供电系统的三相不平衡研究.doc
《供电系统的三相不平衡研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《供电系统的三相不平衡研究.doc(33页珍藏版)》请在沃文网上搜索。
1、兰州交通大学毕业设计(论文)摘 要当前,中低压配电网系统中存在大量单相、不对称、非线性负荷,这些负荷会使配电系统产生三相不平衡,从而导致供电系统三相电压、电流不平衡。当系统三相不平衡度超过一定范围时,将会影响系统安全运行。本文首先介绍了三相不平衡的产生原因,给出了三相不平衡度的计算方法。Steinmetz理论是基于不平衡负荷的平衡化理论,用该理论可以对电力系统三相不平衡电压和不平衡电流平衡化。基于此目的,本文主要论述了Steinmetz理论的思想及其在2种主要不平衡负荷(电气化铁路系统和电弧炉)方面的应用。在应用部分还考虑了低压配电网中三相三线制负荷的不平衡情况及其补偿方法。最后,用MATLA
2、B对Steinmetz理论的应用进行了仿真,仿真结果表明,Steinmetz理论可以对所研究的不平衡负荷平衡化,继而解决所面临的问题,所以该理论具有实际工程应用价值。关键词:三相不平衡;Steinmetz理论;不平衡负荷平衡化AbstractAt present, the system of low voltage distribution network has a large number of single phase, asymmetric, nonlinear load, the load will make the distribution system to generate t
3、hree-phase unbalance, which lead to the power supply system of three phase voltage, current imbalance. When the three-phase imbalance degree exceeds a certain range, it will affect the safe operation of the system.This paper first introduces the causes of three-phase unbalance, and gives the calcula
4、tion method of three-phase unbalance factor. Steinmetz theory is based on the balance theory of unbalanced load, using which can make unbalance of three-phase voltage and current of power system balance. Based on this purpose, this paper mainly discusses the Steinmetz theory and its application of t
5、wo main unbalanced loads (electrical railway system and electric arc furnace). In the part of the application, the load imbalance of three-phase three-wire system in low voltage distribution network and its compensation method. are also taken into account.Finally, the application of Steinmetz theory
6、 is simulated by MATLAB, the simulation results show that Steinmetz theory can make the unbalanced load balancing, and then solve the problems we are facing, so the theory has a practical value for engineering application.Key words: Three-phase unbalance,Steinmetz theory,Unbalanced load balancing311
7、 绪论1.1 课题背景与意义随着我国各行各业的迅速发展和崛起,电力系统的规模日益扩大,这造成了配电系统的日益复杂化。配电系统是电力系统的最末端,但也是电力系统中最为复杂而多变的一部分。目前,随着各种用电设备的不断普及,负荷种类越来越多。一方面,这使得用户对电能质量以及供电可靠性的要求越来越高;另一方面,配电网中诸如电力机车、交流电弧炉、轧钢机等这些非线性、冲击性、不平衡性负荷的日益增多,电力系统的三相不平衡问题变得越来越严重。因为高压等级的负荷通常是三相平衡的,所以这种三相不平衡问题主要出现在中低压的配电网系统中。在中低压配电网中,由于三相负荷是随机变化的,因此一般是不平衡的12。负荷不平衡使
8、配电系统产生三相不平衡,从而导致供电系统三相电压、电流不平衡,而三相电压、电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列危害,主要有:(1) 引起旋转电机的附加发热和振动,危及安全运行和正常出力。(2) 引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作(特别是当电网中同时存在谐波时),对电网安全运行有严重威胁。(3) 使半导体变流设备产生附加的谐波电流(非特征谐波),而这种设备一般设计上只允许2的电压不平衡度。(4) 变压器的三相负荷不平衡不仅使过负荷的一相线圈过热而缩短寿命,还会由于磁路不平衡,大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热,造成附加损耗。(5) 在低压配电线路中,会影响计算机正常工作,引起照明电
9、灯寿命缩短(电压过高)或照度不足(电压过低)以及电视机的损坏等。(6) 引起电网损耗的增加。(7) 对于通信系统,会增大干扰,影响正常通信质量。目前国内研究主要针对系统无功不足来进行,对如何改善配电系统三相不平衡的研究资料比较匮乏,所以此问题已成为当前配电系统亟待解决的问题。本文主要针对Steinmetz理论在三相不平衡的中低压配电系统中的应用研究,目的就是将Steinmetz理论应用于不平衡系统中使系统平衡化,从而为Steinmetz理论的更深入研究以及不平衡负荷平衡化问题的解答提供一条渠道。1.2 课题研究现状目前,无功不足及负荷不平衡已成为配电系统的两大难题3。针对无功不足问题的无功补偿
10、技术已基本成熟,但三相不平衡问题仍然是当前中低压配电系统中亟待解决的问题。国内对于不平衡负荷的研究主要针对无功补偿的方法来进行。文献3研究了一种新型三相不平衡负荷的无功补偿算法,该算法在仅知补偿前三相有功功率及无功功率的情况下就可确定各相所需补偿值。文献4研究了既适合三相三线制接线形式又适合于三相四线制接线形式的不平衡负荷无功补偿方法,并建立模型,利用该模型可以确定需要补偿的容量。文献5得出了既适合于三相三线制系统又适合于三相四线制的三相不平衡负荷平衡化的无功补偿公式。这些文献都是从无功补偿的角度来研究三相不平衡负荷的,提出的方法都是低压配电网的三相不平衡无功补偿算法。也有许多文献确实提到了S
11、teinmetz理论,并在原文献中将其思想加以应用。文献6提到了Steinmetz补偿原理并指出其缺点;文献7中提到了传统的Steinmetz理论;文献8用Steinmetz的算法思想作为负序不平衡补偿理论分析的基础;文献9提到了基于Steinmetz原理的三相平衡化原理以及Steinmetz提出的理想补偿网络理论。但是,这些文献要么只是以Steinmetz理论为理论基础而推导其结论,要么在文献中只是提到Steinmetz理论而未加推理和论证。所以,尚缺乏专门对Steinmetz理论进行条理化完整研究的文献,Steinmetz理论在实际配电系统应用研究方面的资料也极其匮乏。1.3 本课题的研究
12、内容与目标本文首先对三相不平衡的若干问题做了相关介绍,总结出了不平衡度的计算方法。对应中低压配电系统中三相不平衡的问题,给出了Steinmetz理论的由来、基本思想,并对Steinmetz理论在不平衡系统补偿方面的应用加以论述,对中低压配电网中几种典型的三相不平衡系统(电气化铁道牵引负荷、工业用交流电弧炉)建立了适合Steinmetz理论进行研究的模型,求出了补偿导纳。本文还对低压配电网三相三线制系统中出现的不平衡问题做了分析,建立了基于Steinmetz理论的低压配电网三相不平衡负荷平衡化研究的模型,求出了补偿导纳,指出了Steinmetz理论在这3种主要电流不平衡系统中的应用方法。最后,用
13、MATLAB的SIMULINK模块对Steinmetz理论应用于三相不平衡系统建立模型,进行仿真,分析仿真结果。2 对三相不平衡的介绍2.1 对三相不平衡系统的定义对于一个三相电气系统,如果其三相电压和三相电流的幅值相等、相位互差120o,则称该系统为三相平衡系统或三相对称系统。如果其中的一个条件不满足或两个条件都不满足,则称该系统为三相不平衡系统或三相不对称系统。2.2造成三相不平衡的原因如果不考虑小规模分散式发电机的装用以及架空线几何布置等因素造成的电力系统元件三相参数不对称情况的影响,在大多数情况下,负载的不对称是产生三相不平衡的首要因素。高压等级的负载通常是三相平衡的。大多数中压等级的
14、负载通常也是三相平衡的。但是,诸如电力牵引机车以及交流电弧炉等冲击性的负载仍会造成严重的三相不平衡。低压配电网中诸如PC机和照明系统中的低压负载通常是单相的,因此很难确保三相系统的平衡。有时,系统的异常运行状况也会导致相间不平衡,从而引起三相不平衡,相对地短路故障、相对相短路故障以及断线故障就是很典型的例子。2.3对三相不平衡的抑制措施对于由不对称负荷造成的三相不平衡可以采取以下的抑制措施:(1) 分散供电点的不对称负荷,减小由负荷的集中连接而造成的三相不平衡;(2) 人为地合理分配不对称负荷,使负荷尽量对称化;(3) 将不对称负载连接到更高的短路容量供电点,从而减小电压不平衡度;(4) 采用
15、三相平衡化的补偿装置。2.4对三相不平衡电压和三相不平衡电流的量化三相不平衡电压和三相不平衡电流的量化方法用对称分量法。对称分量法是用于分析三相不平衡系统的一种极其有用的方法。在三相不平衡的电力系统中,要把不对称的电压、电流向量分解成对称的正序、负序、零序三组分量,进而对系统的不平衡进行量化研究。电压、电流的对称分量要用如下的矩阵变换来计算:(2.1)(2.2)三相平衡的电力系统中只有正序分量。由于三相对称,负序分量和零序分量都为0。但是在不平衡的系统中,除了存在正序分量,还有负序分量和零序分量。本课题的研究不涉及三相四线制系统,而只研究三相三线制系统。三相三线制系统没有中性线,零序电流无法流
16、通,所以在本课题中并不考虑零序分量。2.5关于不平衡度的定义及其计算方法总结根据不平衡度的不同计算方法,不平衡度有不同的定义。既有应用相电压计算的三相不平衡度计算公式,也有按线电压计算的三相不平衡度计算公式。这里只讨论几种最常用的不平衡度计算方法并作优缺点说明。(1) 国际电工委员会标准定义10的利用负序电压复数与正序电压复数的比值来计算三相电压不平衡度的计算公式为:(2.3)其中,;、 为相电压矢量;为旋转因子,。评价:该方法得到的电压不平衡度既能反映幅值大小也能够反映正负序电压的相角差值。公式能够反映相角不平衡程度,这是其独到特点,它便于计算非线性负载对相角不平衡的影响。它的缺点是要进行复
17、数运算,计算量大。(2) IEC精确定义的利用负序电压有效值与正序电压有效值的比值来计算三相电压不平衡度,计算公式为:(2.4)评价:该方法需要测得各相电压幅值及其相位才能计算电压不平衡度,而且得到的电压不平衡度只反映幅值大小,不反映正负序电压的相角差值。(3) IEEE Std 112-1991定义10电压不平衡度为相电压不平衡率,即三相的相电压和平均相电压差值最大值与平均相电压的比值,其表达式为:(2.5)其中,、为相电压有效值;为三相相电压的平均值。评价:该方法只需测得三相相电压便可计算电压不平衡度。但其计算结果不精确,而且不能准确反映电网相角不平衡时的真实情况,所以此公式用于粗略估计三
18、相电压不平衡度。(4) 美国电器制造商协会定义10电压不平衡度为线电压不平衡率,其表达式为:(2.6)其中,、为线电压有效值;为三相线电压平均值。评价:该计算方法只需测得三相线电压值便可计算电压不平衡度。因实际中易测得线电压值,故该公式可以作为工程技术人员的快速计算方法,也是计算电压不平衡度的首选方法。但是,该方法只是对各种三相电压不平衡度情况的估算,不能精确计算。(5) 在没有零序分量的三相三线制系统中,国标推荐10了一种电压不平衡度的计算方法。该方法只要知道三相相电压、的大小,就可按下式求出三相不平衡度:(2.7)其中,评价:该方法测得三相的相电压值可计算电压不平衡度,计算的值与下面提出的
19、GIGRE计算的公式都能非常准确地计算不平衡度,但测量线电压时更容易,所以用求的方法来计算不平衡度更好。(6) GIGRE(国际大电网委员会)推荐10的电压不平衡度计算公式为:(2.8)其中,;、为线电压基波有效值。评价:该方法只需测得三相线电压值便可计算电压不平衡度,而且该方法适用于各种三相电压不平衡度的精确计算,是一种较为完美的方法。总结而言,这几种方法中能准确求出电压不平衡度的是算法、算法、算法以及算法。综合考虑各种因素,实际应用中可以用算法来求三相电压不平衡度,而理论分析时可以用算法来求三相电压不平衡度。3 对Steinmetz理论的介绍3.1 Steinmetz理论的基本思想Stei
20、nmetz理论的基本思想可以表述为7:利用对称分量法将负荷的三相不平衡电流基波分量分解成正序分量和负序分量,然后调节补偿装置的补偿电纳使补偿电流的基波正序分量和负序分量满足以下关系式:(3.1)要使是为了满足补偿后总功率因数等于1的要求,而让是负荷三相平衡的要求。该补偿理论只适用于三相三线制系统负荷的三相平衡化补偿7。其补偿的等效原理图如下图3.1:图3.1 Steinmetz理论补偿等效原理图3.2 Steinmetz算法思想的论述3.21 相间接纯电导负载(1) 假设只在相与b相之间接纯电导性负载,那么就要在b相和c相之间接电容性电纳,同时要在c相和相之间接入电感性电纳。这时在三相正序电压
21、的作用下,三相线电流就会变平衡。具体实现措施如下图3.2所示:图3.2 a、b相间接纯电导负载时补偿原理图该补偿措施的具体相量分析如下图3.3所示:图3.3 a、b相间接纯电导负载时补偿措施的相量分析图电阻电流与电压同相,电容电流超前电压为90o,电感电流滞后电压为90o。电感电流和电容电流的大小相等,而电阻电流的大小是电感电流和电容电流大小的倍。由于:(3.2)结合相量图可以看出三相线电流、的大小相等,于是三相电流平衡。(2) 假设只在b相与c相之间接纯电导性负载,那么就要在相和c相之间接电容性电纳,同时要在相和b相之间接入电感性电纳。这时在三相正序电压的作用下,三相线电流就会变平衡。具体实
22、现措施如下图3.4所示:图3.4 b、c相间接纯电导负载时补偿原理图该补偿措施的具体相量分析如下图3.5所示:图3.5 b、c相间接纯电导负载时补偿措施的相量分析图电阻电流与电压同相,电容电流超前电压为90o,电感电流滞后电压为90o。电感电流和电容电流的大小相等,而电阻电流的大小是电感电流和电容电流大小的倍。由于: (3.3)结合相量图可以看出三相线电流、的大小相等,于是三相电流平衡。(3) 假设只在相与c相之间接纯电导性负载,那么就要在相和b相之间接电容性电纳,同时要在b相和c相之间接入电感性电纳。这时在三相正序电压的作用下,三相线电流就会变平衡。具体实现措施如下图3.6所示:图3.6 a
23、、c相间接纯电导负载时补偿原理图该补偿措施的具体相量分析如下图3.7所示:图3.7 a、c相间接纯电导负载时补偿措施的相量分析图电阻电流与电压同相,电容电流超前电压为90o,电感电流滞后电压为90o。电感电流和电容电流的大小相等,而电阻电流的大小是电感电流和电容电流大小的倍。由于: (3.4)结合相量图可以看出三相线电流、的大小相等,于是三相电流平衡。(4) 如果上述负荷不是纯电阻负荷,不失一般性,采用导纳表示成。例如针对只在相与b相之间接纯电导性负载的情况,当相与b相之间所接负载采用导纳表示。则首先应在、b相间并联补偿无功功率,所需补偿的等效电纳为。这样就可以使、b相间变成纯电导负载,然后再
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
10 积分
下载 | 加入VIP,下载更划算! |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 供电系统 三相 不平衡 研究