董永樂，毛永梅，白露薇，達(dá)爾罕

內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010

0 引言

非線性負(fù)荷并非直接接入電網(wǎng)，供電網(wǎng)絡(luò)中的功率補(bǔ)償裝置促使非線性負(fù)荷發(fā)出諧波到電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)，這種情況不是根據(jù)負(fù)荷的諧波量決定，主要受供電網(wǎng)絡(luò)的具體參數(shù)制約[1-3]。文章基于《電能質(zhì)量測試方法標(biāo)準(zhǔn)》（IEC 61000-4-30）的諧波歸集原理和帕賽瓦爾定理，主要考慮諧波的旁瓣頻次，提出針對非線性負(fù)荷諧波傳導(dǎo)的諧波系數(shù)算法，依據(jù)得到的負(fù)荷特性和電力網(wǎng)路參數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，得出相應(yīng)諧波系數(shù)。

1 非線性負(fù)荷的特點(diǎn)

具有非線性阻抗特性的用電設(shè)備的阻抗會隨著外施電壓和電流的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，當(dāng)向這類設(shè)備外施正弦波形的電壓，會從電力系統(tǒng)吸收非正弦的電流，當(dāng)向這類設(shè)備接通正弦波形電流時，形成非正弦波形電壓，因此非線性負(fù)荷最顯著的特點(diǎn)是會引起電力系統(tǒng)的電壓和電流正弦波形的畸變。

2 產(chǎn)生非線性負(fù)荷的設(shè)備

類似電弧爐、變頻器、逆變器、半導(dǎo)體整流器以及加熱器、電磁爐、各種半導(dǎo)體調(diào)壓、調(diào)頻設(shè)備和半導(dǎo)體做成的各種家用電器等的容量從十幾瓦到幾萬千瓦不等，這些產(chǎn)生非線性負(fù)荷的設(shè)備大多是使用十分廣泛的電氣設(shè)備。所有產(chǎn)生非線性負(fù)荷負(fù)載的設(shè)備可稱為諧波源[4]。在電力系統(tǒng)的供電網(wǎng)中，通過各種設(shè)備所產(chǎn)生的各種諧波源，進(jìn)而產(chǎn)生的各種諧波對電力系統(tǒng)的供電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，影響整個電氣環(huán)境，而電氣環(huán)境主要包括供電電力系統(tǒng)本身和廣大的用戶。因此，無論是從對電力系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)負(fù)載考慮，還是從對供電用電設(shè)備進(jìn)行正常運(yùn)維考慮，都有必要對諧波污染所造成的直接和間接危害進(jìn)行有效限制。

3 諧波系數(shù)算理

諧波系數(shù)是諧波具體含量和諧波所屬交變量之間的均方根值比值。在參數(shù)分析中，先選取合適的參數(shù)模型，再針對確定的參數(shù)模型去選定相應(yīng)的逼近準(zhǔn)則，并給出計算模型參數(shù)最高效的算法，算法算理驗(yàn)證主要影響參數(shù)的精度。在驗(yàn)證中，諧波信號模型可選取以下公式：

在上述模型中，諧波次數(shù)可以通過搜索幅度頻譜中的局部最大值實(shí)現(xiàn)，可以采取局部最大的數(shù)值對應(yīng)一次諧波，幅值的參數(shù)和采樣的序列之間呈線性關(guān)系，頻率和相位為非線性關(guān)系，非線性模型可以采用非線性算法。算法流程如下：

根據(jù)上述方法可以采用整數(shù)次諧波附近的三根譜線信息表示。

4 綜合頻次的諧波系數(shù)算法

綜合頻次的諧波系數(shù)算法可以依據(jù)上述內(nèi)容進(jìn)行衍生計算，在電源發(fā)射特性及電力系統(tǒng)具體參數(shù)數(shù)據(jù)確定的前提下，假設(shè)在典型工作情況下已經(jīng)獲得并且構(gòu)成了n次諧波的三根譜線，在進(jìn)行諧波系數(shù)推導(dǎo)時，算法必須對諧波旁瓣頻次的系數(shù)進(jìn)行充分考量，基于帕賽瓦爾等式的Rayleigh能量定理進(jìn)行有效的譜線歸集[5]。

簡化的模型電路記為

綜合諧波系數(shù)記為

5 仿真驗(yàn)證

因?yàn)橹C波特性的明顯差異，非線性負(fù)荷間普遍存在諧波彼此消減的現(xiàn)象，所以在仿真時需要通過仿真結(jié)果得出各種諧波源間的諧波特性[6]。

構(gòu)造諧波信號：

取樣頻率為1 Hz，采樣時段為0～0.1 s，采樣點(diǎn)數(shù)為101個，在進(jìn)行驗(yàn)證計算和仿真對比中，可以利用EAST極向場的變流器負(fù)荷參數(shù)和無功補(bǔ)償系統(tǒng)處于同一個變壓器的側(cè)母線時，將園區(qū)裝置中心電力系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，給出相應(yīng)極向場變流器在實(shí)際運(yùn)行之中所發(fā)生的實(shí)際諧波傳導(dǎo)流變方向，此時需充分結(jié)合負(fù)載和功補(bǔ)償電路所擁有的支路和電路所在的電力系統(tǒng)電網(wǎng)的具體參數(shù)，進(jìn)行單頻次的電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)的諧波電流的仿真放大系數(shù)的相應(yīng)仿真驗(yàn)證和對比，從而得到諧波電流系數(shù)的曲線表示。

由上述計算結(jié)果可以進(jìn)行綜合的驗(yàn)證，得到綜合諧波系數(shù)：

在驗(yàn)證和對比過程中，以EAST電網(wǎng)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的仿真實(shí)測波形為例進(jìn)行分析，由電能質(zhì)量分析可以測得負(fù)載（CH2）及（CH1）2次的諧波系數(shù)為1.725。

通過EAST電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的仿真和模型參數(shù)，可以解決非線性負(fù)載參數(shù)的算理驗(yàn)證和計算的問題，已經(jīng)給出參數(shù)初值，合適的選取初值可以促使算法對初值的敏感性顯著降低，并提升算理的極端效率。通過仿真和模型參數(shù)，對非線性負(fù)荷負(fù)載具體電壓和電力系統(tǒng)電網(wǎng)電流具體參數(shù)之間的關(guān)系有了一定深刻的認(rèn)知，非線性負(fù)荷負(fù)載的電路電壓往往是包含各種次諧波的復(fù)雜背景的綜合背景電壓，這些復(fù)雜的綜合背景電壓主要包括電源所產(chǎn)生的電壓和其他負(fù)荷負(fù)載一起產(chǎn)生的綜合背景諧波電壓數(shù)據(jù)，在仿真中不能完全依照真實(shí)發(fā)生去復(fù)原，僅通過仿真難以得到準(zhǔn)確的結(jié)論。

非線性負(fù)荷負(fù)載諧波的仿真結(jié)果說明，結(jié)合算法的參數(shù)去驗(yàn)證算法的精度往往要高于其他算法，這種算法具有明顯的優(yōu)勢。其中，采用單頻率點(diǎn)K100為1.804時,仿真所使用的電能質(zhì)量分析儀實(shí)際測量得到的數(shù)據(jù)是1.725，綜合諧波系數(shù)Kn的數(shù)值為1.731。在進(jìn)行仿真驗(yàn)證和對比的同時，實(shí)際綜合諧波的諧波系數(shù)數(shù)據(jù)與電能質(zhì)量分析儀所測的結(jié)果非常接近，在此研究分析的基礎(chǔ)上，可以以此為依據(jù)進(jìn)行大功率的非線性電力設(shè)備的接入和實(shí)際的測量與評估，綜合考慮非線性負(fù)荷負(fù)載間諧波的具體分散效應(yīng)，以此達(dá)到充分避免對電力系統(tǒng)電路諧波水平估計過高的情況，找出最佳組合降低組合運(yùn)行對系統(tǒng)的諧波污染。

6 結(jié)束語

因?yàn)殡娋W(wǎng)中非線性負(fù)荷日益增加，諧波給電能計算帶去的影響日趨增大，所以準(zhǔn)確的電能計算方法對電網(wǎng)電能計量效率的提升具有一定的作用。在非線性負(fù)荷條件下，豐富的諧波導(dǎo)致電力信號頻繁出現(xiàn)連續(xù)頻譜，傳統(tǒng)的基于FFT的電能算法已不再適用現(xiàn)今電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，因此文章依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出三譜線綜合諧波系數(shù)算法，闡述基于帕賽瓦爾定理算理。通過算法的運(yùn)算和數(shù)據(jù)的仿真對比，充分驗(yàn)證了諧波系數(shù)算法的有效性。