住宅负荷对配电系统的污染影响和直流配电前景

住宅负荷对配电系统的污染影响和直流配电前景摘要与过去几十年不同的是，近期，许多现代家电在住宅建筑中出现。大多数这些设备的独特之处在于它们在内部电路中使用直流（dc）。在目前情况下，通过已经建立的交流（ac）分配系统，这种情况需要对合适的直流分配方案进行深入分析，以提高电力质量和效率。在本文中，对由不同配电变压器供电的各种住宅建筑进行了广泛的负载调查，并对其系统的谐波污染影响进行了调查。为提高传统国内配电系统的效率和电能质量，提出了一种降低配电变压器谐波和中性负载的直流配电方案。通过将谐波感应负载转换到直流网络侧，该方案可以有效。该系统还消除了在传统分配系统中整合可再生能源的冗余电力转换阶段。通过模拟原型分布系统验证了系统的有效性，并通过实验验证了结果。关键词谐音

;总谐波失真（THD）

;整流器直流配电介绍电力系统中大量使用电子设备近年来提高了电力质量意识。电力电子设备所带来的技术优势使其贯穿了供电系统的各个环节。然而，电力电子设备的不利影响是它以牺牲产生导致电压和电流失真的谐波为代价来实现其预期功能。谐波电压和电流对电力系统设备的有害影响往往不被忽视，直到发生实际故障。谐波可能导致导体过热，电介质故障或电容器断开，断路器误操作，也会导致变压器过热。现代高科技负载是需要直流而不是交流电源的电子电路。以前的研究已经在谐波污染和直流分布的某些方面进行了。一项初步调查显示，非线性负载如荧光灯，变频驱动器，开关电源和不间断电源是配电系统谐波的主要来源。已经研究了使用路由控制方法[2]和通过各种技术（如单调谐，双调谐，电抗一端口滤波器）来缓解谐波的分布系统中的谐波污染控制[3]。使用电能质量分析仪对机构校园配电系统中存在的谐波类型的分析表明，非线性负载谐波的贡献非常高。发现配电变压器的谐波导致负载电流和能量损耗增加，从而减少其寿命[5]。发现分布式发电机组的类型，与实用系统的接口以及分布式发电机组的位置，影响到系统中注入的谐波量[6]。电力直流分布被认为是一种有效的电力输送方法[7]。[8]、[9]由于能源和负载正在朝着直流方向发展。从大多数可再生能源获得的输出功率为直流，逆变器交互式分布式发电系统所涉及的问题是电网同步，谐波注入，以及由于转换阶段数量的增加而降低了效率[10]。直流微电网利用风能和太阳能的优势在[11]中给出。[12]、[13]、[14]分析了直流供电到办公楼和商业建筑的可行性，发现直流电压为326V是最合适的。参考文献[15]表明，当使用高压和低压直流电源的组合时，住宅直流分布是有效的。由于转换级数的增加，谐波注入和效率的降低[10]。直流微电网利用风能和太阳能的优势在[11]中给出。[12]、[13]、[14]分析了直流供电到办公楼和商业建筑的可行性，发现直流电压为326V是最合适的。参考文献[15]表明，当使用高压和低压直流电源的组合时，住宅直流分布是有效的。由于转换级数的增加，谐波注入和效率的降低[10]。直流微电网利用风能和太阳能的优势在[11]中给出。[12]、[13]、[14]分析了直流供电到办公楼和商业建筑的可行性，发现直流电压为326V是最合适的。参考文献[15]表明，当使用高压和低压直流电源的组合时，住宅直流分布是有效的。[13]、[14]分析了直流供电到办公楼和商业建筑的可行性，发现直流电压为326V是最合适的。参考文献[15]表明，当使用高压和低压直流电源的组合时，住宅直流分布是有效的。[13]、[14]分析了直流供电到办公楼和商业建筑的可行性，发现直流电压为326V是最合适的。参考文献[15]表明，当使用高压和低压直流电源的组合时，住宅直流分布是有效的。然而，在所有这些研究中，许多逆变器和整流器都是不必要的使用。还没有对国内负载的谐波进行深入的研究。因此，本文分析了住宅负荷谐波对污染的影响，并通过模拟和原型实验设置了直流配电方案的可行性。在这里考虑的直流分配系统中，直流电源通过连接到配电变压器的三相整流器进行直流负载，从而消除了直流负载前端的单相整流器。如果有任何交流负载，可能连接到现有的交流配电网络，从而避免不必要的逆变器。本文的其余部分分为7个部分。第二节讨论住宅负荷谐波污染的影响。第3节按照内部电路中使用的电能的形式，对住宅建筑中的常见交流和直流负载进行分类。在第4节中，传统配电系统对交流和直流负载不同部分的电能质量分析通过模拟原型系统进行。第5节通过模拟研究直流分布的可行性。第6节介绍了传统配电系统和直流配电系统电能质量分析的实验验证。2.住宅负荷污染影响谐波是正弦电压或电流，其频率是供电系统设计工作频率的整数倍，这被称为基频[16]。谐波失真电平由具有每个单独谐波分量的幅度和相位角的完整谐波谱描述。谐波失真由总谐波失真或THD量测量。它是测量失真波形的谐波分量的有效值。电压和电流的THD由公式（1）、（2）。方程式（

1

）方程式（

2

）Vh

-电压谐波分量“h”的均方根值Ih

-电流谐波分量“h”的均方根值V1

-电压的基本分量I1

-目前的基本要素在本文中，作为初步研究，使用印度喀拉拉邦不同配电变压器供应的各种住宅建筑中的电力质量分析仪对电力供应质量进行了监测。配电系统为三相四线型，配有11kV/415V三角形变压器。观察结果是在需求高峰时期，即从晚上七时至十时。也观察到在测量时使用的负载。使用电能质量分析仪捕获电压，电流波形和谐波光谱。还测量住宅建筑中使用的各种设备的总谐波失真。两座住宅楼的电源典型电流波形和相应的谐波谱，即1号房和1号楼，2由两个不同的配电变压器提供，如图1和2所示。图1a和b对应于4.2A的负载电流。2a和b对应于3.9A的负载电流。\o"1号房观察。"图1

1号房观察图2二号房观察观察到电流波形与其通常的正弦形状非常大的失真。表1显示4.2A和3.9A负载电流的谐波含量（THD和奇次谐波（h3至h15））。表1谐波含量表房子号负载电流ATHD％h3％h5％h7％h9％h11％h13％h15％在电力质量测量期间正在使用的负载在表2中给出。表2电能质量测量期间负载电压V当前ATHD当前％负载使用数量（数量）直流负载数电视1荧光管电子镇流器4风扇与电子调节器313白炽灯2冰箱1紧凑型荧光灯灯4逆变器1风扇（电子调节器）3紧凑型荧光灯灯2白炽灯25冰箱1电热水壶1还观察到，即使负载电流的大小彼此非常接近（4.2A和3.9A），由于在其内部电路中使用内置单相整流器的负载数量增加，所以THD也增加。在电流为4.2A的第一种情况下，在测量时使用的单相整流器负载（直流负载）的数量等于13，THD为8.7％。在第二种情况下，当电流为3.9A，单相整流器负载数量等于5时，THD降低到5.6％。住宅建筑中常用的各设备的电流波形THD见表3。观察到除喷泉，电热水壶和感应炉顶之外的所有设备都显示出高的谐波值。表3单个设备的电流波形的THD设备电压V当前ATHD当前％冰箱2401.79.8电视2400.835.0逆变器2400.259.0笔记本充电器2400.3118.0电热水壶2407.62.8电磁炉顶2406.63.3微波炉2407.431.7洗衣机2402.841.0喷泉2406.72.8冷气机2407.818.5净水器2400.244.0混合器2401.311.3磨床2400.78.7紧凑型荧光灯2400.337.0荧光灯管（电子镇流器）2400.339.0荧光灯管（磁性镇流器）2400.625.0风扇带电子调节器2400.422.0手机充电器2400.255.03.负荷分离在不同配电变压器供应的各种住宅楼宇已经对负荷进行了调查。观察到内部许多电器使用直流电压进行工作。许多负载在前端使用单相整流器将交流电源转换成直流电。在其电源电路中使用单相整流器的负载完全从交流开始逐渐消除，并被视为直流负载。负荷分类见表4。电动水壶、电熨斗、搅拌机和间歇泉等负载也可以直流供电。从表中可以发现，近80％的负载可以被认为是直流负载。这些负载可以直接由直流供电，以便跳过一个转换级，从而减少谐波。表4交流和直流负载分直流负载交流负载紧凑型荧光灯常规冰箱荧光灯管（电子镇流器）传统空调点灯荧光灯管（磁性镇流器）电视磨床冰箱（变频技术）风扇空调（变频技术）电熨斗笔记本充电器电热水壶手机充电器混合器不间断电源（UPS）喷泉净水器电磁炉顶微波炉洗衣机逆变器传统配电系统的谐波分析图1给出的原型传统分配系统的电能质量分析。3通过使用SIMULINK在MATLAB中进行仿真来进行。采用三相5kVA400/400V三角星四线配电变压器进行仿真。\o"传统分销系统。"图3

传统分销系统对不同比例的交流和直流负载模拟电路。为了比较，在所有情况下，输出二次电流保持恒定在6A。模拟结果列于表5，谐波谱如图1和图2所示。4和5。表5常规配电系统对不同负载条件的仿真结果负载比例二次电流交流负载直流负载THD二次电流h3h5h7h9h11h13h15中性电流一个一个一个％％％％％％％％一个75

％ac和25

％

直流负载6.04.501.5029.9319.1416.1412.308.675.082.431.303.7925

％ac和75

％

直流负载6.01.504.5083.9058.5846.3731.8518.687.933.384.088.55图4传统配电系统的变压器二次电流谐波频谱具有较大的交流负载百分比\o"传统配电变压器二次电流谐波谱"图5

传统配电系统的变压器二次电流谐波频谱具有较大的直流负载比例从表5可以看出，具有较大直流负载比例的常规交流配电系统的变压器次级电流的THD比交流负载的较大百分比（29.93％）大得多（83.9％）。在前一种情况下，中性载荷和三次谐波也较高。这显然需要一个合适的直流分配方案，以避免单个单相整流器所产生的谐波。直流分配的可行性根据对住宅建筑物负载的分析及其对配电系统的污染影响，通过从直流负载中移除所有单相整流器并直接向这些负载提供直流电源，研究了直流配电的可行性。三相整流器的效率（99.83％）高于单相整流器（81％）[17]。三相整流器的输出电压纹波也要小于单相整流器的输出电压纹波[18]。因此，在调查中，通过如图1所示的三相整流器供给直流负载6。图6

直流配电系统所使用的变压器是三相5千伏安，400/400伏特，具有三角星型配置。次级电流维持在6A，如上一节所述的常规方案。将仿真结果与具有直流负载的常规配电系统的仿真结果进行比较，如表6所示。直流配电系统变压器次级电流谐波谱如图1所示7。表6直流分布和传统配电系统的仿真结果组态二次电流THD二次电流h3h5h7h9h11h13h15中性电流一个％％％％％％％％一个直流配电系统，直流负载6.073.101.1161.7637.030.127.637.760.080具有直流负载的传统配电系统6.0124.7988.669.1246.0724.759.434.976.0411.06\o"直流配电系统变压器二次电流谐波谱。"图7

直流配电系统变压器二次电流谐波谱从表6可以看出，在直流分配系统（73.10％）的情况下，变压器次级绕组电流的THD远小于直流负载的常规配电系统（124.79％）。直流分配系统中的中性电流为零，三次谐波也大大减少。实验设置表6中给出的模拟结果由实验室验证，该实验室使用三相5kVA400/400V三角星变压器，单相整流器，三相整流器和电阻负载。实验的目的是比较传统配电系统的二次绕组中的中性负载和电流的THD，以及第5节提出的直流分配系统。在传统的分配系统中，单相二极管整流器连同代表直流负载的可变电阻相连，每相一相连接，如图1所示8。在直流配电系统中，三相二极管桥式整流器连接到配电变压器，省去了单相整流器。使用三相桥式整流器获得的直流电源用于电阻负载。在这两种情况下，二次电流保持在6A。图8

常规配电系统的实验设置实验结果列于表7。使用电能质量分析仪获得的传统配电系统和直流配电系统变压器次级电流的谐波谱如图1所示。分别为9a和b。可以看出，在仿真的情况下，直流分布的变压器次级绕组中的电流的THD远低于传统的配电系统。在直流分布的情况下，三次谐波和中性负载也减小。表7直流分布和传统配电系统的实验结果组态二次电流THD二次电流h3h5h7h9h11h13h15中性电流一个％％％％％％％％一个直流配电系统，直流负载065.60422.403.607.301.300具有直流负载的传统配电系统6.0126.3088.3070.8048.2026.109.604.106.9011.40图9

变压器二次电流谐波谱实验结果推论当观测到住宅能源消耗模式时，发现主要部分的负载本质上变得越来越多，配电系统中的电流谐波的THD随着直流负载的消耗增加而变高。由于传统的电源是交流电，所以意味着每次直流负载连接到电力系统时，从交流到直流的转换阶段是必不可少的。为了避免这种转换并减少谐波，可以直接向直流负载提供直流电源。在本文提出的直流分配系统的情况下，通过三相整流器向直流负载提供直流电源，发现配电变压器次级绕组中的电流谐波的THD大大降低。这是一个很大的优势，因为这将减少铁损和铜损，从而降低谐波滤波器的要求和变压器过热。再次在直流系统中，三次谐波降低，导致中性导体零电流。这也是一个巨大的优势，因为在传统配电系统的三角星型变压器中，星形侧的三次谐波电流是同相的，它们增加在中性点。与此相关的问题是中性和电话干扰的过载。过小的中性导线中的谐波会导致过热。由于中性导体的谐波电压降引起的线对中性电压的失真导致器件发生故障。谐波滤波器的大小也随着谐波频率的降低而增加。因此建议使用三相整流器的直流分配是可行的。这有助于从每个直流负载的前端去除单相整流器，从而提高电力质量和效率。8.Conclusion提供国内负荷的当前配电系统的电能质量测量表明，电流谐波的THD远高于谐波标准规定的限值。根据负载调查，观察到在其内部电路中使用单相整流器的负载在住宅建筑中占主要地位。原型分布系统的仿真和实验结果也表明，当前载荷的污染影响非常大。因此，电源的质量变得非常差，这影响到其他负载和电力系统设备。进一步观察到，当本文提出的这些负载直接由直流供电时，谐波降低并提高效率。因此，可以消除现代电器中的单相整流器，并且这些负载可以移动到直流分配侧。交流负载可能被保留在交流网络侧，从而避免不必要的转换器。由于大多数可再生能源的输出是直流，这些源还可以连接到直流网络侧，从而最小化功率转换阶段。参考文献：[1]L.Tolbert，H.Hollis，J.Hale，PS，Surveyofharmonicsmeasurementsinelectricaldistributionsystems,in：IndustryApplicationsConference，Thirty-FirstIASAnnualMeeting，ConferenceRecordoftheIEEE,vol.4,1996,pp.2333-2339.doi:http:///10.1109/IAS.1996.563898。[2]H.Kaiai，K.Nakamura，K.Ohnishi，N.Matsui，Suppressioncontrolofharmonicsbyswitchingrouteconnectionindistributionsystems，in：IndustrialElectronicsSociety，IECON，The29thAnnualConferenceoftheIEEE,vol.2，2003，pp.1527-1532.doi：10.1109/IECON.2003.1280284。[3]C.Venkatesh，D.Kumar，D.SivaSarma，M.Sydulu，Estimationandmitigationofvoltageandcurrentharmonicindistributionsystems，in：TENCON，IEEERegion10Conference，2008，pp.1-6.doi：10.1109/TENCON.2008.4766700。[4]V.Kumar，P.Kannan，T.Sudhakar，B.Kumar，Harmonicsandinterharmonicsinadistributionsystemofaeducationinstitution-acasestudy，in：PowerSystemTechnology，PowerCon。国际会议

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