一種諧波源定位方法與流程

2024-02-04 16:15:15

本發明涉及治理諧波汙染以及諧波源定位的
技術領域：
，尤其涉及一種諧波源定位方法。
背景技術：
：由於非線性負荷大規模接入電網，大量諧波注入公共電網，給電網和用戶造成了巨大的影響。為了對諧波汙染進行有效地治理，需要對各諧波源進行準確的定位。傳統的諧波源定位方法包括：基於諧波狀態估計法(如ica方法)、基於參數辨識方法、支持向量機估計算法、改進稀疏表示法等。遺憾的是，這些研究在對諧波源進行定位時，沒有同時考慮諧波電壓與諧波電流，影響了結果的準確性。事實上，以上方法忽略了畸變功率條件下的物理機制和內在規律：導致諧波汙染和損壞的主要危害在於電壓和電流的畸變使輸電設備和用電設備不能有效傳輸和利用非有功能量，而這些非有功能量佔用輸變電電容量和用電設備容量，並在系統內傳播，從而導致電能損失以及對電網和用戶的汙染。電力系統諧波汙染，除直接表現為諧波電壓和諧波電流外，在物理機制上，表現為畸變條件下的功率及其傳播機制問題。因此，基於畸變功率條件下進行諧波源定位在物理機制和數學演繹上是更為客觀、合理和可行的方法。目前，關於電力系統諧波與功率相結合的方法，其主流方法是基於有功功率和無功功率的諧波源定位法。文獻(xuw，liuyl.aninvestigationonthevalidityofpower-directionmethodforharmonicsourcedetermination[j].ieeetransactionsonpwrd，2003，18(1)：214-219.)主要根據有功功率的方向來定位主諧波源。該方法簡單直觀、易於實現，但受pcc處兩側電壓相位影響較大，即：當兩側電壓相位差不滿足一定條件時，其結果的準確性嚴重降低。文獻(lic，xuw，tayjasanantt.acriticalimpedancebasedmethodforidentifyingharmonicsources[j].ieeetransactionsonpwrd，2004，19(2)：671—678.)提出無功功率定位法，通過無功功率方向判斷兩側諧波源的相對大小，對主諧波源進行定位。但該方法嚴重受限於無功功率值的大小，導致結果準確性不高。技術實現要素：本發明提供一種諧波源定位方法，提高了諧波源定位的正確性、精確性和實際操作性。為了達到上述目的，本發明提供一種諧波源定位方法，包含以下步驟：步驟s1、搭建公共電網的諾頓等效原理圖，根據疊加原理，將諾頓等效原理圖分解成系統側單獨作用時的等效電路圖和用戶側單獨作用時的等效電路圖；步驟s2、分別在pcc處對系統側電流值、用戶側電流值、以及公共耦合節點處的電壓值進行採樣，並採用道夫-切比雪夫函數窗對採樣信號進行離散形式處理，根據處理後的信號計算得到各階次諧波電壓有效值和諧波電流有效值；步驟s3、根據emanuel功率理論原理得到的k階諧波視在功率計算公式計算得到k階次諧波系統側諧波視在功率sks和k階次用戶側諧波視在功率skc；其中，vk是k次諧波電壓，ik是k次諧波電流，vh是h次諧波電壓，ih是h次諧波電流；步驟s4、比較k階次諧波系統側諧波視在功率sks和k階次用戶側諧波視在功率skc的大小，數值大的一側為主要諧波源。所述的道夫-切比雪夫函數的離散時域形式為：n為窗函數的離散採樣點，0<r<n-1，r為整數，a為控制旁瓣峰值，n表示為某個數字量，β為相位偏移角。本發明基於emanuel功率理論原理分別計算公共電網中系統側和用戶側的k階諧波視在功率，基於畸變功率條件下進行諧波源定位在物理機制和數學演繹，根據諧波視在功率大小來定位諧波源位置，並採用道夫-切比雪夫函數窗來提高測量精度，提高了諧波源定位的正確性、精確性和實際操作性。附圖說明圖1是含有背景諧波電壓的非線性負荷等效電路圖。圖2是基於emanuel功率理論視在功率分解圖。圖3是本發明提供的一種諧波源定位方法的流程圖。圖4是諾頓等效電路圖。圖5是系統側單獨作用時等效電路圖。圖6是用戶側單獨作用時等效電路圖。圖7是系統側和用戶側實測電壓圖。圖8是系統側和用戶側實測電流圖。具體實施方式以下根據圖1～圖8，具體說明本發明的較佳實施例。本發明主要以emanuel功率理論原理，基於分離基波功率與剩餘非基波視在功率，在剩餘非基波視在功率中繼續對h次諧波功率與其他功率進行分離，得到h次諧波(任意次諧波)視在功率大小作為諧波源定位的主要依據。根據ieee標準1459-2010功率理論，假定一個非線性負荷在含有背景諧波情況下穩定工作，其等效電路如附圖1所示，圖中，vs為含有背景諧波的電壓源，zs為線路等值阻抗，流過二極體的電流及其兩端的電壓分別如式(1)所示：其中，v為電壓有效值，i為電流有效值，h為諧波次數，ω為角頻率，α、β為電壓、電流相位偏移角，電流、電壓有效值分別定義為：其中，k為周期個數，t為周期值，τ為衰減時間常數。在理想情況下，電壓電流波形為周期性標準正弦波，但在實際電路中，由於電網接入大量非線性的電力設備，這些設備會向公共電網注入諧波電流或在公共電網中產生諧波電壓，從而導致電壓電流波形發生畸變。為了更好地對諧波進行研究，需要對功率進行分解，將基波產生的有功功率和無功功率與其餘功率進行分離十分必要。目前，國際上對功率分解主要的學派有：budeanu功率理論，fryze功率理論，czarnecki功率理論以及emanuel功率理論。無論是滿足功率守恆的budeanu功率理論還是具有清晰物理意義的fryze功率理論和czarnecki功率理論，它們均未明確出基波與諧波的關係。而利用emanuel功率理論對電力系統諧波進行研究的最大優點是把基波視在功率s1從視在功率s中分離出來，通過對非基波視在功率sn組成分析，更加全面地對諧波電壓和諧波電流產生影響進行定量地評估，這對諧波源定位具有重要意義。emanuel功率分解原理如圖2所示，視在功率s分為基波視在功率s1和非基波視在功率sn，基波視在功率s1分為基波有功功率p1和基波無功功率q1，。非基波視在功率sn分為基波電流與諧波電壓相互作用產生的電壓畸變功率dv、基波電壓與諧波電流相互作用產生的電流畸變功率di和諧波電壓與諧波電流產生的諧波視在功率sh。首先對電壓電流進行分解：式(3)中，v1為基波瞬時電壓，vh為諧波瞬時電壓，i1為基波瞬時電流，ih為諧波瞬時電流。在式(3)基礎上，可進一步得到電壓電流方均根值分解式：式(4)中，v1為基波瞬時電壓有效值，vh為諧波瞬時電壓有效值，i1為基波瞬時電流有效值，ih為諧波瞬時電流有效值。將式(4)中分解出的基波與諧波分別相乘，即對基波視在功率與非基波視在功率進行分離，得到式(5)：式(5)中，s1為基波視在功率，sn為非基波視在功率。基波視在功率s1的表達式為：非基波視在功率sn的表達式為：其中，基波電流與諧波電壓相互作用產生的電壓畸變功率為：dv＝vh·i1。基波電壓與諧波電流相互作用產生的電流畸變功率為：di＝v1·ih。諧波電壓與諧波電流產生的諧波視在功率為：sh＝vh·ih。其中，為了更加清楚地闡述所關注的k次諧波電壓與電流產生的k次諧波視在功率sk，按照emanuel功率分解原理，將k次諧波視在功率與剩餘的非基波視在功率進行分離，並將此作為所關注的k次諧波源定位的指標。其中，h表示任意次的諧波次數，k表示某個確定的諧波次數，pk＝vk·ik為k次諧波有功功率，式(7)中後三項與k次諧波電壓電流均無關。因此，得到k次諧波視在功率：根據式(8)可以清楚地看到，所關注的k次諧波視在功率sk是由諧波電壓vk和諧波電流ik與其他階次諧波電流電壓相互作用產生。因此，對諧波源定位的問題可轉換為對諧波源k次諧波視在功率sk進行求解。如圖3所示，本發明提供一種諧波源定位方法，包含以下步驟：步驟s1、搭建公共電網的諾頓等效原理圖(如圖4所示)，根據疊加原理，將諾頓等效原理圖分解成系統側單獨作用時的等效電路圖(如圖5所示)和用戶側單獨作用時的等效電路圖(如圖6所示)；其中，is是流過系統側的電流，zs是系統側等值阻抗，upcc是在公共耦合節點pcc處的具有背景諧波的電壓源，ic是流過用戶側的電流，zc是用戶側等值阻抗；步驟s2、分別在pcc處對系統側電流值、用戶側電流值、以及公共耦合節點處的電壓值進行採樣，並採用道夫-切比雪夫函數窗對採樣信號進行離散形式處理，根據處理後的信號計算得到各階次諧波電壓有效值和諧波電流有效值；由於採樣信號的有限性以及採樣周期的非同步性，在進行快速傅立葉變換(fastfouriertransform，fft)算法提取諧波分量時會產生的頻譜洩露和柵欄效應，直接影響測量數據的精確性；為了提高測量數據的精確度，需採用窗函數減少頻譜洩露，要求窗函數頻譜的主瓣儘量窄，旁瓣儘量小，消除柵欄效應的方法是採用頻域插值法；道夫-切比雪夫函數的離散時域形式為：n為窗函數的離散採樣點，0<r<n-1，r為整數，a為控制旁瓣峰值，n表示為某個數字量，β為相位偏移角；對採樣信號x(n)用切比雪夫窗截斷，根據卷積定理，對截斷信號進行fft變化並等間隔離散化，然後對其進行相位調整，滿足主瓣各譜線相位相同，同時旁瓣對應的各個譜線要近似滿足相鄰相位相反，最後通過對譜線進行疊加處理，減少旁瓣；步驟s3、根據emanuel功率理論原理得到的k階諧波視在功率計算公式計算得到k階次諧波系統側諧波視在功率sks和k階次用戶側諧波視在功率skc；其中，vk是k次諧波電壓，ik是k次諧波電流，vh是h次諧波電壓，ih是h次諧波電流；步驟s4、比較k階次諧波系統側諧波視在功率sks和k階次用戶側諧波視在功率skc的大小，數值大的一側為主要諧波源。依據本發明提供的提供一種諧波源定位方法，根據圖4所示諾頓等效電路圖，在matlab/simunilink搭建模型。根據疊加原理，當系統側電流源和用戶側電流源單獨作用時，分別在pcc處測量得到電壓電流，利用加道夫-切比雪夫函數窗的fft算法處理得到各階次諧波電壓電流值，代入式(8)分別得到系統側和用戶側的各次諧波視在功率，比較其值大小，對主諧波源進行定位。等效電路的對應參數設置如表1所示：表1仿真參數系統側用戶側3次諧波源/a12.7∠-35°21.3∠45°5次諧波源/a4.8∠100°3.7∠70°電阻/ω4.716電感/l20.338.5得到系統側和用戶側分別單獨作用時，電壓電流波形如圖7和圖8所示。以3次諧波為研究對象，通過加切比雪夫窗函數的fft算法，得到各次諧波電壓電流的有效值，帶入式(8)計算得到：ss3<sc3，即，對於3次諧波而言，用戶側為主要諧波源。在實驗室條件下，利用熱水壺，個人筆記本電腦，空調製冷模式狀態下穩定運行的情況下，接入同一pcc點，模擬接入公共電網的不同負荷進行簡單的諧波源定位實驗。用高精度波形記錄儀器(lemdl750)對電壓電流數據採樣測量。採樣頻率為10khz，每分鐘採樣一個點，每10個周波經過加切比雪夫窗的fft計算得到電壓電流有效值，得到諧波視在功率sk。以3次諧波為研究對象，採樣時間為1個小時，每分鐘採樣一個點，得到各負荷諧波視在功率變化圖，由圖可知，空調在製冷模式下穩定運行時，3次諧波視在功率最大，其次是個人電腦，熱水器的3次諧波視在功率最小。因此可以判定，製冷模式下的空調是3次諧波主諧波源。利用simulink仿真對諧波源定位，證明了該諧波視在功率指標的正確性。實測實驗對三種不同類型的負荷進行實驗，結果表明本發明所提指標具有實際操作性。本發明提高了諧波源定位的正確性、精確性和實際操作性。儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。當前第1頁12