CN112446607A - 一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，采用谐波电压作为谐波干扰强度指标评价，建立节点谐波电压叠加方程，在电网中接入多个未知谐波源谐波电流相角的非线性负荷时，按如下步骤评估节点谐波干扰：1）计算各谐波源单独注入时，在节点上产生的谐波电压；2）判断节点阻抗是否已知，是则电网阻抗角方差为0，否则计算电网阻抗角方差；3）计算谐波电压相角方差；4）计算节点谐波电压叠加方程的谐波电压叠加系数；5）基于节点谐波电压叠加方程，计算得到合并后的谐波电压；6）评估谐波电压有否超过预设的阈值，基于此进行节点谐波干扰评估。该方法有利于准确评估电网谐波干扰强度。

Description

一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法

技术领域

本发明属于谐波监测技术领域，具体涉及一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法。

背景技术

随着社会电气化水平的日益提高，电网中非线性负荷的数量、容量逐渐增大，使电网中的电流和电压发生畸变，给电力系统带来严重的谐波污染。工业自动化所需的高精度智能器件要求在基本无干扰的环境中才能正常使用，这对电能质量的要求更为严格。同时，以光伏发电和风力发电为主的新能源正蓬勃发展，电力系统背景谐波可能导致新能源发电大量脱网。因此，在谐波干扰用户接入电网之前就进行干扰强度预评估显得尤为重要。此外，由于成本限制，目前尚未在电力系统中的每个节点安装谐波监测装置，需要具备从部分监测量评估其它电网节点谐波电压干扰的手段。

在电力系统中，主要以谐波电压、谐波电流和谐波功率作为谐波干扰水平的评估指标。谐波监测可以得到各次谐波大小，将监测值与限值进行比较，能够评估电力干扰大小，并提出相应的谐波治理方法。然而每个谐波源产生的谐波相位是相对于各自基波而言，实际电力系统中由于非线性负荷的多样性，无法知道各个谐波源间的相对谐波相位，难以采用潮流计算得出各节点谐波指标。

提出一种多谐波源并网后对电网各节点干扰强度评估的方法，在未知等值阻抗的大电网中，接入多个未知谐波电流相角的非线性负荷时，计算谐波源在各节点上产生的谐波电压，评估该点谐波干扰指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，该方法有利于准确评估电网谐波干扰强度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，采用谐波电压作为谐波干扰强度指标评价，建立节点谐波电压叠加方程，在电网中接入多个未知谐波源谐波电流相角的非线性负荷时，按如下步骤评估节点谐波干扰：

1)计算各谐波源单独注入时，在节点上产生的谐波电压；

2)判断节点阻抗是否已知，是则电网阻抗角方差为0，否则计算电网阻抗角方差；

3)计算谐波电压相角差的方差，进而计算谐波电压相角差余弦的期望；

4)计算节点谐波电压叠加方程的谐波电压叠加系数；

5)基于节点谐波电压叠加方程，计算得到合并后的谐波电压；

6)评估谐波电压有否超过预设的阈值，基于此进行节点谐波干扰评估。

进一步地，在多谐波源接入下，建立电网的节点谐波电压叠加方程如下式(1)所示：

其中，U_j1为第一谐波源产生的谐波电流在节点j上产生的谐波电压的有效值；U_j2为第二谐波源产生的谐波电流在节点j上产生的谐波电压的有效值；K_U为电压叠加系数，其计算公式如下式(2)：

式中，

为两谐波电压相角差；若有两个以上谐波源，则先将其中两个谐波源单独作用在节点上产生的谐波电压进行叠加，再与第三个谐波源单独作用在该节点上的谐波电压按照式(1)进行叠加，以此类推，直至所有谐波电压叠加完成。

进一步地，电网阻抗角方差的计算方法为：

网络节点阻抗由用户侧线路阻抗Z_L、系统侧阻抗Z_S以及变压器阻抗Z_T组成，分别由下式(3)～(5)表示：

Z_L＝(r+jx)l (3)

式中，r、x分别为线路每千米电阻值和电抗值，l为线路长度；U_K为短路计算点的平均电压，S_K为出口断路器的短路容量；U_d为变压器的短路电压百分值，U_N为变压器的额定电压，S_N为变压器的额定容量；

分别令系统阻抗模值、线路长度、变压器电抗值为变量x、y、z，将设置的中压电网系统阻抗角，代入上式(3)～(5)，得到各变量相应的取值范围，则各部分阻抗由下式(6)～(8)表示：

Z_L＝(a₁+ja₂)x，x∈[x_max，x_min] (6)

Z_S＝(b₁+jb₂)y，y∈[y_max，y_min] (7)

Z_T＝jz，z∈[z_max，z_min] (8)

其中a₁、a₂、b₁、b₂分别为常量；得到中压电网阻抗角θ为关于随机变量x、y、z的函数：

求式(9)中

函数的上下限

由于反正切函数为单调函数，因此令：

求f(x，y，z)的最大最小值；其中f的取值变化范围与z同增减；分别对x、y求导，由于f_x(x，y，z)与f_y(x，y，z)始终不等于零，因此该函数为单调函数，即在边界取得最大最小值；代入变量数组，得到函数f(x，y，z)的最大最小值，再代入式(9)即得到中压电网阻抗角θ的上下限[θ_max，θ_min]；

假设电网阻抗角θ满足均匀分布，则电网阻抗角的方差为：

进一步地，计算谐波电压相角差的方差，进而计算谐波电压相角差余弦的期望的具体方法为：

计算基波电压相角差的方差σ₁ ²为电网阻抗角的方差与基波电流相角方差之和；

计算得到谐波电压相角差

的方差为2hσ₁ ²，进而得到其标准差为

按下式(12)计算得到谐波电压相角差余弦的期望

式中，h表示谐波次数。

进一步地，计算得到谐波电压相角差余弦的期望

后，按式(2)计算得到电压叠加系数K_U，再按式(1)进行谐波电压合并计算，得到电网中待评估节点的谐波电压，然后判断谐波电压有否超过预设的阈值，基于此对电网节点谐波干扰强度进行评估。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提出了一种对多谐波源电网的节点谐波电压干扰进行评估的方法，该方法基于简化谐波潮流的干扰源对电网内部各个节点的谐波电压进行干扰强度评估，分析多谐波源在同一节点上引起的同次谐波电压分布规律，计算得到电网内部各个节点谐波叠加后的谐波电压，基于此可以准确、有效地评估电网节点的谐波干扰强度情况。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的方法实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，该方法采用谐波电压作为谐波干扰强度指标评价，建立节点谐波电压叠加方程，在电网中接入多个未知谐波源谐波电流相角的非线性负荷时，计算谐波源在节点上产生的谐波电压，进而评估该点谐波干扰强度。

在多谐波源接入下，建立电网的节点谐波电压叠加方程如下式(1)所示：

其中，U_j1为第一谐波源产生的谐波电流在节点j上产生的谐波电压的有效值；U_j2为第二谐波源产生的谐波电流在节点j上产生的谐波电压的有效值；K_U为电压叠加系数，其计算公式如下式(2)：

式中，

为两谐波电压相角差；若有两个以上谐波源，则先将其中两个谐波源单独作用在节点上产生的谐波电压进行叠加，再与第三个谐波源单独作用在该节点上的谐波电压按照式(1)进行叠加，以此类推，直至所有谐波电压叠加完成。

电压叠加系数取值分如下两种情况：

(1)已知节点注入谐波电流的幅值与网络节点阻抗时，电网阻抗角方差为0，电压叠加系数按国标中电流叠加系数计算；

(2)已知节点注入谐波电流的幅值，而网络节点阻抗矩阵Z未知，则需考虑一般情况下电网系统阻抗相角方差的典型值，求出谐波电压叠加系数K_U。

如图1所示，本发明按如下步骤对节点谐波干扰进行评估：

1)计算各谐波源单独注入时，在节点上产生的谐波电压。

2)判断节点阻抗是否已知，是则电网阻抗角方差为0，否则计算电网阻抗角方差。

其中，电网阻抗角方差的计算方法为：

网络节点阻抗由用户侧线路阻抗Z_L、系统侧阻抗Z_S以及变压器阻抗Z_T组成，分别由下式(3)～(5)表示：

Z_L＝(r+jx)l (3)

式中，r、x分别为线路每千米电阻值和电抗值，l为线路长度；U_K为短路计算点的平均电压，S_K为出口断路器的短路容量；U_d为变压器的短路电压百分值，U_N为变压器的额定电压，S_N为变压器的额定容量；

分别令系统阻抗模值、线路长度、变压器电抗值为变量x、y、z，将设置的中压(10～35kV)电网系统阻抗角，根据各电气设计手册与电力变压器参数要求手册中的典型数据，代入上式(3)～(5)，得到各变量相应的取值范围，则各部分阻抗由下式(6)～(8)表示：

Z_L＝(a₁+ja₂)x，x∈[x_max，x_min] (6)

Z_S＝(b₁+jb₂)y，y∈[y_max，y_min] (7)

Z_T＝jz，z∈[z_max，z_min] (8)

其中a₁、a₂、b₁、b₂分别为常量；得到中压电网阻抗角θ为关于随机变量x、y、z的函数：

求式(9)中

函数的上下限

由于反正切函数为单调函数，因此令：

求f(x，y，z)的最大最小值；其中f的取值变化范围与z同增减；分别对x、y求导，由于f_x(x，y，z)与f_y(x，y，z)始终不等于零，因此该函数为单调函数，即在边界取得最大最小值；代入变量数组，得到函数f(x，y，z)的最大最小值，再代入式(9)即得到中压电网阻抗角θ的上下限[θ_max，θ_min]；

假设电网阻抗角θ满足均匀分布，则电网阻抗角的方差为：

3)计算谐波电压相角差的方差，进而计算谐波电压相角差余弦的期望。

计算基波电压相角差的方差σ₁ ²为电网阻抗角的方差与基波电流相角方差之和；

计算得到谐波电压相角差

的方差为2hσ₁ ²，进而得到其标准差为

按下式(12)计算得到谐波电压相角差余弦的期望

式中，h表示谐波次数。

其中，由于谐波电流叠加系数取值算法与谐波电压叠加系数取值算法相同，都是按照下式(12)得出，按照国标《电能质量公用电网谐波》附录C中对电流叠加系数K_h取值，就可以知道对应的谐波电流相角差的期望值，按照式(12)即可算出基波电流相角方差。

4)计算节点谐波电压叠加方程的谐波电压叠加系数。

5)基于节点谐波电压叠加方程，计算得到合并后的谐波电压。

即，计算得到谐波电压相角差余弦的期望

后，按式(2)计算得到电压叠加系数K_U，再按式(1)进行谐波电压合并计算，得到电网中待评估节点的谐波电压，然后判断谐波电压有否超过预设的阈值，基于此对电网节点谐波干扰强度进行评估。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，其特征在于，采用谐波电压作为谐波干扰强度指标评价，建立节点谐波电压叠加方程，在电网中接入多个未知谐波源谐波电流相角的非线性负荷时，按如下步骤评估节点谐波干扰：

1)计算各谐波源单独注入时，在节点上产生的谐波电压；

2)判断节点阻抗是否已知，是则电网阻抗角方差为0，否则计算电网阻抗角方差；

3)计算谐波电压相角差的方差，进而计算谐波电压相角差余弦的期望；

4)计算节点谐波电压叠加方程的谐波电压叠加系数；

5)基于节点谐波电压叠加方程，计算得到合并后的谐波电压；

6)评估谐波电压有否超过预设的阈值，基于此进行节点谐波干扰评估。

2.根据权利要求1所述的一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，其特征在于，在多谐波源接入下，建立电网的节点谐波电压叠加方程如下式(1)所示：

其中，U_j1为第一谐波源产生的谐波电流在节点j上产生的谐波电压的有效值；U_j2为第二谐波源产生的谐波电流在节点j上产生的谐波电压的有效值；K_U为电压叠加系数，其计算公式如下式(2)：

式中，

为两谐波电压相角差；若有两个以上谐波源，则先将其中两个谐波源单独作用在节点上产生的谐波电压进行叠加，再与第三个谐波源单独作用在该节点上的谐波电压按照式(1)进行叠加，以此类推，直至所有谐波电压叠加完成。

3.根据权利要求2所述的一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，其特征在于，电网阻抗角方差的计算方法为：

网络节点阻抗由用户侧线路阻抗Z_L、系统侧阻抗Z_S以及变压器阻抗Z_T组成，分别由下式(3)～(5)表示：

Z_L＝(r+jx)l (3)

式中，r、x分别为线路每千米电阻值和电抗值，l为线路长度；U_K为短路计算点的平均电压，S_K为出口断路器的短路容量；U_d为变压器的短路电压百分值，U_N为变压器的额定电压，S_N为变压器的额定容量；

分别令系统阻抗模值、线路长度、变压器电抗值为变量x、y、z，将设置的中压电网系统阻抗角，代入上式(3)～(5)，得到各变量相应的取值范围，则各部分阻抗由下式(6)～(8)表示：

Z_L＝(a₁+ja₂)x，x∈[x_max，x_min] (6)

Z_S＝(b₁+jb₂)y，y∈[y_max，y_min] (7)

Z_T＝jz，z∈[z_max，z_min] (8)

其中a₁、a₂、b₁、b₂分别为常量；得到中压电网阻抗角θ为关于随机变量x、y、z的函数：

求式(9)中

函数的上下限

由于反正切函数为单调函数，因此令：

求f(x，y，z)的最大最小值；其中f的取值变化范围与z同增减；分别对x、y求导，由于f_x(x，y，z)与f_y(x，y，z)始终不等于零，因此该函数为单调函数，即在边界取得最大最小值；代入变量数组，得到函数f(x，y，z)的最大最小值，再代入式(9)即得到中压电网阻抗角θ的上下限[θ_max，θ_min]；

假设电网阻抗角θ满足均匀分布，则电网阻抗角的方差为：

4.根据权利要求3所述的一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，其特征在于，计算谐波电压相角差的方差，进而计算谐波电压相角差余弦的期望的具体方法为：

计算基波电压相角差的方差σ₁ ²为电网阻抗角的方差与基波电流相角方差之和；

计算得到谐波电压相角差

的方差为2hσ₁ ²，进而得到其标准差为

按下式(12)计算得到谐波电压相角差余弦的期望

式中，h表示谐波次数。

5.根据权利要求4所述的一种多谐波源电网的节点谐波干扰评估方法，其特征在于，计算得到谐波电压相角差余弦的期望

后，按式(2)计算得到电压叠加系数K_U，再按式(1)进行谐波电压合并计算，得到电网中待评估节点的谐波电压，然后判断谐波电压有否超过预设的阈值，基于此对电网节点谐波干扰强度进行评估。

Images