CN104898019A - 一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，其主要技术特点是包括以下步骤：采集公共耦合点处的电压和电流；绘制等效阻抗的时域曲线并获得谐波源位置；获取求谐波阻抗所需数据；计算关注母线与各个谐波源间的谐波互阻抗定量划分谐波责任。本发明设计合理，通过建立负荷时域等值模型，利用公共耦合点上电压、电流的物理关系，采用参数辨识法定位主动配电网中的谐波源；其通过分析主动配电网中所有谐波源共同作用的母线谐波电压，并计算该母线与谐波源所在节点间的谐波互阻抗(自阻抗)而确认各个谐波源的贡献，从而利用谐波贡献法定量划分各个谐波源的责任。

Description

一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法

技术领域

本发明属于主动配电网技术领域，尤其涉及一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法。

背景技术

随着配电网中大量分布式电源(Distributed Generation，DG)、微电网的接入，主动配电网(Active Distribution Network，ADN)技术也应运而生。风能、太阳能等可再生能源间歇性和随机性的特性，不仅发电量存在不确定性和波动性，而且通过电力电子控制装置接入电网的可再生能源，将会产生大量谐波；随着配电网中DG的增多，将导致配电网电能质量的进一步恶化。这种情况下，“奖惩性措施”的实施更加困难。为了给谐波治理和实施“奖惩性措施”提供可靠依据，ADN中谐波源定位和谐波责任定量划分成为电网公司一项重要的工作内容，是一个值得深入研究的课题。

目前谐波定位的方法主要从两个层面出发：基于功率潮流的检测方法和基于谐波阻抗的检测方法。基于功率潮流的检测方法主要采用有功功率方向法和无功功率方向法以及无功功率变化法等，但是，由于某些谐波源能吸收谐波功率，这些方法的准确性一般难以保证。基于谐波阻抗的检测方法是从测量用户和系统侧的谐波阻抗入手，基于非线性元件导致电压和电流波形畸变，从而出现高次谐波的原理，提出了参数辨识法、最小二乘系统辨识法等方法。由于ADN中含有大量DG和非线性负荷，功率具有双向流动的特点，基于谐波功率的辨识法可能失效。

关于谐波责任划分方面，国内外学者的研究都立足于用户和供电方的共同责任，旨在分清公共耦合点(point common coupling，PCC)两侧的谐波责任，但是大量事实证明，配电网中存在不止一个非线性负荷，因此，每个节点的电压波形畸变并不仅仅由一个非线性负荷引起，而是由配电网中所有非线性负荷共同作用的结果。当前，国内外的学者在多个谐波源的谐波责任定量划分方面一般以谐波源注入的谐波电流各自在PCC点所引起的谐波电压降作为划分依据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，旨在为主动配电网中有效实施奖惩性方案，实现主动配电网的最优运行提供指导。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，包括以下步骤：

步骤1、采集公共耦合点处的电压和电流；

步骤2、绘制等效阻抗的时域曲线并获得谐波源位置；

步骤3、获取求谐波阻抗所需数据；

步骤4、计算关注母线与各个谐波源间的谐波互阻抗；

步骤5、定量划分谐波责任。

而且，所述步骤1采集公共耦合点处的电压和电流的方法为：至少采集一个周期，采样间隔时间取1％个周期。

而且，所述步骤2绘制等效阻抗的时域曲线并获得谐波源位置的方法为：利用步骤1获得的数据，带入下式获得一周期内分布式电源负荷的等效阻抗：

$\left[\begin{array}{c}R\\ L\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}[i\left(t_3\right)+i\left(t_1\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}& i\left(t_3\right)-i\left(t_1\right)\\ [i\left(t_4\right)+i\left(t_2\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}& i\left(t_4\right)+i\left(t_2\right)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}[u\left(t_3\right)+u\left(t_1\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\\ [u\left(t_4\right)+u\left(t_2\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\end{array}\right]$

然后利用上述数据绘制等效阻抗的时域曲线并获得谐波源位置。

而且，所述步骤3获取求谐波阻抗所需数据的方法为：在获得谐波源位置后，通过傅里叶变换获得谐波源处各次谐波的电压和电流，在一天的时间范围内选取不同时间节点的谐波源谐波电流和关注母线m处的谐波电压，计算谐波互阻抗。

而且，所述步骤4计算关注母线与各个谐波源间的谐波互阻抗的方法为：将步骤3所得数据带入下式，计算关注母线与谐波源间的谐波互阻抗：

$Z_{\mathrm{mi}}=\frac{E\left\{\right[U_m-E\left(U_m\right)\left]\right[I_i-E\left(I_i\right)\left]\right\}}{E\left\{{[I_i-E\left(I_i\right)]}^2\right\}}.$

而且，所述步骤5定量划分谐波责任的方法为：利用步骤3获得的谐波源上的谐波电流与步骤4获得的关注母线与谐波源间的谐波互阻抗，带入下式获得各个谐波源对关注母线的谐波贡献，定量划分谐波责任：

U_mi％＝|I_iZ_mi/U_m|×100％。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，通过建立负荷时域等值模型，利用公共耦合点上电压、电流的物理关系，采用参数辨识法定位主动配电网中的谐波源；其通过分析主动配电网中所有谐波源共同作用的母线谐波电压，并计算该母线与谐波源所在节点间的谐波互阻抗(自阻抗)而确认各个谐波源的贡献，从而利用谐波贡献法定量划分各个谐波源的责任。

附图说明

图1是本发明实施的具体操作流程示意图；

图2是本发明实施算例所使用的18节点主动配电网模型；

图3a是节点3处电阻的时域变化曲线；

图3b是节点3处电感的时域变化曲线；

图4a是节点6处电阻的时域变化曲线；

图4b是节点6处电感的时域变化曲线；

图5a是节点10处电阻的时域变化曲线；

图5b是节点10处电感的时域变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，忽略主动配电网中功率双向流动等特点，利用谐波源等效阻抗随时间发生周期性变化这一特征定位谐波源，再通过计算各个谐波源在指定母线上的谐波贡献定量划分谐波责任。如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、获取公共耦合点电压电流：

采集公共耦合点处的电压和电流，如表1所示，至少采集一个周期，采样间隔时间可取为1％个周期，采样间隔越短，精度越高，但需要的计算量也随之增加，因此可以按照需要自行选择。

表1 公共耦合点电压电流采集

步骤2、绘制等效阻抗的时域曲线：

利用步骤一获得的数据，带入公式(1)(此处默认为是阻感负荷)，可以获得一周期内负荷(DG)的等效阻抗，利用这些数据绘制曲线，谐波源的电阻电感会随着时间发生周期性变化，而非谐波源负荷的等效电阻电感不会变化，从而获得谐波源位置。

$\left[\begin{array}{c}R\\ L\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}[i\left(t_3\right)+i\left(t_1\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}& i\left(t_3\right)-i\left(t_1\right)\\ [i\left(t_4\right)+i\left(t_2\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}& i\left(t_4\right)+i\left(t_2\right)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}[u\left(t_3\right)+u\left(t_1\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\\ [u\left(t_4\right)+u\left(t_2\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\end{array}\right]---\left(1\right)$

步骤3、获取求谐波阻抗所需数据：

在获得谐波源位置后，通过傅里叶变换获得谐波源处各次谐波的电压和电流，在一天的时间范围内选取不同时间节点的谐波源谐波电流和关注母线m处的谐波电压，计算谐波互阻抗。采集数据如表2所示：

表2 谐波贡献法所需数据

步骤4、计算关注母线与各个谐波源间的谐波互(自)阻抗：

将步骤三所得数据带入公式(3)，可以计算关注母线与谐波源间的谐波互(自)阻抗。

$Z_{\mathrm{mi}}=\frac{E\left\{\right[U_m-E\left(U_m\right)\left]\right[I_i-E\left(I_i\right)\left]\right\}}{E\left\{{[I_i-E\left(I_i\right)]}^2\right\}}---\left(2\right)$

步骤5，定量划分谐波责任：

利用步骤三获得的谐波源上的谐波电流与步骤四获得的关注母线与谐波源间的谐波互(自)阻抗，带入公式(4)，可以获得各个谐波源对关注母线的谐波贡献，定量划分谐波责任。

U_mi％＝|I_iZ_mi/U_m|×100％     (3)

本发明提供的应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，可以有效定位主动配电网中的全部谐波源，并定量划分各个谐波源在关注母线上的谐波责任。

本发明的仿真算例：

为了验证上述方法的有效性，本文搭建了18节点的10kvADN模型，如图2所示。在节点3、6和10分别接入DG，文中采用DG模型为Detail模型，忽略DG自身功率的波动性和随机性及其对直流侧电压的影响，认为直流侧电压已控制恒定，故在直流侧选用恒定电压源代替并网逆变器模型。

首先利用参数辨识法定位谐波源，提取各个节点在一个工频周期内的电压值和电流值，采样时间为2*10-4s。根据公式(1)，可以获得一个周期内的电阻电感变化情况，并据此绘制电阻电感的时域变化曲线，根据这些曲线可以确认谐波源所在节点为节点3、6和10，即DG所在节点。节点3、5和10的电阻电感的时域变化曲线如图3a及图3b、图4a和图4b以及图5a和图5b所示。

利用参数辨识法定位谐波源后，再利用谐波贡献法确认各个谐波源对关注母线的谐波责任。选取关注母线为节点5所在母线，以5次谐波为例。模型中每0.02秒取一个采样点，采集100个样本。然后根据公式(3)，可以获得关注母线与三个谐波源节点间的谐波互阻抗，如表3所示。

表3 关注母线与谐波源间的谐波互阻抗

根据所获得的谐波互阻抗和各个谐波源的5次谐波电流，以及公式(4)，可以计算获得各个谐波源对关注母线5次谐波的贡献百分比。节点3处谐波源对关注母线的谐波贡献百分比为73.26％，节点6处为66.78％，节点10处为80.34％。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、采集公共耦合点处的电压和电流；

步骤2、绘制等效阻抗的时域曲线并获得谐波源位置；

步骤3、获取求谐波阻抗所需数据；

步骤4、计算关注母线与各个谐波源间的谐波互阻抗；

步骤5、定量划分谐波责任。

2.根据权利要求1所述的一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，其特征在于：所述步骤1采集公共耦合点处的电压和电流的方法为：至少采集一个周期，采样间隔时间取1％个周期。

3.根据权利要求1所述的一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，其特征在于：所述步骤2绘制等效阻抗的时域曲线并获得谐波源位置的方法为：利用步骤1获得的数据，带入下式获得一周期内分布式电源负荷的等效阻抗：

$\left[\begin{array}{c}R\\ L\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}[i\left(t_3\right)+i\left(t_1\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}& i\left(t_3\right)-i\left(t_1\right)\\ [i\left(i_4\right)+i\left(t_2\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}& i\left(t_4\right)+i\left(t_2\right)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}[u\left(t_3\right)+u\left(t_1\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\\ [u\left(t_4\right)+u\left(t_2\right)]\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\end{array}\right]$

然后利用上述数据绘制等效阻抗的时域曲线并获得谐波源位置。

4.根据权利要求1所述的一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，其特征在于：所述步骤3获取求谐波阻抗所需数据的方法为：在获得谐波源位置后，通过傅里叶变换获得谐波源处各次谐波的电压和电流，在一天的时间范围内选取不同时间节点的谐波源谐波电流和关注母线m处的谐波电压，计算谐波互阻抗。

5.根据权利要求1所述的一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，其特征在于：所述步骤4计算关注母线与各个谐波源间的谐波互阻抗的方法为：将步骤3所得数据带入下式，计算关注母线与谐波源间的谐波互阻抗：

$Z_{\mathrm{mi}}=\frac{E\left\{\right[U_m-E\left(U_m\right)\left]\right[I_i-E\left(I_i\right)\left]\right\}}{E\left\{{[I_i-E\left(I_i\right)]}^2\right\}}.$

6.根据权利要求1所述的一种应用于主动配电网的谐波源定位和谐波责任划分方法，其特征在于：所述步骤5定量划分谐波责任的方法为：利用步骤3获得的谐波源上的谐波电流与步骤4获得的关注母线与谐波源间的谐波互阻抗，带入下式获得各个谐波源对关注母线的谐波贡献，定量划分谐波责任：

U_mi％＝|I_iZ_mi/U_m|×100％。