CN104899445A - 基于***等值的交直流混供用户受电***设计评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于***等值的交直流混供用户受电***设计评估方法，该方法首先为设计好的接近实际的供电配网模型中的各模型描述数学模型，再利用所描述的各数学模型求解出供电配网中各节点的节点电压和各支路的支路电流，用以得出该供电配网模型的THD参数，将算得THD参数的最恶劣情形与标准THD参数比较，若低于标准，则供电配网设计合理。该方法为解决电网中存在的复杂谐波情况提供一种简便的评估分析方式，根据国标要求对电网进行辅助设计，免去设计上的缺陷带来的二次作业和对电网运行的危害。

Description

基于***等值的交直流混供用户受电***设计评估方法

技术领域

本发明涉及电网设计技术领域，特别是一种基于***等值的交直流混供用户受电***设计方法。

背景技术

随着城市负荷密度快速增长，对城市配电网供电能力与电能质量要求不断提高,新能源、新材料、电力电子技术的快速发展和广泛应用,以交流输电为主的传统城市配电网发展面临着分布式能源接入、负荷多样化、一次***结构庞杂、负荷调度及潮流均衡协调控制复杂化等一系列的困难和挑战。相比于交流配电网,基于柔性直流技术的配电网在提升电能输送容量、增加***可控性以及提高供电质量等方面具有更加优越的性能,而且还能很好地协调分布式电源与电网之间的矛盾,充分挖掘分布式能源的效益和价值,兼具稳定性、经济性、可靠性、安全性。包含柔性直流输电线路的交直流混合配电***必将成为解决城市配电网发展的有效途径之一。

随之而来的是带来一系列问题，首先就是谐波问题，谐波影响包括：1)使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾；2)影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏；3)引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述1)和2)的危害大大增加，甚至引起严重事故；4)导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确；5)对邻近的通信***产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信***无法正常工作。

而在国标GB/T14549-93中明确规定了电网的谐波的谐波畸变率,即THD参数不能超过指定标准。因此在交直流混合供电时需要考虑到电网中各支路及节点带来的影响，并合理设计滤波电路来满足国标要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：通过等效仿真所要设计的配电网***模型，并评估该模型的相关参数是否符合国标GB/T14549-93，来判断能否将该模型应用于实际情况电网中，为能否投入这套分布式电源设备提供指导，并为如何投入这套设备提供指导，还能用于判断配套设计的滤波电路是否合理。

本发明采取的技术方案具体为：一种基于***等值的交直流混供用户受电***设计评估方法，针对交直流混供用户受电***的供电配网模型包括等效***单元、输电线路单元、网侧母线单元、用户侧母线单元、综合负荷单元、转换器谐波电源单元、滤波器组单元及1个以上等效变压器单元；

上述综合负荷单元即用户侧母线上的接入负荷，包括旋转电机负荷和无源负荷；

上述滤波器组单元由单调谐滤波器、高通滤波器、C型滤波器、1阶高通滤波器和3阶高通滤波器中的1种或2种以上组成；

对于上述供电配网模型，执行以下步骤：

a.在基波频率下，定义输电线路单元的第一线路数学模型，定义综合负荷单元中旋转电机负荷的第一电机数学模型，定义转换器谐波电源单元的谐波源电流数学模型；

在h次谐波频率下，定义输电线路单元的第二线路数学模型，定义综合负荷单元中旋转电机负荷的第二电机数学模型；

h次谐波频率下的谐波源电流数学模型和基波频率下的谐波源电流数学模型相同；上述h为整数；

上述谐波源电流数学模型以转换器谐波电源单元的电流幅值和相位表示；

b.将转换器谐波电源单元的电流的时域波形进行傅里叶展开得到转换器谐波电源单元的电流幅值，以蒙特卡罗方法为转换器谐波电源单元的电流相位生成随机值；

c.将步骤b中得到的转换器谐波电源单元的电流幅值通过谐波电流注入法运算得出供电配网模型支路两端节点的节点导纳矩阵，再用节点分析法分析上述节点导纳矩阵得到相应节点的节点电压，再通过已得到的节点电压和支路的阻抗得到支路的支路谐波电流；

d.根据步骤c中得到的节点电压和支路谐波电流得出供电配网模型的THD参数；

e.选取THD参数的最大值，将其与国标GB/T14549-93中的标准THD参数作比较，若所述THD参数的最大值低于所述标准THD参数的值，则供电配网模型符合标准，反之则不符合标准。

本发明中，等效***指供电配网的高一级电压***，其中包括等值电压源和等值阻抗，输电线路指供电配网中的架空线路和电缆线路，谐波源指分布式电源。

进一步的，本发明步骤a中，在基波频率条件下，按相序导出输电线路，第一线路数学模型以相应输电线路的相序单位长度和输电线路的总长度表示；第一电机数学模型以相应电机的电枢电阻和所述电枢的次暂态电抗表示；

在h次谐波频率条件下，第二线路数学模型与第一线路数学模型一致；第二电机数学模型的电枢电阻为第一电机数学模型的电枢电阻的倍。

更进一步的，本发明步骤d包括，将节点电压带入电压THD公式得到供电配网模型的节点电压谐波THD结果，以及将支路谐波电流带入电流THD算式得到供电配网模型的支路电流谐波THD结果；该步骤通过简单的算术计算，即可求得网络各节点的谐波电压THD和各支路的谐波电流THD，避免传统算法的交直流侧迭代过程，提高计算效率。

步骤e中，从所得到的节点电压谐波THD结果和支路电流谐波THD结果中分别取出最大值。该步骤通过蒙特卡罗法的随机多次模拟，网络各节点的谐波电压THD和各支路的谐波电流THD的最恶劣情况可包括在计算结果中，确保设计的***满足国标GB/T14549-93需要，克服了传统单次计算结果的片面性。

优选的，本发明中，步骤a中，h＝{h|h∈[1,50],且h∈N}。

本发明的有益效果为：通过对已设计的用来等效实际情况的供电配网模型进行数学模型描述，之后再根据数学模型加入谐波电流注入法、蒙特卡罗法等现有算法进行运算以得出必要的参数，根据这些参数来得到供电配网模型的THD参数。由于采用蒙特卡罗法来模拟各次谐波的复数部分，因此可以知道交直流混供所引入的谐波在最恶劣情形下的供电配网THD参数值，而这个最恶劣值也满足国标GB/T14549-93中的要求的话，已设计的供电配网模型自然是合格的，可以为投入这套分布式电源设备，以及如何投入这套设备提供指导，且有助于设计合理的滤波器组来消除或减弱谐波影响。

附图说明

图1所示为本发明一种实施例的供电配网模型结构示意图；

图2所示为图1所示实施例中的滤波器类型示意图；其中1-单调谐波滤波器，2-高通滤波器，3-C型滤波器，4-1阶高通滤波器，5-3阶高通滤波器；

图3所示为图1所示实施例中供电配网模型的仿真原理示意图；

图4所示为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

结合图1和图2所示，实施例中，与实际情况相对应的针对交直流混供用户受电***的供电配网模型包括等效***单元、输电线路单元、网侧母线单元、用户侧母线单元、综合负荷单元、转换器谐波电源单元、滤波器组单元及1个以上等效变压器单元；

综合负荷单元即用户侧母线上的接入负荷，包括旋转电机负荷和无源负荷；综合负荷可以任意扩展,扩展方式可以通过等效变压器和等效阻抗连接到用户侧母线上来实现；

如图2所示，滤波器组单元可由单调谐滤波器、高通滤波器、C型滤波器、1阶高通滤波器和3阶高通滤波器中的1种或多种组成；并如图3所示，以并联方式设置于线路末端。

等效***指供电配网的高一级电压***，其中包括等值电压源和等值阻抗，输电线路指供电配网中的架空线路和电缆线路，谐波源指分布式电源，本实施例中用电流源来表示谐波源。

本实施例中，用户侧网络与等效***之间按实际情况设置了一个或多个等效变压器，并且在网侧母线上可以根据实际的情况增加任意数量的支路，所以该模型可以模拟用户网侧多放射型支路的情况。

如图4所示，对于已经建立的供电配网模型，本发明的设计评估方法执行以下步骤：

a.在基波频率下，描述输电线路单元的第一线路数学模型，描述综合负荷单元中旋转电机负荷的第一电机数学模型，描述转换器谐波电源单元的谐波源电流数学模型；

在基波频率条件下，按相序导出输电线路，第一线路数学模型以相应输电线路的相序单位长度和输电线路的总长度表示；第一电机数学模型以相应电机的电枢电阻和电枢的次暂态电抗表示；

在h次谐波频率下，描述输电线路单元的第二线路数学模型，描述综合负荷单元中旋转电机负荷的第二电机数学模型；

在h次谐波频率条件下，第二线路数学模型与第一线路数学模型一致；第二电机数学模型的电枢电阻为第一电机数学模型的电枢电阻的倍。

h次谐波频率下的谐波源电流数学模型和基波频率下的谐波源电流数学模型相同；上述h＝{h|h∈[1,50],且h∈N}；

上述谐波源电流数学模型以转换器谐波电源单元的电流幅值和相位表示；

应用上述供电配网模型中的数学模型，可运算出在基波频率(50Hz)条件下模型中各节点的节点基波电压和供电配网模型中各支路的支路基波电流；

b.将转换器谐波电源单元中分布式电源的电流的时域波形进行傅里叶展开得到转换器谐波电源单元的电流幅值，以蒙特卡罗方法为转换器谐波电源单元的电流相位生成随机值；

c.将步骤b中得到的转换器谐波电源单元的电流幅值通过谐波电流注入法运算得出供电配网模型各支路两端节点的节点导纳矩阵，再用节点分析法分析上述节点导纳矩阵得到相应节点的节点电压，再通过已得到的各节点电压和各支路的阻抗得到各支路的支路谐波电流；

d.根据步骤c中得到的各节点电压和各支路谐波电流得出供电配网模型的THD参数；包括，将各节点电压带入电压THD公式得到供电配网模型的节点电压谐波THD结果，以及将各支路谐波电流带入电流THD算式得到供电配网模型的支路电流谐波THD结果；

e.选取THD参数的最大值，即从所得到的同频率下的节点电压谐波THD结果和支路电流谐波THD结果中分别取出最大值，将其与国标GB/T14549-93中的标准THD参数作比较，若所述THD参数的最大值低于所述标准THD参数的值，则供电配网模型符合标准，反之则不符合标准。

本实施例的供电配网模型用于仿真的频率选取的范围是从基波频率一直到49次谐波频率。图3所示为参数已设置的图1所示模型的可能结构，其中：

高压电网：电压132kV；短路容量SCC3＝1400MVA，SCCLG＝1260MVA，X/R＝6.5。

变压器：电压等级132/22kV；额定容量126MVA；阻抗Z＝0.3+j12.497％；联结方式Y/Y；接地电阻Rg＝317.5Ω。

电动机负荷：电压22kV；轴功率P＝36.85MW；功率因数pf＝0.89；效率η＝92％；电抗Xm＝20％；X/R＝10。

无源负荷：电压22kV；视在功率5MVA；功率因数pf＝1.0。

谐波源：类型分布式光伏发电；功率P＝30.951MW；功率因数pf＝0.9；效率η＝95％；输入视在功率Sm＝36.2MVA；

h	1	5	7	11	13	23	25	47	49
										Ih(％)	100	1.88	1.23	0.36	0.22	1.09	0.87	0.22	0.22

如图4所示，本发明可以是为了让供电配网模型满足THD参数标准，而进行的滤波设计的过程，借助供电配网模型，执行如下步骤：

1)收***参数，该***参数包括：高低压***、变压器、电动机负荷、无源负荷、谐波源、滤波器等参数。谐波源采用电流源模型，谐波幅值通过对时域波形傅里叶分解获得，各次谐波电流相位随机，以便谐波计算结果覆盖足够大足够全面，以满足不同情形下的滤波器设计要求；

2)应用模型中各种设备的数学模型，计算基波下模型的节点导纳矩阵，结合负荷情况，开展***网络潮流计算，计算各节点的基波电压和各支路的基波电流，并开展谐波阻抗计算；

3)采用设备的谐波数学模型，计算各次谐波下网络的节点导纳矩阵，开展谐波潮流计算，计算各节点的谐波电压和各支路的谐波电流；

4)结合基波潮流计算结果，计算节点电压和支路电流谐波畸变率，并与相关标准比较，如满足，则滤波器型式和参数合适，执行步骤5)；如不满足，则调整滤波器参数，继续步骤2)；

5)输出谐波计算结果、THD以及滤波器参数和滤波器性能、定值计算结果。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.基于***等值的交直流混供用户受电***设计评估方法，针对交直流混供用户受电***的供电配网模型包括等效***单元、输电线路单元、网侧母线单元、用户侧母线单元、综合负荷单元、转换器谐波电源单元、滤波器组单元及1个以上等效变压器单元；

上述综合负荷单元即用户侧母线上的接入负荷，包括旋转电机负荷和无源负荷；

上述滤波器组单元由单调谐滤波器、高通滤波器、C型滤波器、1阶高通滤波器和3阶高通滤波器中的1种或2种以上组成；

其特征是，对于上述供电配网模型，执行以下步骤：

a.在基波频率下，定义输电线路单元的第一线路数学模型，定义综合负荷单元中旋转电机负荷的第一电机数学模型，定义转换器谐波电源单元的谐波源电流数学模型；

在h次谐波频率下，定义输电线路单元的第二线路数学模型，定义综合负荷单元中旋转电机负荷的第二电机数学模型；

h次谐波频率下的谐波源电流数学模型和基波频率下的谐波源电流数学模型相同；上述h为整数；

上述谐波源电流数学模型以转换器谐波电源单元的电流幅值和相位表示；

b.将转换器谐波电源单元的电流的时域波形进行傅里叶展开得到转换器谐波电源单元的电流幅值，以蒙特卡罗方法为转换器谐波电源单元的电流相位生成随机值；

c.将步骤b中得到的转换器谐波电源单元的电流幅值通过谐波电流注入法运算得出供电配网模型支路两端节点的节点导纳矩阵，再用节点分析法分析上述节点导纳矩阵得到相应节点的节点电压，再通过已得到的节点电压和支路的阻抗得到支路的支路谐波电流；

d.根据步骤c中得到的节点电压和支路谐波电流得出供电配网模型的THD参数；

e.选取THD参数的最大值，将其与国标GB/T14549-93中的标准THD参数作比较，若THD参数的最大值低于标准THD参数的值，则供电配网模型符合标准，反之则不符合标准。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤a中，在基波频率条件下，按相序导出输电线路，第一线路数学模型以相应输电线路的相序单位长度和输电线路的总长度表示；第一电机数学模型以相应电机的电枢电阻和电枢的次暂态电抗表示；

在h次谐波频率条件下，第二线路数学模型与第一线路数学模型一致；第二电机数学模型的电枢电阻为第一电机数学模型的电枢电阻的倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤d包括，将节点电压带入电压THD公式得到供电配网模型的节点电压谐波THD结果，以及将支路谐波电流带入电流THD算式得到供电配网模型的支路电流谐波THD结果；

步骤e中，从所得到的节点电压谐波THD结果和支路电流谐波THD结果中分别取出最大值。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征是，步骤a中，h＝{h|h∈[1,50],且h∈N}。