配電網(wǎng)中諧波源檢測方法的研究

1、配電網(wǎng)中諧波源檢測方法的研究        摘要: 介紹了配電網(wǎng)中諧波源探測的一種新方法臨界阻抗法（CIM）。該方法的原理是比較戴 維南等效回路中兩個諧波電壓源的大小，取較大的一個作為主諧波源。通過對于公共耦合點的電壓和電流的測量可以引入臨界阻抗的概念。進行了臨界阻抗法在電網(wǎng)處于不同情況下的基本理論分析，并做了一系列的系統(tǒng)校驗，闡明了臨界阻抗法在諧波源檢測中的正確性。關(guān)鍵詞: 諧波源; 臨界阻抗; 配電網(wǎng) Study of Detecting Harmonic Sources' Method in Dist

2、ribu tion SystemsYU Miao, ZHANG Bingda(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: In this paper, a new method for detecting harmonic sources in distribution syste ms-“critical impedance method” (CIM) is proposed. The principle of CIM is t

3、o c ompare two magnitudes of harmonic voltage sources in the Thevenin equivalent cir cuit and choose the larger one as the main harmonic source. A critical impedance is introduced to “measure” the equivalent harmonic voltage source through the measurements of voltage and current at the point of comm

4、on coupling (PCC). The fundamental theory of CIM in different situations is discussed in details. A ser ies of simulation case studies show that the CIM is correct in detecting harmoni c sources.Key words: harmonic sources; critical impedance; distributio n systems 1前言目前諧波干擾已經(jīng)成為配電網(wǎng)的重要問題而備受關(guān)注，并且已找到了一

5、些用來計算對于公共耦合點（PCC）諧波干擾大小的方法。在這些計算方法中絕大部分是利用諾頓模型來等效諧波電流源，其分析過程著重于網(wǎng)絡(luò)中等值諧波電流源的諧波貢獻。本文提出的利用戴維南電路來等效諧波網(wǎng)絡(luò)的方法可用來比較PCC點兩側(cè)的諧波電壓源的干擾情況。當(dāng)系統(tǒng)的等值阻抗已知時，采用本方法可以得出正確的結(jié)論。當(dāng)系統(tǒng)含有兩條支路且一側(cè)未知時，CIM法可以給出阻抗大小的范圍，從而決定主諧波源。2諧波源檢測介紹諧波源探測問題能夠用圖1所示模型來說明。圖1給出了諧波源檢測的執(zhí)行情況，圖2和圖3分 別為電力系統(tǒng)的等效諾頓模型和戴維南模型。在諾頓模型圖中，負(fù)荷側(cè)以諧波電流源Ic和諧波阻抗Zc表示，相應(yīng)的系統(tǒng)側(cè)用I

6、u和Zu表示；在戴維南模型回路中，電壓源分別由表示。該回路可適用于不同的諧波頻率。諧波源探測的主要任務(wù)是根據(jù)系統(tǒng)測量得到的PCC點諧波電壓和電流，找出對PCC點處諧波干擾貢獻較大的一方。 在諧波源檢測的方法中有一種基于理想情況的方法疊加法(superposition method，SPM)。該方法假定已知系統(tǒng)的所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并把系統(tǒng)拆分，使每一個諧波電壓源單獨作用到系統(tǒng)當(dāng)中，如圖4所示。這樣通過比較各個諧波源在PCC點的諧波電流IE和IV來判斷主諧波源。從圖中可以看出諧波電流為式中：Z=Zu+Zc；E和V是當(dāng)電壓源和分別 作用時的PCC點的電流。在此方法中IEm和IVm可以作為判別諧波

7、 源的依據(jù)，下標(biāo)m表示該矢量的幅值（下同）。若IEmIVm，說明側(cè)在PCC點產(chǎn)生比側(cè)更大的諧波干擾。若IEmIVm，說明側(cè)在PCC點產(chǎn)生比側(cè)更大的諧波干擾。假設(shè)通過測量得到了和的值，若我們能夠同樣“測量”出的值，那么用它和相比較，則可以直接判斷出主諧波源。由于很難精確得到，故此方法不適于主諧波源測量的實際應(yīng)用，但這種方法在理論分析上完全正確，因此，在本文中采用SPM法作為臨界阻抗法實驗校驗的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析理論，在和一定的情況下, 電路中一定存在著一個阻抗Zcr使得Em=Vm，稱Zcr為臨界阻抗(下標(biāo)“cr”代表“臨界”)。臨界阻抗可以作為測量的一個標(biāo)準(zhǔn)，用它來找出電路中較大的諧波源，這是本

8、文的主要目的。 3CIM法原理首先，以單端諧波源系統(tǒng)為例進行分析，如圖5所示，其中和是PCC點的諧波電壓和電流值，和Z分別是系統(tǒng)側(cè)的等值諧波電壓和阻抗。從圖5中可知  通過PCC點的測量值可以得到和的大小和相角,其中是V和I之間的夾角(=V-I)，從而的值就由阻抗Z的值決定。下面就等式(4)中Z的不同類型分別加以討論。 保持電壓不變，改變X的值，電壓將沿著圖6所示的垂直線上下變化。以V為半徑作圓，可以得到如下的結(jié)論2：1)若E在圓周上，即在臨界位置上，則有  對于0180閌保蘼?/span>X為何值，EmVm總成立。  3.2Z=R+jX圖7給出了感性阻抗Z

9、=R+jX的電壓相角從圖7的扇形區(qū)中分析電壓和阻抗Z的關(guān)系，其中=+(為負(fù)值)，得到：1)若E在圓周上，即在臨界位置處，則有Em=Vm，并且如圖7所示，當(dāng)0+180°時，無論Z取何值，EmVm恒成立。式（8）是Em=Vm的臨界狀態(tài)，相應(yīng)的阻抗被稱為臨界阻抗，當(dāng)顧及到和的正負(fù)時，臨界阻抗可以寫成以下的簡單形式由于系統(tǒng)阻抗在給定條件下保持不變，故式（11）同樣適用于180°180°的條件，因而有式（12）是系統(tǒng)阻抗為感性時的臨界阻抗，它適用于所有的相角并且能夠很簡單地投入實際系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)R=0，=90°時，式(12)正是3.1中介紹的電感支路（Z=jX）的臨

10、界阻抗形式。3.2的方法進行分析，并得到如下結(jié)論：從式(12)和式(13)中，得到了諧波阻抗分別為感性和容性時的臨界阻抗。比較諧波阻抗和臨界阻抗，可以判斷Em與Vm的大小，取較大的一側(cè)作為主諧波源。把這種方法叫做臨界阻抗法（CIM），使用此方法可以在各個諧波源中檢測其諧波貢獻。3.4計算校驗下面用幾個計算實例說明CIM法的結(jié)果,等值電路如圖5所示。圖9（b）給出了CIM法和SPM法的比較。結(jié)論如下：  和SPM法得到同樣的結(jié)果：側(cè)是較大的諧波源。以上幾例可以看出CIM法和SPM法分析結(jié)果相同。說明了CIM法能正確檢測出諧波源。4兩端諧波源網(wǎng)絡(luò)的分析兩端源支路的等效電路如圖3所示，測量

11、點為PCC點，可以測得Vpcc、Ipcc。分兩種情況進行分析。4.1Zu和Zc都已知在這種情況下，可以根據(jù)電路理論計算得到和，系統(tǒng)總阻抗Z=Zu+Zc，這樣系統(tǒng)可簡化為第3節(jié)討論的單諧波源網(wǎng)絡(luò)，可以直接用CIM法進行諧波源探測，得出正確結(jié)果。4.2Zu和Zc中只有一個已知這種情況在實際系統(tǒng)中比較普遍，此時只能計算得到一側(cè)電壓源。以E或V為PCC點，假設(shè)系統(tǒng)兩側(cè)諧波阻抗角相等，利用CIM可以估計對側(cè)諧波電壓源的大小。本節(jié)主要對兩端諧波阻抗同為感性，分析CIM法在兩端諧波源網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。兩端諧波源分析網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖3，設(shè)兩端諧波阻抗Zu=較，可以看出：1)用SPM法，有IVmIEm，說明側(cè)是較大

12、的諧波源，這和實際情況VmEm相符。2)用CIM法，當(dāng)?shù)南嘟窃?0°270°時，有VpccmEm，ZumZcrE，E側(cè)是較大的諧波源，對于E和V之間比較是錯誤的。3)考慮式Z=Zu+Zc，并且Zu和Zc極性相同，則Zm在Zum的上側(cè)，隨著Zcm的增大，Zm也將增大，直至ZmZcrE。從圖10(a)可以看出：如果Zcm5，則ZmZcrE，此時諧波源由側(cè)轉(zhuǎn)移到側(cè)，因此，Zm=5是使Zm達到Zcm的最小值。在此算例中，Zcm=10，滿足上述條件。如果實際中不知道Zcm的值，但知道Zcm5，用CIM法能夠得到正確的結(jié)果。圖10(b)為CIM法與SPM法折算到端的比較，可以看出：側(cè)是

13、較大的諧波源。2)考慮式Z=Zu+Zc，并且Zu和Zc極性相同，則Zm在Zcm的上側(cè)，隨著Zum的增大，Zm也將增大，直至ZmZcrV。從圖10可以看出：如果Zum10，ZmZcrV，此時諧波源由側(cè)轉(zhuǎn)移到側(cè)，因此，Zum=10是使Zm達到ZcrV的最小值。如果不知道Zum的值，但知道Zum10，用CIM法能夠得到正確的結(jié)果。 從以上分析可知，存在改變諧波源方向的最小Zcm值，定義為臨界阻抗Zcr-zc，表示為存在改變諧波源方向的最小Zum值，定義為臨界阻抗Zcr-zu，表示為 發(fā)生變化時，系統(tǒng)較大諧波源方向也會發(fā)生轉(zhuǎn)移。在實際的等效雙端源網(wǎng)絡(luò)中，一般僅能得到一側(cè)的諧波阻抗，對系統(tǒng)側(cè)，通過計算只

14、能得到Zum和ZcrE的值，用CIM方法進行判別，需分兩種情況分析：ZumZcrE，ZumZcrE。用圖11可視化的方法說明CIM法用于實際諧波源的判別（用戶側(cè)分析類似）。圖中同向表示阻抗極性相同，反向表示極性相反。舉例說明圖11分析方法：在側(cè)，測得Zum=10，ZcrE=5，由式（17）知Zcr-zc=5，因ZumZcrE，根據(jù)圖11可知：1)若Zc是感性阻抗，則與Zu同向，所以側(cè)是較大的諧波源。2)若Zc是容性阻抗且幅值為4，其小于5，則諧波源方向不變。3)若Zc是容性阻抗且幅值為7，其大于5，則諧波源方向轉(zhuǎn)移到側(cè)。 5結(jié)論文中提出了配電系統(tǒng)中諧波源探測的臨界阻抗法。該方法的原理是通過比較戴維南等值回路 中諧波電壓源的大小，取較大的一個作為主諧波源。該方法的特點是利用系統(tǒng)公共耦合點的 測量值并結(jié)合系統(tǒng)的臨界阻抗進行判斷。通過理論分析及算例校驗可知，當(dāng)系統(tǒng)等值阻抗已 知時，CIM法可以給出完全正確的結(jié)論。當(dāng)系統(tǒng)阻抗未知時，CIM法能夠給出諧波阻 抗的范圍從而指出主諧波源。 參考文獻 1Chen Chaoying,Liu Xiuling,D Koval,et al.Critical impedance met hoda new detecting harmonic sources method in distribu