CN104375026B - 一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法 - Google Patents
一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，采用如下步骤实现：首先采集各条支路负载的电压和流数据，通过数据处理与运算，进行快速傅里叶分析，得到各条支路的电压和电流的基波和各次谐波分量，经过计算得到波峰系数CF、形式系数FF、电流谐波总畸变率THDI三个特征量，依据IEEE519标准和国标GBT24337‑2009判断是否是谐波源；其次对谐波源进行分类，判断谐波源是属于铁磁饱和型、电力电子开关型、电弧型或不属于以上三种类型的其他类型之一。本发明的有益效果是快速准确，简单方便的利用特征量对谐波源类型定性分析，能够辨识配电网的各个谐波源类型的方法，从而为系统具有针对性的治理谐波提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，属于电力系统谐波分析领域。
背景技术
谐波源的辨识技术是谐波研究领域的重要分支，是对系统进行谐波治理的前提，也是系统与用户之间进行谐波责任分摊的基础，随着电力系统的不断发展，各种非线性负载越来越多的并入电网，大量谐波注入电网，损害了供电系统的电能质量。目前，对谐波源识别的方法主要有有功功率法，负荷参数辨识法，临界阻抗法等。其中有功功率法利用谐波有功功率符号的正负来来识别谐波源的位置，但由于易受到功率角的影响，该方法容易误判失效；负荷参数辨识法依靠对R或L 非线性程度的定量分析，该方法能较好地分析和预估配电系统在谐波影响下的行为特性，一定程度上可以作为用户负荷畸变程度的判定标准，但该判定方式的合理性以及其结果非线性程度判定的方法仍有待研究与验证，在实际应用还需要进一步的探讨；临界阻抗法则从无功功率的流向来进行判断，从而进行谐波定位，在实际使用中，该方法还需预知大概的阻抗信息来起动算法，且认为系统中各处的谐波阻抗特性是一样的，这样在实际应用中会带来较大的误差。
总之，尽管国内外对谐波源的识别十分重视，现有的各种方法在应用中还是受到一定的制约，实际应用中得到的结果并不十分理想，而实际上谐波源的识别只是个定性的问题，只需要通过简单的定性指标即可达到目的。上述各种方法都是从识别出是否是谐波源的目的出发，但是实际中识别谐波源的本质目的是为了进行谐波补偿，因此直接识别出谐波源的类型，再根据不同的类型的负荷进行补偿效果会更佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种快速准确，简单方便的利用特征量对谐波源类型定性分析，能够辨识配电网的各个谐波源类型的方法，从而为系统具有针对性的治理谐波提供依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，其依据如下步骤实现：
步骤（一）：采集各条支路负载的电压和流数据，得到特征量，判断是否是谐波源：
（1）通过数据处理与运算，进行快速傅里叶分析，得到各条支路的电压和电流的基波和各次谐波分量，经过计算得到波峰系数CF、形式系数FF、电流谐波总畸变率THDI三个特征量：
所述波峰系数CF的计算公式（1）如下：
（1）
其中，为畸变波形的峰值；
为畸变波形的峰值的均方根值；
所述形式系数FF的计算公式（2）如下：
（2）
其中，为畸变波形的均方根值；
为支路电流的基频分量均方根值；
所述电流谐波总畸变率THDI的计算公式（3）如下：
（3）
其中，为第h次谐波电流有效值；
为支路电流的基频分量的均方根值；
（2）基于波峰系数CF、形式系数FF、电流谐波总畸变率THDI三个特征量的值，依据IEEE519标准和国标GBT24337-2009进行判断：
当同时满足、和三个条件时，判断出支路负载是非谐波源；
当任意满足、或三个条件中的一个时，判断出支路负载是谐波源，进行下面的步骤（二）；
步骤（二）：对谐波源进行分类，判断谐波源属于铁磁饱和型、电力电子开关型、电弧型或不属于以上三种类型的其他类型之一：
（1）判断是否属于电弧型：
A.在电压等级在1000V以下，频率的情况下，当间谐波电压含有率满足大于0.16，且计算出的电阻R，若电阻R符合电弧电阻的伏安特性曲线时，此时的谐波源属于电弧型；若不满足上述条件，说明此时的谐波源为非电弧型谐波源，进行下面步骤（二）中的步骤（2）；
其中，所述间谐波电压含有率的计算公式（4）如下：
（4）
其中，为第ih次间谐波电压有效值；
为基波谐波电压有效值；
其中，所述电弧电阻的伏安特性曲线可通过如下公式（5）绘制：
（5）
其中，为弧柱最高温度，为弧柱最低温度，为弧柱热惯性常数，为外加正弦电压角频率，为弧长， 与为常数；
B.在电压等级在1000V以上，频率的情况下，当间谐波电压含有率满足大于0.13，且计算出的电阻R，若R符合电弧电阻的伏安特性曲线时，此时的谐波源属于电弧型；若不满足上述条件，说明此时的谐波源为非电弧型谐波源，进行下面步骤（二）中的步骤（2）；
其中，所述间谐波电压含有率的计算公式（4）如下：
（4）
其中，为第ih次间谐波电压有效值；
为基波谐波电压有效值；
其中，所述电弧电阻的伏安特性曲线可通过如下公式（5）绘制：
（5）
其中，为弧柱最高温度，为弧柱最低温度，为弧柱热惯性常数，为外加正弦电压角频率，为弧长， 与为常数；
（2）判断是否属于电力电子开关型：
当支路负载的电流的谐波电流的次数n满足时，且不含有偶数次谐波，此时的谐波源属于电力电子开关型；若不满足上述条件，但是满足谐波电流以3、5、7次谐波电流为主，即支路电流的3次、5次、7次谐波分量含有率均大于5%，其它波次含量较小可忽略不计，且具有随着电压的增大，谐波的含量增加的趋势，则说明此时的谐波源属于铁磁饱和型，否则此时的谐波源属于除电弧型、电力电子开关型和铁磁饱和型以外的其他类型的谐波源；
其中，为功率变流器的脉波数，所述功率变流器的脉波数为，，其中的正整数；
所述支路电流的n次谐波分量含有率满足如下公式（6）：
（6）
其中，为支路电流的基频分量的均方根值；
为支路电流的第n次谐波分量的均方根值。
本发明所产生的积极效果如下：
（1）对于谐波源的识别本质是一个定性的问题，然而目前对谐波源识别的方法，比如有功功率法，负荷参数辨识法，临界阻抗法等等，这些方法却通过复杂的定量计算出发，虽然能够将谐波源与非谐波源进行分别，却无法分辨出谐波源的具体类型，而本发明从定性的角度出发依据IEEE519标准和国标GBT24337-2009的标准结合各种类型谐波源的最鲜明的特征量作为判断依据，能够准确的辨识出配电网的各个谐波源的类型。对比于基于负荷参数辨识法等把所有类型谐波源归为一类而言更具有针对性，不仅简化了计算，更提高了辨识的准确性；并且本方法所需数据仅仅是支路电压与电流数据，这些数据可通过现有电力系统的数据平台获得，无需增加额外的检测设备，不会对系统造成干扰，给发电和输电企业大大节约了成本。
（2）由于不同类型的谐波源对电力系统造成的影响不同，因此根据不同类型谐波源给电力系统进行具有针对性的治理谐波污染提供依据，给发电和输电企业更加明确的进行谐波补偿和治理以及明确用户和电力系统之间的责任划分提供依据，因此该方法具有广阔的应用前景。
附图说明
附图1为本发明的方法流程图。
附图2为本发明的实施例中三相6脉波不控整流电路的频谱图。
附图3为本发明的实施例中单相变压器空载电流的频谱图。
附图4为本发明的实施例中电弧炉电流的频谱图。
附图5为本发明中电弧电阻的伏安特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：
由附图1所示的实施例可知，本实施例的步骤如下：
步骤（一）：采集各条支路负载的电压和流数据，得到特征量，判断是否是谐波源：
（1）通过数据处理与运算，进行快速傅里叶分析，得到各条支路的电压和电流的基波和各次谐波分量，经过计算得到波峰系数CF、形式系数FF、电流谐波总畸变率THDI三个特征量：
所述波峰系数CF的计算公式（1）如下：
（1）
其中，为畸变波形的峰值；
为畸变波形的峰值的均方根值；
所述形式系数FF的计算公式（2）如下：
（2）
其中，为畸变波形的均方根值；
为支路电流的基频分量均方根值；
所述电流谐波总畸变率THDI的计算公式（3）如下：
（3）
其中，为第h次谐波电流有效值；
为支路电流 的基频分量的均方根值；
（2）基于波峰系数CF、形式系数FF、电流谐波总畸变率THDI三个特征量的值，依据IEEE519标准和国标GBT24337-2009进行判断：
当同时满足、和三个条件时，判断出支路负载是非谐波源；
当任意满足、或三个条件中的一个时，判断处支路负载是谐波源，进行下面的步骤（二）；
步骤（二）：对谐波源进行分类，判断谐波源属于铁磁饱和型、电力电子开关型、电弧型或不属于以上三种类型的其他类型之一：
（1）判断是否属于电弧型：
A.在电压等级在1000V以下，频率的情况下，当间谐波电压含有率满足大于0.16，且计算出的电阻R，若电阻R符合电弧电阻的伏安特性曲线时，此时的谐波源属于电弧型；若不满足上述条件，说明为非电弧型谐波源，进行下面步骤（二）中的步骤（2）；
其中，电弧电阻的伏安特性曲线可通过绘制，其中，为弧柱最高温度，为弧柱最低温度，为弧柱热惯性常数，为外加正弦电压角频率，为弧长， 与为常数。
B.在电压等级在1000V以上，频率的情况下，当间谐波电压含有率满足大于0.13，且且计算出的电阻R，若电阻R符合电弧电阻的伏安特性曲线时，此时的谐波源属于电弧型时，此时的谐波源属于电弧型；若不满足上述条件，说明为非电弧型谐波源，进行下面步骤（二）中的步骤（2）；
其中，电弧电阻的伏安特性曲线可通过绘制，其中为弧柱最高温度，为弧柱最低温度，为弧柱热惯性常数，为外加正弦电压角频率，为弧长， 与为常数。
其中，所述间谐波电压含有率的计算公式（4）如下：
（4）
其中，为第ih次间谐波电压有效值；
为基波谐波电压有效值。
（2）判断是否属于电力电子开关型：
当支路负载的电流的谐波电流的次数n满足时，且不含有偶数次谐波，此时的谐波源属于电力电子开关型；若不满足上述条件，但是满足谐波电流以3、5、7次谐波电流为主，即支路电流的3次、5次、7次谐波分量含有率均大于5%，其它波次含量较小可忽略不计，且具有随着电压的增大，谐波的含量增加的趋势，则说明此时的谐波源属于铁磁饱和型，否则此时的谐波源属于除电弧型、电力电子开关型和铁磁饱和型以外的其他类型的谐波源；
其中，为功率变流器的脉波数，所述功率变流器的脉波数为，，其中的正整数；
所述支路电流的n次谐波分量含有率满足如下公式（6）：
（6）
其中，为支路电流的基频分量的均方根值；
为支路电流的第n次谐波分量的均方根值。
如附图2所示，三相6脉波不控整流器交流侧主要含有谐波，偶数次谐波含量低，可忽略不计。
如附图3所示，单相变压器空载电流主要好有3、5、7次谐波；偶数次谐波含量极低，可忽略不计。
如附图4所示，电弧炉电流含大量低次间谐波,大量低次间谐波的存在会导致电压发生畸变,产生大量间谐波电压。
如附图5所示，通过绘制的电弧电阻R满足的伏安特性曲线。
通过本方法可以将系统的谐波源区分出下述3大类型：
第一类是铁磁饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性；
第二类电力电子开关型：主要为各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备等，其非线性呈现了交流波形的开关切合和换向特性；
第三类电弧型：各种炼钢电弧炉在融化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其非线性呈现了电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。
综上所述，仅为本发明较佳的实施例，不以此限定本发明实施的范围，但凡依据本发明申请专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应作为本发明的技术范畴。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，本发明未述部分与现有技术相同。
Claims (5)
1.一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤(一)：采集各条支路负载的电压和电流数据，得到特征量，判断是否是谐波源：
(1)通过数据处理与运算，进行快速傅里叶分析，得到各条支路的电压和电流的基波和各次谐波分量，经过计算得到波峰系数CF、形式系数FF、电流谐波总畸变率THDI三个特征量：
所述波峰系数CF的计算公式(1)如下：
<mrow>
<mi>C</mi>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>e</mi>
<mi>a</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mi>M</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Ipeak为畸变波形的峰值；
IRMS为电流畸变波形的峰值的均方根值；
所述形式系数FF的计算公式(2)如下：
<mrow>
<mi>F</mi>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mi>M</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>I</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，IRMS为电流畸变波形的峰值的均方根值；
I1为支路电流的基频分量的均方根值；
所述电流谐波总畸变率THDI的计算公式(3)如下：
<mrow>
<msub>
<mi>THD</mi>
<mi>I</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msqrt>
<mrow>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
<mi>&infin;</mi>
</munderover>
<msubsup>
<mi>I</mi>
<mi>h</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
<msub>
<mi>I</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Ih为第h次谐波电流有效值；
I1为支路电流的基频分量的均方根值；
(2)基于波峰系数CF、形式系数FF、电流谐波总畸变率THDI三个特征量的值，依据IEEE519标准和国标GBT24337-2009判断是否是谐波源：
当同时满足1.4135≤CF≤1.4195、0.9995≤FF≤1.0005和THDI≤5％三个条件时，可以判断出支路负载是非谐波源；
当任意满足CF＞1.4195、FF＞1.0005或THDI＞5％三个条件中的一个时，可以判断出支路负载是谐波源，进行下面的步骤(二)；
步骤(二)：对谐波源进行分类，判断谐波源是属于铁磁饱和型、电力电子开关型、电弧型或不属于以上三种类型的其他类型之一：
(1)判断是否属于电弧型：
A.在电压等级在1000V以下，频率f＜100Hz的情况下，当间谐波电压含有率IHRUih满足大于0.16，且计算出的电阻R符合电弧电阻的伏安特性曲线时，此时的谐波源属于电弧型；若不满足上述条件，此时的谐波源为非电弧型谐波源，进行下面步骤(二)中的步骤(2)；
B.在电压等级在1000V以上，f＜100Hz的情况下，当间谐波电压含有率IHRUih满足大于0.13，且计算出的电阻R符合电弧电阻的伏安特性曲线时，此时的谐波源属于电弧型；若不满足上述条件，此时的谐波源为非电弧型谐波源，进行下面步骤(二)中的步骤(2)；
(2)判断是否属于电力电子开关型：
当支路负载的电流的谐波电流的次数n满足n＝(p*i±1)，且不含有偶数次谐波时，此时的谐波源属于电力电子开关型；
若不满足上述条件，但是满足谐波电流以3次、5次、7次谐波分量含有率均大于5％，且随着电压增大，谐波含量增加时，则此时的谐波源属于铁磁饱和型；否则此时的谐波源属于其他类型；其中，p为功率变流器的脉波数，i为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，其特征在于：所述步骤(二)中所述间谐波电压含有率IHRUih的计算公式(4)如下：
<mrow>
<msub>
<mi>IHRU</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>U</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>U</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Uih为第ih次间谐波电压有效值；
U1为谐波电压有效值。
3.根据权利要求1所述的一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，其特征在于：所述电弧电阻的伏安特性曲线满足如下公式(5)：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>CLe</mi>
<msup>
<mrow>
<mo>{</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mi>&alpha;</mi>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&omega;</mi>
<mi>t</mi>
<mo>+</mo>
<mi>D</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>}</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
</msup>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，T1为弧柱最高温度；
T0为弧柱最低温度；
D为弧柱热惯性常数；
ω为外加正弦电压角频率；
L为弧长；
C与α为常数。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，其特征在于：所述步骤(二)中所述功率变流器的脉波数p为6的整倍数。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于特征量分析辨识谐波源类型的方法，其特征在于：所述支路电流的n次谐波分量含有率HRIn满足如下公式(6)：
<mrow>
<msub>
<mi>HRI</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Il为支路电流的基频分量的均方根值；
In为支路电流的第n次谐波分量的均方根值。
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