非线性负载及防护工程系统节电技术研究

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3.0 李佳 2024-09-23 5 4 4.87MB 110 页 150积分

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摘要

目前，我国社会进步，经济快速增长，但能源消耗严重，能源战略与节能工作

已提到了国家议事日程，节电已成为社会各领域当务之急的工作。防护工程的节电

工作应采取系统节电的新思路，主要从三个方面着手：一是系统内部设备用电优化

二是设备节电；三是降损节电。研究基于非线性负载的防护工程系统节电技术，是

防护工程系统整体节电的需要，具有重大理论创新意义和较强的实用价值。

本文以应用非线性负载节电设备为基础，首先分析了防护工程节电的必要性，

建立了防护工程供电系统的一般简化负荷模型；分析了节电设备引起系统损耗增加

的原理；接着分析、测试了变频器输入侧谐波电流，建立了仿真模型；分析、仿真

了畸变电流在导体上的集肤效应现象，建立了集肤深度的数学模型和考虑集肤效应

时导体阻抗的数学模型；研究了考虑谐波及其集肤效应时的设备损耗计算方法，使

设备损耗和系统损耗计算值较以往前人的计算更加精确与合理；以系统整体节电为

目标，总结了系统节电三个方面的主要内容，提出了完整的系统节电理论及其应用

算法；研究了适用于防护工程的照明节电技术，具有很强的针对性与有效性；以通

风系统为例，进行了系统节电的优化研究、设备节电研究和滤波降损节电研究，形

成了完整的系统节电方案；最后，进行了系统节电的软件管理开发。

关键词：节能，防护工程，系统节电，照明，通风，非线性负载，变频控制，

谐波，集肤效应，谐波损耗，设备损耗，系统损耗，优化算法，电力有源滤波器，

管理系统

Study on the Non-linear Loads and the System Energy-

saving Technique in Defense Works

ABSTRACT

W i t h C h i n a ' s s o c i a l p r o g r e s s a n d r a p i d e c o n o m i c g r o w t h, t h e e n e r g y s o u r c e s a r e

consumed excessivel y. Energy strategies a nd energy-saving work have been referred to

t he n a tiona l a g enda, e n e rg y - s a v in g h a s be c o m e o ne o f t he im p o r t a n t t a s k s of a ll s o c i a l

departments. One of the new energy-saving ideas applied to defense works is the energy-

sa v in g o f syst e m. I t pro c ee ds fro m th e f o l lo w in g th ree asp e ct s : th e o p t im i zat i on of the

e l e c t r i c p o w e r u s i n g ; t h e u t i l i za t i o n o f e n e r g y - s a v i n g e q u i p m e n ts; t h e a d o p t i o n o f

active power filter (APF). Therefore, realization and study on energy-saving of the system

o p t i m i z ed i n d e f e n s e w o r k s , i s m e a n i n g f u l f o r e n e rg y - s a v i n g . I t i s a m a j o r t h e o r e t i c a l

innovation, and has practical value.

The foundation of this paper is the application of energy-saving equipment based on

the non-linear loads. First of all, the necessary for energy-saving project is analyzed in the

d e f e n s e w o r k s, a n d t h e s i m p l i f i e d g e n e r a l p o w e r s u p p l y s y s t e m l o a d m o d e l i s

established. Furthermore, the principle of energy-saving equipments causing the increase

of the system loss is analyzed. Then, the harmonic current is tested and analyzed, and the

simulation model of the non-linear loads is established. The skin effect of the conductor

considering harmonic current is analyzed; the mathematical model of the skin depth and

the conductor impedance mathematical model considering skin effect are established. The

c a l c u l a t i o n m e t h o d s o f t h e e q u i p m e n t l o s s a n d t h e s y s t e m l o s s a r e s t u d i e d c o n s i d e r i n g

harmonic current and the skin effect, the calculated value of the equipment loss and the

s y s t e m l o s s a r e m o r e a c c u r a t e a n d r e a s o n a b l e t h a n e v e r b e f o r e . T o a c h i e v e t h e

goal of system energy-saving, the three main aspects are summarized. The whole theory

o f e n e r g y - s a v i n g o f s y s t e m s a n d t h e a p p l i c a t i o n a l g o r i t h m a r e p r o p o s e d . T h e

techniques of energy-saving of lighting fitted for defense works are studied; it has highly

target and effectiveness. Taking the ventilation system as an example, the optimization of

the electric power using, the utilization of energy-saving equipments, and the adoption of

ac t i v e p o w e r f i l t e r ( A P F ) a r e s t u d i e d . T h e w h o l e p r e c e p t i s g a i n e d . F i n a l l y, t h i s p a p e r

realized the computer management of system energy-saving.

K e y   w o r d s :  en e r g y- s a v i n g,  d e f e n s e  w o r k s ,  e n e r g y - s a v i n g  o f  s y s t e m s ,   l i g h t i n g ,
v e n t i l a t i o n ,   n o n - l i n e a r  l o a d s ,  f r e q u e n c y   c o n t r o l ,   h a r m o n i c ,   s k i n   e f f e c t ,
harmonic loss, the system loss, optimization algorithm, APF, management
system
目    录
摘  要I
ABSTRACT II
目    录II
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及研究的重要意义 1
1.1.1 我国电能消耗现状 1
1.1.2 我国近期的节电规划 1
1.1.3 课题研究的重要意义 3
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 变频调速节电技术发展现状 3
1.2.2 照明节电技术发展应用现状 4
1.2.3 谐波损耗问题研究现状 5
1.2.4 防护工程节电技术研究现状 6
1.3 课题研究的目的及主要工作 6
第二章 防护工程用电负荷及其节电分析 8
2.1 防护工程负荷调查 8
2.2 防护工程供电系统结构及其主要特点 11
2.2.1 防护工程供电系统结构 11
2.2.2 防护工程供电系统的主要特点 12
2.3 防护工程节电分析 13
2.4 小结 14
第三章 防护工程设备节电与降损节电技术研究 15
3.1 适合于防护工程的照明节电技术 15
3.1.1 照明节能的原理 15
3.1.2 防护工程照明的分类 15
3.1.3 防护工程照明节电措施 16
3.1.4 防护工程照明节电技术研究 19
3.2 防护工程变频调速节电技术研究 21
3.2.1 风机与水泵变频调速节电技术 21
3.2.2 风机与水泵的其他节电措施与技术 22
3.2.3 动力系统变频调速节电技术分析 23
3.3 不考虑谐波时防护工程的降损技术 23
3.4 小结 25
第四章 电力谐波的分析、测试与仿真 27
4.1 典型非线性负载电路的选择与参数的确定 27
4.2 基于电容滤波的桥式整流电路分析 28
III

2.1 单相桥式整流电路分析 28
2.2 三相桥式整流电路分析 31
3 变频器输入侧谐波电流测试 35
4 基于电容滤波的桥式整流电路仿真 40
5 小结 42
第五章 谐波电流在导体上的频率特性研究 43
1 集肤效应产生的机理 43
2 集肤深度数学模型的建立 43
3 集肤效应仿真分析 46
3.1 集肤效应和谐波电流频率的关系分析 46
3.2 集肤效应和谐波电流相位关系分析 47
3.3 集肤效应和导体阻抗的关系分析 47
3.4 畸变电流在导体上的集肤效应仿真分析 48
4 动力系统用电设备的阻抗 48
5 小结 49
第六章 防护工程动力用电设备损耗分析与计算 50
1 谐波环境下设备的热损耗分析 50
1.1 铜耗分析 50
1.2 铁耗分析 52
1.3 损耗分析小结 55
2 变频器的损耗及其性能分析 55
2.1 变频器的损耗 55
2.2 变频器性能参数仿真分析 55
3 防护工程动力系统设备损耗计算 59
3.1 防护工程供电系统模型及其设备 59
3.2 设备损耗的计算原理 60
4 各设备的损耗计算 61
4.1 电动机损耗的估算61
4.2 变频器直流环节等效电阻的计算及其输入侧的仿真 61
4.3 电缆损耗的计算 62
4.4 变压器损耗增量的计算 63
5 小结 64
第七章 防护工程系统节电技术研究 68
1 防护工程通风系统损耗计算 68
1.1 通风系统损耗计算原理 68
1.2 通风系统损耗计算 68
2 防护工程通风系统用电优化方案研究 73
2.1 系统用电优化分析 73
2.2 通风系统用电优化方案研究 76
3 变压器并列运行节电方案研究 78
4 滤波技术节电方案研究 79
4.1 电力有源滤波器技术及其原理 79
4.2 滤波节电计算 80
IV

4.3 滤波器投切方案研究 81
5 防护工程系统节电改造方案研究 82
5.1 防护工程节电的基本原则82
5.2 系统节电改造的主要项目82
5.3 系统节电改造的基本步骤82
5.4 变频器控制系统方案 83
5.5 变频器供电结构方案 83
5.6 通用与专用变频器应用对比分析 83
6小结 84
第八章 系统节电优化算法软件实现研究 85
1 开发软件MATLAB简介85
2 系统节电优化算法软件设计 85
2.1 软件流程设计 85
2.2 软件的输入输出设计 87
3节电优化管理系统的开发 89
3.1 节电优化管理系统的主要功能模块89
3.2 节电优化管理系统设计 89
4 小结 90
第九章 结论 91
1 研究取得的主要成果91
2 存在的问题及进一步研究方向91
3 小结 92
致 谢93
在学期间的研究成果94
参考文献95
附 件98
光  盘98
V

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摘要目前，我国社会进步，经济快速增长，但能源消耗严重，能源战略与节能工作已提到了国家议事日程，节电已成为社会各领域当务之急的工作。防护工程的节电工作应采取系统节电的新思路，主要从三个方面着手：一是系统内部设备用电优化二是设备节电；三是降损节电。研究基于非线性负载的防护工程系统节电技术，是防护工程系统整体节电的需要，具有重大理论创新意义和较强的实用价值。本文以应用非线性负载节电设备为基础，首先分析了防护工程节电的必要性，建立了防护工程供电系统的一般简化负荷模型；分析了节电设备引起系统损耗增加的原理；接着分析、测试了变频器输入侧谐波电流，建立了仿真模型；分析、仿真了畸变电流在导体上的集肤效应现象，...

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