电力系统谐波源识别及谐波责任划分的研究

发布时间：2016-05-25 06:31

第 1 章 绪论

1.1  选题的背景及意义
在当今世界，作为使用最广泛的一种能源，电能在各行各业的应用程度已经成为一个国家发展水平的主要标志之一，因此各国电力部门高度重视电网中的电能质量问题。在我国进行电力体制市场化改革之后，电能质量也日益成为相关部门实现经济和社会双重效益最大化，避免危害生产活动的重点关注对象。从另一方面来看，电能在应用过程中，还表现出以下几个特点，使得电能质量管理方面存在一系列难题[1]： (1)电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响。电力系统各单元之间通过输电线路相连接构成了一个整体，任何一个部分都不是单独存在的；因为电能是不方便存储的，所以它的生产、输送、分配和使用是同时进行。因此，在电力系统运行的过程中，不标准电能不能够被替换。供电部分和用电部分通过电气设备形成一个整体，不管哪一方的电能质量不达标，都会影响电力系统网络的稳定运行和用户用电设备的正常工作。 (2)电力系统的动态变化性。由于电能资源的生产、输送和使用几乎是同时进行的，而且在不同时间、地点及不同的连接点处，由于电网结构的不同和负荷的不断变化，使得电能质量的情况和评价标准也大不相同，因此整个系统的电能一直是动态变化的。 (3)电力用户是决定电能质量的主体部分。当电能通过电网输送到用电设备时，电力用户的反作用有可能会影响电网。所以，在引起电能质量问题的过程中，主要是用户造成电能质量的下降，并非是电能的生产者和供应者。 (4)电能质量下降的传播性。首先需要指出的是，电能质量的下降必然会对相关设备造成影响，但其危害并不一定会在较短时间内凸显；另一方面，电能通过线路传播速度之快，使其一旦出现扰动等引起电能质量下降的现象时，就会迅速扩大影响范围，轻则导致相关设备性能下降，经济生产效益下滑，重则损坏系统设备，甚至酿成重大安全事故，后果不堪设想。 (5)电网电能质量的指标不易评估。一般情况下，电能达标的要求是系统在运行时电能质量的每个指标近似等于额定值。但是在实际系统中，电能质量多个指标的不同组合对系统和设备的影响与损坏都是非常复杂的问题，因此进行合理经济的评价依旧极其困难，至今没有统一认可的定量评估计算方法。 
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1.2  国内外研究现状
从 20 世纪 60 年代起，国外就意识到电能质量对于电网安全可靠运行、提高社会经济效益具有举足轻重的作用，继而展开了有关方面的研究，初步确立了电能质量的基本概念、变化原因、主要种类以及具体的分析方法和可能的解决方向，并在一些研究成果的基础上制定了国家标准。自 20 世纪 70 年代以来，由于大量的电力电子装置和非线性电力产品在各个部门不断被投入使用，电力网中谐波污染日益加剧，进而导致的电能效率降低、电气设备非正常工作甚至故障等问题日趋严重；为此，世界各国都高度关注电网中的谐波问题，相继成立针对性的研究机构开展研究工作，共同探讨商议应对谐波问题的方法和措施，并制定了各种谐波标准。从上世纪 80 年代末期以来，电力工业开始由原来的垄断行业逐步进入了竞争时代，电力行业市场化成为不可阻挡的趋势。随着电力电子技术和控制技术的发展，1986 年 N.G.Hingornai 在总结前人研究工作的基础上首次提出一种柔性交流输电技术(Flexible AC Transmission System,FACTS)，其主要方法是在输电系统的基本部位，根据需要将电力系统中对潮流分布施加作用的相关基本参数(如相位差、电压、电抗等)进行调节，从而对系统的网络潮流进行“机动”的控制，使其输送的容量趋于甚至达到所谓的热稳定极限，有效的提高了输电系统的输送容量。随后的 1988 年，N.G.Hingorani 又在柔性交流输电技术发展的基础上，提出了基于用户侧的用户电力技术(Customer Power)的观点，用户电力技术以控制技术为基础和先导，充分发挥高性能电力电子装置的高开关频率和高关断容量特点，根据不同电力用户的特殊要求对其提供安全、可靠、经济的电能并对电能质量进行有效的控制和管理。由于配电系统是与用户直接相关的关键组成部分，在我国，用户电力技术也被称为配电柔性交流输电(Distribution  Flexible  AC  Transmission System,DFACTS)技术，并把用户电力技术视为柔性交流输电技术在配电网络中的应用，成为电力系统发展的关键技术方向之一。
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第 2 章 谐波源的识别与定位

2.1  谐波问题概述
2.1.1  谐波的相关概念
谐波是由波形发生畸变产生的，它的正弦电压或者正弦电流的频率是系统工频的整数倍。可将一个不是正弦的周期波分解成含有一个基频与许多个基频整数倍的正弦波之和。谐波是一个频率为正弦基频整数倍的周期性正弦分量[24]。所谓谐波分析法就是根据傅里叶变换对发生了周期性变化的非正弦波进行分解，使其由基波与多次谐波组成。在正常条件下，发生了畸变的波形，可以用基波与很多个次数较高的谐波相加来表示。 

2.1.2  谐波产生的原因
高次谐波之所以会形成是因为电力系统中存在一些不是线性的装置与负荷，给这些装置与负荷加上电压，就会形成非正弦的电流，进而使得波形发生了畸变。 主要来自两方面： (1)来自用户的非线性负荷。非线性的电力设备能够产生许多的谐波，由于其形成的谐波电流可以通过电力网进入系统电源，当系统的阻抗上流过谐波电流时，就会在系统中形成谐波电压，进而影响系统的电能质量。 (2)来自系统的影响。第一，由于交流发电机中铁芯齿、槽等零件制作精度的不同，使其定转子间气隙分布不均。尽管每一相中电动势波形都是对称的，可是在三相的电动势里面仍然存在着奇次谐波；第二，对于电力系统中的变压器而言，它的励磁电流中肯定存在着奇次谐波，而在其是空载运行和过励磁运行状态时，奇次谐波就会增加，进而形成了谐波源；第三，当对电网进行投切空载变压器或者电容器的时候，投切过程中形成的合闸涌流注入电网就会产生突发性谐波[25]。
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2.2  基于功率潮流识别法 
有功功率的方向是由 PCC 点两边谐波源的相角差决定的，当出现谐波电压和电流之间的相位差是 900这种情况时，谐波的有功功率就是零，此时该方法不能使用，所以有功功率方向法对谐波源的位置不能进行有效的判断。而且，当出现系统发射谐波无法忽略的现象时，用此方法对用户谐波发射水平的评估也将不准确。但是在很多情况下，此方法能够对谐波源进行定位。 电力系统中的相角和电压幅值分别决定着系统的有功功率和无功功率。无功功率方向法[30~34]的原理同样是根据无功功率的方向对系统与用户侧谐波电压源的幅值进行判断，进而确定哪边为主要谐波源。 
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第 3 章 改进型偏最小二乘法进行谐波源识别 ......... 16 
3.1  问题的提出 ..... 16 
3.1.1  多重相关性的含义 .......... 16 
3.1.2  多重相关性形成的基本原因 .... 17 
3.1.3  多重相关性的危害 .......... 17 
3.2  偏最小二乘回归分析 ....... 18 
3.3  改进的偏最小二乘回归法 ......... 20 
3.3.1 改进型偏最小二乘回归的工作目标 .......... 21 
3.3.2 改进型偏最小二乘法的回归分析 ..... 22 
3.4  基于改进型偏最小二乘法的谐波源识别 .... 24
3.5  本章小结 ........ 29 
第 4 章 谐波发射水平估计方法 ..... 30 
4.1  干预式法 ........ 30 
4.1.1  谐波电流注入法 .... 30 
4.1.2  用户侧并联阻抗法 .......... 31 
4.1.3 开关元件法 ............ 32 
4.2  非干预式法 ..... 34
4.3 本章小结 ........ 39 
第 5 章 基于改进型偏最小二乘法的谐波责任划分 .......... 40 
5.1  多馈线系统模型的建立 .... 40 
5.2  多馈线系统谐波责任划分基本原理 ............ 43 
5.3  实验仿真分析 .......... 45
5.4  本章小结 ........ 51 

第 5 章 基于改进型偏最小二乘法的谐波责任划分

随着国民经济和现代工业的迅速发展，越来越多的非线性负荷被连接到电力系统网络，而这些非线性负荷会将产生的谐波电流注入系统，从而引起系统各个母线上的电压畸变，对系统中的用电设备造成影响，甚至会影响电力系统的稳定运行。怎样对系统中的谐波源进行正确的辨别，并通过将不同谐波源引起的畸变电流进行合理的区分而达到量化各个谐波源对电压畸变的影响，依旧是需要不断去研究的问题。在实际工程应用过程中，一般是通过对单独的谐波产生用户进行监测，然后依照监测数据对谐波的产生能力进行估计，电力用户根据此原则来制定相应的谐波治理方案，而供电部门根据此原则实施经济上的奖励与惩罚。但是在实际系统中，公共耦合点处都连接着许多的谐波源用户，怎样准确地估计这些用户各自应该承担的谐波责任是进行电能质量管理的主要前提[52~53]；而对于那些已经接受谐波治理方法的电力用户，在他们装上了滤波装置后，谐波电流又将会进入到滤波装置中，这又将引起对用户谐波责任划分的不准确[54~58]。 在现实社会中，各个配电网系统中母线上所接的负荷并不是单个的，而是多条负荷馈线共同连接在其上面，此时各馈线上谐波电流的关系比较复杂，它们之间或许会相互消除，，也或许会相互增强，各条馈线上谐波负荷对公共耦合点电压畸变的责任不一定和负荷的谐波电流产生能力呈正比例关系。尤其是在各条馈线上谐波电流产生能力相差非常小的时候，只是依靠谐波电流的大小进行应负谐波责任的划分就变得非常困难了。为了能避免因谐波责任划分不清而造成的电能质量纠纷，同时对电力网谐波能够进行有效的控制，就需要对各条馈线上的谐波源在公共耦合点处产生的谐波电压进行合理的划分。所以，对一个母线上连接有多条负荷馈线系统进行谐波贡献量的研究是十分必要的，本章将对此问题进行探讨。 

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总结

由于电力系统中非线性装置的大量使用，系统中的谐波污染也变得越来越严重。为了能够有效的治理谐波污染，就需要准确的区分各个谐波源对谐波污染应该承担的责任。本文对已有的各种谐波源识别方法进行了综述，同时从定性和定量的角度对这些方法进行了比较。在此基础上提出了利用改进型偏最小二乘回归法对各谐波源的谐波责任进行划分，最后针对多馈线系统中各馈线谐波责任的划分问题进行了研究。全文所做的工作主要有以下几点： 
(1)基于偏最小二乘回归法在进行谐波责任划分时可能会漏选某些对响应变量解释能力强的成分，从而造成回归结果不准确的问题，本文采用改进型偏最小二乘回归法进行谐波源识别与谐波责任划分。首先由偏最小二乘法进行回归计算，得到系统的谐波阻抗估计值；再结合阻抗法通过判断谐波电流从那一侧流出的较多来判断主要谐波源。 
(2)改进型偏最小二乘回归法是一种不依赖于数据选择的谐波责任评估方法。在一个多谐波源系统中，某一个负荷对关注母线上谐波畸变的贡献可以用负荷谐波电压在母线总谐波电压上的投影来代替。所得投影与母线总畸变电压的百分比就表示为这个谐波源负荷的谐波责任指标。
(3)基于所建立的谐波责任指标，根据谐波电压、电流相量的关系，形成了关注母线谐波电压对谐波源负荷谐波电流的改进型偏最小二乘回归方程，然后根据回归方程的系数对各个谐波源的谐波责任进行估计。
(4)对具有多条馈线系统的谐波责任划分进行了研究。对多谐波源连接在同一母线时各谐波源的谐波责任划分问题进行了系统建模，利用改进型偏最小二乘回归法对多谐波源责任进行区分，同时利用 Matlab/Simulink 中的电力系统模块集来实现仿真分析，最后和其它方法所得的结果进行了比较，验证了该方法的有效性。 
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参考文献(略)

本文编号：49451