（电力系统及其自动化专业论文）供电系统谐波辨识的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文供电系统谐波辨识的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：裤日期：业 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和研究意义 第一章引言弟一早jii 一个理想的电力系统和供电系统中，电能是以单一恒定的工业频率( 5 0 h z 或 6 0 h z ) 和规定的电压水平向用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流 应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 0 的对称状态。然而，实际上，一方面由于系统 各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性和对称的，负荷性质各异 且随机变化：另一方面随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业部门及家庭中的广泛应用，在居民的常用加电中，大部分电器设备都会产 生相当数量的谐波电压和谐波电流，如冰箱、空调、沈衣机、排油烟机、日光灯等， 因此这种理想状态在实际中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中 各种各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电，它包括频率、供电持续性、电压稳 定和电压波形【i ，2 】。关于电能质量问题还存在许多分歧和争论，主要表现在电能质量 问题发生的原因与责任上，供用电双方从认识和看法上往往存在很大的不同。例如， 配电系统普遍采用和经常遇到的电容投切操作，有可能引起暂态过电压而损坏用户 设备，也可能造成用户设备掉电，为此用电方会简单抱怨供电质量太差，以至于投 诉。又如，当电网某处发生短路故障，很可能在一些负荷公共连接点( p c c ) 出现不 同程度的短时电压凹陷，其结果造成某工厂的变频驱动装置掉电。由于目前电力部 门还缺少对类似现象的检测记录与统计，供电方可能会认为对该工厂的电力供应是 正常的。再如，由于用户电气设备硬件老化、软件不成熟或控制系统不可预知的错 误动作等等，可能会引起故障而使电能质量受到影响。美国乔治动力公司曾组织和 实施了一项对电力部门和供电部门关于电能质量问题起因的测验调查。虽然对电力 市场的质量调查还存在分类方法上的不同，但是调查数据清楚表明，电力公司和电 力用户对电能质量问题起因的看法有很大的分歧。尽管双方都把三分之二的事件起 因归咎于自然现象( 如雷电等) ，但用户仍然认为电力公司在这方面应付的责任比起 自我评测结果大的多。从中也可看到，引起电能质量问题的原因有时是多方面的， 因此不能简单地把某一事件只用一种特殊的起因联系起来。 近年来，谐波问题日益严重，严重影响了供电的质量，对电力系统的安全经济 运行造成严重危害。发达国家十分重视对电能质量的分析、监测与治理，而正确估 计电网背景谐波是检测与治理谐波污染的关键。随着我国国民经济的发展，这一问 题的重要性在以下几个方面显示出来： 1 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 西部大开发与西电东送中的谐波问题严峻。西部大开发要求发展高新技术产业 及用高新技术改造传统产业，对电能质量提出了严格的要求。国家( 省) 级电 网和地县小水电组成的地方电网并存且多数已实现联网，地方电网中高耗能用 户产生较高的电力谐波污染，因此必须解决在联络线端点判断各侧谐波源大小 问题。同样的问题在西电东送的超高压直流输电中也存在。 ( 2 ) 我国加入w t o 后在经贸法规方面将和国际接轨。目前不少外资与合资企业已经 对电能质量提出很高要求，但它们本身也可能是谐波源，因此对电能质量的一 个重要指标谐波水平的正确估计，对于划分责任、积极治理十分重要，否 则将面临高额诉讼赔偿。 ( 3 ) 城乡电网的改造成功，电网结构的日趋合理将在提高电能质量方面提出新的要 求。电能质量不仅是电网管理者的要求，也是电力用户和发电厂对电网的要求。 ( 4 ) 谐波治理中的安全与经济效益问题。正确估计各谐波源在电网中产生的谐波水 平对于确定采用分散或集中治理方式，治理规模与效果十分重要。 总而言之，以种较好的精确度和可靠性区分电网的背景谐波和用户产生的谐 波越来越必要。因此，进行电网背景谐波的辨识对谐波的管理和抑制具有重要意义。 为用户和电网双方责任公平合理的划分、电网谐波发射水平的评估，提供了新方法， 同时解决了由大量谐波测量装置引起的网络复杂化、投资费用大的问题。对提高电 能质量、缓解谐波污染具有现实意义。 1 2 国内外发展动态 信息社会对供电质量提出了新的挑战。从历史的发展来看，早在6 0 年代，国外 就已经开始认识到电能质量的重要性，并着手从事有关课题的研究。i e e e 和l e e 等 国际知名学术刊物上也发表了大量有关电能质量的论文，就电能质量的定义、分类、 数学分析手段、统计分析方法及在电力系统运行中的应用展开了较为广泛、深入的 探讨。 目前，各国在电能质量问题的研究方面，取得了一些进展，但仍有很多问题难 以解决或达成共识。其中较为突出的问题有：电能质量的定义及以此为基础的电能 质量等级的划分；对各瞬变量的实时检测及有效补偿；为改进电能质量问题，电站、 用户及装置生产厂家之间的合作与调协：合理的电能质量评估体系的建立等。为解 决这些难题，科研工作者通过不懈的努力，对一些问题提出了独到的见解，研制出 一些新型试验装置。日本、美国、德国等发达国家投入运行的试验装置已取得了预 期的效果。 在电力市场条件下，用户与供电企业都在追求自己的最大利益。传统的电力企 2 华北电力大学硕士学位论文 业管理将供电质量和供电部门可靠性分开来进行指标统计，分属不同的部门管理。 电力的高质量、高可靠性也没有作为电价的参考因子，在电力市场建立的过程中， 目前的电价组成会受到来自市场规律的挑战。从英国、美国、法国、日本等电力发 达国家的经验来看，对供电质量和可靠性有不同要求的同一电压等级用户其电价是 有差别的。这就要求电力企业在制定电价和收费时需要参考供电质量和可靠性数 据。而要求高质量供电的用户几乎也是要求高可靠性的用户，要求高可靠性的用户 几乎也是要求高质量供电的用户，在电力市场中，电力作为一种商品，其质量的标 准就由市场自动定义，包括了目前传统的供电质量和供电可靠性指标。我国目前电 能质量国家标准中尚无名确的将供电可靠性纳入其中，这将会给电力作为商品进行 供方评价时给用户带来标准概念的模糊，从一定程度上会影响电力企业的服务效 果。完善和健全电力作为商品的质量标准，将使对电力供应条件苛刻的用户得到想 要的电力供应，电力企业也从电力市场的价格上得到相应的回报。 谐波管理也是电能质量管理的一个方面。开展谐波治理是进行谐波管理的一个 重要环节。电力法中明确规定：“谁污染，谁治理”，但是目前谐波治理过程中 遇到谐波超标的用户不进行谐波治理的问题，电能质量管理部门依然无法很好的解 决。因为缺乏进一步实行惩罚性的依据，通常电能质量管理部门只好下一个“限期 整改通知单”，但用户依然拒绝治理，就使电能质量管理陷入两难境地。在国家尚 未对有关谐波超标如何罚款或停电治理的情况下，为了避免产生和谐波超标用户发 生争执，在用户接火供电以前进行谐波鉴定工作显得相当的重要。一些供电容量较 大的专线供电客户，在其接火供电前，电能质量管理部门参与相关变电工程的规划 或设计审查，对其进行谐波鉴定工作，一方面为客户提供年谐波治理的依据，另一 方面也免去了不少必要的麻烦。同时，对于已经投入或是即将投入的谐波发射用户， 也应该按照其生产谐波对系统谐波污染的不同情况予以相应的评估，并给予其相应 的奖励或者惩罚。 文献【3 ，4 ，5 ，6 ，7 】对谐波阻抗的“非干预”估计方法进行了介绍。文献【3 】给出了基 于二元线性回归的谐波阻抗估计法。该方法是在公共连接点谐波电压、谐波电流基 本稳定( 平稳谐波) 的条件下，以公共连接点谐波电流、谐波电压测量参数为观测 数据，根据系统和用户等值电路推导的回归方程求取系统谐波阻抗。文献【4 】提出了 在系统侧是平稳随机的情况下，运用反复加权进行最小二乘迭代的稳健回归分析方 法来估计谐波阻抗的方法。该方法能有效地排除异常数据的干扰，具有较好的稳健 性。文献【5 】提出了利用参考阻抗和等值电流源的思想把系统侧和用户侧谐波电流对 公共连接点谐波电压的贡献的方法进行介绍。其核心思想是利用谐波阻抗相对参考 阻抗的变化转换为谐波等值电流的变化。在电网系统侧，参考阻抗为根据电网资料 确定的系统阻抗：在用户侧，参考阻抗为根据负荷资料确定的用户阻抗。由于通过 3 华北电力大学硕士学位论文 系统侧与用户侧运行资料确定的参考值与实际运行值存在较大偏差，因而估计存在 很多问题。文献 6 】提出负荷支路的诺顿等值法，但它把系统侧支路用戴维南等值电 路等效，这造成系统侧参数的计算非常繁琐，有时甚至无法求出。文献 7 同样根据 系统侧与用户侧等值电路讨论了多种谐波发射水平的估计方法，最后提出了较为实 用的谐波阻抗估计方法“波动法”，依据公共连接点谐波电压与谐波电流的变化计 算两侧谐波阻抗，该方法现已被法国电网采纳实施。文献【8 从负荷的角度来研究负 荷支路对谐波污染的贡献。文中把负荷分为畸变负荷和非畸变负荷。畸变负荷指引 起电压波形畸变的负荷。非畸变负荷指在电压波形畸变情况下不引起电压变化的负 荷。畸变负荷又分为三种：良性畸变负荷、非良性畸变负荷和畸变源负荷。良性畸 变负荷是指在谐波畸变环境下降低谐波水平的负荷，非良性畸变负荷是指在谐波畸 变环境下使谐波水平上升的负荷。畸变源负荷指即使在正弦电压下，电流波形也发 生畸变的负荷。由于线路阻抗的作用，电压也产生畸变。文中分6 种情况对谐波扰 动进行了分析，虽然没能真f 识别扰动源，但是对谐波扰动进行了有意义的探索性 研究。文献【9 对使用统计工具估计用户谐波发射水平的必要性进行了介绍。文献 1 0 】 对谐波阻抗的实际估算方法进行了介绍，而谐波阻抗的估计对于计算公共连接点谐 波电压极为重要。 1 3 谐波问题概述 1 3 1 谐波产生的原因及危害 谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍。参照国 际电工委员会( i e c ) 标准规定，将谐波按其波动性质分为四类：准稳态( 慢变化) 谐 波；波动谐波；快速变化的谐波：间谐波( i n t e rh a r m o n i c ) 矛d 其它虚拟成分。 目前，在现代工业中，电力系统波形畸变主要来源于两大因素。第一，r ，l ， c 元件的非线性。当正弦电压加在非线性电路上时，电流就变成非e 弦波，非正弦 电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。当然，非正弦电压加在 线性电路上时电流亦是非正弦波。第二，大量使用的电力代电子装置会带来波形的 畸变。配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设 备不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性等用电特性对用电质量造成了 严重污染：随着非线性用电设备越来越多，所产生的高速谐波电流大量注入电网， 使电网电压正弦波形产生畸变，电能质量下降。 谐波源一般有下面几类： ( 1 ) 发电机等旋转设备 主要是旋转设备结构设计上的问题产生谐波，如锯齿波，包括铁芯饱和造成的低次 4 华北电力大学硕士学位论文 谐波。但由于这类设备产生的谐波量少以及技术设计水平在不断提高，已逐步有所改善。 ( 2 ) 变压器 变压器和饱和电抗器产生的高次谐波是铁芯饱和造成的，一般产生的是三次谐波 和五次谐波电压畸变，数量最多的是三次谐波。 ( 3 ) 各种可控硅整流负荷 以电动机为代表的单相整流装置，要产生大量的三次谐波。 ( 4 ) 钢铁工业用的电弧炉，化学工业用的电石炉等各种电炉负荷。 ( 5 ) 电视机、除尘器、空调等低压负荷。 ( 6 ) 随着机器操作而出现的瞬变现象。 谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非线性设 备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能，并将其中一部分工频能转换为各次谐波 能量向系统回送的过程。 高次谐波是电力系统的一种“污染”，目前，它同益成为电力系统运行中的严重问 题。 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系统环境造成了严重污染，影响 到整个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户，而且其污染影响的范 围大、距离远，可能比一个工厂对大气环境的污染距离还要远、范围还要大。谐波 污染对电力电网的危害是严重的，初步归纳起来主要有： ( 1 ) 对旋转电机( 发电机和电动机) 产生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩噪声。 此外由整流器供电的电机可引起明显的电压畸变。 ( 2 ) 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或 过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。国内外在这 方面的教训是深刻的，国内许多电力系统和用户系统内部都发生过无功补偿电 容器组无法投入运行，大批电容器损坏的事故。 ( 3 ) 对供电网和导线的影响，增加供电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，损耗 更加严重。 ( 4 ) 对断路器和熔断器的影响。电流波形的畸变明显影响断路器短路容量，当存在 负荷电流畸变时，在过零点时可能造成高的d i d t ，比电流为正弦波时开断将更 为困难，而且由于开断时间延长而延长了故障电流切除时间，因而造成快速重 合闸后的再燃( r e i g n i t i o n ) 。熔断器是由于发热而熔断的，它们对谐波过流集肤效 应引起的发热效应很敏感。 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 对变压器的影响。负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降 低了其带负荷能力。其它如变压器电感与系统电容之间，可能在谐波频率点发 生谐振和温度周期变化，引起机械绝缘应力及铁芯振动，产生附加损耗使变压 器降低了带负荷的能力。 ( 6 ) 谐波畸变对电子设备的主要影响表现在以下三个方面： a ) 谐波畸变的结果产生多个过零问题，这种多个过零会破坏设备的运行，最明 显的是数字时钟，任何应用过零原理同步元件都应考虑这种影响。半导体器 件经常在电压过零时投入，以降低电磁干扰和涌流，多次过零会改变器件投 入时间，破坏设备运行。 b ) 电力电子电源使用波形的峰值以维持滤波电容器的全充电。谐波畸变可提高 或削平波峰的峰值，其结果是即使均方根的输入电压是正常的，电力电源将 运行在高的或低的输入电压下，严重时设备运行可能遭到破坏。 c ) 电压陷波也会破坏电子设备的运行，电压陷波不过零但影响过零敏感的设 备。 ( 7 ) 对照明的影响。电压畸变对白炽灯寿命有一定影响，如运行电压的均方根值由 于谐波畸变而高于额定值时，灯丝温度升高而降低灯泡寿命。 ( 8 ) 对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动。尤其是一些衰减时间 较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值强大，谐波含 量也很大，更容易引起继电保护的误动作。 ( 9 ) 对仪表和电能计量的影响。现代指示均方根的电压表和电流表相对地不受波形 畸变的影响。受谐波影响较大的计量电能的感应型电能表，其误差与频率特性 和非线性度造成的误差有关。 ( 1 0 ) 对通信的干扰。谐波通过电磁和静电感应干扰音频通讯。通常2 0 0 5 0 0 0 0 h z 的 谐波引起通讯噪声，降低通信质量；而千赫以上的谐波导致电话回路控制信号 的误动，使信息丢失，通信系统无法正常工作。 由于谐波危害十分严重，2 0 世纪九十年代初期以来国内外许多国家都开始进行 谐波补偿方法与装置的研究。 1 3 2 谐波研究现状及意义 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已奠定了良 好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。 谐波问题是电能质量问题的一个重要方面，对电力系统谐波问题的研究由来已 久。早在2 0 世纪2 0 3 0 年代，德国科学家就已经提出了静止换流器( 汞弧换流器) 6 华北电力大学硕士学位论文 所产生的波形畸变问题。到2 0 世纪5 0 6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展， 对换流器( 晶闸管阀) 谐波问题的研究有大量文章发表。7 0 年代以来，一方面，由 于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中 的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。另一方面，随着社会对电能质量 的要求越来越高，人们对谐波问题的重视程度也越来越高，仅次于对频率偏移和电 压偏移的重视。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，目前，不少国家已先 后制定出适合本国国情的限制电力系统谐波的标准。 我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。近年来，随着电力系统谐波产生的影响 越来越大以及人们对谐波的认识越来越深，对电力系统谐波的研究也就越来越广 泛，涉及到了很多方面，并同时作了很多细致而深入的工作。国内外有关谐波的文 献也逐渐增多，其研究内容主要包括：畸变波形的分析方法、谐波潮流分析、谐波 阻抗的计算方法、谐波源分析、谐波测量及各种谐波电流量的测量方法及手段、谐 波补偿和抑制、谐波测量标准等问题。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输 和利用效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命降 低，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波 含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使 电能计量出现混乱。对电力系统外部，谐波会对通信设备和电子设备产生严重干扰。 其次，谐波研究的意义还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技 术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机 技术一起成为本世纪最重要的两大技术。 成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。 波问题进行更为有效的研究。 然而，电力电子装置所产生的谐波污染己 它迫使电力电子研究领域的人员必须对谐 最后，谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度 来认识，对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色电力电子”的主要标志之一。 在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子 的呼声也日益高涨。目前，对地 球环境的保护己成为全人类的共识。对电力系统谐波的治理也已成为电工技术界所 必须解决的问题。 1 3 3 谐波测量的作用及常用测量方法 谐波问题涉及的面很广，包括畸变波形的分析方法、谐波源分析、谐波测量及 各种谐波电流量的测量方法及手段、谐波补偿和抑制、谐波测量标准等问题。谐波 测量是谐波问题的一个重要分支，它是谐波问题研究的主要依据，也是研究分析问 7 华北电力大学硕士学位论文 题的出发点。 而谐波测量在电力系统中的具体作用表现为以下几点： ( 1 ) 检定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定。包括所有谐 波源用户投运时的测量。 ( 2 ) 电气设备调试、投运时谐波的测量。如发电机、变压器、线路、电抗器及电容 补偿装置等投运前、后的谐波水平及其变化。检验谐波对有关设备的影响，确 保投运后系统和设备的安全、经济运行。 ( 3 ) 谐波故障或异常原因的测量；为了分析各种谐波故障或异常原因以及采取相应 的对策的各种测试和分析。 ( 4 ) 谐波专题测试，为了分析、研究及工程技术上的需要进行专题性的特殊实验。 如谐波源特性，系统谐波阻抗，谐波潮流，谐波谐振和放大等。 因此，谐波测量是保证电力系统安全、稳定、经济运行的重要技术。 常用的谐波测量方法有以下几种 】： ( 1 ) 采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波。 最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用陷波器将基波电流分量滤除，得到 谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该检 测方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易于控制。但该方法也 有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获 得理想的幅频和相频特性，当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的 谐波电流中含有较多的基波分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。 ( 2 ) 基于傅立叶变换的测量方法。 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法，它由离散傅立 叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。模拟信号经采样，离散化数字序列信号 后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得 更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等，各种分析计算 结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。使用此方法测量谐波精度较高，功能较多，使 用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，计算时间长， 从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，即使采样频率满足 了奈奎斯特定理，但如果不是同步采样，就将带来泄漏效应以及栅栏效应，使算出的信 号参数即频率、幅值和相位等不准，尤其是相位误差很大，从而无法满足准确的谐波测 量要求，因此必须对算法进行改进。 减少频谱泄漏的方法主要有3 种： 8 华北电力大学硕士学位论文 a ) 加窗插值算法。通常要求窗函数主瓣窄，旁瓣宽，旁瓣衰减快。在实际测量过程中， 通常选用矩形窗插值算法和海宁窗插值算法。下面给出海宁窗插值算法计算幅值 a m 和相角m 的计算公式： a 。一2 n x m ( 1 、- ，x m ) e j n x ( 1 + x 。) g ( l m a f ) s i n 兀k m 。= a r c t a n ( i m ( a 。) r e ( a 。) ) ( 1 一1 ) ( 1 2 ) 此方法不但能减少频谱泄漏，还能在一定程度上消除“栅栏效应”，在精确计算出 各频谱同时，还能得到各次谐波的相角，但由于计算量过大，不适于进行在线测量。 b ) 修正理想采样频率法。该方法是通过修正实际采样序列x ( n ) 来得到理想采样频率下 的x o ( n ) ，修正公式为： x o ( n ) x ( n ) + 兰 x ( n ) 一x ( n - i - n ) n = 0 ，l ，2 ，m l ( 1 3 ) i n 该方法计算量不大，并不需要添加任何硬件，实时性较好，适合在线测量。但只能 减少泄漏的5 0 。 c )利用频率同步装置减少频谱泄漏。利用硬件装置实现频率同步装置很多，下面给出 利用数字式锁相器( d p l l ) 实现频率同步的框图如图1 1 图i 1 数字式锁相器实现频率同步框图 图中带通滤波器用来滤除噪声干扰，数字式相位比较器把取自系统的电压信号的相 位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较。当失步时，数字式相位比较器输 出与二者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输 入频率和反馈信号频率同步为止。一旦锁定，便将跟踪输入信号频率变化，保持两者的 频率同步，输出的同步信号去控制对信号的采样和加窗函数。这种方法如果配合窗函数 使用，适当加大窗宽，能有效减少泄漏。并且实时性较好，适合在线测量，但需要添加 硬件，花费太大。 以上三种方法各有优缺点，在进行测量时，根据实际情况选择。 ( 3 ) 基于瞬时无功功率理论的测量方法 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 提出的瞬时无功功率理论是将三相电路各相电压和电流 的瞬时值e 。、e b 、e e 和i 。、i b 、i 。变换到a d 两相正交的坐标系上研究。变换关系如下： 9 华北电力大学硕士学位论文 三：=(：32三i；：=：(：32i c ，z l ， 其中 c ，：= 捌一- - 3 卜f 1 历- 1 2 一- 1 孤2l 在0 【d 平面上，可以解得三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) ： = = 三：嫦1 m 5 ， 以此为基础的谐波电流的检测方法有p q 法和i p - i q 法。这2 种方法都能准确的测量 对称的三相三线制电路的谐波值。i p - i q 法适用范围广，不仅在电网电压畸变时适用， 在电网电压不对称时也同样有效。而使用p q 法测量电网电压畸变时的谐波会存在较 大误差。这2 种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量( 基波正序无 功分量、不对称分量及高次谐波分量) 的测量电路比较简单，并且延时小。缺点是 文献【1 5 】在分析傅立叶瞬时功率定义的基础上，提出了建立在平均功率基础上 的瞬时无功和谐波电流检测的理论，并提出了相应的检测电路。这种算法的物理意 义明确，实现电路简单，检测精度较高，实时性比较好，适用于对称和不对称电路。 分析电力系统谐波的方法大多是傅立叶变换，对于确知信号和平稳随机过程， 傅立叶变换是信号分析和信号处理技术的理论基础，发挥了重大作用。但是，傅立 叶变换有其明显的缺点，那就是没有时间局部信息，小波变换克服了傅立叶变换这 种在频域完全局部化而在时域完全不局部的缺点，它是一种窗口大小( 即窗口面积) 固定但时间窗和频率窗均可改变的时频局部化分析方法。在低频部分具有较高的频 率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分 文献【1 6 】通过对含有谐波的电流信号进行正交小波变换，将原序列信号分解成 不同频域的子序列信号。同时分析了电流信号的各个尺度的分解结果，并根据多分 辨思想，将高尺度的变换值看作不含谐波的基波分量。基于这种算法构成的谐波检 人工神经网络( a n n ) 是由一些称之为神经元的基本单元按一定规律互联而成的自 它具有人工神经网络的一些基本特征，诸如信息分布式存储、自适应和自学习等功 华北电力大学硕士学位论文 能。由于这些特征，a n n 已成功地应用于信号处理、模式识别、自动控制、人工智能和 优化计算等方面。神经网络应用于电力系统谐波测量尚属起步阶段。它主要有3 方面的 应用：谐波源辨识：电力系统谐波预测；谐波测量。将神经网络应用于谐波测量，主要 涉及网络构建、样本的确定和算法的选择，目前已有一些研究成果。文【1 7 】根据信号处 理中的自适应噪声对消技术和单个神经元的基本特点，结合谐波电流动态监测的要 求，设计了二级a n n 谐波电流动态检测系统。该系统结构简单，算法易实现。仿真 研究表明，该系统能在线检测非线性负载的谐波电流，且具有很高的精度，证实了 所提方法的有效性。该系统能同时检测多个谐波参数，可广泛应用于电力系统的实 时监测，也可检测有源滤波器或有源、无源混合滤波器进行谐波动态补偿时的谐波。 通过以上方法的分析介绍，带通滤波是早期模拟式谐波测量装置的基本原理：傅 立叶算法是目i i _ l l 波测量中最基本的方法，广泛应用于谐波测量仪器当中：瞬时无 功功率理论可用于谐波的瞬时检测，也可用于无功补偿等谐波治理领域。小波分析 方法和神经网络理论是目前谐波测量方法的热门问题，是目前正在研究的新方法、 新理论，它可以提高谐波测量的实时性和精度。随着电网中非线性负荷的增多，谐 波污染同益严重。今后的谐波测量算法应该从简单的函数分析方法向复杂的数值分 析和信号处理方向发展，同时这些算法应该是智能化的。传统功率理论体系中，单 相电路与三相电路的功率定义往往互相独立，其定义的物理意义也很不明确，因此 急需建立一套能将传统功率理论包括在内、物理意义明确的通用功率理论，并将新 理论应用于谐波测量中，使谐波测量在实时性和精度方面取得突破。 1 4 本文主要工作 本论文的研究主要立足于系统辨识理论，在电网背景谐波辨识方面有所突破。 根据某两个变电站实测的谐波电压和谐波电流数据，对系统的背景谐波电压进 行准确辨识。由于目前现有的谐波测量器件一般所能测得的谐波电压和谐波电流数 据是有限的( 一般最多只能测得3 个谐波电压和3 个谐波电流数据) ，如何利用有 限的尽量少的谐波测量数据，对系统背景谐波电压进行准确辨识是本文的主要研究 内容。 本文采用的数据是某两个变电站系统各自a 、b 两段母线上a 、b 两点处测得的 a 、b 、c 三相的谐波电压和谐波电流数据一一谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波 电流幅值、谐波电流相位，谐波次数是直流分量、基波、二次谐波十九次谐波。 由于电力系统中高次谐波含量很小，而且谐波测量仪存在一定的测量误差，因此高 次谐波的数据误差较大。因此，我们只研究3 次、5 次、7 次谐波。 主要工作包括三个方面： 华北电力大学硕士学位论文 1 分析处理实测的谐波电压和谐波电流数据，根据电力系统的基本原理，列写 相关方程，对系统背景谐波电压进行辨识； 2 在背景谐波电压辨识的基础上，利用功率谱分析法求解谐波阻抗，分析计算 结果； 3 根据谐波阻抗，判断谐波电流方向是注入系统还是流向用户。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章背景谐波辨识 弟一早 同京增汲秽千状 2 1 背景谐波电压辨识的意义 近年来，随着电力电子技术的飞速发展，电力电子装置在电力系统中的应用日 益广泛，这使得电力系统的谐波污染问题日益严重，严重影响了供电的质量，而现 代社会的快速发展对电能质量的要求越来越高，所以公用电网的谐波污染问题越来 越得到重视。随着电力市场的快速发展，供电公司必须保证供电的可靠性、供电质 量和服务水平，对超标用户强制拉闸是行不通的，因此为了更有效的控制公用电网 中的谐波污染，国际上提出了一种“奖惩性方案”。它的基本思想是：系统与用户 在额定的范围内正常交易，如果系统不能保证供电质量，用户吸收了系统中额外的 谐波功率，则系统应给予用户一定的补偿和鼓励；如果用户的污染指标恶化，则系 统在保证向用户j 下常供电的前提下，要收取额外的惩罚费用。这种奖惩性的供电方 案，可以体现出系统和用户对电能质量状况的共同责任，能够对电能质量进行合理 的控带1 2 2 , 2 3j 。 虽然r 奖惩性的供电方案，可以体现出系统和用户对电能质量状况的共同责任， 能够对电能质量进行合理的控制，但是这种方案还有很多的问题需要解决。目前技 术方面主要有两个难点： ( 一)合理分清用户、系统对公共联接点电能质量恶化的责任，并且能量化用户的 污染功率。 ( 二)合理的解决在系统运行方式变化的情况下，用户对谐波注入功率发生变化应 负的责任。 但是，在复杂的电力系统中，除了个别大型的谐波源负荷能确定其位置外，系 统中还有许多由不同类型和容量的用电设备按照一定的网络结构组成的综合谐波 负荷，这样在实际应用中检测点将受到一定的限制，实际测量出来的谐波数据是用 户非线性负荷产生的谐波电压和电网背景谐波电压之和，它不能对二者进行区分， 不利于用户和系统双方责任的划分。所以对电力系统背景谐波电压的辨识对公平、 合理的区分系统和用户各自谐波发射水平，明确双方责任具有重要意义，有利于电 力系统谐波污染的治理。 此外，在电力系统的谐波抑制中，单调谐滤波器是应用最早和最广泛的装置。 随着电气化铁道的发展，单调谐滤波器也逐渐在牵引变电所中得到应用。安装单调 谐滤波器的目的，是减少由于负载电流中丰富的谐波分量所引起母线电压和电源电 流的畸变。在设计滤波器时，通常都是根据相应的谐波标准，计算考核在负载端安 13 华北电力大学硕士学位论文 装所设计滤波器后公共连接点处谐波电流和谐波电压的畸变率。这种设计方法是基 于公用电网所提供的电压是纯正弦的，没有考虑电网背景谐波电压的影响。而实际 的公用电网电压并非纯正弦的。因此用此种方法设计的某一公用母线上，单调谐滤 波器可以正常工作，但是将其装入其他公用母线中则滤波率降低，甚至由于谐波分 量的放大有可能会被烧毁。其中很重要的原因就是忽略了电网背景谐波电压的存 在。因此，电力系统背景谐波电压的辨识有利于对电力系统单调谐滤波器的研究， 对电力系统的谐波抑制有重要意义。 总而言之，电网背景谐波的辨识对谐波的治理和抑制都具有重要意义。 2 2 本文背景谐波辨识的基本原理 由畸变负荷产生的谐波不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重 消弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”。电力监督部门所制定的谐波 发射水平限制有利于保证电网的f 常运行以及各用户的利益。但是，由于在公共连 接点的谐波测量值是由系统本身的背景谐波电压和当前用户产生的谐波电压之和， 因此，对系统本身背景谐波电压的辨识，有利于谐波的监督治理。 本文根据实测的谐波电压和谐波电流数据，对系统的背景谐波电压进行准确辨 识。由于目前现有的谐波测量器件一般所能测得的谐波电压和谐波电流数据是有限 的( 一般最多只能测得3 个谐波电压和3 个谐波电流数据) ，如何利用有限的尽量 少的谐波测量数据，对系统背景谐波电压进行准确辨识是本文的主要研究内容。 本文以简单的供电系统作为研究对象，如图2 1 ： 11 0 k v 图2 1 一个简单的供电系统 本文采用的数据是某两个变电站a 、b 两段母线上a 、b 两点处实测的a 、b 、 1 4 华北电力大学硕士学位论文 c 三相的谐波电压和谐波电流数据，一个变电站的测量数据是1 6 个测量点，一个变 电站的测量数据是7 2 0 个测量点，实测数据为谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波 电流幅值、谐波电流相位，谐波次数是直流分量、基波、二次谐波十九次谐波。 由于电力系统中高次谐波含量很小，而且谐波测量仪存在一定的测量误差，因此高 次谐波的测量数据误差较大。因此，我们只研究了系统3 次、5 次、7 次背景谐波 电压的辨识。 根据电力系统的基本电路原理，设默认谐波电流方向为系统流向用户，所以得 出测得的谐波电压等于系统背景谐波电压与用户产生的谐波电压之和。由于用户的 谐波阻抗远远大于系统谐波阻抗，所以用户产生的谐波电压就等于所测得的谐波电 流乘以系统谐波阻抗，我们可以列写如下方程： r j 刈m “( 2 - 1 ) 【u - h - u b s h + v ” r j j v “屺“( 2 - 2 ) 【v b , = i b , + z b h 注：ua h 、u 。、i 。、i 。为实测的变电站a 、b 两段母线上a 、b 两点处的谐波电压、 谐波电流数据： u 。、( j m 为变电站a 、b 两段母线上a 、b 两点处的系统背景谐波电压： v 。n 、v 。h 为用户产生的谐波电压； z n 、zb 为系统谐波阻抗； 我们假设a 、b 两段母线上a 、b 两点的背景谐波电压和系统谐波阻抗相等， 根据以上条件列方程 r j u “萨u bs“(2-3) 【z “= z “ ( 2 - 3 ) 联立得如下方程组： r j u s h2 执s h2 仉(2-4) i z 曲= z 孙= z “ r j u n2 u 卅1 ah+z“(2-5) i u - n = o 幽+ i n + z “ 1 5 华北电力大学硕士学位论文 注：u 幽为变电站a 、b 两段母线上a 、b 两点处的系统背景谐波电压； z n 为变电站a 、b 两段母线上a 、b 两点处的系统谐波阻抗； 根据以上所列写的方程组，利用m a t l a b 进行编程计算【2 5 2 7 】，并将其用图形显 示。分析计算结果。看到有时系统背景谐波电压会发生突变，这是由于系统运行方 式的变化或谐波测量数据的误差引起的。 2 3 系统背景谐波电压计算结果 1 6 个测量点的变电站的系统3 次、5 次、7 次背景谐波电压含有率计算结果如下图： 3 次系统背景谐波电压含有率 5 次背景谐波电压含有率 图2 2 3 次系统背景谐波电压含有率图2 35 次系统背景谐波电压含有率 s 籁 娘 1 m 趟 铆 蜒 兰正 鹱 嚣 7 次背景谐波电压含有率 图2 47 次系统背景谐波电压含有率 1 6 华北电力大学硕士学位论文 7 2 0 个测量点变电站的系统3 次、5 次、7 次背景谐波电压的含有率计算结果如下图： 零 耧 众 l m 趟 御 型 兰皿 p 唧唾 叱 f r l 零 籁 太 陋 龃 脚 髦 兰皿 ，r 上 叫峨 叱 举 u 1 3 次系统背景谐波电压含有率 图2 53 次系统背景谐波含有率 5 次系统背景谐波电压含有率 图2 65 次系统背景谐波电压含有率 1 7 华北电力大学硕士学位论文 7 次系统背景谐波电压含有率 2 4 本章小结 图2 77 次系统背景谐波电压含有率 本章通过假定变电站系统的a 、b 两段母线上的系统背景谐波电压和系统谐波阻 抗相等，根据两个变电站的实测谐波电压、谐波电流数据对变电站系统的背景谐波 电压进行了辨识，通过辨识，发现系统3 次背景谐波电压含有率比较高，最大值接 近9 ，5 次相对较小，最大值不到6 ，7 次背景谐波电压含有率最小，最大值都不 到2 。观察辨识结果还发现系统背景谐波电压含有率有时会发生突变( 突然变大或 突然变小) 这可能是由于系统的运行方式发生变化引起的。通过对系统背景谐波电 压的辨识，我们可以更加公平、合理的区分系统和用户双方各自的谐波发射水平， 从而根据国际谐波限值标准来衡量系统背景谐波电压是否超标，再依据奖惩性制度 对用户进行奖励或惩罚，更好的对电力系统的谐波污染进行治理。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章系统谐波阻抗的辨识 3 1 谐波阻抗辨识的意义 上世纪7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力 系统、工业部门及家庭中的应用日益广泛，导致谐波所造成的危害日趋严重，世界 各国都对谐波问题予以充分的关注，定期召开有关谐波问题的学术讨论会，国际电 工委员会( i e c ) 和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组研究相关问题并制定 各种谐波标准。日益突出的谐波污染问题对电力系统的安全经济运行造成严重危 害。发达国家十分重视对电能质量的分析、监测与治理，而正确估计各个电网、用 户在公共连接点一一p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ( p c c ) 产生的谐波发射水平，是监测 与治理谐波污染的关键。 首先，为了估计谐波源谐波发送水平，就需要知道公共连接点处的系统侧谐波 阻抗或是用户侧谐波阻抗，并且由于谐波电流反映了非线性负载的特点，因而通常 用电流而不是电压表示谐波发送限值，为了将注入谐波电流转换为谐波电压也需要 知道系统的谐波阻抗。此外对系统谐波阻抗的了解有助于电力系统的建模与仿真以 及增加与更改系统设备。基于这一必要性，现在在国际上和国内也产生了相当的测 量、计算谐波阻抗的方法以及测量谐波阻抗的新设备。 再次，为净化系统、消除谐波的危害，就要采取必要的措施降低电网的谐波电 压或减少进入系统的谐波电流，使达到或接近可以接受的水平。通常是利用电路谐 振的基本原理安装滤波器来抑制高次谐波。滤波器不是独立的，而是和作为谐波源 的非线性负载以及交流电网并联在一起工作的。因此，对系统谐波阻抗的辨识能更 好的设计和优化滤波器的参数，以达到满足要求的滤波效果。 最后，谐波的一个重要的危害就是谐振，电力系统的局部并联谐振或串联谐振 将引起过电压和过电流，这就需要避免或减小电力系统的局部谐振。这就需要确定 电力系统的谐波阻抗的构成，确定谐波电流和谐波电压在供电系统中的分布，根据 各个支路谐波阻抗的性质和大小，来检验有无谐振情况的发生，以避免发生严重谐 振造成巨大危害。 电力系统的谐波阻抗的辨识对电力系统的谐波的渗透分析、滤波装置参数的优 化设计、电力系统的安全运行设计等都具有重要意义。然而，辨识网络谐波阻抗本 身是一项复杂而困难的工作，此外由于网络知识的欠缺以及谐波阻抗随着网络元件 和系统运行条件的变化而变化，更增加了辨识谐波阻抗的难度。因此，如何提高系 统谐波阻抗辨识的精确度以及找到一种可应用范围较广的辨识方法有十分重要的 1 9 华北电力大学硕士学位论文 意义。 本文对电力系统谐波阻抗的辨识方法进行了探讨、分析。在分析了常用谐波阻 抗辨识方法的基础上，本文根据功率谱分析原理提出了基于功率谱分析的系统谐波 阻抗辨识方法。通过具体实例验证了其有效性。 3 2 谐波阻抗辨识的常用方法 阻抗辨识方法按照其应用特点基本可以分为两类：干预式”( i n v a s i v e ) 方法， 主要包括注入法，丌关元件法：以及“非干预式”( n o n i n v a s i v e ) 方法，包括波动量 法，双线性回归法。 3 2 1 谐波阻抗辨识的一般原理 所示 谐波阻抗辨识的基本原理比较简单，也就是简单的欧姆定律。原理图如图3 1 1 一 1 n l u n 2 图3 1 谐波阻抗辨识原理图 图3 1 中，方框n 2 代表非线性负荷，方框n 1 代表的是除了这个负荷之外的整个 线路。对于基波( 工频) 来讲，n 2 是负荷，而对于谐波来讲，n 2 的作用如同一个电 源，nl 反而成为这个谐波电源的负荷。当n 1 中的阻抗元件是线性元件时，而且当 n 1 只含工频电源时，n 1 对于各个高次谐波所呈现的阻抗是一个定值，因此可以定义 谐波阻抗z ( h o ) 为 z ( h ( i ) ) ：旦堕，h l ，h ：正整数( 3 - 1 )7 i ( h o ) 7 。、 7 式中 u ( h c 0 ) 、i ( h o ) 分别代表图3 1 中的电路中的电压u ，电流i 的h 次谐波相量； h 为谐波次数。 3 2 2 谐波阻抗辨识的常用方法 ( 1 ) “干预式”谐波阻抗辨识方法 “干预式”方法，就是通过影响系统的运行状况，产生在正常情况下该系统所 不含有的( 或含量很低) 谐波电流，并利用该次谐波电流和该次谐波电压估计系统谐 波阻抗的方法。根据谐波电流来源的不同“干预式”法又可分为“注入法”和“开 关元件法”。 9 0 华北电力大学硕士学位论文 a ) 注入法 “注入法”通过向系统强迫注入谐波电流或间谐波电流来测量系统谐波阻抗。 其基本原理是在要测量( 间) 谐波阻抗处注入( 间) 谐波电流，如果求出的是间谐波阻 抗，则用插值法可求得所需频率的谐波阻抗。谐波电流源一般是特制的间谐波电流 发生器，也可以通过向变压器的中性点注入直流电流使之饱和从而成为谐波电流 源。该方法的优点是可以得至t j 2 5 0 0 h z