配电网中谐波源检测方法的研究

1、配电网中谐波源检测方法的研究        摘要: 介绍了配电网中谐波源探测的一种新方法临界阻抗法（CIM）。该方法的原理是比较戴 维南等效回路中两个谐波电压源的大小，取较大的一个作为主谐波源。通过对于公共耦合点的电压和电流的测量可以引入临界阻抗的概念。进行了临界阻抗法在电网处于不同情况下的基本理论分析，并做了一系列的系统校验，阐明了临界阻抗法在谐波源检测中的正确性。关键词: 谐波源; 临界阻抗; 配电网 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前言目前谐波干扰已经成为配电网的重要问题而备受关注，并且已找到了一

5、些用来计算对于公共耦合点（PCC）谐波干扰大小的方法。在这些计算方法中绝大部分是利用诺顿模型来等效谐波电流源，其分析过程着重于网络中等值谐波电流源的谐波贡献。本文提出的利用戴维南电路来等效谐波网络的方法可用来比较PCC点两侧的谐波电压源的干扰情况。当系统的等值阻抗已知时，采用本方法可以得出正确的结论。当系统含有两条支路且一侧未知时，CIM法可以给出阻抗大小的范围，从而决定主谐波源。2谐波源检测介绍谐波源探测问题能够用图1所示模型来说明。图1给出了谐波源检测的执行情况，图2和图3分 别为电力系统的等效诺顿模型和戴维南模型。在诺顿模型图中，负荷侧以谐波电流源Ic和谐波阻抗Zc表示，相应的系统侧用I

6、u和Zu表示；在戴维南模型回路中，电压源分别由表示。该回路可适用于不同的谐波频率。谐波源探测的主要任务是根据系统测量得到的PCC点谐波电压和电流，找出对PCC点处谐波干扰贡献较大的一方。 在谐波源检测的方法中有一种基于理想情况的方法叠加法(superposition method，SPM)。该方法假定已知系统的所有网络参数并把系统拆分，使每一个谐波电压源单独作用到系统当中，如图4所示。这样通过比较各个谐波源在PCC点的谐波电流IE和IV来判断主谐波源。从图中可以看出谐波电流为式中：Z=Zu+Zc；E和V是当电压源和分别 作用时的PCC点的电流。在此方法中IEm和IVm可以作为判别谐波

7、 源的依据，下标m表示该矢量的幅值（下同）。若IEmIVm，说明侧在PCC点产生比侧更大的谐波干扰。若IEmIVm，说明侧在PCC点产生比侧更大的谐波干扰。假设通过测量得到了和的值，若我们能够同样“测量”出的值，那么用它和相比较，则可以直接判断出主谐波源。由于很难精确得到，故此方法不适于主谐波源测量的实际应用，但这种方法在理论分析上完全正确，因此，在本文中采用SPM法作为临界阻抗法实验校验的标准。根据网络分析理论，在和一定的情况下, 电路中一定存在着一个阻抗Zcr使得Em=Vm，称Zcr为临界阻抗(下标“cr”代表“临界”)。临界阻抗可以作为测量的一个标准，用它来找出电路中较大的谐波源，这是本

8、文的主要目的。 3CIM法原理首先，以单端谐波源系统为例进行分析，如图5所示，其中和是PCC点的谐波电压和电流值，和Z分别是系统侧的等值谐波电压和阻抗。从图5中可知  通过PCC点的测量值可以得到和的大小和相角,其中是V和I之间的夹角(=V-I)，从而的值就由阻抗Z的值决定。下面就等式(4)中Z的不同类型分别加以讨论。 保持电压不变，改变X的值，电压将沿着图6所示的垂直线上下变化。以V为半径作圆，可以得到如下的结论2：1)若E在圆周上，即在临界位置上，则有  对于0180闶保蘼?/span>X为何值，EmVm总成立。  3.2Z=R+jX图7给出了感性阻抗Z

9、=R+jX的电压相角从图7的扇形区中分析电压和阻抗Z的关系，其中=+(为负值)，得到：1)若E在圆周上，即在临界位置处，则有Em=Vm，并且如图7所示，当0+180°时，无论Z取何值，EmVm恒成立。式（8）是Em=Vm的临界状态，相应的阻抗被称为临界阻抗，当顾及到和的正负时，临界阻抗可以写成以下的简单形式由于系统阻抗在给定条件下保持不变，故式（11）同样适用于180°180°的条件，因而有式（12）是系统阻抗为感性时的临界阻抗，它适用于所有的相角并且能够很简单地投入实际系统应用。当R=0，=90°时，式(12)正是3.1中介绍的电感支路（Z=jX）的临

10、界阻抗形式。3.2的方法进行分析，并得到如下结论：从式(12)和式(13)中，得到了谐波阻抗分别为感性和容性时的临界阻抗。比较谐波阻抗和临界阻抗，可以判断Em与Vm的大小，取较大的一侧作为主谐波源。把这种方法叫做临界阻抗法（CIM），使用此方法可以在各个谐波源中检测其谐波贡献。3.4计算校验下面用几个计算实例说明CIM法的结果,等值电路如图5所示。图9（b）给出了CIM法和SPM法的比较。结论如下：  和SPM法得到同样的结果：侧是较大的谐波源。以上几例可以看出CIM法和SPM法分析结果相同。说明了CIM法能正确检测出谐波源。4两端谐波源网络的分析两端源支路的等效电路如图3所示，测量

11、点为PCC点，可以测得Vpcc、Ipcc。分两种情况进行分析。4.1Zu和Zc都已知在这种情况下，可以根据电路理论计算得到和，系统总阻抗Z=Zu+Zc，这样系统可简化为第3节讨论的单谐波源网络，可以直接用CIM法进行谐波源探测，得出正确结果。4.2Zu和Zc中只有一个已知这种情况在实际系统中比较普遍，此时只能计算得到一侧电压源。以E或V为PCC点，假设系统两侧谐波阻抗角相等，利用CIM可以估计对侧谐波电压源的大小。本节主要对两端谐波阻抗同为感性，分析CIM法在两端谐波源网络中的应用。两端谐波源分析网络等效电路如图3，设两端谐波阻抗Zu=较，可以看出：1)用SPM法，有IVmIEm，说明侧是较大

12、的谐波源，这和实际情况VmEm相符。2)用CIM法，当的相角在90°270°时，有VpccmEm，ZumZcrE，E侧是较大的谐波源，对于E和V之间比较是错误的。3)考虑式Z=Zu+Zc，并且Zu和Zc极性相同，则Zm在Zum的上侧，随着Zcm的增大，Zm也将增大，直至ZmZcrE。从图10(a)可以看出：如果Zcm5，则ZmZcrE，此时谐波源由侧转移到侧，因此，Zm=5是使Zm达到Zcm的最小值。在此算例中，Zcm=10，满足上述条件。如果实际中不知道Zcm的值，但知道Zcm5，用CIM法能够得到正确的结果。图10(b)为CIM法与SPM法折算到端的比较，可以看出：侧是

13、较大的谐波源。2)考虑式Z=Zu+Zc，并且Zu和Zc极性相同，则Zm在Zcm的上侧，随着Zum的增大，Zm也将增大，直至ZmZcrV。从图10可以看出：如果Zum10，ZmZcrV，此时谐波源由侧转移到侧，因此，Zum=10是使Zm达到ZcrV的最小值。如果不知道Zum的值，但知道Zum10，用CIM法能够得到正确的结果。 从以上分析可知，存在改变谐波源方向的最小Zcm值，定义为临界阻抗Zcr-zc，表示为存在改变谐波源方向的最小Zum值，定义为临界阻抗Zcr-zu，表示为 发生变化时，系统较大谐波源方向也会发生转移。在实际的等效双端源网络中，一般仅能得到一侧的谐波阻抗，对系统侧，通过计算只

14、能得到Zum和ZcrE的值，用CIM方法进行判别，需分两种情况分析：ZumZcrE，ZumZcrE。用图11可视化的方法说明CIM法用于实际谐波源的判别（用户侧分析类似）。图中同向表示阻抗极性相同，反向表示极性相反。举例说明图11分析方法：在侧，测得Zum=10，ZcrE=5，由式（17）知Zcr-zc=5，因ZumZcrE，根据图11可知：1)若Zc是感性阻抗，则与Zu同向，所以侧是较大的谐波源。2)若Zc是容性阻抗且幅值为4，其小于5，则谐波源方向不变。3)若Zc是容性阻抗且幅值为7，其大于5，则谐波源方向转移到侧。 5结论文中提出了配电系统中谐波源探测的临界阻抗法。该方法的原理是通过比较戴维南等值回路 中谐波电压源的大小，取较大的一个作为主谐波源。该方法的特点是利用系统公共耦合点的 测量值并结合系统的临界阻抗进行判断。通过理论分析及算例校验可知，当系统等值阻抗已 知时，CIM法可以给出完全正确的结论。当系统阻抗未知时，CIM法能够给出谐波阻 抗的范围从而指出主谐波源。 参考文献 1Chen Chaoying,Liu Xiuling,D Koval,et al.Critical impedance met hoda new detecting harmonic sources method in distribu