民用負(fù)荷的諧波隨機性分析及綜合治理措施研究中文摘要

隨著科技的飛速發(fā)展，非線性電力電子裝置被廣泛應(yīng)用于家用電器中，使得民用負(fù)荷成為一類新興的諧波源。民用諧波源負(fù)荷具有隨機性、分散性和不平衡性等特點，以往的諧波分析方法無法直接用于評估其諧波影響。因此，本項目將基于民用諧波源負(fù)荷的特點，提出一套綜合評估其諧波電流的分析方法并研究相應(yīng)的治理措施。首先建立單個家用電器類諧波源負(fù)荷的隨機性諧波模型，進(jìn)而考慮用戶中同時存在的多個不同種類諧波源之間的相互影響，提出每個用戶的等值諧波源模型；進(jìn)一步研究多個用戶諧波電流的疊加和衰減效應(yīng)，為每個配電變壓器所帶總負(fù)荷提出等值的諧波分析模型。發(fā)展可考慮負(fù)荷在三相之間分配不均及負(fù)荷隨機開關(guān)性等特點的概率性諧波潮流算法，對整個配電系統(tǒng)的諧波畸變情況進(jìn)行評估。結(jié)合民用諧波源的特點，研究相應(yīng)的濾波方案并選擇濾波裝置的最優(yōu)安裝地點和數(shù)量，為防止居民諧波源負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流影響更高一級的電力系統(tǒng)提出有效的措施。

現(xiàn)今電力系統(tǒng)中，居民用電占電能總消耗的30%以上，我國居民用電總量目前占總用電量的13%，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，居民用電總量必然將逐年提升，預(yù)計2030年居民用電量會超過總用電量的20%。由于家用電器負(fù)荷中存在大量含電力電子類非線性負(fù)荷，所產(chǎn)生的電流畸變高，且其大量隨機、分散地接入民用配電系統(tǒng)，導(dǎo)致民用配電系統(tǒng)諧波具有高畸變、強隨機、分散廣等特點，以往對于大工業(yè)或單個確定性諧波源負(fù)荷的諧波分析方法無法直接應(yīng)用于評估民用負(fù)荷諧波產(chǎn)生的影響。因此，本項目基于實測電壓、電流數(shù)據(jù)和實際負(fù)荷開關(guān)行為統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立新的民用負(fù)荷隨機性諧波評估方法。項目研究所取得的成果如下：(1)提出利用廣義復(fù)偏最小二乘的方法計算家用電器負(fù)荷的諧波耦合矩陣模型參數(shù)，并針對模型電壓適應(yīng)范圍較小的缺點，提出模型參數(shù)調(diào)整因子，使得模型參數(shù)可隨電壓的變化而動態(tài)地自適應(yīng)調(diào)整，之后建立了多狀態(tài)家用負(fù)荷的諧波模型。(2)結(jié)合電壓自適應(yīng)諧波模型，充分考慮我國用電影響因子的家用電器修正開通概率行為模型，建立一個自下而上的諧波和功率評估仿真平臺，該平臺能考慮負(fù)荷的更新?lián)Q代，實現(xiàn)對區(qū)域性諧波和功率的預(yù)測，適合在實際中推廣應(yīng)用。(3)針對集合性居民負(fù)荷，深入分析實測數(shù)據(jù)，提出了一種基于測量的分時段概率諧波模型，相比于傳統(tǒng)諧波模型該模型能考慮不同次諧波電壓和電流之間的耦合關(guān)系，具有更高的建模精度，且考慮的模型參數(shù)較少，建模效率更高，且能考慮負(fù)荷的時變和隨機特性，能夠為概率諧波潮流計算、諧振分析等提供模型支持，具有實際應(yīng)用前景。(4)研究了含居民負(fù)荷的概率諧波潮流算法，提出了一種基于改進(jìn)點估計與最大熵算法的概率諧波潮流算法，相比目前普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)點估計與級數(shù)展開的方法，能夠有效的提升計算效率且能夠保持較高的精度。本項目的研究結(jié)論將為建立準(zhǔn)確、快速的居民負(fù)荷諧波評估方法來管控和治理諧波污染奠定理論基礎(chǔ)。 2100433B

對于居民用電時間比較集中、季節(jié)性強、且諧波中含有大量零序分量的特點[6]，居民用電所產(chǎn)生的諧波治理可以從以下三個方面入手:設(shè)計方面;管理方面;技術(shù)方面 。

1)設(shè)計方面。首先要合理規(guī)劃供電結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行配網(wǎng)設(shè)計時，要盡量詳細(xì)的掌握配網(wǎng)的負(fù)載情況及諧波源。在低壓配網(wǎng)系統(tǒng)中，將產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備接在同一母線上，可以利用諧波的互補作用降低配網(wǎng)中的諧波含量;將不產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備接在同一母線，盡量減少諧波對其影響。關(guān)于變壓器，為了防止諧波電流引起的過熱，可以使用因數(shù)變壓器，該變壓

器的設(shè)計基本上是通過改善繞組和降低鐵芯損耗來減少由諧波電流所引起的附加損耗。配網(wǎng)中若有三相整流變壓器，應(yīng)采用D, ynll接線方式，以最大限度的抑制諧波。另外，在三相系統(tǒng)中，三相負(fù)荷功率相等不代表三相平衡，因為負(fù)荷的自身特性可能導(dǎo)致三相不平衡和非線性。所以在進(jìn)行配電設(shè)計時，除了使三相負(fù)荷功率平衡外，還應(yīng)考慮各相所帶的負(fù)荷性質(zhì)。

2)管理方面。諧波的治理，需要大量的投資，走共同治理之路。在分清諧波來源基礎(chǔ)上，除了依靠供電部門，還要調(diào)動電力供需環(huán)節(jié)中的各個方面。諧波治理是綜合治理的過程，有明確的規(guī)定和要求，是改善供電品質(zhì)的重要方面。然而許多電力用戶，對諧波的危害沒有足夠的認(rèn)識，往往認(rèn)為諧波治理僅僅是電力部門的事情。就此而言，電力管理部門有必要加強

諧波治理方面的宣傳，強調(diào)諧波帶來的危害和諧波治理的重性及投資回報。在對諧波準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，提出適合于用戶的治理方案。

3)技術(shù)方面。電力系統(tǒng)諧波的抑制方法可分為預(yù)防性和補救性兩大類，而針對居民用戶的特點預(yù)防方法效果不大，所以通常使用補救性方法，補救性方法主要是使用濾波器進(jìn)行濾波。

濾波器分為無源濾波器和有源濾波器。二者之間的本質(zhì)區(qū)別在于:無源濾波器只能濾除特定階次的諧波電流，而有源濾波器是對電網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)測，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時向系統(tǒng)注入一組與之相位相反的電流來抵消諧波電流，同時動態(tài)補償基波無功功率。其優(yōu)點是可同時處理多階次諧波，缺點是價格較貴。由于居民用電對電能質(zhì)量要求相對較低，應(yīng)盡量避免增設(shè)造價過的高設(shè)備，以防止對居民產(chǎn)生過高的資金分?jǐn)倝毫?，故采用單調(diào)諧濾波器與高通濾器相結(jié)合的混合無源濾波方式進(jìn)行諧波治理。另外還可以通過改變電容器組的安裝位置或調(diào)整電容器組的無功出力來治理。在調(diào)諧的諧波次數(shù)下，電容器和電抗器具有相同的電抗，但是需要特別注意的是電容器應(yīng)能承受施加在其上的總電壓。然而，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，未來濾波的趨勢是采用有源濾波器。有源濾波器可以對頻率與幅度發(fā)生變化的諧波進(jìn)行跟蹤，具有不受阻抗影響的特點，并且避免了出現(xiàn)諧振的危險。目前，以下3個原因限制了其在我國的應(yīng)用:1)國外同類裝置價格太高;2)人們對諧波危害還沒有足夠的認(rèn)識;3)國內(nèi)諧波問題的污染程度還不是特別嚴(yán)重。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展有源濾波器的價格會進(jìn)一步下降，并且未來諧波源將越來越多也越來越多樣化，諧波問題會變得越來越復(fù)雜，因此人們對諧波認(rèn)識也會逐漸加深，所以綜合來看，未來濾波的發(fā)展趨勢是有源濾波。

針對絕大多數(shù)居民用戶采用的TN-S或TN-C-S的配電方式，由于其存在中性線，零序諧波電流，特別是3次諧波電流在中線上會相互疊加，使得中線電流中的諧波狀況異常嚴(yán)重。面對這種狀況，除了適當(dāng)增加中性線的截面積，降低其帶來的不利影響外，可以在中性線上加裝零序濾波電抗器。該電抗器使用的是LC調(diào)諧濾波器的原理，但是無電容拓?fù)?，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運行可靠，不存在諧波放大和失諧等優(yōu)點。零序濾波裝置在三相四線制城市配電網(wǎng)濾波工程中具有較好的應(yīng)用價值，可以有效的降低諧波對配電網(wǎng)的危害。

為降低電力牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，在電力牽引變電所和電力機車中裝設(shè)了由電容、電感組成的諧波吸收裝置。正在發(fā)展中的交流-直流-交流電力機車?yán)秒娏﹄娮蛹夹g(shù)，可實現(xiàn)低諧波分量的負(fù)荷特性，使諧波影響降到最低 。2100433B