諧波源定位背景

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(tǒng)中電壓、電流波形畸變造成的諧波污染問題日益嚴(yán)重，這給配電網(wǎng)的經(jīng)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(wǎng)中的諧波污染問題，達到分清諧波責(zé)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(guān)重要的。

諧波源定位是通過測量某些點（如公共連接點）的電壓、電流或功率值，在所測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用相應(yīng)的算法判定系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)誰是主要諧波源。若系統(tǒng)側(cè)為主要諧波源，則對電壓、電流畸變負主要責(zé)任；反之，則用戶側(cè)應(yīng)承擔(dān)主要責(zé)任?；诠β史较虻姆椒ê唵沃庇^、易于實現(xiàn)。然而，有功功率方向法易受PCC兩側(cè)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；基于諧波阻抗的方法原理簡單、清晰。然而，它的前提難以實現(xiàn)，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(wěn)定。

1、有功與無功功率方向法

有功功率方向法是傳統(tǒng)的諧波源定位方法之一，若將系統(tǒng)側(cè)到用戶側(cè)定義為正方向，由圖可得，公共連接點（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(tǒng)側(cè)等值諧波電壓源，E_c是用戶側(cè)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(cè)等值諧波電壓源的相角差。

由式(1)可得：當(dāng)P_h>0時，系統(tǒng)側(cè)發(fā)出較多的諧波功率，則認(rèn)為系統(tǒng)側(cè)為主要諧波源；當(dāng)P_h<0時，用戶側(cè)發(fā)出較多的諧波功率，則認(rèn)為用戶側(cè)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(guān)，而且與Z_c Z_s的正負也有關(guān)。在基波情況下，實際系統(tǒng)中的阻抗一般都為正值，而在諧波情況下，阻抗有可能出現(xiàn)負值。即使在Z_c Z_s為正的情況下，根據(jù)無功功率的正負，也只能判斷E_s-E_ccosδ的正負。也就是說：當(dāng)Q_h<0，無功功率為負的時候，可以得到E_s c,進而確定用戶側(cè)是主要諧波源；而當(dāng)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(yōu)點：簡單直觀，易于實現(xiàn)。

有功功率方向法的不足之處：

(1)結(jié)果易受PCC兩側(cè)電壓相角差的影響，不能正確判斷主諧波源位置。

(2)當(dāng)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(jié)果易受諧波阻抗的影響，準(zhǔn)確度一般只能達到50%。

2、基于GPS（Global Position System）技術(shù)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(guān)。因此在保證PCC點兩側(cè)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(cè)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

根據(jù)PCC點的有功功率、無功功率以及PCC兩側(cè)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：

該方法的優(yōu)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(shù)來判斷主要諧波源位置，發(fā)展前景較大。

該方法的不足之處：需要兩側(cè)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范圍。

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(tǒng)等值電壓源

“臨界阻抗系數(shù)（CI）”：

當(dāng)|CI| > X _max時，認(rèn)為系統(tǒng)側(cè)為主要諧波源；

當(dāng)|CI| max，Xmin 為不同運行方式下，可能出現(xiàn)的X的最大值和最小值。

該方法的優(yōu)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(rèn)為諧波阻抗在系統(tǒng)中均勻分布，且需要估算系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)的諧波阻抗值，在實際應(yīng)用中，這會帶來較大的誤差；

(2)當(dāng)X _min<|CI| max時，不能得出確定的結(jié)論；

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

諧波源定位結(jié)論

近年來，盡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(zé)任的區(qū)分）。雖然不斷有新的算法應(yīng)用于諧波源定位, 但這些方法在實際應(yīng)用中都存在一定的局限性, 還需進一步討論研究。今后，諧波源定位方法的發(fā)展應(yīng)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, 并用于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(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確提取有效信息；

(3)找到一種準(zhǔn)確計算諧波阻抗的方法；

(4)制定一套合理的技術(shù)指標(biāo)、建立公平有效的諧波獎懲機制，用于區(qū)分諧波責(zé)任,約束諧波污染。 2100433B

盡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(zé)任的區(qū)分。雖然不斷有新的理論和算法用于研究諧波源的定位,但是很多理論尚未得到統(tǒng)一的認(rèn)識,還需進一步討論研究。此外,用于工程實踐的諧波源辨識技術(shù)還很不成熟,存在應(yīng)用上的限制和錯誤,需要尋找新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指標(biāo)。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,并用于諧波源辨識研究;

(2)找到一個合適的技術(shù)指標(biāo)用于定位諧波源(確定諧波源的大小和方向)與諧波責(zé)任的區(qū)分,該指標(biāo)應(yīng)具備相當(dāng)?shù)募夹g(shù)性和經(jīng)濟性,且易于實現(xiàn);

(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。

隨著電力系統(tǒng)的解除管制和步入市場化運營,用戶對電能質(zhì)量的要求會越來越高。采用經(jīng)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(dǎo)用戶采取適當(dāng)?shù)耐緩娇刂谱⑷胂到y(tǒng)的諧波電流,是諧波防治的有效措施。傳統(tǒng)的諧波源識別的判據(jù)偏向于定性分析電網(wǎng)中是否存在諧波源。在多諧波源系統(tǒng)中,如何準(zhǔn)確識別諧波源并將各個諧波源所產(chǎn)生的諧波電流分離,確定其各自責(zé)任,仍然是一個值得探討的問題。

對于復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò),除一些大型的諧波源負荷能事先確定其位置,并根據(jù)其參數(shù)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(shè)備按照一定的網(wǎng)絡(luò)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。而且對于一條母線上連接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(jié)點負荷裝設(shè)相應(yīng)的監(jiān)控和測量裝置,每時每刻監(jiān)控所有供電節(jié)點的諧波干擾水平,只能通過現(xiàn)場結(jié)合公共連接點PCC和潛在諧波源節(jié)點的測量基礎(chǔ)上按照一定的判別原則來進行。

雖然目前實際應(yīng)用最廣泛的諧波源辨識方法是功率方向法,大量的電能質(zhì)量管理裝置也都是將其作為主要的判斷依據(jù)。但是,負荷注入系統(tǒng)的諧波功率不僅取決于兩側(cè)電流幅值大小,還取決于二者之間的相位關(guān)系以及配電系統(tǒng)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(tǒng)中吸收正的諧波功率。因此,向系統(tǒng)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(zhǔn)確的辨識結(jié)果。

在復(fù)雜的配電系統(tǒng)中,采用這一判據(jù)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(zhǔn)則也只能定性地識別系統(tǒng)中的諧波源,不能定量地將負荷中的諧波源和非諧波源區(qū)分,明確各自的責(zé)任。而且在工程實踐中需要對實際的畸變電流和電壓波形采樣數(shù)據(jù),不如功率方向法方便,也不便于諧波的綜合治理。因此,找到一個合適的技術(shù)指標(biāo)用于定位諧波源(確定諧波源的大小和方向)并定量確定諧波責(zé)任是十分必要和緊迫的。

（1）諧波源檢測和識別技術(shù)近年來得到了較大的發(fā)展，也取得了不少的成就。但根據(jù)以上的分析，各方法仍存在一些缺陷，如SE 方法實現(xiàn)成本較高，應(yīng)用范圍受限；諧波有功功率方法將會受到PCC 點兩側(cè)諧波源相角差的影響；諧波無功功率方法的準(zhǔn)確度不高；諧波阻抗法在測量上有一定的困難，還會受到系統(tǒng)運行方式變化的影響；ANN 的原理上尚存在較多需要解決的問題；利用GPS的方法尚無足夠的理論和實踐檢驗；基于諧波源的分析實現(xiàn)困難等。

（2）考慮其中的難點問題和尚未很好解決的問題，除了繼續(xù)針對各算法進行改進外，尚須在以下方面著重考慮：減小甚至消除元件參數(shù)分散性和背景諧波的影響；較好地處理多諧波源問題。至于具體的研究方向和內(nèi)容，則應(yīng)視乎實現(xiàn)成本、應(yīng)用領(lǐng)域和約束條件等綜合考慮。 2100433B