器感抗；

确定单个电容器的容抗，再根据母线电压、电容器组的容抗和无功补偿容量来确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数，获得阻抗型装置的结构；

将获得的阻抗型装置并联在母线上，从而实现背景谐波的治理；

将获得的阻抗型装置并联在母线上之后，计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗、系统谐波阻抗和阻抗型装置的谐波阻抗，通过阻抗分压的原理，得到分压在母线上的背景谐波电压；若分压在母线上的背景谐波电压满足要求，则获得的阻抗型装置的结构也满足要求；否则，阻抗型装置的结构不满足要求，重新确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数。

2.根据权利要求1所述的一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，其特征在于，该方法还包括：根据母线所在系统的背景谐波电压频率，确定所需滤除谐波的次数h。

3.根据权利要求1所述的一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，其特征在于，所述计算阻抗型装置中电容器组的总容抗和电抗器感抗的公式为：

其中，h为所需滤除谐波的次数，Q_C为阻抗型装置的基波无功补偿容量，U_N为阻抗型装置所承受的电压，X_C、X_L分别对应为电容器组的总容抗、电抗器感抗。

4.根据权利要求1所述的一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，其特征在于，所述确定单个电容器的容抗公式为：

其中，Q为额定容量，U_C,N为单个电容器的额定电压。

5.根据权利要求1所述的一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，其特征在于，所述计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗、系统谐波阻抗和阻抗型装置的谐波阻抗，通过阻抗分压的原理，得到分压在母线上的背景谐波电压包括：

计算母线所接入负荷的等效谐波阻抗：

计算配电变压器谐波阻抗：Z_T,h＝jhX_T；

计算系统谐波阻抗：Z_S,h＝jhX_S；

计算阻抗型装置的谐波阻抗：

其中，h为所需滤除谐波的次数，

为系统阻抗，S_d为短路容量，U_S为系统电源电压，R_L和X_L1分别为母线所接入负荷的等效电阻和感抗，X_T为配电变压器阻抗，X_C、X_L分别对应为电容器组的总容抗、电抗器感抗，j为虚数的单位；

系统谐波阻抗、配电变压器谐波阻抗和母线所接入负荷的等效谐波阻抗串联分压，分压在母线上的背景谐波电压U_h1为：

其中，U_h为背景谐波电压；

阻抗型装置在h次谐波发生谐振，上述公式中Z_L1,h的值减小，使得分压在母线上的背景谐波电压U_h1也将减小。

6.根据权利要求1所述的一种并联阻抗型装置治理背景谐波的方法，其特征在于，所述将获得的阻抗型装置并联在母线上之后还包括：

对电容器组进行过电压、过电流和过容量校核，若任一项未通过校核，则重新确定电容器组中各电容器串并联的方式和支路数。

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