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大容量脉冲功率系统对电能质量的影响研究

谭亲跃  
【摘要】:随着电源和电网的发展,负荷结构和负荷特性也发生了很大的变化。大量新型负荷,特别是电力电子设备的广泛应用,使得电能质量以及由电能质量而导致的电力系统稳定性问题已经日益成为影响电力系统运行的突出问题。 作为脉冲功率系统的重要组成部分,电容器充电电源通过一系列的电力电子变流过程,使工频能量最终以高频脉动直流的形式耦合到脉冲储能电容器上,为形成脉冲功率提供初始能量;作为电网的负载,电容器充电电源具有非线性和冲击性,非线性使得电容器充电电源产生了大量的谐波,而功率的冲击性,引起电网频率和电压的波动,特别是无功功率的冲击性所引起的电压稳定问题尤其突出。 本文第二章在全面分析电容器充电电源的工作特性,包括恒流充电特性,充电效率和充电电压精确性等特性的基础上,建立了能反映该电容器充电电源的工作过程和电气特性的电路模型及相应的数学模型,把充电电源简化成为一个随时间变化的三相整流负载,该模型的正确性和有效性在后续定量分析和试验中得到了检验。 在本文第三章,利用该等效模型,对单台电容器充电电源直流侧电流进行了计算,并由此推导出交流侧电流表达式,进而求出了各次谐波的傅里叶系数。对电容器充电电源产生的50次以内的谐波进行了定量的分析,得出了表征谐波特性的各种参量。结果表明,交流侧总的谐波畸变率与直流侧滤波电路和负载大小有着密切关系:在一定范围内,随着滤波电感的增大,谐波畸变率会减小,但具有饱和性,随着电感的不断增大,这个影响会减小到零,在本装置中,电感采用3 mH较合适;随着功率的增大,谐波畸变率会减小,但谐波有效值会不断增大。在充电峰值功率50 kW时,谐波畸变率约30%,而谐波有效值达20A。 谐波电流一经产生,就会在电网中传播,不但引起引起谐波源负载所接母线电压的畸变,还会引起上一级和更高电压等级母线电压的畸变,从而影响着所有和母线有电气联系的负载和设备。为分析此影响,第四章运用Matlab软件进行了谐波潮流计算,并提出谐波影响系数的概念,研究谐波影响系数与短路容量、线路参数等和负载等的关系,试图得出谐波传递的一般性规律。 不但如此,必须充分考虑CCPS负荷的有功功率和无功功率的冲击性,经分析,400台电容器充电电源(CCPS)同时工作时,有功功率将在不到一分钟内上升近20MW,而无功功率在同样的时间里上升到近6Mvar,当达到此峰值以后,充电完毕,负荷功率迅速降为零。这对系统频率和电压,特别是电压会有较大影响。利用前面相关结果,考虑谐波存在情况下的功率因数,提出了谐波存在下的功率因数定义,对电容器充电电源(CCPS)的功率因数进行了计算,得出了无功功率曲线,结合电网参数对电压稳定性和波动范围进行了分析和仿真,结果和实测吻合。 针对以上影响分析,并结合当前谐波治理和无功补偿技术,设计了一套混合有源滤波装置(PPF+APF),该装置既能进行滤波,又能补偿无功,取得了较好效果。 同时,也提出了电容器充电电源(CCPS)电路优化设计方案和配电网设计方案,以求主动减小电容器充电电源(CCPS)对电网电能质量的影响。


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