谐波源辨识研究的现状和发展

张　哲,陈红坤

(武汉大学电气工程学院,武汉430072)

摘要:针对电网中正确的辨识和定位谐波源,并确定公共联接点处系统侧与用户侧的谐波责任这一电能质量研究的基础问题,介绍了谐波源的性质及其建模,叙述了谐波源辨识问题的研究现状,讨论了各种识别谐波源以及定量确定谐波责任的理论和技术方法,分析了其发展方向,提出建立一种激励机制下的谐波管理标准来治理谐波污染的必要性,并指出了该方面有待解决的问题。

关键词:谐波;谐波源模型;谐波源辨识;谐波责任

中图分类号:T M71　　文献标识码:A　　文章编号:1003-30(2005)05-0037-05

Status and Development of Harmonic Source Identification

ZHA NG Zhe,CHEN Hong-kun

(Schoo l of Electr ical Engineering,Wuhan University,Wuhan430072,China)

Abstract:It is an impo rtant pr oblem in po wer qualit y studies to detect har monic sour ce cor rectly in elect ric pow er net wo rks and det ermine har monic co ntribution of custo mer and utility a t t he point of comm on co upling (PCC).T he cha racter and model o f har monic source are intr oduced,v ar ious techniques and metho ds to ident i-fy har mo nic so urce and quantify harmo nic contr ibutio n of customer and supply utility at P CC are discussed. T he necessity t o pro po se an incentiv e-based scheme fo r limit ing the harm onic po llutio n is also presented.It is fo und that ther e are still many unso lved pr oblems in this field.

Key words:harm onic;har monic so ur ce model;harmo nic source identificat ion;harmo nic co ntributions

1　前言

　　随着电力市场的逐步完善,电能质量问题越来越受到重视。用户对供电系统的供电质量提出了更高的要求。电力部门不但要解决电力用户对电能质量的投诉,提高电能质量满足用户的需要,还要加强电能质量监督管理,发现电能质量问题要深入研究,找到电能质量扰动的扰动源,即判定扰动方向,明确责任,对扰动源负荷进行惩罚。电力网谐波污染一直是电能质量的一个主要问题。

为了有效地治理谐波,必须弄清电网中的谐波源分布和谐波状态。正确地定位谐波源,并定量估计综合负荷中线性和非线性部分所占比重,是谐波潮流计算、滤波器配置以及谐波奖惩管理等问题的基础,是谐波分析和治理的首要问题,具有重要的意义。

只有在已知谐波电流注入的情况下,才能准确地分析谐波在电网中的分布和扩散,并设计安装相应的滤波装置来治理谐波,从而降低谐波污染。而在公共联接点(PCC),谐波往往是多个谐波源共同作用的结果。如果不能正确的判定各谐波源的位置并区分各自的谐波责任,就不能明确谐波的污染源和受害者,也就不能建立公平有效的谐波奖惩机制来进行谐波的综合治理。

本文介绍谐波源的性质及其建模,分析传统的谐波源辨识方法及其所存在的问题,指出当前电力网谐波源辨识所面临的问题和难点、现状与发展。

2　谐波源基本性质及其建模

谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性,即所加电压与产生的电流不呈线性关系而造成波形畸变。理想的公用电网所提供的电压应该具有单一而固定的频率和规定的电压幅值,但当系统的正弦波形电压加在非线性负载上

第17卷第5期

2005年10月　　　　　　　　　　　　电力系统及其自动化学报

Pr oceedings of the CSU-EPSA　　　　　　　　　　　

Vo l.17N o.5

O ct.　2005

收稿日期:2004-11-30;修回日期:2005-04-11

时,产生的电流为非正弦波形,波形的畸变即产生了谐波电流,谐波电流又影响端电压,使电压波形发生畸变从而产生谐波电压。这些向电网中注入谐波电流和产生谐波电压的电气设备即为谐波源[1]

。

电网中的谐波源大体分为两种类型:一类为含有半导体元件的各种电力电子设备,如各种整流、逆变装置和晶闸管可控开关设备等,它们按一定的规律开闭不同电路,将谐波电流注入电网;另一类为含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源,如荧光灯、电弧炉和各种铁心设备包括变压器、电抗器等。家用电器设备分属于上述两类谐波源,虽然其容量小,但数量巨大,因此也是不可忽视的谐波源。此外,对于电力系统三相供电来说,三相不平衡负荷也是典型的谐波源,使电力系统的电流和电压波形产生畸变。

对于各种非线性负荷的谐波建模,IEEE 谐波工作组报告指出,谐波源的特性可以表述为I h =F h (V

1,V

2,V

3,…,C ),h =1,2,…,N ,并且推荐了各种非线性负荷的谐波源模型用于谐波分析[2]。在电压波形畸变严重或电压不平衡的情况下,则需要更详细的谐波负荷模型[3]

。这些模型虽然比较精确,但是在建模过程中需要各种负荷的详细参数。在实际情况下,由于负荷种类繁多,很难精确获得各种所需参数,而这些模型的运算又比较复杂,因此在研究中常采用简化模型,包括:

(1)恒流源模型[4];

(2)Norton 等效电路模型[5];

(3)基于交叉频率导纳矩阵的简化模型[6];(4)基于电压基波零相角特性的谐波源简化模型[7]。

这些简化模型各具特点,同时在实际的研究应用中也存在不同的。此外,不断地有新的理论和方法如瞬时功率理论、统一参数辨识方法等[8,9]运用到负荷的谐波建模中。广义谐波理论下的负荷建模也被尝试应用于负载线性程度的研究

[10]

。

3　传统谐波源辨识方法

谐波源的辨识问题最初是作为谐波潮流的逆

问题由G.T.Hey dt 提出[11]的。通过测量系统中部分节点的谐波电压和线路中的谐波电流,采用状态估计的方法来获得负荷注入系统的谐波功率。当注入的谐波功率为正时,则判定该负荷为谐波源。这就是目前实际应用最广泛的功率方向法。此后,很多新的算法如线性神经元网络等被运用于谐波状

态估计[12],同时量测量及状态变量的选择也各有不同,并在此基础上开发了相应的实用程序和装置用于实际辨识电网中的谐波源[13]。此外,瞬时功率理论也被尝试运用于谐波源辨识研究,通过三相系

统中特定节点处滤波装置数据得到系统瞬时谐波有功功率,来定位电网中主要的谐波源。日本学者据此研制出相应的装置并用于试验研究

[14]

。但是

对于单相网络中存在的谐波源或因单相负荷所引起的谐波畸变,它不能提供任何有用的信息。而基于瞬时无功功率理论的辨识方法在这方面有所改善[15]。这些研究主要集中在状态估计方法上,旨在利用最少的测量装置取得令人满意的识别结果,对于谐波源识别的判据并没有新的观点。

另一类辨识谐波源的方法是通过研究畸变的电压波形和电流波形之间的内在联系,找出相应的负荷参数,作为判定谐波源的指标,如基于外加负荷扰动法和基于瞬时负荷参数分割法。前者根据负荷在外加扰动的情况下,其谐波电流、基波电流和谐波电压三者幅值之间的相互关系来判断负荷中是否含有谐波源[16]。如果按照这一关系而在相应的坐标系中绘制的点图中,谐波电流和同次谐波电压的关系可以拟合为过原点的一条直线,而谐波电流和基波电流无关,则将负荷视为线性负荷,反之则认为负荷中存在谐波源。后者根据计算R L 参数,并引入非线性瞬时指标用于计算非线性统计因子N H L 来进一步判定是否为谐波源

[17]

。

4　谐波源辨识的难点

随着电力系统的解除管制和步入市场化运营,用户对电能质量的要求会越来越高。采用经济手段对谐波源负荷进行惩罚,对谐波的受害者进行补偿,引导用户采取适当的途径控制注入系统的谐波电流,是谐波防治的有效措施。传统的谐波源识别的判据偏向于定性分析电网中是否存在谐波源。在多谐波源系统中,如何准确识别谐波源并将各个谐波源所产生的谐波电流分离,确定其各自责任,仍然是一个值得探讨的问题。

对于复杂的配电网络,除一些大型的谐波源负荷能事先确定其位置,并根据其参数和运行方式计算其谐波电流以外,更多的负荷往往是由不同类型和容量的用电设备按照一定的网络接线组合而成的综合负荷,其中可能含有谐波源,也可能含有谐波的受害者。而且对于一条母线上连接两个或多个谐波源的情况,各谐波源之间存在着互相干扰的问

・

38・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　2005年第5期

虽然目前实际应用最广泛的谐波源辨识方法是功率方向法,大量的电能质量管理装置也都是将其作为主要的判断依据。但是,负荷注入系统的谐波功率不仅取决于两侧电流幅值大小,还取决于二者之间的相位关系以及配电系统和综合负荷中线性部分的谐波阻抗。在一定的条件下,即使综合负荷中存在谐波源,也有可能从系统中吸收正的谐波功率。因此,向系统注入正的谐波功率只是负荷中存在谐波源的充分条件而非必要条件,仅在单谐波源条件下能够得到准确的辨识结果。在复杂的配电系统中,采用这一判据进行谐波源的识别难免会造成遗漏和错误[18]。而其它的判断准则也只能定性地识别系统中的谐波源,不能定量地将负荷中的谐波源和非谐波源区分,明确各自的责任。而且在工程实践中需要对实际的畸变电流和电压波形采样数据,不如功率方向法方便,也不便于谐波的综合治理。因此,找到一个合适的技术指标用于定位谐波源(确定谐波源的大小和方向)并定量确定谐波责任是十分必要和紧迫的。

5　谐波责任的划分及其发展

大量谐波源向电网注入高次谐波电流并引起电压畸变,其对电力系统的安全运行和经济运行影响很大。许多国家和国际组织都制定相应的谐波标准来注入系统的谐波电流,保证电网电压波形在规定的畸变值内。涉及到谐波源注入公用电网谐波水平的国际标准主要有IEEE Std.519和IEC 1000-3-6等。IEEE Std.519的主要目的是公共连接点PCC的谐波大小,规定系统应对电压畸变负责,用户应对电流畸变负责[19]。IEC1000-3-6畸变负荷的电磁兼容标准也规定了相应的公用电网谐波干扰的允许值及谐波责任的划分[20]。我国的谐波国家标准GB/T14595-93《电能质量公用电网谐波》也制定了相应的计算方法或控制指标,谐波源注入电网的谐波电流。这些标准对于公用网谐波污染,减小用户或系统向公用电网注入的谐波电压或谐波电流起到了重要的作用。

但是,这些标准所面临的一个主要问题在于,一旦某个用户的谐波水平超标后,供电方所能采取的惩罚性措施只有停电,而这不是其所期望的。因此一种奖惩性的技术监督管理方案(Incentive Scheme)被提出[21],即系统和用户在额定标准的范围内交易,如果用户的污染指标恶化,超出标准,则系统侧在保证该用户正常供电的基础上收取额外的惩罚费用;如果系统侧不能保证供电质量,用户应该得到赔偿;如果用户吸收了系统中的谐波功率,有利于控制公网谐波污染,则供电方应该给与其相应的补偿和鼓励。

这一方案实现的前提是,要求对系统和用户在公共点的谐波责任进行合理有效的评估和划分。该激励性的谐波奖惩机制的建立包含两方面问题:一方面确定什么样的谐波行为是受鼓励的,什么样的行为应该受惩罚;另一方面是制定与上述性能行为相对应的经济奖惩标准。这两方面是相互联系的。

谐波奖惩机制的建立面临着两个技术难题:

1)分清系统和用户在PCC处的谐波责任。谐波污染者应仅对其本身所注入到PCC的谐波水平负责,受到相应惩罚。

2)辨别谐波阻抗变化对于谐波注入水平的影响。比如,系统侧谐波阻抗的改变往往会导致用户侧谐波注入水平的变化,其注入PCC的谐波电流可能增加或减小。用户侧因而不必对其承担责任。

因此,定义多谐波源系统中系统侧和用户侧在公共联接点(PCC)处的谐波责任划分原则是一个重要问题[22]。对于多谐波源系统中系统侧和用户侧在公共联接点(PCC)处的谐波责任划分原则的定义,主要有以下几种:

(1)谐波功率方向法(Direction of Harmo nic pow er);

(2)非相似电流法(No nconfor ming Current);

(3)等效电流源或等效电压源法(Harmo nic Voltag e or Current Source);

(4)叠加电流或叠加电压法(Superposition Voltag e or Current Index)。

这些方法从不同的角度,采用各种指标来定义多谐波源系统中系统侧和用户侧在公共联接点处的谐波责任划分原则。

在公共连接点PCC处对系统侧以及用户侧的谐波发射水平进行合理评估,成为双方责任划分至关重要的标准。国内外对于谐波发射水平的估计方法主要还是围绕对系统和用户阻抗的估算来展开的。但是由于负荷、电网参数和系统运行的不断变

・

39

・

2005年第5期　　　　　　　　　　　张　哲等:谐波源辨识研究的现状和发展化,基于系统元件参数的谐波阻抗计算方法仍不太成熟。现有的谐波阻抗测量估计方法基本上可以分为“干预式”和“非干预式”两种。“干预式”方法主要是通过向系统强迫注入谐波电流或是间谐波电流,或是断开系统某一支路来测量谐波阻抗,但是该类方法可能会对系统运行造成不利影响[23]。“非干预式”方法则利用系统自身的谐波源以及可观测参数等来估计谐波阻抗和谐波电压[24]。在准确估计系统和用户阻抗的基础上,通过跟踪计算双方的谐波发射水平,从而定量地确定谐波源在公共联接点(PCC)处的谐波责任。其中一种方法是基于叠加原理分解联接点(PCC)处谐波电流I pcc来确定谐波源以及判定双方的谐波责任[25]。在理论上,该方法不仅能够判断系统侧和用户侧有无谐波源,还能有效地判定双方谐波责任的大小,是一种定量的分析方法。另一种方法是临界阻抗法[26,27],即利用戴维南或诺顿等效电路研究谐波阻抗与谐波电源之间的相互关系,通过一个临界谐波阻抗值来比较双方谐波电压的大小,从而区分双方的谐波责任。这些方法对于研究如何定量确定谐波责任并建立公平有效的谐波奖惩机制具有积极的意义。但是在实际中还难以运用到工程实践,仍然需要在理论和实践中找到一个合适的技术指标用于定位谐波源(确定谐波源的大小和方向)与谐波责任的区分,使谐波的技术监督管理像功率因数奖惩管理一样有效。

6　结论

本文回顾了谐波源辨识问题的研究现状,讨论了各种用于谐波源辨识以及定量确定公共连接点(PCC)处谐波责任的理论基础和技术方法。并指出建立公平有效的谐波奖惩机制和标准来和治理谐波污染的必要性和紧迫性。

尽管谐波源辨识问题的研究取得了不少进展,但是还有许多问题尚待解决,尤其是实际谐波责任的区分。虽然不断有新的理论和算法用于研究谐波源的定位,但是很多理论尚未得到统一的认识,还需进一步讨论研究。此外,用于工程实践的谐波源辨识技术还很不成熟,存在应用上的和错误,需要寻找新的理论基础和技术指标。这些研究工作主要包括以下方面:

(1)进一步研究谐波电路理论和谐波功率理论,并用于谐波源辨识研究;

(2)找到一个合适的技术指标用于定位谐波源(确定谐波源的大小和方向)与谐波责任的区分,该指标应具备相当的技术性和经济性,且易于实现;

(3)建立公平有效的谐波奖惩机制来定量约束各谐波源的谐波污染。

参考文献:

[1]　吴竞昌(W u Jingchang).供电系统谐波(Harm onics in

Pow er Supply System)[M].北京:中国电力出版社

(Beijing:China Electric P ow er Pr ess),1998.

[2]　T ask Fo rce o n Har mo nics M odeling and Simulation.

M odeling and simulatio n o f the pr opag atio n o f har m-

onics in electric po wer netw or ks,P art I:Co ncepts,

models and simulatio n t echniques[J].IEEE T r ans o n

Pow er Deliver y,1996,11(1):452-465.

[3]　T ask Fo rce o n Har mo nics M odeling and Simulation.

Char acter istics and mo deling o f harm onic sour ces-

po wer elect ro nic devices[J].IEEE T r ans o n P ow er

Deliver y,2001,16(4):791-800.

[4]　Hiyama T,Hamman M S A A,O r tmeyer T H.Distr-

ibut ion sy stem mo deling w it h distributed har mo nic

so urces[J].IEEE T r ans on Po wer D eliver y,19,4

(2):1297-1304.

[5]　T hunber g E,So der L.A no rt on appr oach t o dist ribu-

tio n netw or k modeling for har mo nic studies[J].

IEEE T r ans o n Po w er Deliv er y,1999,14(1):272-

277.

[6]　F auri M.Har monic mo deling o f non-linear lo ad by

means o f cro ssed frequency admit tance m atrix[J].

I EEE T r ans on P ow er System,1997,12(4):1632-

1638.

[7]　赵勇,张涛,李建华,等(Zhang Y ong,Zhang T ao,L i

Jianhua,et al).一种新的谐波源简化模型(A new

simplif ied ha rmo nic so urce mo del fo r har mo nic anal-y sis and mitigat ion)[J].中国电机工程学报(P ro ceed-ings of t he CSEE),2002,22(4):46-51.

[8]　殷桂梁,容亚君,肖丽萍(Y in G uiliang,Ro ng Y ajun,

Xiao Liping).非线性负载的谐波模型研究(T he re-sear ch o f harm onic model of the no nlinear lo ad)[J].

电力系统及其自动化学报(Pr oceeding s o f the CSU-

EPSA),1998,10(3):58-61.

[9]　吴笃贵,徐政(Wu Dug ui,X u Z heng).电力负荷的谐

波建模(Harmo nic mo deling o f electr ic load)[J].电

网技术(P ow er System T echnolo gy),2004,28(3):20

-24.

[10]　王茂海,刘会金(W ang M aohai,L iu Huijin).通用瞬

时功率定义及广义谐波理论(A univ ersal definitio n

of insta nta neo us po wer and bro ad-sense har mo nic

・

40

・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　2005年第5期t heo ry)[J].中国电机工程学报(Pr oceedings of

CSEE),2001,21(9):68-73.

[11]　Heydt G T.Identificat ion of harmo nic so ur ce by a

state estima tio n technique[J].IEEE T ra ns on P ow-

er D eliver y,19,4(1):569-576.

[12]　Hong Y Y,Chen Y C.A pplication of alg or ithms and

ar tificial-intelligence appro ach for lo ca ting mult iple

harm onics in dist ribution systems[J].IEE Pr o ceed-

ing s-Gener atio n,T r ansmission and Dist ribution,

1999,146(3):325-329.

[13]　T eshome A.Har monic so urce and ty pe identificat ion

in a r adial distr ibut ion system[A].In:Pr oceedings

of IEEE Indust ry Applicatio ns So ciety A nnual

M eeting[C].M ichigan,U SA:1991.1605-1609. [14]　T anaka T,A kagi H.A new method of harm onic po-

w er detection based o n the instantaneous active

pow er in thr ee-phase circuits[J].IEEE T r ans on

Po wer Deliv ery,1995,10(4):1737-1742.

[15]　A iello M,Cat aliotti A,Cosentino V,et al.A self-

synchr onizing inst rument fo r har monic so urces de-

tectio n in pow er systems[A].I n:Pr oceedings of the

20th IEEE Instrumentation and M easur ement T ech-

no lo gy Co nference[C],Co lo ra do,U SA:2003.13

-1369.

[16]　Dan A M,Czir a Z.Identificatio n of har monic sour-

ces[A].In:Pr oceedings of the8th Inter natio na l Con-

ference on Har monics and Quality of P ow er[C],A-

thens,Gr eece:1998.831-836.

[17]　M oustafa A A,M o ussa A M,El-Gam mal M A.Sep-

ara tio n o f custo mer and supply har monics in electr i-

cal pow er distr ibutio n systems[A].In:Pr oceedings

of the9th I nt ernational Co nfer ence o n Har mo nics

and Quality of P ow er[C],O r lando,U SA:2000.

1035-1040.

[18]　Xu W ilsun,L iu Xian,L iu Y ilu.An investig atio n on

the validity o f po wer-dir ect ion method for har monic

sour ce det erminat ion[J].I EEE T r ans o n Po w er De-

liver y,2003,18(1):214-219.

[19]　IEEE Std519-1992.IEEE Reco mmended P ractices

and R equir ements for Harmo nic Co ntro l in Electr i-

cal Pow er Systems[S],A pr.1993.[20]　T C77A,IEC St andar d61000-3-6.Par t3:L imits.

Section6:A ssessment of Emission L imits fo r Dis-

to r ting Lo ads in M V and HV Po wer Sy st em-Basic

EM C P ublication[S],1996.

[21]　M cEacher n A,Gr ady W M,M oncrief W A,et al.

Revenue and har monics:an ev aluation of so me pr o-

po sed rat e str uct ur es[J].I EEE T r ans o n P ow er

Deliver y,1995,10(1):474-482.

[22]　L i Chun,Xu Wilsun.O n defining harmo nic contr ib-

utio ns at the po int o f commo n co upling[J].IEEE

Po w er Engineering Review,2002,22(7):44-45. [23]　T sukamo to M,Og aw a S,Na tsuda Y,et al.Adva nc-

ed T echnolog y to identify har monics char acterist ics

and result s o f measuring[A].In:Pr oceeding s of t he

9th Inter na tio nal Co nference o n Har monics a nd Q ua-

lity of P ow er[C],Or lando,U SA:2000.341-346. [24]　赵勇,沈红,李建华,等(Zhao Yo ng,Shen Hong,L i

Jianhua,et al).谐波源的识别及其与非谐波源的分

离方法(Appro ach o f identificatio n and separa tio n of

har monic sour ces)[J].中国电机工程学报(P ro ceed-

ing s o f CSEE),2002,22(5):84-87.

[25]　Xu Wilsun,L iu Yilu.A method for deferm ining cus-

to mer and utility har monic contr ibutio ns at t he

point of commo n co upling[J].IEEE T r ans o n Po w-

er Deliver y,2000,15(2):804-811.

[26]　Chen Chao ying,L iu Xiuling,K ov al D,et al.Crit ical

impedance metho d-a new detecting har mo nic

so ur ces method in distr ibut ion systems[J].IEEE

T rans on P ow er Deliv ery,2004,19(1):288-297. [27]　L i Chun,Xu Wilsun,T ay jasanant T.A'cr it ical imp-

edance'-based method for identifying har mo nic

sour ces[J].IEEE T r ans o n P ow er D eliv ery,2004,

19(2):671-678.

作者简介:

张　哲(1978-),男,硕士研究生,研究方向为电能质量的分析与控制。Email:soundto p@126.com

陈红坤(1968-),男,博士,副教授,主要从事电能质量分析,电力系统运行与控制方面的研究和教学。Email:chkin-sz@163.co m

・

41

・

2005年第5期　　　　　　　　　　　张　哲等:谐波源辨识研究的现状和发展