电力电容器zw

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欺成陶
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1 第 39 卷第 3 期年 6 月电力电容器与无功补偿 ower Capacitor & Reactive ower Compensation Vol.39 No Jun. 018 DOI: /j pcrpc 王凯 1 强健同向前区宇 1 朱文军 1 雷旭琦 1 1.广西电网有限责任公司钦州供电局广西钦州西安理工大学自动化与信息工程学院西安摘要配电网谐波溯源是配电网谐波管理与污染责任评估的基础本文从配电网谐波等值电路和谐波存在的 3 种典型工况出发以单一用户与供电系统的公共连接点为界分析了穿越公共连接点的谐波功率与谐波污染源的关系指出单次谐波有功功率的流向反映了配电网谐波污染源的位置考虑到谐波源的时变特征提出了基于单次谐波净能量和总谐波净能量的谐波溯源方法关键词配电网谐波监测谐波溯源谐波功率谐波能量 Study on Harmonic Source Tracing Method of Distribution Network Based on Harmonic Energy WANG Kai1 QIANG Jian TONG Xiangqian QU Yu1 ZHU Wenjun1 LEI Xuqi1 1. Qinzhou ower Supply Bureau Guangxi ower Grid Co. Ltd. Guangxi Qinzhou China. Sool of Automation and Information Engineering Xi an University of Tenology Xi an China Abstract: Harmonic source tracing of distribution network is the base of harmonic management and pollution responsibility evaluation. In this paper basing on three types of typical conditions of equivalent circuit and harmonic existence of distribution network and take the public connection point of the single user and power supply system as the boundary the relationship between harmonic power and harmonic pollution source across public connection point is analyzed pointing out that the flow of single harmonic active power reflects location of harmonic pollution source in distribution network. Considering time varying aracteristics of the harmonic sources a method of harmonic source tracing based on single harmonic net energy and total harmonic net energy is proposed. Keywords: distribution network harmonic monitoring harmonic source tracing harmonic power harmon ic energy 0 是这些方法忽略了电力系统谐波源的时变特性和引言不同次数谐波下用户源荷性质的转化进而影响了电气化铁路冶金企业中含有大量的非线性设备谐波污染责任评估的准确性和可靠度同时电动汽车充电桩新能源发电并网逆变器和各本文首先研究配电网的谐波等值电路模型以种家用电器的广泛使用进一步增大了电网谐波的用户负荷与供电系统的公共连接点 CC 为界指复杂性与不确定性使得电力系统谐波污染日趋严重谐波溯源及其污染责任评估作为研究治理谐波出 3 种典型谐波工况下穿越 CC 的单次谐波功率方向与谐波源的对应关系并提出具有统计意义的问题的出发点和主要依据有利于全面了解电网中基于谐波能量的谐波污染源辨识方法本文的研的谐波分布状况进而有针对性地实施谐波治理究有助于谐波污染的溯源尤其是当电网谐波情况谐波污染溯源问题最初是作为谐波潮流的逆问题由 G.T. Heydt 等提出的近年来国内外学 1 者对于如何辨识电网中的谐波源和划分各谐波源的污染责任作了大量的研究提出了多种谐波源的辨识方法 -6 以及谐波污染责任的划分方法 7-11 但收稿日期比较复杂时谐波污染责任的评估划分为电网谐波的有效管控提供理论基础和依据 1 电网谐波等值电路模型在由同一变压器供电的同一电压等级配电网

2 018 年第 3 期王凯等总第 177 期中往往包含有多种负荷类型的电力用户其中有些用户是典型的线性负荷不向电网注入谐波有些用户是典型的谐波源负荷向电网注入一定的谐波电流也有相当一部分用户是以线性负荷为主但含有一定谐波源的综合负荷特别是某些用户装图 3 单用户电网的 h 次谐波等值电路 Fig. 3 Equivalent circuit of h order harmonic of single user grid 设的基于并联电容器的无功补偿装置可能成为系统中的谐波滤波器电网的谐波等值电路是谐波分析计算的基础 1999 年 E. Thunberg 和 L. Soder 等人提出了电网谐波源的诺顿等效模型 1 并得到了大家的广泛认可通常把含有背景谐波的供电系统等效为一个谐波电压源与电源内阻抗的串联支路把非线性负荷等效为一个负荷阻抗与谐波电流源的并联支路基于这一共识可由图 1 所示的多用户配电网接线图得到图所示的谐波分析等值电路假定供电系统的等效 h 次谐波电压 Ush 和用户的 h 次谐波电流 I 互不影响各自独立稳定则根据图 3 所示等值电路有如下关系 ìu sh = U + I U I = Z - I 1 式 1 表明若能够测量得到 CC 点的谐波电压和电流并且知道电源和用户负荷的等值阻抗就可以计算得到供电系统的背景谐波电压和用户注入电网的谐波电流从而分清供电系统与用户的谐波责任但是供电系统和用户负荷等值阻抗的不确定导致了谐波污染溯源和评估的困难 Fig. 1 图 1 多用户配电网的接线 Wiring of multi user distribution network 配电网公共连接点的谐波功率电网谐波溯源就是通过测量 CC 点的谐波电压和谐波电流经过计算获得各次谐波功率的大小和方向进而根据谐波功率方向对 CC 点两侧的主要谐波污染源进行识别定位根据不同的系统背景谐波和用户负荷特性可以得到 3 种不同的谐波分析典型工况下面以 h 次谐波为例分析讨论各典型工况下穿越 CC 点的 Fig. 图配电网 h 次谐波等值电路 Equivalent circuit of h order harmonic of distribution network 谐波功率.1 工况 1 系统含背景谐波用户为线性负荷此时用户负荷的等效 h 次谐波电流源 I=0 图中:Ush 和 Zsh 分别为供电系统的 h 次谐波电压但由于供电系统电压中含有 h 次谐波分量导致负源和谐波阻抗 I 和 Z 分别为某个用户负荷的等效荷电流中也被动地出现 h 次谐波分量此时由供 h 次谐波电流源和谐波阻抗在电网的谐波分析中通常关注的是某一个特定用户譬如用户 3 与公共电网之间的谐波相互污电电源系统谐波在 CC 点引起的 h 次谐波电压谐波电流及其谐波功率为 Z ì U = Z + Z U sh sh 1 I = U + Z sh 染问题此时可把系统电源和配电母线上特定用户之外的其他用户看作一个整体视为该特定用户的供电电源如图中针对用户 3 的等效供电系统按照电路等值理论可以得到特定用户与其等效供电系统的 h 次谐波等值电路简化模型如图 3 所示 U 和 I 为该特定用户与电网公共连接点 CC 的 h 次谐波电压与流过 CC 点的 h 次谐波电流电流的正方向规定为从供电系统流向用户 U sh = Re éêu I = Re( Z ) Z ( ) 式中上标 s 为单一系统谐波源工况显然工况 1 是供电系统的背景谐波作为谐波电源单独作用的结果供电系统是谐波污染源而线性用户负荷是被污染者即供电系统向线性用 141

3 018 年第 3 期电力电容器与无功补偿第 39 卷户负荷输送了谐波功率, 此时穿越 CC 点的谐波有功功率恒为正. 工况系统无背景谐波, 用户为非线性负荷此时, 供电系统的等效 h 次谐波电压 U sh= 0 但由于负荷电流中含有 h 次谐波分量, 导致母线电压中也被动地出现 h 次谐波分量由式 (1) 可知, 此时由用户非线性负荷在 CC 点引起的 h 次谐波电压与谐波电流为 ì U = Z I + Z (4) I = - Z I + Z 于是, 该工况下穿越 CC 点的 h 次谐波有功功率为 = Reé ê U ( I ) I Z = - + Z Re( ) 式中, 上标表示单一用户谐波源工况 0 (5) 显然工况是用户非线性负荷的谐波电流单独作用的结果, 用户是谐波污染源, 而供电系统以及连接到该电网中的其他用户负荷都是被污染者即非线性负荷用户向供电系统输送了谐波功率, 此时穿越 CC 点的谐波有功功率恒为负.3 工况 3 系统含背景谐波, 用户为非线性负荷在实际电网中, 供电系统和用户负荷通常均含有谐波分量, 因此该工况较为普遍由图 3 可知, 当电源侧和用户侧谐波源单独作用时, 根据叠加原理可将电网分解为两个等效电路, 如图 4 所示图 4 工况 3 下分解后的电网 h 次谐波等效电路 Fig. 4 Equivalent circuit of h order harmonic of the grid after decomposition in condition 3 按照电路叠加原理, 此时由供电系统和用户非线性负荷共同在 CC 点引起的 h 次谐波电压和 h 次谐波电流分别为 : ì U = U + U I = I + I (6) 根据 CC 点谐波电压和电流, 可得穿越 CC 点的谐波功率为 = Re é ê Re é ê I = U ( ) ( U + U ) ( I + I ) = Re[ U (I ] ) + U (I ) + U (I ) + U (I + + Re[ U (I ] ) + U (I ) = ) (7) 显然, 通常工况下,CC 点功率包含 3 部分 : 单独由供电系统背景谐波产生的谐波功率单独由用户非线性负荷产生的谐波功率系统背景谐波与用户负荷谐波共同作用所产生的谐波交互功率令交互谐波功率为则有 : = Reé ê U ( I ) + U ( I ) (8) = + + (9) 式 (9) 表明, 由于谐波交互功率的存在, 使得利用 CC 点谐波功率的方向来反映谐波污染的方向不再无条件适用 3 谐波功率方向与谐波污染源上节的谐波功率分析结果表明, 在电网或用户为单一谐波源的情况下, 可以根据实测 CC 点的谐波有功功率来判别谁是谐波源谁是被污染者若 m 次谐波下 CC 点有功功率为正, 说明供电系统是 m 次谐波源 ; 若 n 次谐波下 CC 点有功功率为负, 说明用户是 n 次谐波源但是, 作为一种普遍的工况, 供电系统存在有背景谐波, 而用户也存在着非线性负荷产生的谐波, 此时必将存在着同次谐波下两个谐波源的相互作用, 如式 (9) 所示将式 () 和式 (4) 代入式 (8), 可得到谐波交互功率的表达式为 = Reé Z ê I + Z æ U è ç sh ö - + Z ø (10) Z U + æ Z è ç ö I + Z ø 上式表明, 谐波交互功率与供电系统和用户负荷的谐波阻抗有关, 其大小和方向难以通过 CC 点的电压和电流测量值计算出来但是, 若考虑到电网的如下典型运行特性 : 1) 供电系统和用户负荷的等值阻抗均呈阻感性, 且用户负荷的阻抗远大于供电系统的等值阻抗, 即 Z >> ) 供电系统的背景谐波电压源与用户负荷的谐波电流源相互独立和正交, 即 Reé U sh ( ) I = ReéI ( U sh ) = 0 14

4 018 年第 3 期王凯等将上述两个条件代入式 10 则有方向和大小识别各次谐波源荷性质达到不同次数 0 11 由此可以得到一般工况下 CC 点的谐波功率表达式为 + 1 式 1 表明在 CC 点测到的谐波有功功率是背景谐波在用户负荷等值阻抗上产生的谐波功率与用户非线性负荷在供电系统等值阻抗上产生的谐波功率之和由于背景谐波在用户负荷等值阻抗上产生的谐波功率恒为正而用户非线性负荷在供电系统等值阻抗上产生的谐波功率恒为负因此若 CC 点谐波有功功率大于零表明背景谐波总体上污染了用户负荷若 CC 点谐波有功功率小于零表明用户负荷谐波总体上污染了供电系统各工况下的辨识结论见表 1 表 1 谐波功率方向与谐波污染源的关系 Table 1 Relationship between harmonic power direction and harmonic pollution source 工况结论有背景谐波 =0 电网是谐波源 =0 用户是谐波源电网是主要谐波源线性负荷无背景谐波非线性负荷有背景谐波非线性负荷 4 用户是主要谐波源谐波能量与谐波污染源识当前时刻的主要谐波污染源但是电网的谐波情况是非常复杂的对某次谐波而言用户负荷是谐波的主要污染者对另一次谐波而言供电电源可能是谐波的主要污染者此时此刻用户负荷是某次谐波的主要污染者而下一时刻供电系统可能成为该次谐波的主要污染者为了能够在统计意义上考虑谐波角色的这种变化宜采用一个具有统计性质的量来识别一段时期内的主要谐波源谐波净能量具有谐波污染分析所需要的统计性质定义单次谐波净能量和总谐波净能量为 T W H = W h h 谐波源荷的界定划分同时利用式 14 求得的总谐波净能量的方向和大小可以作为总体意义上的谐波源的识别判据譬如 W5 表明用户是电网的 5 次谐波污染源 W11 表明供电系统是用户的 11 次谐波污染源 WH 表明用户是总体意义上的谐波污染源并且求得的谐波能量越大表明相应的谐波污染也就越严重 5 结束语通过对典型工况下 CC 点的穿越功率的分析提出了通过测量 CC 点谐波能量进行配电网谐波溯源的方法在配电网各谐波源相互独立的条件下得出如下结论 1 通过测量 CC 点电压和电流可以得到穿越 CC 点的各次谐波功率的大小和方向单次谐波功率的正负反映了此时电力用户对本次谐波所呈现的源荷性质 3 单次谐波净能量的正负反映了统计时段内电力用户对本次谐波所呈现的源荷性质 4 总谐波净能量的正负反映了统计时段内电力用户总体上呈现为谐波污染源或被污染者 CC 的谐波能量虽然可以反映电力用户的源荷性质但如何评价和比较谐波的污染程度还需要进一步研究参考文献根据 CC 点测量得到的谐波有功功率可以辨 W h = 0 dt 总第 177 期 (h ) HEYDT G T. Identification of harmonic sources by a state estimation tenique J. IEEE Transactions on ower De livery : LI C XU W TAYJASANANT T. A critical impedance based method for identifying harmonic sources J. IEEE Transactions on ower Delivery : WILKOSZ K. Single point measurement localization of pre vailing harmonic sources in a power system C // Interna tional Conference on Environment and Electrical Engineer ing. S.L. IEEE 01: 龚华麟肖先勇. 非线性度法在配电网谐波源探测中的应用 J. 电力系统保护与控制 GONG Hualin XIAO Xianyong. Application of non linear ity degree method in harmonic source detecting in distribu tion network J. ower System rotection and Control : 实际应用中通过对 CC 点的电压电流进行 5 蔡明唐昆明张太勤. 基于参数辨识方法的谐波源定各次谐波分量的幅值和相位进而计算出各次谐波 CAI Ming TANG Kunming ZHANG Taiqin. Harmonic 实时同步采样然后利用傅里叶变换等方法分析出有功功率最后利用式 13 求得单次谐波净能量的位 J. 电网技术 source localization based on parameter identification J. ower System Tenology :

5 018 年第 3 期电力电容器与无功补偿第 39 卷 6 LIU Yamei GONG Hualin XIAO Xianyong et al.har od J. IEEE Transactions on ower Delivery : on the nonlinearity index of load C //ower and Energy 11 张建明. 电力系统谐波源识别及谐波责任划分的研 7 SHOJAIE M MOKHTARI H. A method for determination 1 THUNBERG E SODER L. A norton approa to distribu monic source location at the point of common coupling based Engineering Conference. S.L. IEEE 009:1-5. of harmonics responsibilities at the point of common cou pling using data correlation analysis J. IET Generation Transmission & Distribution : FERNANDEZ F M. CHANDRAMOHANAN NAIR S. Method for separation of customer and utility contributions of harmonics at point of common coupling J. IET Genera tion Transmission & Distribution : XU W LIU Y. A method for determining customer and utility harmonic contributions at the point of common cou pling J. IEEE Transactions on ower Delivery : FAJFAR T BLAZIC B AIC I. Harmonic contribu 究 D. 兰州兰州理工大学 015 tion network modeling for harmonic studies J. IEEE Trans actions on ower Delivery :7-77. 作者简介: 王凯 1983 工程师从事电能计量技术与管理工作强健 1991 硕士研究生研究方向为配电网电能质量分析与控制技术同向前 1961 教授主要研究方向为现代电力电子技术及其在电力系统中的应用区宇 197 工程师从事电力营销服务管理工作朱文军 1977 助理工程师从事电能计量技术与管理工作雷旭琦 1987 助理工程师从事用电检查管理工作 tions evaluation with the harmonic current vector meth (上接第 139 页) 配电网无功补偿选点 J. 电网技术李娟许欣李壮等. SVC与TCSC优化配置在电力系统静 GAO Huimin ZHANG Jianmin JIANG Li. Optimal loca LI Juan XU Xin LI Zhuang et al. Application of SVC 1983 tion of reactive power compensation for distribution net work based on second order loss reactive power sensitivity matrix J. ower System Tenology : 袁志昌刘文华宋强. 基于暂态电压稳定指标的动态无态电压稳定中的应用 J. 广东电力 and TCSC optimal configuration in static voltage stability of power system J. Guangdong Electric ower : 雷绍林. 电力系统静态电压稳定多指标综合分析 D.南宁广西大学 013 功优化配置方法 J. 电力系统自动化作者简介 YUAN Zhiang LIU Wenhua SONG Qiang. Optimal al 稳定与控制技术 transient voltage stability index J. Automation of Electric 和风电机组智能控制技术 17-1 location method of dynamic var compensation based on ower Systems : 郭亚军. 综合评价理论方法及应用 M. 北京科学出版社武家辉 1988 女博士研究生研究方向为电力系统王维庆 1959 教授研究方向为电力系统自动化王海云 1973 女教授研究方向为可再生能源发电与并网技术

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