諧波源識別

諧波源識別是指弄清電網中的諧波源分布和諧波狀態。正確地定位諧波源,並定量估計綜合負荷中線性和非線性部分所占比重，來進行諧波的綜合治理。

基本介紹

• 中文名：諧波源識別
• 外文名：Harmonic source identification
• 目的：有效治理諧波
• 背景：電能質量問題越來越受重視
• 原理：識別綜合負荷中是否含有諧波源
• 提出者：G.T.Heydt

背景

隨著電力市場的逐步完善,電能質量問題越來越受到重視。用戶對供電系統的供電質量提出了更高的要求。電力部門不但要解決電力用戶對電能質量的投訴,提高電能質量滿足用戶的需要,還要加強電能質量監督管理,發現電能質量問題要深入研究,找到電能質量擾動的擾動源,即判定擾動方向,明確責任,對擾動源負荷進行懲罰。電力網諧波污染一直是電能質量的一個主要問題。

為了有效地治理諧波,必須弄清電網中的諧波源分布和諧波狀態。正確地定位諧波源,並定量估計綜合負荷中線性和非線性部分所占比重,是諧波潮流計算、濾波器配置以及諧波獎懲管理等問題的基礎,是諧波分析和治理的首要問題,具有重要的意義。

只有在已知諧波電流注入的情況下,才能準確地分析諧波在電網中的分布和擴散,並設計安裝相應的濾波裝置來治理諧波,從而降低諧波污染。而在公共聯接點(PCC),諧波往往是多個諧波源共同作用的結果。如果不能正確的判定各諧波源的位置並區分各自的諧波責任,就不能明確諧波的污染源和受害者,也就不能建立公平有效的諧波獎懲機制來進行諧波的綜合治理。

諧波源基本性質及其建模

諧波產生的根本原因是系統中某些設備和負荷的非線性特性,即所加電壓與產生的電流不呈線性關係而造成波形畸變。理想的公用電網所提供的電壓應該具有單一而固定的頻率和規定的電壓幅值,但當系統的正弦波形電壓加在非線性負載上時,產生的電流為非正弦波形,波形的畸變即產生了諧波電流,諧波電流又影響端電壓,使電壓波形發生畸變從而產生諧波電壓。這些向電網中注入諧波電流和產生諧波電壓的電氣設備即為諧波源。

電網中的諧波源大體分為兩種類型:一類為含有半導體元件的各種電力電子設備,如各種整流、逆變裝置和晶閘管可控開關設備等,它們按一定的規律開閉不同電路,將諧波電流注入電網;另一類為含有電弧和鐵磁非線性設備的諧波源,如螢光燈、電弧爐和各種鐵心設備包括變壓器、電抗器等。家用電器設備分屬於上述兩類諧波源,雖然其容量小,但數量巨大,因此也是不可忽視的諧波源。此外,對於電力系統三相供電來說,三相不平衡負荷也是典型的諧波源,使電力系統的電流和電壓波形產生畸變。

諧波源識別原理

諧波源的全部特性可由諧波源在供電側基波電壓相角恆定為零，而基波電壓幅值和各次諧波電壓幅值、相角變化時的特性所唯一確定，因此以下部分只討論負荷在供電側基波電壓相角為零時的情況。

設某一供電點的綜合負荷由線性負荷部分和非線性負荷部分並聯而成，當供電電壓的基波及各次諧波相量為 ， ， ，……， 時，線性負荷部分所吸收的諧波電流只取決於同一次的諧波電壓，即其h 次諧波電流的實部和虛部可表示為

式中 , 分別為線性負荷部分的 次諧波導納的實部與虛部。

非線性負荷部分的諧波電流是各次諧波電壓的複雜函式。其所吸收的 次諧波電流的實部與虛部可表示為

即諧波電流中除了含有取決於同次諧波電壓的分量以外，還含有取決於基波和其它各次諧波電壓以及與電壓無關的分量。

將上式右端2向量分別用 、 表示，並令

則綜合負荷所吸收的總諧波電流為:

上式便是綜合負荷諧波電流的簡化模型。

顯然，當綜合負荷全部為線性負荷時，上式中，而當其中含有諧波源時則不然。因此，可以根據是否為零來識別綜合負荷中是否含有諧波源，這是識別諧波源的基礎。

傳統諧波源辨識方法

諧波源的辨識問題最初是作為諧波潮流的逆問題由G.T.Heydt提出的。通過測量系統中部分節點的諧波電壓和線路中的諧波電流,採用狀態估計的方法來獲得負荷注入系統的諧波功率。當注入的諧波功率為正時,則判定該負荷為諧波源。這就是目前實際套用最廣泛的功率方向法。此後,很多新的算法如線性神經元網路等被運用於諧波狀態估計,同時量測量及狀態變數的選擇也各有不同,並在此基礎上開發了相應的實用程式和裝置用於實際辨識電網中的諧波源。此外,瞬時功率理論也被嘗試運用於諧波源辨識研究,通過三相系統中特定節點處濾波裝置數據得到系統瞬時諧波有功功率,來定位電網中主要的諧波源。日本學者據此研製出相應的裝置並用於試驗研究。但是對於單相網路中存在的諧波源或因單相負荷所引起的諧波畸變,它不能提供任何有用的信息。

而基於瞬時無功功率理論的辨識方法在這方面有所改善。這些研究主要集中在狀態估計方法上,旨在利用最少的測量裝置取得令人滿意的識別結果,對於諧波源識別的判據並沒有新的觀點。

另一類辨識諧波源的方法是通過研究畸變的電壓波形和電流波形之間的內在聯繫,找出相應的負荷參數,作為判定諧波源的指標,如基於外加負荷擾動法和基於瞬時負荷參數分割法。前者根據負荷在外加擾動的情況下,其諧波電流、基波電流和諧波電壓三者幅值之間的相互關係來判斷負荷中是否含有諧波源。如果按照這一關係而在相應的坐標系中繪製的點圖中,諧波電流和同次諧波電壓的關係可以擬合為過原點的一條直線,而諧波電流和基波電流無關,則將負荷視為線性負荷,反之則認為負荷中存在諧波源。後者根據計算RL參數,並引入非線性瞬時指標用於計算非線性統計因子NHL來進一步判定是否為諧波源。

諧波源辨識的難點

隨著電力系統的解除管制和步入市場化運營,用戶對電能質量的要求會越來越高。採用經濟手段對諧波源負荷進行懲罰,對諧波的受害者進行補償,引導用戶採取適當的途徑控制注入系統的諧波電流,是諧波防治的有效措施。傳統的諧波源識別的判據偏向於定性分析電網中是否存在諧波源。在多諧波源系統中,如何準確識別諧波源並將各個諧波源所產生的諧波電流分離,確定其各自責任,仍然是一個值得探討的問題。

對於複雜的配電網路,除一些大型的諧波源負荷能事先確定其位置,並根據其參數和運行方式計算其諧波電流以外,更多的負荷往往是由不同類型和容量的用電設備按照一定的網路接線組合而成的綜合負荷,其中可能含有諧波源,也可能含有諧波的受害者。而且對於一條母線上連線兩個或多個諧波源的情況,各諧波源之間存在著互相干擾的問題,其諧波電流可能相互抵消或增強,在總的諧波測量電流中所占比例也不相同。供電部門不可能對每一個節點負荷裝設相應的監控和測量裝置,每時每刻監控所有供電節點的諧波干擾水平,只能通過現場結合公共連線點PCC和潛在諧波源節點的測量基礎上按照一定的判別原則來進行。

雖然目前實際套用最廣泛的諧波源辨識方法是功率方向法,大量的電能質量管理裝置也都是將其作為主要的判斷依據。但是,負荷注入系統的諧波功率不僅取決於兩側電流幅值大小,還取決於二者之間的相位關係以及配電系統和綜合負荷中線性部分的諧波阻抗。在一定的條件下,即使綜合負荷中存在諧波源,也有可能從系統中吸收正的諧波功率。因此,向系統注入正的諧波功率只是負荷中存在諧波源的充分條件而非必要條件,僅在單諧波源條件下能夠得到準確的辨識結果。

在複雜的配電系統中,採用這一判據進行諧波源的識別難免會造成遺漏和錯誤。而其它的判斷準則也只能定性地識別系統中的諧波源,不能定量地將負荷中的諧波源和非諧波源區分,明確各自的責任。而且在工程實踐中需要對實際的畸變電流和電壓波形採樣數據,不如功率方向法方便,也不便於諧波的綜合治理。因此,找到一個合適的技術指標用於定位諧波源(確定諧波源的大小和方向)並定量確定諧波責任是十分必要和緊迫的。

建議

儘管諧波源辨識問題的研究取得了不少進展,但是還有許多問題尚待解決,尤其是實際諧波責任的區分。雖然不斷有新的理論和算法用於研究諧波源的定位,但是很多理論尚未得到統一的認識,還需進一步討論研究。此外,用於工程實踐的諧波源辨識技術還很不成熟,存在套用上的限制和錯誤,需要尋找新的理論基礎和技術指標。這些研究工作主要包括以下方面:

(1)進一步研究諧波電路理論和諧波功率理論,並用於諧波源辨識研究;

(2)找到一個合適的技術指標用於定位諧波源(確定諧波源的大小和方向)與諧波責任的區分,該指標應具備相當的技術性和經濟性,且易於實現;

(3)建立公平有效的諧波獎懲機制來定量約束各諧波源的諧波污染。

意義

正確識別綜合負荷中是否存在諧波源，並定量估計負荷中線性和非線性部分所占的比重，以作為諧波潮流計算、濾波器配置、採用經濟手段懲罰諧波等問題的基礎，是諧波分析與治理領域中的首要問題，具有重要的意義。若不能正確識別諧波源的位置並將負荷中線性和非線性部分的諧波電流進行區分，就不能明確諧波污染源和受害者各自的責任，也就不能有效地進行諧波的綜合治理。