间谐波源模型和间谐波电压特性及其闪变效应的研究

摘要

随着电力电子技术的迅猛发展,尤其是变频调速装置在电力系统中的广泛应用。带来的负面效应之一就是越来越多的间谐波注入系统,导致电压波动和闪变,使电能质量下降,进而造成光源的光闪变,影响人们的视觉舒适感和工作效率。近年来,这一问题引起了国内外学者的极大关注,并积极开展工作,取得了大量的成果,但迄今为止,仍然存在的许多有待研究和解决的问题。目前,间谐波问题正逐渐成为电气工程学科中电能质量领域的热点研究课题。论文在全面深入分析国内外有关间谐波研究状况和研究方法的基础上,以探求间谐波发生规律和影响因素、间谐波各参数对电压闪变和光闪变的影响程度以及间谐波限制值制定准则和评价方法为目的,在间谐波源数学模型、间谐波导致的电压波动特征和白炽灯光通量波动特征等方面进行了深入系统的研究,主要的工作和结论有:在将电动机等效为一个理想电压源与电动机短路阻抗串联的前提下,采用基于调制理论的开关函数建模法,针对目前主要的间谐波来源之一——电流源型变频调速器,建立了间谐波源模型;该模型揭示了注入系统的间谐波电流产生的规律以及间谐波电流幅值与其影响因素的定量关系;模型与Simulink仿真实验结果有很好的一致性。该模型研究方法的成功应用,为进一步建立其他间谐波源模型提供了理论依据和基础。由于间谐波总是成对出现,论文对由一对间谐波造成的电压波动波形特征和波动指标进行了分析和研究,确定了含间谐波电压波动特征的影响因素,得出了含一对间谐波电压与含一个间谐波电压具有相同波形波动特征的结论;推导出了含一对间谐波的电压有效值和峰值变化率与含一个间谐波时的等效关系式,这一关系使针对由一对间谐波导致的电压闪变效应的分析得到极大的简化,具备了更有效的可操作性,带来较好的应用前景。根据白炽灯灯丝的动态热平衡方程和辐射发光原理,研究了调幅电压和含间谐波电压作用下,白炽灯的光闪变规律,获得了白炽灯光通量波动特征、波动深度及波动频率与调幅电压或间谐波电压的关系;由此并根据用于评价调幅电压闪变的IEC闪变仪给出的电压波动阈值,得到调幅电压下的光通量波动限制曲线;再由相同光通量波动指标产生等效光闪变效应的原则,从光闪变限制值角度提出了间谐波闪变限制曲线,为制定间谐波限制标准提供了依据;同时,分析了IEC闪变仪在评价间谐波导致闪变时的局限性,在对IEC闪变仪的灯—眼模型进行分解的基础上,提出了能适用于任意原因电压波动的改进闪变仪模型,并用Matlab仿真实验和小灯实验证实了该模型的有效性。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 问题的提出及研究的意义

1.1.1 问题的提出

1.1.2 研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 变频调速装置的间谐波模型

1.2.2 含间谐波电压的波动特征

1.2.3 含间谐波电压的闪变效应

1.3 本文研究的内容及目的

2 电流源型变频器的间谐波模型

2.1 引言

2.2 基于调制理论的建模方法

2.2.1 交直流变换器的电流电压基本关系及开关函数

2.2.2 基于调制理论的间谐波模型建模步骤

2.3 直流侧电流分量的组成

2.4 直流回路的谐波回路方程

2.5 系统交流侧的间谐波电流

2.5.1 间谐波电流的计算公式

2.5.2 对模型的分析

2.5.3 算例

2.6 模型的仿真研究

2.7 本章小结

3 含间谐波的电压波形特征研究

3.1 引言

3.2 含一对间谐波的电压波动特征

3.2.1 电压的波动频率

3.2.2 电压波形的畸变与间谐波的关系

3.2.3 电压包络波形的特征

3.3 含一对间谐波的电压有效值波动率

3.3.1 含一对间谐波的电压有效值波动率计算公式

3.3.2 含单个和含一对间谐波的电压有效值波动率的关系

3.4 含一对间谐波的电压峰值波动率

3.4.1 含一对间谐波电压峰值波动率计算公式

3.4.2 含单个和含一对间谐波的电压峰值波动率的关系

3.5 含一对间谐波的电压波动率的应用研究

3.5.1 含一对间谐波的电压闪变效应评价

3.5.2 间谐波畸变率对评价闪变的有效性分析

3.5.3 并联间谐波滤波器的调谐频率确定准则

3.6 本章小结

4 含间谐波电压下的白炽灯闪变研究

4.1 引言

4.2 白炽灯在调幅电压下的光通量波动特征

4.3 白炽灯在含单个间谐波电压下的光通量波动特征

4.3.1 光通量波动包络波形

4.3.2 光通量波动特征

4.4 白炽灯在含一对间谐波电压下的光通量波动特征

4.4.1 光通量波动的包络波形特征

4.4.2 与含一个间谐波电压作用时的比较

4.5 基于光通量波动阈值的间谐波闪变限制曲线

4.5.1 基于IEC 闪变仪的光通量波动阈值

4.5.2 间谐波的闪变限制曲线

4.6 本章小结

5 改进的白炽灯闪变仪模型

5.1 引言

5.2 由IEC 闪变仪分解出的电压-灯模型——模型1

5.3 基于热平衡关系的电压-灯模型——模型2

5.4 IEC 闪变仪的局限性分析

5.4.1 正弦调幅电压通过两种电压-灯模型的结果及分析

5.4.2 含一个间谐波的电压通过两种电压-灯模型的结果及分析

5.4.3 含一对间谐波的电压通过两种电压-灯模型的结果及分析

5.5 改进的白炽灯闪变仪模型

5.5.1 改进的闪变仪模型

5.5.2 模型中两个问题的考虑

5.6 改进闪变仪模型与IEC 闪变仪模型评价结果的比较

5.7 实验验证

5.7.1 实验环境建立

5.7.2 实验结果及分析

5.8 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况