諧波責任劃分主要是要區分公共連線點（point of common coupling，PCC）兩端系統側和用戶側對PCC點諧波畸變的影響，其關鍵技術是求取諧波阻抗，現有諧波阻抗估計方法主要分為“干預式”和“非干預式”兩種。
“干預式”方法為向系統注入諧波電流或開斷某條支路來估計系統側諧波阻抗，但這種干擾式方法會對電力系統穩定運行帶來不利影響，因此不能廣泛使用。
“非干預式”方法利用系統本身的諧波源，通過測量PCC點諧波電壓、諧波電流來估計諧波阻抗和諧波責任，這類方法不會影響系統的正常運行，是使用較為廣泛的一種方法。“非干預式”主要有波動量法、線性回歸法和參考阻抗法等，其中，波動量法利用PCC點諧波電壓波動量對諧波電流波動量比值的符號特性計算系統側諧波阻抗，進而估計用戶諧波發射水平；線性回歸法通過構造回歸方程來估計諧波阻抗；參考阻抗法通過設定參考阻抗，將諧波阻抗的變化轉換為諧波電流源的變化來估計諧波發射水平，參考阻抗的設定對計算結果影響較大。
基本介紹
- 中文名：諧波責任劃分方法
- 套用行業：電力行業
諧波產生原理,諧波責任劃分目的,諧波責任劃分方法,二元線性回歸法,穩健回歸法,偏最小二乘回歸法,複線性最小二乘法,波動量法,幾種最佳化的諧波責任劃分方法,基於波形匹配的諧波責任劃分方法,考慮背景諧波波動的諧波責任劃分方法,不同電能質量等級下的諧波責任劃分方法,
諧波產生原理
非線性元件在工頻電壓下，除了會產生工頻電流外，還會產生工頻整倍次數的電流，即諧波污染，如圖1所示。圖1（a）為一個簡單的配電網示意，Z1為線性負荷，Z2為非線性負荷，i1 （t）、i2（t）分別為其支路上電流，u（t）為PCC 處電壓。由圖（b）、（c）、（d）可見，工頻電壓加線上性負荷與非線性負荷所產生電流的不同。由此可見，非線性負荷是產生諧波的主要原因。
諧波責任劃分目的
隨著電力電子技術的飛速發展，用電負荷日趨複雜化和多樣化。大量具有非線性特徵的負荷會給電力系統注入過多的高次諧波，對電力系統包括用戶的安全、經濟運行產生危害和影響。諧波含量的增加，會使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，發生絕緣老化，使用壽命縮短，甚至故障或燒毀；同時，可能引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂；對於電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。電力系統的發展，各種傳統非線性負載及光伏、風電等新能源大量接入電網，電網中的諧波污染越來越嚴重。為了避免電能質量糾紛和有效控制電網中的諧波，國際上提出了一種“獎懲性方案”即系統與用戶在額定的範圍內正常交易，如果系統不能保證供電質量，用戶應當得到賠償；如果用戶產生的諧波污染超出允許值，則系統在保證向用戶正常供電的前提下要收取額外的懲罰費用；用戶吸收了系統中額外的諧波功率，系統應當給予用戶一定的補償和鼓勵。該方案實施的前提是在公共連線點對系統以及用戶的諧波發射水平進行合理的評估。該方案有效實施的重要前提之一就是要正確劃分和評估各諧波源的諧波責任。
國家標準對公用電網諧波的允許閾值作出了具體規定，但並不能科學地解決供用電雙方在制定經濟性評估標準上的爭論。為了對諧波污染進行有效、合理的經濟性評估，需要在公共連線點（point of common coupling，PCC）對系統及用戶承擔的諧波責任進行定量劃分。
諧波責任劃分方法
諧波責任劃分的關鍵是準確估算諧波阻抗。諧波阻抗估計方法主要包括“干預式”法和“非干預式”法：“干預式”法需要向電網中注入諧波電流或改變系統的拓撲結構來確定諧波阻抗，這類方法會對電力系統的運行造成不良的影響；“非干預式”法則是利用PCC的諧波測量數據來估算諧波阻抗和背景諧波，該類方法對系統的運行不構成影響，成為諧波責任劃分研究的一個主要方向。
“非干預式”法主要包括線性回歸法和波動量法。線性回歸法通過求解回歸方程的係數來確定系統側諧波阻抗，包括二元線性回歸法、穩健回歸法、偏最小二乘回歸法、複線性最小二乘法等。套用線性回歸法準確評估諧波責任的前提是背景諧波基本穩定，若背景諧波波動較大會導致回歸計算的諧波阻抗存在較大誤差，進而造成評估的諧波責任不準確。波動量法利用PCC的諧波電壓與電流波動量的比值來估算系統諧波阻抗。波動量法由於系統側和用戶側的諧波波動同時存在而引入了估計誤差。上述研究方法針對的是諧波向量數據，而變電站的電能質量監測系統很少直接測量諧波電壓或電流的相角數據，僅僅給出其幅值數據。
二元線性回歸法
穩健回歸法
基於穩健回歸的系統諧波阻抗及用戶諧波發射水平的估計方法：利用在公共連線點同步測量得到的諧波電壓和諧波電流信號，通過復加權最小二乘疊代算法求解回歸係數；利用Huber 函式作為影響函式進行加權疊代計算，權重為上次疊代的殘差函式，以此減少奇異值對回歸係數的影響；由回歸係數映射出系統諧波阻抗，並跟蹤計算用戶的諧波發射水平。
在現行的線性回歸分析中，普遍採用最小二乘法求解回歸係數。該方法由於計算簡單實用，又能在正態假定下套用統計檢驗理論，因此得到了廣泛套用。然而，由於最小二乘法是以計算殘差平方和達到最小來求解回歸係數的，這會使奇異值(與其它數據不具有相同的樣本統計特性)的作用增加，統計誤差增大，從而使得回歸方程缺乏穩健性(Robust)。因此，穩健回歸法通過反覆加權進行最小二乘疊代，排除異常數據的干擾，具有較好的穩健性。
偏最小二乘回歸法
二元回歸法缺少對系統的奇異值進行處理，同時對數據統計特性的一致性要求較高；穩健回歸法雖然通過加權處理，有效去除一些奇異值，但是在統計特性上缺少對變數的相關性進行分析，在數據處理上仍然會帶來一些誤差。偏最小二乘回歸方法也在該領域中得到套用。該方法能夠在自變數存在嚴重的相關性的條件下進行回歸建模，並具有每一個自變數的回歸係數將更容易解釋等特點。
複線性最小二乘法
基於複線性最小二乘原理的等效諧波阻抗和背景諧波電壓計算方法，可定量劃分諧波源對關注母線諧波責任。不同於傳統的將複數實部和虛部分開計算方法，複線性最小二乘法通過直接在複數域內求解誤差模的平方和最小值，得到了真實的最小二乘解。在此基礎上，利用基於內積理論推導諧波責任定量劃分的計算公式，量化了諧波源對關注母線的諧波責任。
波動量法
二元線性和穩健性種回歸方法在回歸方程的推導上均存在以下問題：①忽略了諧波阻抗的實部，這將導致諧波阻抗的估計值產生較大誤差；②以諧波電流為參考相量對回歸方程進行實部、虛部劃分，要求諧波電壓、電流的相角量測非常準確，否則將導致諧波阻抗估計值精度的下降；③假設電力系統中諧波擾動為隨機白噪聲，且擾動程度較小，而未深入研究在其他擾動類型下不同程度的波動對估計值精度的影響，具有一定的工程實用局限性。
波動量法通過分析公共連線點（PCC）處電壓和電流的波動量，利用兩者比值估計諧波阻抗。該方法原理簡單，估計誤差小，適用範圍廣，在提高設備測量精度的前提下，具有很強的工程套用前景。
採用波動量法準確估計系統側諧波阻抗需滿足一定條件，即系統側電流波動必須遠遠小於負荷側電流波動。然而，某些工況雖滿足該條件，估計值卻仍無法達到工程精度要求。
幾種最佳化的諧波責任劃分方法
基於波形匹配的諧波責任劃分方法
基於波形匹配的諧波責任劃分方法基於諧波等值電路，通過分析PCC的諧波電壓幅值與諧波電流幅值的關係建立起二者的線性方程，提出了一種基於波形匹配的諧波責任劃分方法。通過動態時間彎曲距離與視窗滑動檢測出關注時間內諧波電壓與電流相似度較高的波形，篩選出背景諧波穩定的諧波子序列，再利用最小二乘法求解線性方程估算出系統側等效諧波阻抗，進而實現諧波責任劃分。仿真分析與實際工程套用分析驗證了該方法與已有方法相比，在估算系統側等效諧波阻抗方面具有較高的準確性，易於工程套用。
考慮背景諧波波動的諧波責任劃分方法
充分考慮背景諧波波動對諧波責任劃分的影響，提出用主導波動量法和分位數回歸法相結合的方法來進行諧波責任劃分。採用主導波動量法篩選用戶主導的波動量樣本準確地估計背景諧波阻抗，消除背景諧波波動帶來的影響。然後將諧波責任劃分問題轉化為回歸方程截距的求取問題，在此基礎上，採用分位數回歸法實現了背景諧波波動情況下諧波責任的準確劃分。所提方法穩健性強，並充分利用了背景諧波電流的波動規律。在IEEE 13 節點系統中進行仿真分析，結果驗證了所提方法在背景諧波波動的工況下具有準確性高和適應性強的優點。
