多谐波源条件下的谐波污染责任划分研究

第31卷第13期中国电机工程学报Vol.31No.13May5,2011482011年5月5日ProceedingsoftheCSEE©2011Chin.Soc.forElec.Eng.基金项目：国家自然科学基金项目(51077095)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51077095).文章编号：0258-8013(2011)13-0048-07中图分类号：TM73文献标志码：A学科分类号：470⋅40多谐波源条件下的谐波污染责任划分研究惠锦1，杨洪耕1，叶茂清2(1．四川大学电气信息学院，四川省成都市610065；2．四川省电力试验研究院，四川省成都市610072)ResearchontheResponsibilityPartitionofHarmonicPollutionofMultipleHarmonicSourcesHUIJin1,YANGHonggeng1,YEMaoqing2(1.SchoolofElectricalEngineering&Information,SichuanUniversity,Chengdu610065,SichuanProvince,China;2.SichuanElectricPowerResearchInstitution,Chengdu610072,SichuanProvince,China)ABSTRACT:Harmonicvoltagesateachbusofapowergridarethecombinationsofvoltagecontributionsofeachharmonicsourcelocatedinthesamegrid.Distinguishingthecontributionsofeachmainharmonicsourcetotheharmonicvoltagesofparticularbusesisverysignificantforresponsibilitypartitionofharmonicpollution.Thispaperfirstanalyzesandpointsoutthatthecriticalprocessinharmoniccontributiondistinguishingistocalculatetheharmonicmutual/selfimpedancebetweenharmonicsourcebusesandtheconcernedbusesaccurately.Thenanovel“non-invasive”methodforharmoniccontributiondistinguishingisputforward.Withthefastcomponentsofharmoniccurrentinjectedbyharmonicsourcesasthetool,thismethodextractsthemutual/selfimpedancebetweenthemainharmonicsourcebusesandtheconcernedbusesaccordingtothestatisticalpropertyofindependentrandomvectors;finally,harmonicvectorcontributionsandscalarcontributionsofeachharmonicsourcetoallconcernedbusescanbeobtainedaccordingtothecalculatedmutual/selfimpedance.AcasestudybasedontheIEEE14-bustestsystemwasconducted,itshowsthattheproposedapproachiseffectivetodistinguishtheharmoniccontributionsduetoallmainharmonicsourcestotheconcernedbuses,andcanlargelyeliminatesthenegativeeffectcausedbytheharmonicfluctuationofotherharmonicsourcesincontributiondistinguishing;moreover,italsoprovidesanewbasisforresponsibilitypartitionofharmonicpollution.KEYWORDS:powerquality;pointofcommoncoupling(PCC);harmonicemissionlevel;harmoniccontribution;harmonicimpedance;non-invasive摘要：电网中各母线的谐波电压是所有谐波源共同作用的效果，因此准确区分各主要谐波源在特定母线上的谐波贡献对划分谐波污染责任有着重要意义。首先分析并指出区分各谐波源谐波贡献的关键在于准确计算谐波源节点与所关注母线间的谐波互/自阻抗，在此基础上提出一种“非干预式”的谐波贡献划分方法。该方法以各谐波源注入谐波电流中的快速变化分量为工具，根据独立随机矢量的统计特性，抽取出各谐波源节点与关注母线间的谐波互/自阻抗，昀后根据计算所得阻抗值分别计算出各谐波源对关注母线的矢量贡献和标量贡献。对IEEE14节点的系统进行仿真，结果表明该方法可很好地区分各谐波源在特定母线上的谐波贡献，大大抑制了其他谐波源的波动对谐波贡献划分的不利影响，同时也为谐波污染的责任划分提供了新的依据。关键词：电能质量；公共连接点；谐波发射水平；谐波贡献；谐波阻抗；非干预式0引言谐波源量化与定位一直是电能质量研究领域的重点和难点问题[1-9]。随着工业的发展，大量非线性负荷接入电网，并向电网注入谐波电流，谐波电流流经系统阻抗，在各母线上形成谐波电压，从而影响电网中敏感负荷及设备的正常工作。采取有效的激励措施来抑制电网中的谐波水平是现代智能电网所要求的，如：对引起谐波事故的责任谐波源要进行相应惩罚，对那些对电网谐波水平起抑制作用的用户要进行相应奖励等。而所有这些“奖惩机制”实现的前提是要准确合理地划分各谐波源的谐波污染责任。目前，国内外在谐波污染责任划分上的研究体现的都只是系统和用户双方的共同责任[10-18]，所做的工作是如何明确划分公共连接点(pointof第13期惠锦等：多谐波源条件下的谐波污染责任划分研究49commoncoupling，PCC)处两侧(系统侧和用户侧)各自对PCC点谐波污染的责任，划分的主要依据是用户与系统双方注入的谐波电流各自在PCC点所引起的谐波电压降。但是大量事实证明，非线性负荷往往不是孤立存在于电网的；因此各母线电压的畸变不是由单一非线性负荷引起的，而是电网中所有非线性负荷共同作用的效果[8]。对于某一PCC点而言，系统侧注入的等值谐波电流也是背景侧多个谐波源共同作用的效果。因此，对于某一敏感母线或者关注母线m而言，区分及量化每一主要谐波源对其电压畸变应负的责任十分必要。划分的依据就是各谐波源对该母线谐波电压的贡献量，即每个谐波源单独出现在该电网时在母线m上引起的谐波电压大小或者其所占总的谐波电压的比重。准确量化各谐波源的谐波贡献十分困难，原因主要有2点：1）所有母线的谐波电压是多个谐波源共同作用的效果，不可能通过随意开启或关闭某非线性负荷来实现责任的量化区分；2）体现谐波源与母线谐波电压因果关系的参数为各节点的谐波自阻抗或节点间的谐波互阻抗，而实际中这些参数的准确获取十分困难。虽然通过“强加”的谐波扰动可以较准确地计算出相应的谐波阻抗，但是这样的操作不但投资巨大，且会对系统产生不利影响。因此研究如何通过“非干预式”的方法来量化各谐波源的谐波贡献有着重要意义[14-18]。本文首先从典型的谐波网络模型出发，指出量化各谐波源谐波贡献的关键在于准确计算关注节点与各谐波源节点间的谐波互阻抗/自阻抗。然后以谐波源谐波发射的不确定性及其统计特性出发，提出一种“非干预式”的谐波责任量化方法。该方法首先分离出各谐波测量值中的快速变化分量和缓慢变化分量，以某一谐波源谐波电流的快速变化分量为工具抽取出该谐波源节点与关注母线m之间的谐波互阻抗，从而计算出该谐波源单独存在时，在母线m上形成的谐波电压。此方法仅通过测量各谐波源的谐波电流和关注母线的谐波电压，就可以计算得出各谐波源对关注母线谐波电压的贡献。实施手段简单方便、操作安全。通过对IEEE14节点测试系统的仿真分析，表明该方法能够较为准确地提取和量化各谐波源对所有关注母线的谐波贡献，指出哪些谐波源对母线m的谐波电压起抑制作用，哪些起助增作用。计算结果准确、有效。1数学模型及谐波贡献图1所示的电网包含多个谐波源，其对应的某次谐波网络节点方程为hhh=IYU(1)式中：h为谐波次数；hI为谐波电流注入向量；hU为节点谐波电压向量；hY为对应谐波频率的节点导纳矩阵。谐波源谐波源线性负荷输电/配电网线性负荷谐波源母线m图1电网示意图Fig.1Schemeoftheconcernedpowergrid式(1)可以具体表示为12hhNhIII⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦#1111211212222212hLhhNhhhhLhNhhNhNhNNhLNhNhYYY...YUYYY...YUYY...YYU+⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎣⎦⎣⎦##(2)式中：N为网络节点数；mjhY(m,j=1,2,…,N)为节点m与j之间的互导纳；LjhY体现的是与节点m相连的线性负荷和输电线分布电容的等值导纳。对于各节点所带的线性负荷，本文采用文献[19]所述的2号等值模型。为了体现各谐波源对各母线谐波电压影响，式(1)还可以写成如下阻抗矩阵的形式：hhh=UZI(3)式中hZ为h次谐波对应的阻抗矩阵。为了简化符号，以下将省略所有变量的下标h。式(3)的第m行，即对应关注母线m，其h次谐波电压为系统中所有谐波源的贡献和：11NNmmjjmjjjUZIU====∑∑(4)式中Zmj为节点m与j(m,j=1,2,…,N)之间的谐波互阻抗(m≠j时)或自阻抗(m=j时)。式(4)中各谐波源的贡献Umj是一个矢量，本文称其为“矢量贡献”。为了区分哪些谐波源对母线m的h次谐波电压起助增50中国电机工程学报第31卷作用，哪些起抑制作用，本文以mU的相角作为参考相角，计算各谐波源矢量贡献在mU上的投影，把该投影作为责任划分的另外一个依据，称为“标量贡献”。此时，母线m的h次谐波电压模值即等于各谐波源标量贡献之和：-11NNmmjmjBjjUUU====∑∑(5)式中-cos()mjBmjmjmUUϕϕ=−，mjϕ和mϕ分别为mjU和mU的相位角。图2为3个谐波源对母线m某次谐波的贡献示意图。从中可看出，谐波源1的标量贡献为负，表明它对母线m的h次谐波电压起抑制作用；谐波源2和3的标量贡献为正，表明它们对母线m的该次谐波电压起助增作用。要区分各谐波源在母线m上的谐波贡献，关键在于准确计算各谐波源节点与关注母线m间的谐波互阻抗/自阻抗。(a)谐波源对母线m谐波电压的影响矢量Um1-BUm1Um2UmUm3-BUm2-BUm30(b)图(a)中标量贡献对应的时域波形图t0UmUm3-BUm2-BUm1-B图2谐波矢量贡献和标量贡献示意图Fig.2Schemeofthevectorcontributionsandscalarcontributions2谐波源谐波贡献分离法电力负荷的负荷曲线一般包含缓慢变化分量和快速变化分量[5,20]这2个分量。缓慢变化分量体现的是由于天气、气温和一天中不同时段(白天和黑夜)等因素所引起的相对漫长的负荷变化(按小时变化)；这些因素使得大多数负荷在一天或者一周内有着较一致的变化趋势，因此各负荷缓慢分量之间存在着较强的相关性。对于各负荷的快速变化分量而言，由于其体现的是某