一种谐波潮流检测方法及数值仿真

一种谐波潮流检测方法及数值仿真

刘会金　陈允平　彭辉　付立军　陈琼琼

　　摘要　提出了一种谐波潮流的实时检测方法，利用并联电容器的谐波电流放大原理对谐波电压间接取样，并利用串联无感电阻器对谐波电流直接取样。分析了谐波潮流检测灵敏度和同次谐波电压与电流相位差角的检测灵敏度，并对相应的模拟负荷进行了数值仿真，结果表明该取样方法简单可靠，能有效地提高谐波潮流检测的灵敏度，同时也验证了检测基波潮流与谐波潮流的符号是否一致以判断某一特定负荷是否为谐波源的方法。
　　关键词　谐波潮流　取样　电容器　灵敏度

METHOD OF MEASURING HARMONIC POWER FLOW AND ITS NUMERICAL SIMULATION

Liu Huijin　Chen Yunping　Peng Hui Fu Lijun　Chen Qiongqiong
(School of Electrical and informational Engineering, Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering Wuhan, 430072 China)

ABSTRACT　Sampling harmonic power flow in power system is still a difficult problem in harmonic power flow detecting. This paper puts forward a real-time method of sampling harmonic voltage indirectly by use of the harmonic current magnification of shunt capacity to detect harmonic power flow, and by use of resistance without inductance to sample harmonic current directly. This paper analyzes the sampling sensitivity of harmonic power flow and the relative phase shift between the voltage and current for each harmonic, and carries out the numerical simulation for relevant simulated load. According to the result of the theoretical analysis and numerical simulation, it can be seen that the method is simple and reliable, and can improve the sensitivity of detecting harmonic power flow effectively. At the same time, the correctness of the criterion which judges whether a certain load is a harmonic source by detecting the concordance of the signs between first harmonic and higher harmonic power flow is verified.
KEY WORDS　harmonic power flow; sample; capacitor; sensitivity

　　电力系统中的谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生有害的影响，严重时可造成设备损坏和电力系统事故。电力部门在负荷管理工作中，很重要的一项工作就是对谐波源负荷的管理和监测，查明谐波污染源，以明确责任，确定治理措施。同时对产生谐波污染的用户进行验算，确定其允许值和是否需要采取措施(如装设滤波器等)。因此，在谐波的管理和监测中，谐波潮流的检测对于快速、准确地查明谐波源以及谐波源注入供电点的谐波潮流值具有十分重要的意义。
　　由于电力系统中谐波潮流仅为基波潮流的几百分之一或几千分之一。因此，检测谐波潮流最大的难题是将淹没在噪声(基波潮流)中的弱信号(谐波潮流)检测出来。传统的谐波潮流取样信号来自被测线路中的电压、电流互感器的二次侧，经电压变送器和电流变送器输出信号。由于电磁式互感器的频率特性，特别是电压互感器的二次侧电压的大小和相位，会随谐波频率变化，其精度会受到影响；用于220kV及以上系统的电容式电压互感器，由一个电容式分压器和一个电磁式电压互感器组成。电容式电压互感器基本上是一个调谐50Hz的装置，使用频率范围很窄，不适用于测量谐波电压［1］。因此，目前采用的谐波潮流检测装置，检测精度差，灵敏度低，盲区大。
　　本文提出用电力电容器将谐波电流放大，作为谐波电压的取样信号，利用无感电阻器作为谐波电流的取样电路，采用模拟的非线性负荷和线性负荷进行数值仿真，能提高谐波潮流检测的灵敏度。

1　原理
　　非线性元件无源性的准确定义较为复杂，如果是时恒n口电阻器，无源的定义等价于任何容许信号偶［u(t)，i(t)］和任何时间t的瞬时功率p(t)为非负［2］，即

　(1)

　　根据上式可知，非线性二端电阻器为无源的，等价于其v-i特性在第一和第三象限，电力系统中的非线性负荷主要由大功率的电力电子元件组成，属于无源的非线性电阻元件。
　　应用替代原理，非线性负荷可视为恒定的谐波电流源，它将系统中基波潮流转换为谐波潮流，注入供电点。采用关联的参考方向时，非线性负荷的谐波潮流总为负值，线性负荷的谐波潮流总为正值。由于非线性负荷总潮流为正值，谐波潮流为负值；线性负荷的总潮流为正值，谐波潮流也为正值，因此根据谐波潮流与总潮流的符号是否一致,就可以判断一个特定负荷是否为谐波源。在输电线路上，根据谐波潮流的方向可以判断谐波源位于检测点的哪一侧。
　　利用电容器的谐波电流放大作用，谐波潮流检测中电压取样原理可用图1说明，设谐波源左侧h次谐波电流为ih,进入主系统的电流为ish,进入电压取样电容器的电流为iCh,系统的h次谐波阻抗和电容器的基波容抗分别为Zsh和XC1。

图1　谐波潮流检测电压取样原理图

　　各次谐波电压含有率为

　(2)

式中　U1为节点电压的基波有效值；Uh为节点电压h次谐波分量的有效值。
　　电容器支路各次谐波电流含有率为

　(3)

式中　IC1为电容器支路基波电流的有效值。
　　式(3)说明谐波电流的含有率HRICh是谐波电压含有率HRUh的h倍，从而利用标准电容器测量电容电流可得到谐波电压值，而灵敏度比直接测量谐波电压高h倍。由于电容器对谐波电流具有放大作用，谐波电流比例增大，从而可由测量谐波电流来间接测量谐波电压，从而很好地解决了信号淹没问题。
　　谐波源注入供电节点的谐波潮流为

Ph＝Re｛h*h｝＝UhIh cosφh＝IChXChIhcosφh　(4)

式中　*h为h的共轭相量；为谐波容抗；φh为同次谐波电压和电流之间的相位差角。
　　谐波源注入供电节点的谐波潮流的相对值为

　(5)

　　式(5)表明，直接对节点电压取样和采用电容器对节点电压间接取样，谐波源注入供电节点的谐波潮流的相对值均相同。
　　灵敏度是指静态测量时，输出增量与输入增量之比。假定同次谐波的电压和电流之间的相位差为定值，以Uh作为输入量时，灵敏度为

　(6)

　　以ICh作为输入量时，灵敏度为

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