1、住宅負荷對配電系統的污染影響和直流配電前景摘要 與過去幾十年不同的是，近期，許多現代家電在住宅建筑中出現。大多數這些設備的獨特之處在于它們在內部電路中使用直流（dc）。在目前情況下，通過已經建立的交流（ac）分配系統，這種情況需要對合適的直流分配方案進行深入分析，以提高電力質量和效率。在本文中，對由不同配電變壓器供電的各種住宅建筑進行了廣泛的負載調查，并對其系統的諧波污染影響進行了調查。為提高傳統國內配電系統的效率和電能質量，提出了一種降低配電變壓器諧波和中性負載的直流配電方案。通過將諧波感應負載轉換到直流網絡側，該方案可以有效。該系統還消除了在傳統分配系統中整合可再生能源的冗余電力轉換階段。

2、通過模擬原型分布系統驗證了系統的有效性，并通過實驗驗證了結果。關鍵詞· 諧音 · 總諧波失真（THD） · 整流器· 直流配電介紹 電力系統中大量使用電子設備近年來提高了電力質量意識。電力電子設備所帶來的技術優勢使其貫穿了供電系統的各個環節。然而，電力電子設備的不利影響是它以犧牲產生導致電壓和電流失真的諧波為代價來實現其預期功能。諧波電壓和電流對電力系統設備的有害影響往往不被忽視，直到發生實際故障。諧波可能導致導體過熱，電介質故障或電容器斷開，斷路器誤操作，也會導致變壓器過熱。現代高科技負載是需要直流而不是交流電源的電子電路。以前的研

3、究已經在諧波污染和直流分布的某些方面進行了。一項初步調查顯示，非線性負載如熒光燈，變頻驅動器，開關電源和不間斷電源是配電系統諧波的主要來源。已經研究了使用路由控制方法2和通過各種技術（如單調諧，雙調諧，電抗一端口濾波器）來緩解諧波的分布系統中的諧波污染控制3。使用電能質量分析儀對機構校園配電系統中存在的諧波類型的分析表明，非線性負載諧波的貢獻非常高。發現配電變壓器的諧波導致負載電流和能量損耗增加，從而減少其壽命5。發現分布式發電機組的類型，與實用系統的接口以及分布式發電機組的位置，影響到系統中注入的諧波量6。電力直流分布被認為是一種有效的電力輸送方法7。8、9由于能源和負載正在朝著直流方向發展

4、。從大多數可再生能源獲得的輸出功率為直流，逆變器交互式分布式發電系統所涉及的問題是電網同步，諧波注入，以及由于轉換階段數量的增加而降低了效率10。直流微電網利用風能和太陽能的優勢在11中給出。12、13、14分析了直流供電到辦公樓和商業建筑的可行性，發現直流電壓為326 V是最合適的。參考文獻15表明，當使用高壓和低壓直流電源的組合時，住宅直流分布是有效的。由于轉換級數的增加，諧波注入和效率的降低10。直流微電網利用風能和太陽能的優勢在11中給出。12、13、14分析了直流供電到辦公樓和商業建筑的可行性，發現直流電壓為326 V是最合適的。參考文獻15表明，當使用高壓和低壓直流電源的組合時，住

5、宅直流分布是有效的。由于轉換級數的增加，諧波注入和效率的降低10。直流微電網利用風能和太陽能的優勢在11中給出。12、13、14分析了直流供電到辦公樓和商業建筑的可行性，發現直流電壓為326 V是最合適的。參考文獻15表明，當使用高壓和低壓直流電源的組合時，住宅直流分布是有效的。13、14分析了直流供電到辦公樓和商業建筑的可行性，發現直流電壓為326 V是最合適的。參考文獻15表明，當使用高壓和低壓直流電源的組合時，住宅直流分布是有效的。13、14分析了直流供電到辦公樓和商業建筑的可行性，發現直流電壓為326 V是最合適的。參考文獻15表明，當使用高壓和低壓直流電源的組合時，住宅直流分布是有效

6、的。 然而，在所有這些研究中，許多逆變器和整流器都是不必要的使用。還沒有對國內負載的諧波進行深入的研究。因此，本文分析了住宅負荷諧波對污染的影響，并通過模擬和原型實驗設置了直流配電方案的可行性。在這里考慮的直流分配系統中，直流電源通過連接到配電變壓器的三相整流器進行直流負載，從而消除了直流負載前端的單相整流器。如果有任何交流負載，可能連接到現有的交流配電網絡，從而避免不必要的逆變器。 本文的其余部分分為7個部分。第二節討論住宅負荷諧波污染的影響。第3節按照內部電路中使用的電能的形式，對住宅建筑中的常見交流和直流負載進行分類。在第4節中，傳統配電系統對交流和直流負載不同部分的電能質量分析通過模擬

7、原型系統進行。第5節通過模擬研究直流分布的可行性。第6節介紹了傳統配電系統和直流配電系統電能質量分析的實驗驗證。2.住宅負荷污染影響 諧波是正弦電壓或電流，其頻率是供電系統設計工作頻率的整數倍，這被稱為基頻16。諧波失真電平由具有每個單獨諧波分量的幅度和相位角的完整諧波譜描述。諧波失真由總諧波失真或THD量測量。它是測量失真波形的諧波分量的有效值。電壓和電流的THD由公式（1）、（2）。方程式（ 1 ）方程式（ 2 ）Vh - 電壓諧波分量“h”的均方根值Ih - 電流諧波分量“h”的均方根值V1 - 電壓的基本分量I1&#

8、160;- 目前的基本要素 在本文中，作為初步研究，使用印度喀拉拉邦不同配電變壓器供應的各種住宅建筑中的電力質量分析儀對電力供應質量進行了監測。配電系統為三相四線型，配有11 kV / 415 V三角形變壓器。觀察結果是在需求高峰時期，即從晚上七時至十時。也觀察到在測量時使用的負載。使用電能質量分析儀捕獲電壓，電流波形和諧波光譜。還測量住宅建筑中使用的各種設備的總諧波失真。兩座住宅樓的電源典型電流波形和相應的諧波譜，即1號房和1號樓，2由兩個不同的配電變壓器提供，如圖1和2所示。圖1a和b對應于4.2A的負載電流。2a和b對應于3.9 A的負載電流。圖1 1號房觀察圖2二號房觀察觀察

9、到電流波形與其通常的正弦形狀非常大的失真。表1顯示4.2A和3.9A負載電流的諧波含量（THD和奇次諧波（h3至h15）。表1諧波含量表房子號負載電流ATHDh3h5h7h9h11h13h15在電力質量測量期間正在使用的負載在表2中給出。表2電能質量測量期間負載電壓V當前ATHD當前負載使用數量（數量）直流負載數電視1熒光管電子鎮流器4風扇與電子調節器313白熾燈2冰箱1緊湊型熒光燈燈4逆變器1風扇（電子調節器）3緊湊型熒光燈燈2白熾燈25

10、冰箱1電熱水壺1還觀察到，即使負載電流的大小彼此非常接近（4.2A和3.9A），由于在其內部電路中使用內置單相整流器的負載數量增加，所以THD也增加。在電流為4.2A的第一種情況下，在測量時使用的單相整流器負載（直流負載）的數量等于13，THD為8.7。在第二種情況下，當電流為3.9A，單相整流器負載數量等于5時，THD降低到5.6。住宅建筑中常用的各設備的電流波形THD見表3。觀察到除噴泉，電熱水壺和感應爐頂之外的所有設備都顯示出高的諧波值。表3單個設備的電流波形的THD設備電壓V當前ATHD當前冰箱2401.79.8電視2400.835.0逆變器2400.259.0筆記本充電器2400.3

11、118.0電熱水壺2407.62.8電磁爐頂2406.63.3微波爐2407.431.7洗衣機2402.841.0噴泉2406.72.8冷氣機2407.818.5凈水器2400.244.0混合器2401.311.3磨床2400.78.7緊湊型熒光燈2400.337.0熒光燈管（電子鎮流器）2400.339.0熒光燈管（磁性鎮流器）2400.625.0風扇帶電子調節器2400.422.0手機充電器2400.255.03.負荷分離 在不同配電變壓器供應的各種住宅樓宇已經對負荷進行了調查。觀察到內部許多電器使用直流電壓進行工作。許多負載在前端使用單相整流器將交流電源轉換成直流電。在其電源電路中使用單

12、相整流器的負載完全從交流開始逐漸消除，并被視為直流負載。負荷分類見表4。電動水壺、電熨斗、攪拌機和間歇泉等負載也可以直流供電。從表中可以發現，近80的負載可以被認為是直流負載。這些負載可以直接由直流供電，以便跳過一個轉換級，從而減少諧波。表4交流和直流負載分直流負載交流負載緊湊型熒光燈常規冰箱熒光燈管（電子鎮流器）傳統空調點燈熒光燈管（磁性鎮流器）電視磨床冰箱（變頻技術）風扇空調（變頻技術）電熨斗筆記本充電器電熱水壺手機充電器混合器不間斷電源（UPS）噴泉凈水器電磁爐頂微波爐洗衣機逆變器傳統配電系統的諧波分析圖1給出的原型傳統分配系統的電能質量分析。3通過使用SIMULINK在MATLAB中進

13、行仿真來進行。采用三相5 kVA 400/400 V三角星四線配電變壓器進行仿真。圖3 傳統分銷系統對不同比例的交流和直流負載模擬電路。為了比較，在所有情況下，輸出二次電流保持恒定在6A。模擬結果列于表5，諧波譜如圖1和圖2所示。4和5。表5常規配電系統對不同負載條件的仿真結果負載比例二次電流交流負載直流負載THD二次電流h3h5h7h9h11h13h15中性電流一個一個一個一個75 ac和25  直流負載6.04.501.5029.9319.1416.1412.308.675.082.431.303.7925 ac和75  

14、;直流負載6.01.504.5083.9058.5846.3731.8518.687.933.384.088.55圖4傳統配電系統的變壓器二次電流諧波頻譜具有較大的交流負載百分比圖5 傳統配電系統的變壓器二次電流諧波頻譜具有較大的直流負載比例從表5可以看出，具有較大直流負載比例的常規交流配電系統的變壓器次級電流的THD比交流負載的較大百分比（29.93）大得多（83.9）。在前一種情況下，中性載荷和三次諧波也較高。這顯然需要一個合適的直流分配方案，以避免單個單相整流器所產生的諧波。直流分配的可行性 根據對住宅建筑物負載的分析及其對配電系統的污染影響，通過從直流負載中移除所有單相整流器

15、并直接向這些負載提供直流電源，研究了直流配電的可行性。 三相整流器的效率（99.83）高于單相整流器（81）17。三相整流器的輸出電壓紋波也要小于單相整流器的輸出電壓紋波18。因此，在調查中，通過如圖1所示的三相整流器供給直流負載6。圖6 直流配電系統所使用的變壓器是三相5千伏安，400/400伏特，具有三角星型配置。次級電流維持在6A，如上一節所述的常規方案。將仿真結果與具有直流負載的常規配電系統的仿真結果進行比較，如表6所示。直流配電系統變壓器次級電流諧波譜如圖1所示7。表6直流分布和傳統配電系統的仿真結果組態二次電流THD二次電流h3h5h7h9h11h13h15中性電流一個一

16、個直流配電系統，直流負載6.073.101.1161.7637.030.127.637.760.080具有直流負載的傳統配電系統6.0124.7988.669.1246.0724.759.434.976.0411.06圖7 直流配電系統變壓器二次電流諧波譜從表6可以看出，在直流分配系統（73.10）的情況下，變壓器次級繞組電流的THD遠小于直流負載的常規配電系統（124.79）。直流分配系統中的中性電流為零，三次諧波也大大減少。實驗設置 表6中給出的模擬結果由實驗室驗證，該實驗室使用三相5 kVA 400/400 V三角星變壓器，單相整流器，三相整流器和電阻負載。實驗的目的是比較傳統

17、配電系統的二次繞組中的中性負載和電流的THD，以及第5節提出的直流分配系統。在傳統的分配系統中，單相二極管整流器連同代表直流負載的可變電阻相連，每相一相連接，如圖1所示8。在直流配電系統中，三相二極管橋式整流器連接到配電變壓器，省去了單相整流器。使用三相橋式整流器獲得的直流電源用于電阻負載。在這兩種情況下，二次電流保持在6A。圖8 常規配電系統的實驗設置實驗結果列于表7。使用電能質量分析儀獲得的傳統配電系統和直流配電系統變壓器次級電流的諧波譜如圖1所示。分別為9a和b。可以看出，在仿真的情況下，直流分布的變壓器次級繞組中的電流的THD遠低于傳統的配電系統。在直流分布的情況下，三次諧波

18、和中性負載也減小。表7直流分布和傳統配電系統的實驗結果組態二次電流THD二次電流h3h5h7h9h11h13h15中性電流一個一個直流配電系統，直流負載065.60422.403.607.301.300具有直流負載的傳統配電系統6.0126.3088.3070.8048.2026.109.604.106.9011.40圖9 變壓器二次電流諧波譜實驗結果推論 當觀測到住宅能源消耗模式時，發現主要部分的負載本質上變得越來越多，配電系統中的電流諧波的THD隨著直流負載的消耗增加而變高。由于傳統的電源是交流電，所以意味著每次直流負載連接到電力系統時，從交流到直流的轉換階

19、段是必不可少的。為了避免這種轉換并減少諧波，可以直接向直流負載提供直流電源。在本文提出的直流分配系統的情況下，通過三相整流器向直流負載提供直流電源，發現配電變壓器次級繞組中的電流諧波的THD大大降低。這是一個很大的優勢，因為這將減少鐵損和銅損，從而降低諧波濾波器的要求和變壓器過熱。再次在直流系統中，三次諧波降低，導致中性導體零電流。這也是一個巨大的優勢，因為在傳統配電系統的三角星型變壓器中，星形側的三次諧波電流是同相的，它們增加在中性點。與此相關的問題是中性和電話干擾的過載。過小的中性導線中的諧波會導致過熱。由于中性導體的諧波電壓降引起的線對中性電壓的失真導致器件發生故障。諧波濾波器的大小也隨

20、著諧波頻率的降低而增加。因此建議使用三相整流器的直流分配是可行的。這有助于從每個直流負載的前端去除單相整流器，從而提高電力質量和效率。8. Conclusion 提供國內負荷的當前配電系統的電能質量測量表明，電流諧波的THD遠高于諧波標準規定的限值。根據負載調查，觀察到在其內部電路中使用單相整流器的負載在住宅建筑中占主要地位。原型分布系統的仿真和實驗結果也表明，當前載荷的污染影響非常大。因此，電源的質量變得非常差，這影響到其他負載和電力系統設備。進一步觀察到，當本文提出的這些負載直接由直流供電時，諧波降低并提高效率。因此，可以消除現代電器中的單相整流器，并且這些負載可以移動到直流分配側。交流負

21、載可能被保留在交流網絡側，從而避免不必要的轉換器。由于大多數可再生能源的輸出是直流，這些源還可以連接到直流網絡側，從而最小化功率轉換階段。參考文獻： 1L. Tolbert，H. Hollis，J. Hale，PS，Survey of harmonics measurements in electrical distribution systems,in：Industry Applications Conference，Thirty-First IAS Annual Meeting，Conference Record of the IEEE,vol.4,1996,pp.2333-2339.do

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