CN111308200B - 一种电网谐波传导分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了谐波传导分析技术领域的一种电网谐波传导分析方法及系统，旨在解决现有技术中电网谐波传导分析没有全面考虑网络谐波阻抗分布对谐波电压及谐波电流影响的技术问题。所述方法包括如下步骤：根据采集的电网数据提取简化谐波阻抗网络；根据简化谐波阻抗网络建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型；根据采集的电网数据和谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型分析谐波传导情况；所述简化谐波阻抗网络包括两母线，所述谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型能够从谐波能量角度上体现两母线间谐波耦合关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网谐波传导分析方法及系统，属于谐波传导分析技术领域。
背景技术
大规模应用电力电子技术的直流输电系统接入交流系统，改变了原受端电网各节点和支路的谐波电压和谐波电流状况，同时也对原交流系统谐波阻抗特性产生了影响，使得系统谐振点发生了改变，进而影响电网中原有谐波源的谐波放大状况。在特高压混联系统中特定的系统参数下，特定的谐波阻抗引起了谐波电压、电流问题的谐振，进一步放大了电网谐波污染的影响，甚至会直接危害用电设备的安全运行。因此，必须对电网进行更为准确的谐波等效建模研究以分析谐波的传导规律，为确定电网谐波污染源头提供重要理论及数据支撑，保证电网安全健康的运行。
现有技术中电网谐波传导分析主要包括基于功率传输分布因子和规范化谱聚类算法的电网结构简化等值方法、针对交直流混联系统谐波频次等值优化的电网等值方法、建立系统高低压之间谐波渗透模型的方法、使用谐波电流放大倍数对大规模电网中的谐波传导规律进行研究的方法，这些方法存在的问题有：忽略了一些低压网络谐波传导通道的影响，没有全面考虑网络的谐波阻抗分布对谐波电压及谐波电流的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中电网谐波传导分析没有全面考虑网络谐波阻抗分布对谐波电压及谐波电流的影响的缺陷，提供了一种电网谐波传导分析方法，包括如下步骤：
根据采集的电网数据提取简化谐波阻抗网络；
根据简化谐波阻抗网络建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型；
根据采集的电网数据和谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型分析谐波传导情况；
简化谐波阻抗网络包括两母线，谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型能够从谐波能量角度上体现两母线间谐波耦合关系。
进一步地，根据采集的电网数据提取简化谐波阻抗网络，包括：
根据采集的电网数据建立电力系统网络；
根据电力系统网络提取简化谐波阻抗网络。
进一步地，根据简化谐波阻抗网络建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型，包括：
根据简化谐波阻抗网络建立谐波频次下多馈入交互作用因子模型；
将流入两母线自阻抗的谐波电流引入谐波频次下多馈入交互作用因子模型以建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型。
进一步地，根据采集的电网数据和谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型分析谐波传导情况，包括：
将采集的电网数据代入谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型进行计算；
根据计算结果分析谐波传导情况。
进一步地，谐波频次下多馈入交互作用因子模型的计算公式如下：
式中，MIIF12(f)为谐波频次下多馈入交互作用因子，Z12(f)为两母线间的谐波互阻抗，Z2(f)为节点自谐波阻抗，所述节点位于所述两母线中的一母线上。
进一步地，谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型的计算公式如下：
式中，MIIF*(f)为谐波频次下改进型多馈入交互作用因子，Z12(f)为两母线间的谐波互阻抗，Z1(f)和Z2(f)为两节点自谐波阻抗，所述两节点分别位于所述两母线上。
进一步地，采集的电网数据，包括：系统各元件的连接方式和阻抗特性。
进一步地，谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型能够从谐波能量角度上体现两母线间谐波耦合关系，包括：谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型从形式上为谐波电压与谐波电流乘积的比值。
为达到上述目的，本发明还提供了一种电网谐波传导分析系统，包括：
数据采集模块：用于采集电网数据；
网络提取模块：用于提取简化谐波阻抗网络；
模型建立模块：用于建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型；
谐波传导分析模块：用于分析谐波传导情况。
为达到上述目的，本发明还提供了计算机处理控制装置，包括：
存储器：用于存储指令；
处理器：用于根据所述指令进行操作以执行本发明提供的一种电网谐波传导分析方法的步骤。
为达到上述目的，本发明还提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明提供的一种电网谐波传导分析方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型纳入了两节点的自阻抗、互阻抗，能够从能量层面反映两节点间的谐波耦合程度，提高了分析的准确性；并且计算量小，算法简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图；
图2是本发明方法所述简化谐波阻抗网络的化简等效示意图；
图3是本发明实施例实测谐波数据；
图4是本发明实施例仿真谐波数据。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，是本发明方法流程示意图，所述方法包括如下步骤：
步骤一，采集电网数据。
所述电网数据包括系统各元件的连接方式和阻抗特性。
步骤二，提取简化谐波阻抗网络。
如图2所示，是本发明方法所述简化谐波阻抗网络的化简等效示意图，首先，根据采集的电网数据建立电力系统网络；然后，根据电力系统网络提取简化谐波阻抗网络，所述简化谐波阻抗网络包括两母线，所述两母线分别为母线1(即BUS1)和母线2(即BUS2)。
步骤三，计算谐波频次下改进型多馈入交互作用因子。
首先，建立改进型多馈入交互作用因子模型。
(1)多馈入交互作用因子定义。
多馈入交互作用因子，是指当母线i投入对称三相电抗器，使该母线i上的电压下降1％时，母线j的电压变化率与母线i的电压变化率之比，即：
MIIFji＝ΔUj/ΔUi (1)
式中，MIIFji为母线i、j之间的多馈入交互作用因子，ΔUi为母线i的电压变化率，ΔUj为母线j的电压变化率。
MIIFji反映了母线i、j之间电气耦合的强弱程度。WG B4.41工作组提出：当MIIFji＜0.1时，两母线间不存在谐波相互作用；当MIIFji＝1.0时，两母线为同一母线；当0.1＜MIIFji＜1.0时，两母线间可能出现谐波相互作用，且MIIFji数值越大，相互作用越强。
(2)将多馈入交互作用因子应用于谐波传导研究中。
将多馈入交互作用因子的定义扩展到谐波频次下，当在母线i注入某次谐波电流，母线j上的相同次谐波电压变化量与母线i上的相同次谐波电压变化量的比值，即：
MIIFji(f)＝ΔUj(f)/ΔUi(f) (2)
式中，MIIFji(f)为谐波频次下母线i、j之间的多馈入交互作用因子，ΔUj(f)为母线j的谐波电压变化率，ΔUi(f)为母线i的谐波电压变化率。
需要注意的是，谐波频次下多馈入交互作用因子值可能大于1，此时两母线间存在谐波放大现象。
(3)通过简化谐波阻抗网络建立谐波频次下多馈入交互作用因子模型。
如图2所示，Z12(f)为两母线间的谐波互阻抗，Z1(f)和Z2(f)为两节点的自谐波阻抗，所述两节点分别位于所述两母线上。在该简化谐波阻抗网络中，谐波频次下多馈入交互作用因子模型的计算公式为：
式中，MIIF12(f)为谐波频次下两母线间的多馈入交互作用因子，U1(f)为母线1的谐波电压，U2(f)为母线2的谐波电压。
(4)为了反映Z1(f)对两母线间谐波耦合程度的影响，将流入两母线自阻抗的谐波电流引入谐波频次下多馈入交互作用因子模型，以建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型，即：
式中，MIIF*(f)为谐波频次下改进型多馈入交互作用因子，I2(f)为流入母线2自阻抗的谐波电流，I1(f)为流入母线1自阻抗的谐波电流。
公式(4)由于从形式上为谐波电压与谐波电流乘积的比值，因而能够从谐波能量角度上体现两母线间谐波的耦合关系，其中，
式中，Ih为注入母线1的谐波电流。
将公式(5)、(6)代入公式(4)得到：
然后，将采集的电网数据代入谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型，即公式(7)，计算得出谐波频次下改进型多馈入交互作用因子值。
步骤四，根据计算得出的谐波频次下改进型多馈入交互作用因子值分析谐波传导情况。
谐波频次下改进型多馈入交互作用因子大于1，则反映从母线1传往母线2的谐波能量存在放大现象，且作用因子数值越大两母线谐波耦合越紧密；
谐波频次下改进型多馈入交互作用因子小于1，则反映从母线1传往母线2的谐波能量呈现衰减，且作用因子数值越小两母线谐波耦合越不紧密。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：
假设简化谐波阻抗网络为一个500kV主干网络，系统基准容量为100MVA，两母线对应的自阻抗均为(0.0001+0.01j)pu。
在PSCAD仿真软件中建立此简化谐波阻抗网络模型，在母线1处注入100A的11次谐波电流，模拟换流站对应产生11次特征谐波。通过改变两母线间连接线的长度来改变Z12(f)的大小，以获取多组11次谐波频次下多馈入交互作用因子值。所述11次谐波频次下多馈入交互作用因子值的获取方法有两种：一种是遵循多馈入交互作用因子定义的“谐波电流注入法”，即在一母线上注入谐波电流，根据该母线与另一母线之间的谐波电压变化率的比值获取谐波频次下多馈入交互作用因子值；另一种是前文提到的通过简化谐波阻抗网络建立的谐波频次下多馈入交互作用因子模型以获取谐波频次下多馈入交互作用因子值，在此暂将该方法简称为“谐波阻抗网络法”。
将该两种方法获取的11次谐波频次下多馈入交互作用因子值进行比较，所获结果如表1所示。将两母线间长度固定为220km，改变Z1(f)大小，分别通过“谐波电流注入法”和“谐波阻抗网络法”获取多组11次谐波频次下多馈入交互作用因子值并进行比较，所获结果如表2所示；改变Z2(f)大小，分别通过“谐波电流注入法”和“谐波阻抗网络法”获取多组11次谐波频次下多馈入交互作用因子值并进行比较，所获结果如表3所示。
表1：改变Z12(f)计算结果对比
表2：改变Z1(f)计算结果对比
表3：改变Z2(f)计算结果对比
从表1至表3可以看出，两种方法获取的11次谐波频次下多馈入交互作用因子值基本吻合，误差在5％以内。可以认为，“谐波阻抗网络法”具有足够精度以替代“谐波电流注入法”。同时也看到，Z1(f)变化不影响11次谐波频次下多馈入交互作用因子值的大小，这一点从公式(3)中未包含Z1(f)也有所反映。但实际上，Z1(f)大小显然会影响谐波电流的分布，即影响两母线间谐波耦合程度。
在表2所对应条件下，根据谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型计算11次谐波频次下改进型多馈入交互作用因子值，并与“谐波阻抗网络法”计算得出的11次谐波频次下多馈入交互作用因子值进行比较，所获结果如表4所示。
表4：使用改进型多馈入交互作用因子时改变Z1(f)计算结果对比
从表4中可以看出，11次谐波频次下改进型多馈入交互作用因子值随Z1(f)变化而变化，更准确地反映了两母线间谐波耦合关系。
实施例二：
如图3所示，是本发明实施例实测谐波数据，所述实测谐波数据为2015年某大型城市电网直流换流站周围的三个500kV变电站A、B、C的谐波监测数据。可以看出，这三个变电站节点不仅存在11、13次换流站特征次谐波，还存在大量5、7次非换流站特征次谐波；以这些谐波数据为基础，在PSCAD中建立简化谐波阻抗网络并调整负荷大小及外部等效网络进行模拟仿真，研究其谐波传导特性。
如图4所示，是本发明实施例仿真谐波数据，所述仿真谐波数据是模拟仿真中获取的500kV变电站A、B、C的各次谐波大小，将仿真谐波数据与实测谐波数据进行对比后可以看出，简化谐波阻抗网络的谐波分布误差很小，基本反应了实际情况。
从图3、图4中的谐波数据可以看出，换流站附近节点存在大量5、7次谐波及11、13次谐波，这是因为换流站在非理想状态下运行，如三相运行参数不对称时会产生大量5、7次谐波，且十二脉波换流器本身会产生11、13次谐波。
因为5、7、11、13次谐波含量较大，针对换流站与周围A、B、C三座变电站间的5、7、11、13次谐波耦合程度进行分析，分别计算换流站与500kV变电站A、B、C的5、7次非特征谐波和11、13次特征谐波下多馈入交互作用因子和改进型多馈入交互作用因子，计算结果如表5所示。
表5：谐波含量与多馈入交互作用因子和改进型多馈入交互作用因子对比
从表5可以看出，在5、7次谐波下，多馈入交互作用因子和改进型多馈入交互作用因子值的大小基本与各站所含谐波大小相对应，较好地反映了实际谐波传导情况；在11、13次谐波下，改进型多馈入交互作用因子值比多馈入交互作用因子的值小很多，之所以产生这种差异，是因为换流站本身针对11、13次谐波配置了滤波器，而对5、7次谐波没有配置滤波器，因而换流站与周围变电站11、13次谐波的耦合程度很小。改进型多馈入交互作用因子值比多馈入交互作用因子值更能反映实际谐波耦合情况，也进一步验证了改进型多馈入交互作用因子在各种谐波阻抗分布情况下都能较好地反映谐波耦合情况，而多馈入交互作用因子则存在一定的限制条件。
本发明具体实施方式还提供了一种电网谐波传导分析系统，包括：
数据采集模块：用于采集电网数据；
网络提取模块：用于提取简化谐波阻抗网络；
模型建立模块：用于建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型；
谐波传导分析模块：用于分析谐波传导情况。
本发明具体实施方式还提供了计算机处理控制装置，包括：
存储器：用于存储指令；
处理器：用于根据所述指令进行操作以执行本发明具体实施方式提供的一种电网谐波传导分析方法的步骤。
本发明具体实施方式还提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明具体实施方式提供的一种电网谐波传导分析方法的的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电网谐波传导分析方法，其特征是，包括如下步骤：
根据采集的电网数据提取简化谐波阻抗网络；
根据简化谐波阻抗网络建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型；
根据采集的电网数据和谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型分析谐波传导情况；
简化谐波阻抗网络包括两母线，谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型能够从谐波能量角度上体现两母线间谐波耦合关系，包括：谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型从形式上为谐波电压与谐波电流乘积的比值。
2.根据权利要求1所述的电网谐波传导分析方法，其特征是，根据采集的电网数据提取简化谐波阻抗网络，包括：
根据采集的电网数据建立电力系统网络；
根据电力系统网络提取简化谐波阻抗网络。
3.根据权利要求1所述的电网谐波传导分析方法，其特征是，根据简化谐波阻抗网络建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型，包括：
根据简化谐波阻抗网络建立谐波频次下多馈入交互作用因子模型；
将流入两母线自阻抗的谐波电流引入谐波频次下多馈入交互作用因子模型以建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型。
4.根据权利要求1所述的电网谐波传导分析方法，其特征是，根据采集的电网数据和谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型分析谐波传导情况，包括：
将采集的电网数据代入谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型进行计算；
根据计算结果分析谐波传导情况。
5.根据权利要求3所述的电网谐波传导分析方法，其特征是，谐波频次下多馈入交互作用因子模型的计算公式如下：
式中，MIIF12(f)为谐波频次下多馈入交互作用因子，Z12(f)为两母线间的谐波互阻抗，Z2(f)为节点自谐波阻抗，所述节点位于所述两母线中的一母线上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电网谐波传导分析方法，其特征是，谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型的计算公式如下：
式中，MIIF*(f)为谐波频次下改进型多馈入交互作用因子，Z12(f)为两母线间的谐波互阻抗，Z1(f)和Z2(f)为两节点自谐波阻抗，所述两节点分别位于所述两母线上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电网谐波传导分析方法，其特征是，采集的电网数据，包括：系统各元件的连接方式和阻抗特性。
8.一种电网谐波传导分析系统，其特征是，包括：
数据采集模块：用于采集电网数据；
网络提取模块：用于提取简化谐波阻抗网络；
模型建立模块：用于建立谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型；谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型能够从谐波能量角度上体现两母线间谐波耦合关系，包括：谐波频次下改进型多馈入交互作用因子模型从形式上为谐波电压与谐波电流乘积的比值；
谐波传导分析模块：用于分析谐波传导情况。
9.计算机处理控制装置，其特征是，包括：
存储器：用于存储指令；
处理器：用于根据所述指令进行操作以执行权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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2020
- 2020-04-09 CN CN202010273587.9A patent/CN111308200B/zh active Active
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|---|---|
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