多端电路功率理论及其在混合补偿系统容量优化中的应用研究

Capacity calculation is the foundation of capacity optimization of a hybrid compensation system for reactive, harmonic and negative sequence power in a power supply system. Because voltages and currents of a hybrid compensation system are non-sinusoidal and asymmetrical, the traditional power theory established under sinusoidal and symmetrical conditions is invalid in capacity calculation of a hybrid compensation system. Therefore, through research on capacity calculation by the IEEE Std 1459-2000 power theory, the necessity and calculation methods of capacity calculation of a hybrid compensation system employing a new power theory widely should be clearly confirmed; through extending and improving the existing multiphase circuit power theory up to the multi-terminal circuit, the multi-terminal circuit power theory should be presented which is more easy to use and more compatible with other existing power theories; through studying on the universal power relationships which are used to calculate power and cover various structural forms of hybrid compensation systems, the qualitative and quantitative description of the universal power relationships should be proposed; through combining the multi-terminal circuit power theory with the universal power relationships of a hybrid compensation system, the calculation and optimization methods of capacity of a hybrid compensation system based on the multi-terminal circuit power theory should be proposed; Through the research, we will get a new basic theory and specific methods for the optimization of capacity of a hybrid compensation system in the power supply system, and then, the connotation of theories such as multi-terminal circuit, electric power, analysis of power quality, and etc. should be enriched, and the domain of their application should be broadened.

容量计算是供电系统无功、谐波、负序混合补偿系统容量优化的基础，但由于电压、电流的畸变和不对称，基于正弦对称电压、电流建立的传统功率理论在混合补偿系统容量计算中已失去其有效性。因此，通过IEEE Std 1459-2000功率理论在混合补偿系统容量计算中的应用研究，明确新功率理论广泛地应用于混合补偿系统的必要性和计算方法；将现有的多相电路功率理论推广并改进至多端电路，建立与现有各种功率理论更加相容和易于运用的多端电路功率理论；研究涵盖混合补偿系统各种结构形式的用于容量计算的通用功率关系，提出其定性定量描述；将多端电路功率理论和混合补偿系统的通用功率关系相结合，提出基于多端电路功率理论的混合补偿系统容量计算和优化方法。通过本项研究，希望获得供电系统混合补偿系统容量优化新的基础理论和具体方法，并可丰富多端电路、电功率、电能质量分析等理论的内涵，拓宽其应用领域。

主要研究内容是：新功率理论在混合补偿系统容量计算中的应用研究；基于多端电路的功率理论；混合补偿系统的拓扑和通用功率关系分析；多端电路功率理论在混合补偿系统容量优化中的应用研究。取得的主要成果是：.对IEEE Std.1459-2010新功率理论应用于混合补偿系统容量计算的可行性进行分析，否定了其可行性。经重新审视后，认为IEEE Std.1459-2010提出的等效视在功率为电能质量评估、电能计量与收费、谐波责任划分等方面的研究工作提供了新思路和新方法。.提出了基于IEEE Std.1459-2010新功率理论的一种计及谐波的电能计量新模型、基波功率因数加计量误差乘以系数的功率因数定义方法和基于非基波视在功率的主谐波源的定位方法。在考虑影响电能传输的谐波、不平衡等因素，采用拉格朗日乘数法推导分析了一种单等效视在功率计算新方法。.提出了基于多端电路的瞬时功率理论，采用点积和叉积数学形式定义了多端电路的瞬时功率量；将周期函数空间的功率理论推广至多端电路中，提出了基于多端电路的平均功率理论，有效地克服了“相电压”概念束缚。.提出了功率理论中电压参考点应满足电压之和为0的约束条件，研究表明满足该约束条件的电压参考点只有虚拟中心点这一个，有效解决了功率理论定义中参考点选择不统一的问题，并推导了任意参考点与虚拟中性点电压向量的转换关系公式。.通过定义补偿接口的概念，避免了混合补偿器拓扑结构对其容量计算的限制。在分析电力系统的功率关系分布的基础上，提出了加入混合补偿系统后电力系统的最优功率分布关系。.提出了基于深度优先搜索的混合补偿网络拓扑辨识与分析方法，实现了编制计算机程序对补偿网络拓扑进行自动辨识。.提出了在电源电压对称和不对称以及考虑补偿元件损耗的情况下三相系统无源补偿网络容量优化设计方法；提出了有源滤波器输出电感、直流侧电容的选择和优化设计新方法。.另外，对补偿系统在电气化铁路牵引供电系统中的应用、可控电抗器关键技术等相关问题进行了拓展研究，得到了一些有价值的结论，是本项研究的有益补充和丰富。.经过4年的研究，完成了研究内容，获得了一系列基于多端电路功率理论的基础理论和应用方法。在国内外学术期刊和国际学术会议上发表（含收录）论文41篇，其中SCI收录1篇，EI收录21篇，获国家专利1项，培养研究生10名。