諧波責(zé)任劃分方法諧波責(zé)任劃分目的

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，用電負(fù)荷日趨復(fù)雜化和多樣化。大量具有非線性特征的負(fù)荷會(huì)給電力系統(tǒng)注入過多的高次諧波，對電力系統(tǒng)包括用戶的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生危害和影響。諧波含量的增加，會(huì)使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，發(fā)生絕緣老化，使用壽命縮短，甚至故障或燒毀；同時(shí)，可能引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂；對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。電力系統(tǒng)的發(fā)展，各種傳統(tǒng)非線性負(fù)載及光伏、風(fēng)電等新能源大量接入電網(wǎng)，電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴(yán)重。為了避免電能質(zhì)量糾紛和有效控制電網(wǎng)中的諧波，國際上提出了一種“獎(jiǎng)懲性方案”即系統(tǒng)與用戶在額定的范圍內(nèi)正常交易，如果系統(tǒng)不能保證供電質(zhì)量，用戶應(yīng)當(dāng)?shù)玫劫r償；如果用戶產(chǎn)生的諧波污染超出允許值，則系統(tǒng)在保證向用戶正常供電的前提下要收取額外的懲罰費(fèi)用；用戶吸收了系統(tǒng)中額外的諧波功率，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)給予用戶一定的補(bǔ)償和鼓勵(lì)。該方案實(shí)施的前提是在公共連接點(diǎn)對系統(tǒng)以及用戶的諧波發(fā)射水平進(jìn)行合理的評估。該方案有效實(shí)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(zé)任。

國家標(biāo)準(zhǔn)對公用電網(wǎng)諧波的允許閾值作出了具體規(guī)定，但并不能科學(xué)地解決供用電雙方在制定經(jīng)濟(jì)性評估標(biāo)準(zhǔn)上的爭論。為了對諧波污染進(jìn)行有效、合理的經(jīng)濟(jì)性評估，需要在公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）對系統(tǒng)及用戶承擔(dān)的諧波責(zé)任進(jìn)行定量劃分。

非線性元件在工頻電壓下，除了會(huì)產(chǎn)生工頻電流外，還會(huì)產(chǎn)生工頻整倍次數(shù)的電流，即諧波污染，如圖1所示。圖1（a）為一個(gè)簡單的配電網(wǎng)示意，Z1為線性負(fù)荷，Z2為非線性負(fù)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，工頻電壓加在線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷所產(chǎn)生電流的不同。由此可見，非線性負(fù)荷是產(chǎn)生諧波的主要原因。

諧波責(zé)任劃分的關(guān)鍵是準(zhǔn)確估算諧波阻抗。諧波阻抗估計(jì)方法主要包括“干預(yù)式”法和“非干預(yù)式”法：“干預(yù)式”法需要向電網(wǎng)中注入諧波電流或改變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來確定諧波阻抗，這類方法會(huì)對電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成不良的影響；“非干預(yù)式”法則是利用PCC的諧波測量數(shù)據(jù)來估算諧波阻抗和背景諧波，該類方法對系統(tǒng)的運(yùn)行不構(gòu)成影響，成為諧波責(zé)任劃分研究的一個(gè)主要方向。

“非干預(yù)式”法主要包括線性回歸法和波動(dòng)量法。線性回歸法通過求解回歸方程的系數(shù)來確定系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗，包括二元線性回歸法、穩(wěn)健回歸法、偏最小二乘回歸法、復(fù)線性最小二乘法等。應(yīng)用線性回歸法準(zhǔn)確評估諧波責(zé)任的前提是背景諧波基本穩(wěn)定，若背景諧波波動(dòng)較大會(huì)導(dǎo)致回歸計(jì)算的諧波阻抗存在較大誤差，進(jìn)而造成評估的諧波責(zé)任不準(zhǔn)確。波動(dòng)量法利用PCC的諧波電壓與電流波動(dòng)量的比值來估算系統(tǒng)諧波阻抗。波動(dòng)量法由于系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)的諧波波動(dòng)同時(shí)存在而引入了估計(jì)誤差。上述研究方法針對的是諧波向量數(shù)據(jù)，而變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)很少直接測量諧波電壓或電流的相角數(shù)據(jù)，僅僅給出其幅值數(shù)據(jù)。

諧波責(zé)任劃分方法二元線性回歸法

諧波責(zé)任劃分方法穩(wěn)健回歸法

基于穩(wěn)健回歸的系統(tǒng)諧波阻抗及用戶諧波發(fā)射水平的估計(jì)方法：利用在公共連接點(diǎn)同步測量得到的諧波電壓和諧波電流信號，通過復(fù)加權(quán)最小二乘迭代算法求解回歸系數(shù)；利用Huber 函數(shù)作為影響函數(shù)進(jìn)行加權(quán)迭代計(jì)算，權(quán)重為上次迭代的殘差函數(shù)，以此減少奇異值對回歸系數(shù)的影響；由回歸系數(shù)映射出系統(tǒng)諧波阻抗，并跟蹤計(jì)算用戶的諧波發(fā)射水平。

在現(xiàn)行的線性回歸分析中，普遍采用最小二乘法求解回歸系數(shù)。該方法由于計(jì)算簡單實(shí)用，又能在正態(tài)假定下應(yīng)用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)理論，因此得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于最小二乘法是以計(jì)算殘差平方和達(dá)到最小來求解回歸系數(shù)的，這會(huì)使奇異值(與其它數(shù)據(jù)不具有相同的樣本統(tǒng)計(jì)特性)的作用增加，統(tǒng)計(jì)誤差增大，從而使得回歸方程缺乏穩(wěn)健性(Robust)。因此，穩(wěn)健回歸法通過反復(fù)加權(quán)進(jìn)行最小二乘迭代，排除異常數(shù)據(jù)的干擾，具有較好的穩(wěn)健性。

諧波責(zé)任劃分方法偏最小二乘回歸法

二元回歸法缺少對系統(tǒng)的奇異值進(jìn)行處理，同時(shí)對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的一致性要求較高；穩(wěn)健回歸法雖然通過加權(quán)處理，有效去除一些奇異值，但是在統(tǒng)計(jì)特性上缺少對變量的相關(guān)性進(jìn)行分析，在數(shù)據(jù)處理上仍然會(huì)帶來一些誤差。偏最小二乘回歸方法也在該領(lǐng)域中得到應(yīng)用。該方法能夠在自變量存在嚴(yán)重的相關(guān)性的條件下進(jìn)行回歸建模，并具有每一個(gè)自變量的回歸系數(shù)將更容易解釋等特點(diǎn)。

諧波責(zé)任劃分方法復(fù)線性最小二乘法

基于復(fù)線性最小二乘原理的等效諧波阻抗和背景諧波電壓計(jì)算方法，可定量劃分諧波源對關(guān)注母線諧波責(zé)任。不同于傳統(tǒng)的將復(fù)數(shù)實(shí)部和虛部分開計(jì)算方法，復(fù)線性最小二乘法通過直接在復(fù)數(shù)域內(nèi)求解誤差模的平方和最小值，得到了真實(shí)的最小二乘解。在此基礎(chǔ)上，利用基于內(nèi)積理論推導(dǎo)諧波責(zé)任定量劃分的計(jì)算公式，量化了諧波源對關(guān)注母線的諧波責(zé)任。

諧波責(zé)任劃分方法波動(dòng)量法

二元線性和穩(wěn)健性種回歸方法在回歸方程的推導(dǎo)上均存在以下問題：①忽略了諧波阻抗的實(shí)部，這將導(dǎo)致諧波阻抗的估計(jì)值產(chǎn)生較大誤差；②以諧波電流為參考相量對回歸方程進(jìn)行實(shí)部、虛部劃分，要求諧波電壓、電流的相角量測非常準(zhǔn)確，否則將導(dǎo)致諧波阻抗估計(jì)值精度的下降；③假設(shè)電力系統(tǒng)中諧波擾動(dòng)為隨機(jī)白噪聲，且擾動(dòng)程度較小，而未深入研究在其他擾動(dòng)類型下不同程度的波動(dòng)對估計(jì)值精度的影響，具有一定的工程實(shí)用局限性。

波動(dòng)量法通過分析公共連接點(diǎn)（PCC）處電壓和電流的波動(dòng)量，利用兩者比值估計(jì)諧波阻抗。該方法原理簡單，估計(jì)誤差小，適用范圍廣，在提高設(shè)備測量精度的前提下，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。

采用波動(dòng)量法準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗需滿足一定條件，即系統(tǒng)側(cè)電流波動(dòng)必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)荷側(cè)電流波動(dòng)。然而，某些工況雖滿足該條件，估計(jì)值卻仍無法達(dá)到工程精度要求。

諧波責(zé)任劃分方法基于波形匹配的諧波責(zé)任劃分方法

基于波形匹配的諧波責(zé)任劃分方法基于諧波等值電路，通過分析PCC的諧波電壓幅值與諧波電流幅值的關(guān)系建立起二者的線性方程，提出了一種基于波形匹配的諧波責(zé)任劃分方法。通過動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離與窗口滑動(dòng)檢測出關(guān)注時(shí)間內(nèi)諧波電壓與電流相似度較高的波形，篩選出背景諧波穩(wěn)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(tǒng)側(cè)等效諧波阻抗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)諧波責(zé)任劃分。仿真分析與實(shí)際工程應(yīng)用分析驗(yàn)證了該方法與已有方法相比，在估算系統(tǒng)側(cè)等效諧波阻抗方面具有較高的準(zhǔn)確性，易于工程應(yīng)用。

諧波責(zé)任劃分方法考慮背景諧波波動(dòng)的諧波責(zé)任劃分方法

充分考慮背景諧波波動(dòng)對諧波責(zé)任劃分的影響，提出用主導(dǎo)波動(dòng)量法和分位數(shù)回歸法相結(jié)合的方法來進(jìn)行諧波責(zé)任劃分。采用主導(dǎo)波動(dòng)量法篩選用戶主導(dǎo)的波動(dòng)量樣本準(zhǔn)確地估計(jì)背景諧波阻抗，消除背景諧波波動(dòng)帶來的影響。然后將諧波責(zé)任劃分問題轉(zhuǎn)化為回歸方程截距的求取問題，在此基礎(chǔ)上，采用分位數(shù)回歸法實(shí)現(xiàn)了背景諧波波動(dòng)情況下諧波責(zé)任的準(zhǔn)確劃分。所提方法穩(wěn)健性強(qiáng)，并充分利用了背景諧波電流的波動(dòng)規(guī)律。在IEEE 13 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了所提方法在背景諧波波動(dòng)的工況下具有準(zhǔn)確性高和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

諧波責(zé)任劃分方法不同電能質(zhì)量等級下的諧波責(zé)任劃分方法

不同電能質(zhì)量等級下的諧波責(zé)任劃分方法提出一種考慮不同電能質(zhì)量等級下的諧波責(zé)任劃分方法。首先，計(jì)算公共連接點(diǎn)的電壓總諧波畸變率，對PCC點(diǎn)進(jìn)行電能質(zhì)量等級劃分；其次，根據(jù)劃分的電能質(zhì)量等級對諧波電壓、諧波電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，利用偏最小二乘法計(jì)算每段諧波責(zé)任；最后，求加權(quán)求和得到關(guān)注時(shí)間段的諧波責(zé)任。為驗(yàn)證方法的有效性，在IEEE13節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)上做了仿真分析。結(jié)果表明，該方法綜合考慮到電能質(zhì)量的影響，較傳統(tǒng)方法更為合理。 2100433B

音頻信號源通過功率放大器時(shí)，由于非線性元件所引起的輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的，用新增加總諧波成份的均方根與原來信號有效值的百分比來表示。例如，一個(gè)放大器在輸出10V的1000Hz時(shí)又加上 Lv的2000Hz，這時(shí)就有10%的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。但總諧波失真與頻率有關(guān)，因此美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)于1974年規(guī)定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻范圍內(nèi)測出，而且放大器的最大功率必須在負(fù)載為8歐揚(yáng)聲器、總諧波失真小于1%條件下測定。國際電工委員會(huì)規(guī)定的總諧波失真的最低要求為：前級放大器為0.5%，合并放大器小于等于0.7%，但實(shí)際上都可做到0.1%以下：FM立體聲調(diào)諧器小于等于1.5%，實(shí)際上可做到0.5%以下；激光唱機(jī)更可做到0.01%以下 。

“噪聲”描述的是由放大器產(chǎn)生的隨機(jī)電信號。諧波是頻率為輸入信號頻率整數(shù)倍的信號?？傊C波失真和噪聲技術(shù)規(guī)格通過比較失真諧波的電平?(V<**>i)?和RMS噪聲電壓?(V<**>n)?與輸入信號的電平?(Vf)?來量化這些因素 。

（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

（3）諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

（4）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確。

（5）諧波會(huì)對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致住處丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。