諧波源定位

諧波源定位是指通過測量某些點（如公共連線點）的電壓、電流或功率值，在所測數據的基礎上，採用相應的算法判定系統側和用戶側誰是主要諧波源

基本介紹

• 中文名：諧波源定位
• 外文名：harmonic source location
• 背景：諧波污染日益嚴重
• 目的：分清諧波責任，簡單有效治理
• 基礎數據：測量點電壓、電流和功率值
• 方法：功率方向

背景

隨著整流裝置、電弧爐、變頻裝置、電氣化鐵路等非線性負荷的大量接入，系統中電壓、電流波形畸變造成的諧波污染問題日益嚴重，這給配電網的經濟運行及用戶的安全用電造成了極大的影響。為了及時解決配電網中的諧波污染問題，達到分清諧波責任，簡單有效的治理目的，正確識別綜合負荷中的主要諧波源是至關重要的。

諧波源定位是通過測量某些點（如公共連線點）的電壓、電流或功率值，在所測數據的基礎上，採用相應的算法判定系統側和用戶側誰是主要諧波源。若系統側為主要諧波源，則對電壓、電流畸變負主要責任；反之，則用戶側應承擔主要責任。基於功率方向的方法簡單直觀、易於實現。然而，有功功率方向法易受PCC兩側電壓相角差的影響，不能正確判斷主諧波源位置。無功功率方向法和臨界阻抗法等方法易受諧波阻抗估計值的影響；基於諧波阻抗的方法原理簡單、清晰。然而，它的前提難以實現，因為諧波阻抗是在擾動情況下測量的，實際中的擾動具有隨機性，很不穩定。

方法

1、有功與無功功率方向法

有功功率方向法是傳統的諧波源定位方法之一，若將系統側到用戶側定義為正方向，由圖可得，公共連線點（PCC）的有功功率、無功功率分別為：

其中,P_h是h次諧波的有功功率,Q_h是h次諧波的無功功率，E_s是系統側等值諧波電壓源，E_c是用戶側等值諧波電壓源，δ_h是h次諧波電壓、諧波電流的相角差，δ是PCC兩側等值諧波電壓源的相角差。

由式(1)可得：當P_h>0時，系統側發出較多的諧波功率，則認為系統側為主要諧波源；當P_h<0時，用戶側發出較多的諧波功率，則認為用戶側是主要諧波源。這種方法比較直觀，曾為大家所普遍接受。然而此方法已被證明存在不合理性。

由式(2)可得：無功功率的正負不僅與E_s-E_ccosδ的正負有關，而且與Z_c+Z_s的正負也有關。在基波情況下，實際系統中的阻抗一般都為正值，而在諧波情況下，阻抗有可能出現負值。即使在Z_c+Z_s為正的情況下，根據無功功率的正負，也只能判斷E_s-E_ccosδ的正負。也就是說：當Q_h<0，無功功率為負的時候，可以得到E_s<E_c,進而確定用戶側是主要諧波源；而當Q_h>0，無功功率為正的時候，則不能判斷E_s和E_c的大小，進而不能確定主要諧波源位置。

有功與無功功率方向法的優點：簡單直觀，易於實現。

有功功率方向法的不足之處：

(1)結果易受PCC兩側電壓相角差的影響，不能正確判斷主諧波源位置。

(2)當某次諧波電壓與諧波電流的相角差為90°時，該方法失效。

無功功率方向法的不足之處：結果易受諧波阻抗的影響，準確度一般只能達到50%。

2、基於GPS（Global Position System）技術的諧波源定位方法

從式(1)、式(2)中可看出，有功功率、無功功率的分母都與諧波阻抗有關。因此在保證PCC點兩側同步測量的情況下,綜合利用有功功率和無功功率測量值，可以消除諧波阻抗的影響，進而得到諧波源定位的充要條件。

E_s、E_c,分別為PCC兩側電路的諧波開口電壓幅值，都為正值，因此，判斷E_c-E_s的正負，只需判斷的正負即可。

根據PCC點的有功功率、無功功率以及PCC兩側等值諧波電壓源的相角差，可得諧波源定位的判定條件如下：

若，即E_c-E_s>0，則用戶側為主要諧波源；若，即E_c-E_s<0，則系統側為主要諧波源。

該方法的優點：解決了無功功率方向法易受諧波阻抗的影響這一問題，同時利用有功功率和無功功率測量值，以及GPS同步測量技術來判斷主要諧波源位置，發展前景較大。

該方法的不足之處：需要兩側等值諧波電壓源的相角差，在某些情況下，該值較難精確得到，從而影響了該方法的使用範圍。

3、臨界阻抗(CI)法

為了進一步解決無功功率方向法的不足，提出了“臨界阻抗(Critical Impedance)法”。

如圖，該方法從分析系統等值電壓源∠0°產生的諧波無功功率入手，計算完全吸收這些無功功率所需要的阻抗值，然後與兩側諧波阻抗之和的一半X/2（X=X_c+X_s）進行比較。如果，則系統側電壓源幅值較大，為主要諧波源；反之，用戶側電壓源幅值較大，為主要諧波源。

“臨界阻抗係數（CI）”：

，

當|CI| > X_max時，認為系統側為主要諧波源；

當|CI| <Xmin 時，認為用戶側為主要諧波源。其中，X_max，Xmin 為不同運行方式下，可能出現的X的最大值和最小值。

該方法的優點：在一定程度上解決了無功功率方向法的不足。

該方法的不足之處：

(1)認為諧波阻抗在系統中均勻分布，且需要估算系統側和用戶側的諧波阻抗值，在實際套用中，這會帶來較大的誤差；

(2)當X_min<|CI| <X_max時，不能得出確定的結論；

(3)分析是在忽略電阻的情況下進行的，在實際運行中，結果也會受到系統阻抗角的影響。

結論

近年來，儘管諧波源定位方法的研究取得了不少進展，但還有許多問題尚待解決（如諧波責任的區分）。雖然不斷有新的算法套用於諧波源定位, 但這些方法在實際套用中都存在一定的局限性, 還需進一步討論研究。今後，諧波源定位方法的發展應包括以下幾個方面:

(1)進一步研究諧波電路理論和諧波功率理論, 並用於諧波源定位方法研究；

(2)提高測量電壓、電流和功率值的精度，豐富現場運行數據，準確提取有效信息；

(3)找到一種準確計算諧波阻抗的方法；

(4)制定一套合理的技術指標、建立公平有效的諧波獎懲機制，用於區分諧波責任,約束諧波污染。