基于Simulink的諧波潮流功率諧波源定位方法缺陷分析

張臻哲　方逸波　楊瑞琳　朱柯佳

【摘 要】面對當前規(guī)模龐大負荷復雜的智能電網(wǎng)諧波源定位問題，目前應用廣泛的諧波功率潮流方向法無法滿足實際需求。本論文基于戴維寧等效電路模型，結合MATLAB/Simulink，建模仿真分析了其中無功功率方向發(fā)與有功功率方向法存在的兩大缺陷：某些場合無法判斷主諧波源以及無法定位用戶側諧波源所在支路，并提出了改進意見。

【關鍵詞】諧波源定位；諧波功率潮流方向；戴維寧等效電路；Simulink仿真

Analysis on Disadvantages of Harmonic Power Flow Direction Methods Locating Harmonic Sources Based on Simulink

ZHANG Zhen-zhe FANG Yi-bo YANG Rui-lin ZHU Ke-jia

（Hohai University，Nanjing Jiangsu 211100，China）

【Abstract】Currently wide-used harmonic power flow direction methods are unable to solve problems of locating harmonic sources in the power systems perfectly in the background of lager-scale complex load and smart grid.By simulating on Thevenin equivalent circuit models constructed on Simulink of MATLAB，this paper analyzes two disadvantages this kind of methods referred before：one is that under some circumstances it is unable to identify while the main harmonic source locates in the system or the consumers；another is that it is unable to locate which branch lies in the main harmonic source on the side of consumers，and presents improvement suggestions against these disadvantages.

【Key words】Harmonic sources location；Harmonic power flow；Thevenin equivalent circuit；Simulink simulation

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力電子裝置與非線性負荷裝置的廣泛應用，諧波污染的問題日益嚴重，對于電能質(zhì)量與電力系統(tǒng)穩(wěn)定造成極大危害。諧波源定位技術是監(jiān)測電力系統(tǒng)中非線性負荷諧波畸變，治理諧波污染的基礎。

目前應用最廣的諧波源定位技術是基于諧波功率潮流方向的諧波源定位方法，主要分為無功功率法與有功功率法兩種。此類方法基于戴維寧等效電路模型，直觀清晰，得到了廣泛承認，也是目前工程中最常用的方法。但是諧波功率潮流法具有兩個顯著缺陷，其一是在部分情況下結果會產(chǎn)生較大誤差，其二是無法準確定位諧波源在負荷支路上的具體位置。

本論文通過Simulink建模仿真實驗，分析了有功功率方向法與無功功率方向法諧波源判斷產(chǎn)生誤差的情況，并對有功功率法確定具體負荷支路上的方法提出了建議，對于該類方法進行了全面評價。

1 無功功率方向法與有功功率方向法基本原理

無功功率方向法與有功功率方向法都基于簡化的戴維寧諾頓等效電路，將電力系統(tǒng)分為系統(tǒng)側與用戶側，通過測量PCC處諧波電量，計算分析諧波無功功率或有功功率潮流方向確定主諧波源在哪一側。

1.1 無功功率法

系統(tǒng)電壓幅值主要與無功功率有關，無功功率的方向可反映出系統(tǒng)側與用戶側的諧波發(fā)射水平，運用無功功率方向法可以判斷出兩側諧波源的相對大小，從而定位主諧波源[1]。根據(jù)公式：

如果X +X >0，U -U >0表示無功功率從系統(tǒng)側流到用戶側，反之則表示其從用戶側流到系統(tǒng)側。同時由式（1）可知，Q正負不僅與U -U cos？的正負有關，且與XU+XC的正負有關。在無諧波的情況下，系統(tǒng)中的阻抗為正值，在有諧波的情況則下可能出現(xiàn)負值。即便假定系統(tǒng)中阻抗為正值，只有Q<0時才能得到UU-UC<0，若Q>0，無法判斷Uu和Uc的大小，從而無法判定主諧波源，因此無功功率定位法存在較大限制。

1.2 有功功率方向法

根據(jù)公式P=為諧波電流I滯后于UU的相位角，P是從系統(tǒng)側流入PCC的某次諧波的功率。若P>0，那么系統(tǒng)側就是主諧波源；若P<0，那么用戶側就是主諧波源[2]。由于根據(jù)圖1有功功率還可表示為P=根據(jù)圖諧波功率的方向受到用戶側與系統(tǒng)側諧波電壓源的相位差？啄的影響[3]，電力系統(tǒng)中？啄一般與90°相差較大，但當？啄接近90°時，該法用于諧波源定位時可能會產(chǎn)生較大誤差。

2 Simulink建模仿真

如圖3，配電網(wǎng)中負荷呈輻射狀分布，基于戴維寧等效電路的諧波源定位方法僅在PCC處設測量點，當主要諧波源位于系統(tǒng)側時，無法定位其所在的具體具體支路。為更好分析無功功率法與有功功率法在解決諧波源定位問題上的缺陷并尋找可行的改進方法，對原本戴維寧等效電路進行修改。

如圖4，在系統(tǒng)側增設一條支路以在保證模型盡量簡化的前提下模擬多負荷支路情況以及可能出現(xiàn)的多諧波源主諧波源確認問題。多支路情況可由此推廣探究。

根據(jù)理論模型，利用MATLAB的Simulink工具箱，搭建仿真電路模型。

（a）計算模塊的內(nèi)部

（a）Inside of calculation modules

（b）計算有功功率的子系統(tǒng)

（b）Subsystem for calculating active power

該仿真模型分為系統(tǒng)側和用戶側，其中S，C1，C2三個模塊為電壓源，可以設置諧波次數(shù)，幅值和初相。因為大多數(shù)配電網(wǎng)中，諧波大部分由各種整流模塊等非線性元件產(chǎn)生，主要有5次和7次；因為各次諧波的研究方法相同，為了突出結論，本實驗僅研究5次諧波的情況，其余高次諧波可借由相同方法推廣。電力系統(tǒng)中諧波發(fā)射水平應由諧波電壓畸變量大小決定[4]，所以用模型用諧波電壓源等效兩側非線性負荷產(chǎn)生的諧波畸變。和傳統(tǒng)的戴維寧等效電路圖相比，此模型為了研究配電網(wǎng)中用戶側可能存在多個諧波源的情況，增設了一條支路。由于一般的配電網(wǎng)中系統(tǒng)阻抗遠小于用戶阻抗，故設電源串聯(lián)電阻和電抗分別為0.1Ω和0.0001H，即五次諧波阻抗為Zs=0.1+j0.157Ω；用戶1和用戶2參數(shù)均為10Ω，0.01H?；鶞暑l率fn=50Hz，即5次諧波頻率250Hz。利用戴維寧等效電路的原則，可求得用戶側電路開路電壓Uc=（U1+U2）/2，等效阻抗為Zc=5+j7.854Ω。

為更好研究諧波功率潮流在電力系統(tǒng)尤其是用戶側各支路分布情況，仿真模型與傳統(tǒng)只在PCC處設測點測量諧波電流與電壓不同，對PCC處進行電壓測量，并分別對一條進線和兩條出線進行電流測量，利用如下所示搭建的計算模塊算出其中三點5次諧波的有功功率、無功功率和功率因數(shù)角。

3 實驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗與數(shù)據(jù)獲取

為了全面模擬主諧波源存在于系統(tǒng)側/用戶側時無功功率法有效/無效，有功功率發(fā)判斷準確/存在誤差等所有可能出現(xiàn)的情況，并且以及一共在此仿真電路下進行了5次實驗，實驗所得數(shù)據(jù)如下表。

其中，設置實驗（a）（c）（d）的主諧波源位于用戶側，實驗（b）（e）主諧波源位于系統(tǒng)側。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 無功功率方向法缺陷分析

通過觀察（a）（d）兩次實驗的數(shù)據(jù)，PCC處進線的無功功率為負，根據(jù)無功功率方向法判據(jù)判定諧波源位于用戶側，這與實際情況一致，無功功率方向法有效；而在實驗（b）（e）中，主諧波源位于系統(tǒng)側，在實驗（c）中，主諧波源位于用戶側，這兩種情況下，PCC處進線的無功功率均為正，無功功率法即失效。

3.2.2 有功功率方向法缺陷分析

在實驗（a）（c）中，PCC進線的有功功率為負，根據(jù)有功功率方向法判據(jù)，諧波源位于用戶側，而在（b）中，PCC進線的有功功率為正，根據(jù)有功功率方向法判據(jù)諧波源位于系統(tǒng)側，兩次與實際（下轉第68頁）（上接第27頁）情況一致。但是在實驗（d）（e）中，功率因數(shù)角接近90°，此時進線處的有功功率非常小，難以判斷正負，即難以判斷主要諧波源是位于系統(tǒng)側還是位于用戶側。在現(xiàn)實工況中由于噪聲與背景諧波等因素的干擾，有功功率法會誤判。這種情況下，有功功率方向法將失效。

3.2.3 基于多測點的有功功率方向法改進

為了彌補傳統(tǒng)的等效電路中有功功率方向法只能判斷主諧波源位于系統(tǒng)側還是用戶側，無法細分用戶側的諧波責任的不足。對此，實驗分別測量兩條支路上輸送的諧波功率。通過對5次實驗數(shù)據(jù)的觀察對比可見，在負荷支路阻抗相近情況下無論是主諧波源位于系統(tǒng)側還是位于用戶側，都可以根據(jù)比較兩條出線的有功功率的大小來進行責任的細分，有功功率較小的出線表示這條出線存在諧波發(fā)射水平較高的諧波源。不改變有功功率法簡潔清晰的特征，該方法實現(xiàn)了主諧波源在用戶側的情況下，該判斷方法可進一步定位主諧波源具體負荷支路位置；主諧波源位于系統(tǒng)側的情況，該方法也可輔助諧波責任劃分工作。對于用戶數(shù)量更多的情況，測量各支路諧波電流，諧波有功功率最小的支路即諧波電壓畸變量最大的支路?，F(xiàn)實中阻抗差異很大的情況下需要進行分區(qū)等效變換，應用將略顯繁瑣。

4 結論

本文對于無功功率方向法與有功功率方向法存在的缺陷，基于MATLAB的Simulink進行仿真實驗予以驗證，實驗說明無功功率方向法與有功功率方向法在兩側諧波源相角差一定范圍內(nèi)存在誤判或失效的情況，同時無法準確定位主諧波源具體產(chǎn)生的負荷支路。同時，本文提出了一種基于多測點的有功功率方向法改進，可以輔助判斷主諧波源所在支路或多諧波源情況下主諧波責任認定。

基于無功功率方向法與有功功率方向法的諧波源定位技術存在較大缺陷，但由于其簡單直觀利于工程實踐的特點，可以與其他準確源定位方法結合應用，如形成決策樹[5]，落實復雜電網(wǎng)多諧波源獎懲機制。

【參考文獻】

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[2]Wilsun Xu.Direction method cannot be used for harmonicsource detection[A].IEEE Power Eng.Society SummerMeeting[C].Seattle，USA，2000：873-876.

[3]Wilsun Xu，Y Liu.A method for determining customer andutility harmonic contributions at the point of common coupling[J].IEEE Trans.on Power Delivery，2000，15（2）：804-811.

[4]郝江濤，劉念.單相及三相電路諧波和無功電流的檢測研究[J].高電壓技術，2005，31（3）：44-46.

[5]江友華，葉尚興，黃志敏，王林.基于決策樹的復雜電網(wǎng)多諧波源監(jiān)管[J].電測與儀表，2016（2）：45-51+72.

[責任編輯：田吉捷]