【IEEE 13 节点分配系统中的THD降低】系统的谐波分析给出了各种总线上电流和电压的谐波频谱和THD（Simulink实现）

原创于 2025-08-14 00:50:47 发布 · 246 阅读

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【IEEE 13 节点分配系统中的THD降低】本文旨在研究和提出针对IEEE 13（总线配电系统）中谐波的分析方法。系统的谐波分析可以提供各个总线上电流和电压的谐波频谱和总谐波失真（THD）水平。

为了缓解谐波带来的问题，本文采用了单调谐、双调谐和电抗单端口滤波器进行仿真。对这些滤波器的性能进行了详细的对比分析。仿真研究结果表明，当滤波器位于非线性负载总线上或附近时，其性能最为出色。

为了更准确地建模分析配电系统，本文采用了SIMULINK进行仿真，其中考虑了静态负载和可调速驱动器的影响。特别针对非线性负载，我们对可调速驱动器进行了建模，并对不同总线的谐波失真水平进行了辨别。然后，我们采取适当的谐波抑制技术，将谐波水平控制在规定的限制范围内。

通过这些研究和分析，我们可以更好地了解和识别谐波对系统的影响，并提出相应的措施来降低谐波水平，从而提高电力系统的稳定性和可靠性。

问题提出
随着电力电子设备（如整流器、变频器）的广泛应用，配电网中非线性负载比例显著增加，导致谐波污染问题突出。谐波会引发电压波形畸变，影响设备寿命，甚至威胁系统稳定性。
研究目标
以IEEE 13节点配电系统为模型，通过谐波分析揭示电流和电压的谐波频谱分布及总谐波失真（THD）水平，并提出降低THD的策略，为配电网规划、运行和谐波治理提供理论依据。

仿真模型构建
- 软件选择：采用Simulink（MATLAB附加产品）进行建模，因其支持多域仿真和基于模型的设计，适合复杂电力系统分析。
- 模型组成：包含发电机、变压器、线路、线性负载及非线性负载（如整流器、变频器等效电路模型）。
- 负载模拟：通过调整非线性负载的接入位置和容量，模拟不同工况下的谐波分布。
谐波分析指标
- 谐波频谱：分析各次谐波（如3次、5次、7次等）的幅值分布，识别主要谐波源。
- 总谐波失真（THD）：计算电流或电压波形中谐波含量相对于基波的百分比，作为谐波污染程度的核心指标。

谐波分布规律
- 线性负载场景：系统谐波含量低，电流和电压波形接近正弦波。
- 非线性负载场景：谐波含量显著增加，低次谐波（如3次、5次）幅值远高于高次谐波；靠近非线性负载的总线THD值更高（如接入大功率整流器的总线电流THD可能超过10%）。
谐波传播影响因素
- 线路阻抗：高阻抗线路会放大谐波，导致远端总线谐波积累。
- 负载特性：不同类型非线性负载产生的谐波特性差异显著（如整流器与变频器的谐波频谱不同）。
- 系统拓扑：总线连接方式影响谐波传播路径和叠加效果。
滤波器性能对比
- 滤波器类型：仿真测试了单调谐、双调谐和电抗单端口滤波器。
- 最优布局：滤波器位于非线性负载总线或附近时，谐波抑制效果最佳（如电流THD可降低至5%以下）。

技术方案
- 滤波器配置：根据谐波频谱分析结果，在关键总线安装针对性滤波器（如单调谐滤波器抑制5次谐波）。
- 参数优化：通过参数化编程调整滤波器参数（如电感、电容值），实现THD最小化。
仿真验证
- 效果评估：在Simulink中模拟滤波器投入后的系统响应，验证THD降低效果（如某总线电压THD从8.2%降至3.5%）。
- 稳定性分析：确保滤波器引入后系统无谐振风险，电压波动在允许范围内。

理论价值
- 揭示了非线性负载分布、线路阻抗与谐波传播的定量关系，完善了配电网谐波分析理论。
- 提出了基于THD的谐波污染评估方法，为电能质量标准制定提供参考。
实践意义
- 工程应用：研究成果可直接指导配电网谐波治理设备选型与布局（如滤波器安装位置优化）。
- 教学价值：文档提供完整的Simulink模型和代码（参数化编程、注释详细），适用于电力专业课程设计、毕业设计等实践教学。
未来方向
- 扩展至更复杂的配电网模型（如含分布式电源的33节点系统）。
- 探索智能算法（如机器学习）在谐波预测与动态治理中的应用。