諧波源識(shí)別意義

正確識(shí)別綜合負(fù)荷中是否存在諧波源，并定量估計(jì)負(fù)荷中線性和非線性部分所占的比重，以作為諧波潮流計(jì)算、濾波器配置、采用經(jīng)濟(jì)手段懲罰諧波等問題的基礎(chǔ)，是諧波分析與治理領(lǐng)域中的首要問題，具有重要的意義。若不能正確識(shí)別諧波源的位置并將負(fù)荷中線性和非線性部分的諧波電流進(jìn)行區(qū)分，就不能明確諧波污染源和受害者各自的責(zé)任，也就不能有效地進(jìn)行諧波的綜合治理。 2100433B

盡管諧波源辨識(shí)問題的研究取得了不少進(jìn)展,但是還有許多問題尚待解決,尤其是實(shí)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(shí),還需進(jìn)一步討論研究。此外,用于工程實(shí)踐的諧波源辨識(shí)技術(shù)還很不成熟,存在應(yīng)用上的限制和錯(cuò)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(jìn)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(shí)研究;

(2)找到一個(gè)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(jì)性,且易于實(shí)現(xiàn);

(3)建立公平有效的諧波獎(jiǎng)懲機(jī)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(yùn)營,用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求會(huì)越來越高。采用經(jīng)濟(jì)手段對(duì)諧波源負(fù)荷進(jìn)行懲罰,對(duì)諧波的受害者進(jìn)行補(bǔ)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(shí)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(shí)別諧波源并將各個(gè)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(gè)值得探討的問題。

對(duì)于復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò),除一些大型的諧波源負(fù)荷能事先確定其位置,并根據(jù)其參數(shù)和運(yùn)行方式計(jì)算其諧波電流以外,更多的負(fù)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(fù)荷,其中可能含有諧波源,也可能含有諧波的受害者。而且對(duì)于一條母線上連接兩個(gè)或多個(gè)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(qiáng),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(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷裝設(shè)相應(yīng)的監(jiān)控和測量裝置,每時(shí)每刻監(jiān)控所有供電節(jié)點(diǎn)的諧波干擾水平,只能通過現(xiàn)場結(jié)合公共連接點(diǎn)PCC和潛在諧波源節(jié)點(diǎn)的測量基礎(chǔ)上按照一定的判別原則來進(jìn)行。

雖然目前實(shí)際應(yīng)用最廣泛的諧波源辨識(shí)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(fù)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(fù)荷中線性部分的諧波阻抗。在一定的條件下,即使綜合負(fù)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(fù)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(shí)結(jié)果。

在復(fù)雜的配電系統(tǒng)中,采用這一判據(jù)進(jìn)行諧波源的識(shí)別難免會(huì)造成遺漏和錯(cuò)誤。而其它的判斷準(zhǔn)則也只能定性地識(shí)別系統(tǒng)中的諧波源,不能定量地將負(fù)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(shí)踐中需要對(duì)實(shí)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(gè)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。

諧波源的辨識(shí)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(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)的諧波電壓和線路中的諧波電流,采用狀態(tài)估計(jì)的方法來獲得負(fù)荷注入系統(tǒng)的諧波功率。當(dāng)注入的諧波功率為正時(shí),則判定該負(fù)荷為諧波源。這就是目前實(shí)際應(yīng)用最廣泛的功率方向法。此后,很多新的算法如線性神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等被運(yùn)用于諧波狀態(tài)估計(jì),同時(shí)量測量及狀態(tài)變量的選擇也各有不同,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)用程序和裝置用于實(shí)際辨識(shí)電網(wǎng)中的諧波源。此外,瞬時(shí)功率理論也被嘗試運(yùn)用于諧波源辨識(shí)研究,通過三相系統(tǒng)中特定節(jié)點(diǎn)處濾波裝置數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)瞬時(shí)諧波有功功率,來定位電網(wǎng)中主要的諧波源。日本學(xué)者據(jù)此研制出相應(yīng)的裝置并用于試驗(yàn)研究。但是對(duì)于單相網(wǎng)絡(luò)中存在的諧波源或因單相負(fù)荷所引起的諧波畸變,它不能提供任何有用的信息。

而基于瞬時(shí)無功功率理論的辨識(shí)方法在這方面有所改善。這些研究主要集中在狀態(tài)估計(jì)方法上,旨在利用最少的測量裝置取得令人滿意的識(shí)別結(jié)果,對(duì)于諧波源識(shí)別的判據(jù)并沒有新的觀點(diǎn)。

另一類辨識(shí)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(nèi)在聯(lián)系,找出相應(yīng)的負(fù)荷參數(shù),作為判定諧波源的指標(biāo),如基于外加負(fù)荷擾動(dòng)法和基于瞬時(shí)負(fù)荷參數(shù)分割法。前者根據(jù)負(fù)荷在外加擾動(dòng)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(guān)系來判斷負(fù)荷中是否含有諧波源。如果按照這一關(guān)系而在相應(yīng)的坐標(biāo)系中繪制的點(diǎn)圖中,諧波電流和同次諧波電壓的關(guān)系可以擬合為過原點(diǎn)的一條直線,而諧波電流和基波電流無關(guān),則將負(fù)荷視為線性負(fù)荷,反之則認(rèn)為負(fù)荷中存在諧波源。后者根據(jù)計(jì)算RL參數(shù),并引入非線性瞬時(shí)指標(biāo)用于計(jì)算非線性統(tǒng)計(jì)因子NHL來進(jìn)一步判定是否為諧波源。

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

設(shè)某一供電點(diǎn)的綜合負(fù)荷由線性負(fù)荷部分和非線性負(fù)荷部分并聯(lián)而成，當(dāng)供電電壓的基波及各次諧波相量為

式中

非線性負(fù)荷部分的諧波電流是各次諧波電壓的復(fù)雜函數(shù)。其所吸收的

即諧波電流中除了含有取決于同次諧波電壓的分量以外，還含有取決于基波和其它各次諧波電壓以及與電壓無關(guān)的分量。

將上式右端2向量分別用

則綜合負(fù)荷所吸收的總諧波電流為:

上式便是綜合負(fù)荷諧波電流的簡化模型。

顯然，當(dāng)綜合負(fù)荷全部為線性負(fù)荷時(shí)，上式中

諧波產(chǎn)生的根本原因是系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性,即所加電壓與產(chǎn)生的電流不呈線性關(guān)系而造成波形畸變。理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該具有單一而固定的頻率和規(guī)定的電壓幅值,但當(dāng)系統(tǒng)的正弦波形電壓加在非線性負(fù)載上時(shí),產(chǎn)生的電流為非正弦波形,波形的畸變即產(chǎn)生了諧波電流,諧波電流又影響端電壓,使電壓波形發(fā)生畸變從而產(chǎn)生諧波電壓。這些向電網(wǎng)中注入諧波電流和產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備即為諧波源。

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

隨著電力市場的逐步完善,電能質(zhì)量問題越來越受到重視。用戶對(duì)供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了更高的要求。電力部門不但要解決電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的投訴,提高電能質(zhì)量滿足用戶的需要,還要加強(qiáng)電能質(zhì)量監(jiān)督管理,發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問題要深入研究,找到電能質(zhì)量擾動(dòng)的擾動(dòng)源,即判定擾動(dòng)方向,明確責(zé)任,對(duì)擾動(dòng)源負(fù)荷進(jìn)行懲罰。電力網(wǎng)諧波污染一直是電能質(zhì)量的一個(gè)主要問題。

為了有效地治理諧波,必須弄清電網(wǎng)中的諧波源分布和諧波狀態(tài)。正確地定位諧波源,并定量估計(jì)綜合負(fù)荷中線性和非線性部分所占比重,是諧波潮流計(jì)算、濾波器配置以及諧波獎(jiǎng)懲管理等問題的基礎(chǔ),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(zhǔn)確地分析諧波在電網(wǎng)中的分布和擴(kuò)散,并設(shè)計(jì)安裝相應(yīng)的濾波裝置來治理諧波,從而降低諧波污染。而在公共聯(lián)接點(diǎn)(PCC),諧波往往是多個(gè)諧波源共同作用的結(jié)果。如果不能正確的判定各諧波源的位置并區(qū)分各自的諧波責(zé)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(jiǎng)懲機(jī)制來進(jìn)行諧波的綜合治理。

（1）諧波源檢測和識(shí)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(shí)現(xiàn)成本較高，應(yīng)用范圍受限；諧波有功功率方法將會(huì)受到PCC 點(diǎn)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(huì)受到系統(tǒng)運(yùn)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(shí)踐檢驗(yàn)；基于諧波源的分析實(shí)現(xiàn)困難等。

（2）考慮其中的難點(diǎn)問題和尚未很好解決的問題，除了繼續(xù)針對(duì)各算法進(jìn)行改進(jìn)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(shí)現(xiàn)成本、應(yīng)用領(lǐng)域和約束條件等綜合考慮。 2100433B

1、結(jié)合SE 技術(shù)的諧波源檢測與識(shí)別方法

引入基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法(artificial neuralnetwork，ANN)目的是優(yōu)化SE 等傳統(tǒng)諧波源檢測與識(shí)別方法，提高其性能。

由于諧波源的時(shí)變性，及其難以直接測量的特點(diǎn)，SE方法往往難以獲取足夠的預(yù)估值進(jìn)行計(jì)算。而ANN 的自適應(yīng)、自組織和模式識(shí)別能力可自動(dòng)根據(jù)輸入、輸出值來識(shí)別其間的非線性關(guān)系——而這往往是難以定義或解釋的，從而獲取諧波源參數(shù)的初始值，并大大減少SE 方法所需要的檢測設(shè)備的數(shù)量。Hartana 等人嘗試將ANN 與SE 技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行諧波源的識(shí)別，一來減少檢測設(shè)備，二來提高識(shí)別性能，三來優(yōu)化負(fù)荷的功率因數(shù)[25-29]。在這種方法中，首先用ANN 獲取復(fù)雜系統(tǒng)的諧波源預(yù)估值，然后用狀態(tài)估計(jì)器計(jì)算來得到更接近真實(shí)值的結(jié)果。類似的，Pecharanin等人則將ANN 用于諧波源檢測中。

但 ANN 自身的缺陷使其在諧波領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)受到諸多的限制。如ANN 模型的建立需要預(yù)先提供大量的訓(xùn)練，包括全部諧波源電流可能的數(shù)值，這較難達(dá)到。同時(shí)，ANN 理論缺乏對(duì)變結(jié)構(gòu)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的修正算法，而系統(tǒng)線路拓?fù)涞淖兓瘯?huì)影響ANN的聯(lián)接權(quán)矩陣，因此訓(xùn)練好的ANN 缺乏對(duì)電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力。另外，多層ANN 網(wǎng)絡(luò)的在尋求全局最優(yōu)時(shí)的時(shí)延，及構(gòu)建合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化)等問題約束了ANN 在處理諧波源問題中的實(shí)用性。

2、基于級(jí)聯(lián)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的諧波源檢測方法

針對(duì)ANN 的缺陷，基于級(jí)聯(lián)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)(cascade correlation network，CCN)的新方法，其工作著眼點(diǎn)仍在于盡量減少諧波檢測設(shè)備，及檢測地點(diǎn)的優(yōu)化配置上。與傳統(tǒng)的ANN 不同，在CNN 網(wǎng)絡(luò)中，訓(xùn)練過程和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增減是獨(dú)立的，從而使CNN 的結(jié)構(gòu)得到有效控制，即能靈活的根據(jù)需要改變結(jié)構(gòu)，并迅速形成接近最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)ANN 的缺陷。CNN 的引入使該方法能在少量檢測設(shè)備和給定檢測點(diǎn)的條件下有效工作。

結(jié)合GPS 的方法，GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來了一些新思路。

自適應(yīng)的Hopefield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來計(jì)算，并估計(jì)諧波電流分量的幅值和相角，但硬件上通過采用GPS 技術(shù)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到實(shí)時(shí)識(shí)別諧波源的目的。還有一種新的辦法：由于有功功率、無功功率方法的表達(dá)式，的分母都與諧波阻抗有關(guān)，綜合利用這兩個(gè)測量值，應(yīng)當(dāng)可以消除諧波阻抗的影響。而在用GPS技術(shù)保證PCC 點(diǎn)兩側(cè)同步測量的情況下，可獲取兩側(cè)等值諧波電壓源的相角差。該方法解決上述方法受諧波阻抗的影響，以及準(zhǔn)確度不足等問題。利用GPS 同步測量技術(shù)進(jìn)行諧波源定位的方法有較大的發(fā)展前景。