民用負(fù)荷的諧波隨機(jī)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(xiàn)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(lèi)新興的諧波源。民用諧波源負(fù)荷具有隨機(jī)性、分散性和不平衡性等特點(diǎn)，以往的諧波分析方法無(wú)法直接用于評(píng)估其諧波影響。因此，本項(xiàng)目將基于民用諧波源負(fù)荷的特點(diǎn)，提出一套綜合評(píng)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(gè)家用電器類(lèi)諧波源負(fù)荷的隨機(jī)性諧波模型，進(jìn)而考慮用戶(hù)中同時(shí)存在的多個(gè)不同種類(lèi)諧波源之間的相互影響，提出每個(gè)用戶(hù)的等值諧波源模型；進(jìn)一步研究多個(gè)用戶(hù)諧波電流的疊加和衰減效應(yīng)，為每個(gè)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(jī)開(kāi)關(guān)性等特點(diǎn)的概率性諧波潮流算法，對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的諧波畸變情況進(jìn)行評(píng)估。結(jié)合民用諧波源的特點(diǎn)，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(diǎn)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(jí)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(guó)居民用電總量目前占總用電量的13%，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民用電總量必然將逐年提升，預(yù)計(jì)2030年居民用電量會(huì)超過(guò)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(lèi)非線(xiàn)性負(fù)荷，所產(chǎn)生的電流畸變高，且其大量隨機(jī)、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(qiáng)隨機(jī)、分散廣等特點(diǎn)，以往對(duì)于大工業(yè)或單個(gè)確定性諧波源負(fù)荷的諧波分析方法無(wú)法直接應(yīng)用于評(píng)估民用負(fù)荷諧波產(chǎn)生的影響。因此，本項(xiàng)目基于實(shí)測(cè)電壓、電流數(shù)據(jù)和實(shí)際負(fù)荷開(kāi)關(guān)行為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立新的民用負(fù)荷隨機(jī)性諧波評(píng)估方法。項(xiàng)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(jì)算家用電器負(fù)荷的諧波耦合矩陣模型參數(shù)，并針對(duì)模型電壓適應(yīng)范圍較小的缺點(diǎn)，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(dòng)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(guó)用電影響因子的家用電器修正開(kāi)通概率行為模型，建立一個(gè)自下而上的諧波和功率評(píng)估仿真平臺(tái)，該平臺(tái)能考慮負(fù)荷的更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域性諧波和功率的預(yù)測(cè)，適合在實(shí)際中推廣應(yīng)用。(3)針對(duì)集合性居民負(fù)荷，深入分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了一種基于測(cè)量的分時(shí)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(shí)變和隨機(jī)特性，能夠?yàn)楦怕手C波潮流計(jì)算、諧振分析等提供模型支持，具有實(shí)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(diǎn)估計(jì)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(diǎn)估計(jì)與級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法，能夠有效的提升計(jì)算效率且能夠保持較高的精度。本項(xiàng)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(píng)估方法來(lái)管控和治理諧波污染奠定理論基礎(chǔ)。 2100433B

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

1)設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，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(xiàn)上，可以利用諧波的互補(bǔ)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(xiàn)，盡量減少諧波對(duì)其影響。關(guān)于變壓器，為了防止諧波電流引起的過(guò)熱，可以使用因數(shù)變壓器，該變壓

器的設(shè)計(jì)基本上是通過(guò)改善繞組和降低鐵芯損耗來(lái)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(xiàn)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?yàn)樨?fù)荷的自身特性可能導(dǎo)致三相不平衡和非線(xiàn)性。所以在進(jìn)行配電設(shè)計(jì)時(shí)，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(lái)源基礎(chǔ)上，除了依靠供電部門(mén)，還要調(diào)動(dòng)電力供需環(huán)節(jié)中的各個(gè)方面。諧波治理是綜合治理的過(guò)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(hù)，對(duì)諧波的危害沒(méi)有足夠的認(rèn)識(shí)，往往認(rèn)為諧波治理僅僅是電力部門(mén)的事情。就此而言，電力管理部門(mén)有必要加強(qiáng)

諧波治理方面的宣傳，強(qiáng)調(diào)諧波帶來(lái)的危害和諧波治理的重性及投資回報(bào)。在對(duì)諧波準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，提出適合于用戶(hù)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(bǔ)救性?xún)纱箢?lèi)，而針對(duì)居民用戶(hù)的特點(diǎn)預(yù)防方法效果不大，所以通常使用補(bǔ)救性方法，補(bǔ)救性方法主要是使用濾波器進(jìn)行濾波。

濾波器分為無(wú)源濾波器和有源濾波器。二者之間的本質(zhì)區(qū)別在于:無(wú)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(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在檢測(cè)到系統(tǒng)諧波的同時(shí)向系統(tǒng)注入一組與之相位相反的電流來(lái)抵消諧波電流，同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基波無(wú)功功率。其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)處理多階次諧波，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。由于居民用電對(duì)電能質(zhì)量要求相對(duì)較低，應(yīng)盡量避免增設(shè)造價(jià)過(guò)的高設(shè)備，以防止對(duì)居民產(chǎn)生過(guò)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(wú)源濾波方式進(jìn)行諧波治理。另外還可以通過(guò)改變電容器組的安裝位置或調(diào)整電容器組的無(wú)功出力來(lái)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(lái)濾波的趨勢(shì)是采用有源濾波器。有源濾波器可以對(duì)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(diǎn)，并且避免了出現(xiàn)諧振的危險(xiǎn)。目前，以下3個(gè)原因限制了其在我國(guó)的應(yīng)用:1)國(guó)外同類(lèi)裝置價(jià)格太高;2)人們對(duì)諧波危害還沒(méi)有足夠的認(rèn)識(shí);3)國(guó)內(nèi)諧波問(wèn)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(jià)格會(huì)進(jìn)一步下降，并且未來(lái)諧波源將越來(lái)越多也越來(lái)越多樣化，諧波問(wèn)題會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜，因此人們對(duì)諧波認(rèn)識(shí)也會(huì)逐漸加深，所以綜合來(lái)看，未來(lái)濾波的發(fā)展趨勢(shì)是有源濾波。

針對(duì)絕大多數(shù)居民用戶(hù)采用的TN-S或TN-C-S的配電方式，由于其存在中性線(xiàn)，零序諧波電流，特別是3次諧波電流在中線(xiàn)上會(huì)相互疊加，使得中線(xiàn)電流中的諧波狀況異常嚴(yán)重。面對(duì)這種狀況，除了適當(dāng)增加中性線(xiàn)的截面積，降低其帶來(lái)的不利影響外，可以在中性線(xiàn)上加裝零序?yàn)V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(wú)電容拓?fù)?，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠，不存在諧波放大和失諧等優(yōu)點(diǎn)。零序?yàn)V波裝置在三相四線(xiàn)制城市配電網(wǎng)濾波工程中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，可以有效的降低諧波對(duì)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(jī)車(chē)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(jī)車(chē)?yán)秒娏﹄娮蛹夹g(shù)，可實(shí)現(xiàn)低諧波分量的負(fù)荷特性，使諧波影響降到最低 。2100433B