一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法发明专利

专利名称：一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111506290.3

专利申请（专利权）人：国网西藏电力有限公司电力科学研究院
权利人地址：西藏自治区拉萨市色拉路17号

专利发明（设计）人：赵宏程,张俊杰,曾毅,刘川平,王超,张波琦,赵文陶,陈嗣霖,孙晓佳,王寒,郝兴宏,冯银银,李朝兵,张熊熊,吴京明

专利摘要：本发明公开了一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法，将非线性用户根据其停止运行的情况分为两类：仅切断谐波源而保留其用户侧阻抗与电网相连（如光伏场站等），切断谐波源和用户侧阻抗（如电弧炉等）；确定在验证求得谐波阻抗准确性过程中，IEC方法和叠加原理方法的差异及其各自的适用范围；基于这两种方法的特点以及非线性用户的类别，提出了可精确验证求得谐波阻抗正确性的方法。

主权利要求：
1.一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将非线性用户分为A类非线性用户和B类非线性用户，分别计算各类非线性用户退出运行时，在PCC处测得的谐波电压，即背景谐波的参考电压；
1)所述A类非线性用户为当其停止运行时，谐波源和谐波阻抗均断开的用户，该类用户根据IEC方法的电路模型计算背景谐波电压；定义背景谐波的A类参考电压为 由下式求得：其中，Zu和 分别为系统侧的谐波阻抗与谐波电流；
当准确求得系统侧谐波阻抗Zu之后，根据IEC方法计算的背景谐波电压 将与A类参考电压 相等；
2)所述B类非线性用户为当其停止运行时，谐波源被切断，而谐波阻抗仍连接到电网的用户，该类用户根据叠加原理模型计算背景谐波电压；定义背景谐波的B类参考电压为由下式求得：其中，Zc为用户侧谐波阻抗；
当准确求得用户侧谐波阻抗Zc与系统侧谐波阻抗Zu后，根据叠加原理计算的背景谐波电压 与B类参考电压 相等步骤2：根据用户侧谐波阻抗Zc与系统侧谐波阻抗Zu之间的大小关系验证求得谐波阻抗的准确性，详细过程如下：A)|Zc|并非远大于|Zu|的工况
对A类非线性用户采用IEC方法计算 对B类非线性用户采用叠加原理计算 据此验证求得系统侧谐波阻抗Zu和用户侧谐波阻抗Zc的准确性；
B)|Zc|远大于|Zu|的工况
由于|Zc|>>|Zu|，从而有Zu/Zc≈0，将根据叠加原理计算背景谐波电压的算式转化为下式：则 与 彼此近似相等，无论是A类非线性用户还是B类非线性用户，均能够基于IEC方法或叠加原理验证求得系统侧谐波阻抗Zu的准确性。
2.根据权利要求1所述谐波阻抗计算结果准确性判断方法，其特征在于，|Zc|与|Zu|之间大小关系的判断方法为：当|Zc|>>|Zu|时，有Zu/Zc≈0，从而有其中， 为公共线路上测得的谐波电流， 为用户侧的谐波电流；
通过量化 与 之间的相似性，间接地评估|Zc|>>|Zu|是否成立。
3.根据权利要求2所述谐波阻抗计算结果准确性判断方法，其特征在于，所述评估|Zc|>>|Zu|是否成立的过程中，通过独立分量法重构源信号用户侧的谐波电流根据诺顿等效电路，当非线性用户与系统相连时，有其中，矩阵X由观测信号PCC点测得的谐波电压 与公共线路上测得的谐波电流 构成；矩阵I由谐波源信号系统侧谐波电流 与用户侧谐波电流 构成；矩阵Z由PCC点两侧谐波阻抗构成；
首先通过中值滤波技术提取信号的快变分量 和 再通过ICA算法重构谐波源信号而信号 与 之间的相似性则通过相关系数量化；
相关系数大于设定值，则|Zc|>>|Zu|，否则|Zc|并非远大于|Zu|。 说明书 : 一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法技术领域[0001] 本发明涉及电能质量分享技术领域，具体为一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法。背景技术[0002] 随着电力电子设备的发展和非线性负荷的增加，电力系统中的谐波污染越来越严重。准确计算谐波阻抗是研究谐波问题的关键之一。基于公共连接点(PointofCommonCouplingPCC)处的谐波测量数据，现有学者提出了若干非侵入式谐波阻抗估计方法。在计算谐波阻抗后，需要验证计算结果的正确性。准确估计谐波阻抗对于量化谐波责任、滤波器设计、谐波控制以及系统谐振预测等方面具有重要意义。然而，目前仍没有统一的方法来验证求得谐波阻抗的正确性。[0003] 现有方法的主要思路为，将计算所得背景谐波电压与用户退出运行后PCC点的实测电压相对比，若求得背景谐波电压与PCC点实测电压相差不大，说明谐波阻抗已计算准确；反之，说明求得谐波阻抗存在较大误差。背景谐波可根据IEC61000‑3‑6(称为IEC法)或叠加原理法计算。然而现有研究在验证求得谐波阻抗准确性时，忽略了一点，即IEC法与叠加原理法因基础原理不同，使用时需要根据实际工况来选择，而不能任意选择，否则可能会出现谐波阻抗准确性误判的风险。发明内容[0004] 针对上述问题，本发明的目的在于通过IEC方法和叠加原理，将非线性用户分为两类模型，并详细分析了两类模型差异性及适用范围，进而提出一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法。技术方案如下：[0005] 一种谐波阻抗计算结果准确性判断方法，包括以下步骤：[0006] 步骤1：将非线性用户分为A类非线性用户和B类非线性用户，分别计算各类非线性用户退出运行时，在PCC处测得的谐波电压，即背景谐波的参考电压；[0007] 1)所述A类非线性用户为当其停止运行时，谐波源和谐波阻抗均断开的用户，该类用户根据IEC方法的电路模型计算背景谐波电压；定义背景谐波的A类参考电压为 由下式求得：[0008][0009] 其中，Zu和 分别为系统侧的谐波阻抗与谐波电流；[0010] 当准确求得系统侧谐波阻抗Zu之后，根据IEC方法计算的背景谐波电压 将与A类参考电压 相等；[0011] 2)所述B类非线性用户为当其停止运行时，谐波源被切断，而谐波阻抗仍连接到电网的用户，该类用户根据叠加原理模型计算背景谐波电压；定义背景谐波的B类参考电压为由下式求得：[0012][0013] 其中，Zc为用户侧谐波阻抗；[0014] 当准确求得用户侧谐波阻抗Zc与系统侧谐波阻抗Zu后，根据叠加原理计算的背景谐波电压 与B类参考电压 相等；[0015] 步骤2：根据用户侧谐波阻抗Zc与系统侧谐波阻抗Zu之间的大小关系验证求得谐波阻抗的准确性，详细过程如下：[0016] A)|Zc|并非远大于|Zu|的工况[0017] 对A类非线性用户采用IEC方法计算 对B类非线性用户采用叠加原理计算据此验证求得系统侧谐波阻抗Zu和用户侧谐波阻抗Zc的准确性；[0018] B)|Zc|远大于|Zu|的工况[0019] 由于|Zc|>>|Zu|，从而有Zu/Zc≈0，将根据叠加原理计算背景谐波电压的算式转化为下式：[0020][0021] 则 与 彼此近似相等，无论是A类非线性用户还是B类非线性用户，均能够基于IEC方法或叠加原理验证求得系统侧谐波阻抗Zu的准确性。[0022] 进一步的，|Zc|与|Zu|之间大小关系的判断方法为：[0023] 当|Zc|>>|Zu|时，有Zu/Zc≈0，从而有[0024][0025] 其中， 为公共线路上测得的谐波电流， 为用户侧的谐波电流；[0026] 通过量化 与 之间的相似性，间接地评估|Zc|>>|Zu|是否成立。[0027] 更进一步的，所述评估|Zc|>>|Zu|是否成立的过程中，通过独立分量法重构源信号用户侧的谐波电流[0028] 根据诺顿等效电路，当非线性用户与系统相连时，有[0029][0030] 其中，矩阵X由观测信号PCC点测得的谐波电压 与公共线路上测得的谐波电流构成；矩阵I由谐波源信号系统侧谐波电流 与用户侧谐波电流 构成；矩阵Z由PCC点两侧谐波阻抗构成；[0031] 首先通过中值滤波技术提取信号的快变分量 和 再通过ICA算法重构谐波源信号[0032] 而信号 与 之间的相似性则通过相关系数量化；[0033] 相关系数大于设定值，则|Zc|>>|Zu|，否则|Zc|并非远大于|Zu|。[0034] 本发明的有益效果是：本发明本将非线性用户根据其停止运行的情况分为两类：1)仅切断谐波源而保留其用户侧阻抗与电网相连(如光伏场站等)，2)切断谐波源和用户侧阻抗(如电弧炉等)。然后，本发明研究了在验证求得谐波阻抗准确性过程中，IEC方法和叠加原理方法的差异及其各自的适用范围。最后，基于这两种方法的特点以及非线性用户的类别，提出了可精确验证求得谐波阻抗正确性的方法。附图说明[0035] 图1为IEC方法对应等值电路。[0036] 图2为叠加原理方法对应等值电路。[0037] 图3为谐波阻抗计算结果准确性判断方法流程图。[0038] 图4为光伏场9次谐波数据；(a)谐波电流(b)谐波电压。[0039] 图5为电弧炉5次谐波实测数据；(a)PCC点实测谐波电压(b)公共线路实测谐波电流。[0040] 图6为电弧炉5次谐波数据；(a)谐波电流分析(b)谐波电压分析。具体实施方式[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。在实际工程中，通过将求得的背景谐波电压与用户不工作时PCC点测得的电压进行对比，可以间接验证求得谐波阻抗的准确性。一般而言，背景谐波计算方法有两种方法：IEC法和叠加原理法。这两种方法具体原理如下。[0042] (1)根据IEC方法计算背景谐波电压[0043] 在图1所示IEC方法对应的诺顿等值电路中，Zu、Zc、 分别是系统侧与用户侧的谐波阻抗与谐波电流源。 与 分别为PCC点测得的谐波电压以及公共线路上测得的谐波电流。[0044] 当开关闭合时，用户连接到电网，PCC处的谐波电压为[0045][0046] 当开关断开时，用户侧停止运行，PCC处的谐波电压为[0047][0048] 根据IEC61000‑3‑6标准对谐波发射水平的定义，非线性用户的谐波电压发射水平是用户侧连接到网络之前和用户退出运行之后，PCC点谐波电压的差值。参考该标准，用户侧和系统侧的谐波发射水平可分别表示为[0049][0050][0051] (2)根据叠加原理计算背景谐波电压[0052] 图2是叠加原理方法所对应的诺顿电路。系统侧谐波源以及非线性用户谐波源单独工作时PCC点的谐波电压为系统侧与用户侧各自的谐波电压发射水平，分别表示为[0053][0054][0055] (3)验证求得谐波阻抗准确性的方法[0056] 当非线性用户接入电网时，如果能准确估计Zu和Zc，则求得的背景谐波电压也是准确的。利用这一原理可以间接地验证求得谐波阻抗的准确性。当非线性用户退出运行时，在PCC处测得的谐波电压可视为背景谐波的参考电压。因此，通过将求得的背景谐波电压与参考电压进行对比，即可验证求得Zu和Zc的正确性。[0057] 在实践中，非线性用户是多样且复杂的。本发明根据其退出运行的方式，将非线性用户分为以下两类。[0058] 1)模型A：[0059] 对于电弧炉等非线性用户，当用户不工作时，谐波源和谐波阻抗均断开。对于此类用户，应根据IEC方法的电路模型计算背景谐波电压。参考电压定义为 通过将式(4)中的 替换为 即可计算 因此，当准确求得Zu之后， 将与 相等。值得注意的是，由于式(4)中不含有Zc，因此该方法不能验证求得Zc的正确性。[0060] 2)模型B：[0061] 对于风电场、光伏发电场等非线性用户，当用户停止运行时，谐波源被切断，而谐波阻抗仍连接到电网。对于这类用户，应根据叠加原理模型计算背景谐波电压。参考电压定义为 通过将式(5)中的 替换为 即可计算 当准确求得Zc与Zu后，则有与 相等。值得注意的是，由于式(5)中同时含有Zc与Zu，因此该方法可同时验证求得Zc与Zu的正确性。[0062] 确定用户类别后，可以根据Zc和Zu之间的大小关系验证求得谐波阻抗的准确性。详细过程如下。[0063] A)|Zc|并非远大于|Zu|的工况[0064] 当|Zc|并非远大于|Zu|时，根据式(4)与式(5)，求得的背景谐波电压 与彼此不相等。因此， 将不等于 并且 也不等于 理论上，对于模型A，由叠加原理计算出的背景谐波电压与用户切断后测得的谐波电压不匹配。同样，对于模型B，IEC方法计算的背景谐波电压与测得电压不匹配。因此，如果计算背景谐波电压的方法(即IEC方法或叠加原理)选择错误，即使计算结果准确，也会误认为求得谐波阻抗是错误的。[0065] 为了避免上述误判，需要使用正确的方法(IEC方法或叠加原理方法)匹配用户模型。[0066] B)|Zc|远大于|Zu|的工况[0067] 该工况下，求得Zc的误差通常较大，因此只需要验证求得Zu的精度。由于|Zc|>>|Zu|，从而有Zu/Zc≈0，式(5)可转化为式(7)。因此，背景谐波电压可在Zc未知情况下由叠加原理计算。[0068][0069] 值得注意的是，此时式(7)与式(5)等价，并且求得的 与 彼此近似相等。因此，无论是A类还是B类非线性用户，都可以基于IEC方法或叠加原理验证求得Zu的准确性。[0070] C)|Zc|与|Zu|之间大小关系的判断方法[0071] 当|Zc|>>|Zu|时，有Zu/Zc≈0，从而有[0072][0073] 因此，通过量化 与 之间的相似性，可间接地评估|Zc|>>|Zu|是否成立。在该评估过程中，可通过独立分量法(ICAIndependentComponentAnalysis)重构源信号 ICA是一种盲源分离技术，它可从观测信号中提取潜在变量和原始信号。[0074] 根据诺顿等效电路(图1或图2)，当非线性用户与系统相连时，有[0075][0076] 式中：矩阵X由观测信号 与 构成，矩阵I由谐波源信号 与 构成，矩阵Z由PCC点两侧谐波阻抗构成。在使用ICA算法之前，需要通过中值滤波技术提取信号的快变分量，以保证各源信号之间的独立性。通过ICA算法可重构谐波源信号 。而信号与 之间的相似性则通过相关系数量化。相关系数越大，说明两信号越相似。[0077] 上述对求得谐波阻抗准确性判断方法的流程图如图3所示。[0078] 实例验证：[0079] 当光伏发电场在夜间停止运行时，相关电气元件(如变压器、线路和滤波器等)仍与电网相连，因此，仅谐波源与电路断开连接，而光伏场站的谐波阻抗仍与系统侧相连。以我国某光伏发电场作为模型B的典型非线性用户来论证本发明所提方法的正确性。[0080] 对于9次谐波，满足|Zc|>>|Zu|，如图4(a)所示，由于通过ICA求得的谐波电流 与测得的 几乎吻合，且 与 之间的相关系数较大，为0.998，从而有|Zc|>>|Zu|。此时，理论上可通过对比 与 (或 )之间的相关性来判断求得Zu的准确性。而图4(b)表明， 和 均能与 相匹配，从而说明求得Zu具有很高精度。进而论证了所提方法的正确性。[0081] 具体应用的最佳实施例：[0082] 电弧炉作为模型A中的典型非线性用户，可用其验证所提方法的正确性。从100MW直流电弧炉的150kV母线上测量谐波数据，采样频率为6400Hz。利用快速傅里叶变换分析每分钟的电压和电流样本数据，得到各次谐波的谐波。[0083] 本案例中，用户侧安装了两个单调谐滤波器，以缓解5、7次谐波。滤波器的安装将导致|Zc|并非远大于|Zu|。5次谐波电压和电流如图5所示。1000分钟后，电弧炉短期停止运行(对应于停机时间)。[0084] 选采用ICA算法计算PCC点两侧谐波阻抗，求得的背景谐波电流 以及分离所得的用户侧谐波电流 如图6(a)所示。可见，在测得的 与求得 之间存在较大差异。此外，与 之间的相关系数比较小，仅0.33。从而说明|Zc|并非远大于|Zu|。基于本发明所得方法， 应与 匹配，而与 不匹配。图6(b)表明，实测 与求得的 幅值基本相等，从而论证了所求Zu的正确性。相比之下， 与 之间差异较大，说明若采用叠加原理方法来分析求得背景谐波正确性，则会误认为求得的Zu具有较大计算误差。

专利地区：西藏

专利申请日期：2021-12-10

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN114325107B