适用于工矿企业的谐波责任评定方法

摘要

本发明公开了一种适用于工矿企业的谐波责任评定方法，包括步骤：一、采集工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压和三相电流以及用户馈线首端处的三相电流；二、正交坐标变换；三、快速傅里叶分解；四、计算工矿企业配电网公共连接PCC点处的相似电流；五、计算公用配电网谐波电压产生的等值谐波电流；六、评定工矿企业配电网系统侧的谐波责任；七、计算第M个用户馈线首端处的相似电流；八、计算第M个用户馈线首端处的非相似电流；九、计算第M个用户馈线首端处第h次谐波的有功功率；十、计算谐波源用户产生的谐波电流；十一、评定用户谐波责任。本发明从电流分解的角度出发，实现对工矿企业电网系统侧和各个用户谐波源准确定位和谐波责任评定。

说明书

技术领域

本发明属于谐波责任评定技术领域，具体涉及一种适用于工矿企业的谐波责任评定方法。

背景技术

大功率变频调速装置以及冲击性负荷使得工矿企业电网的谐波污染和不平衡现象日益突出，谐波含量超标使得用电设备产生附加损耗，继电保护装置误动作和高压熔断器产生“群爆”现象，甚至引发高频谐振过电压等安全问题。由于工矿企业电网的谐波来源复杂，出现谐振过电压事故后，准确查找谐波来源，明确事故的责任方，才能有效避免事故再次发生。同时谐波源准确查找和谐波责任明确区分也是工矿企业静态无功补偿器SVC、动态无功发生器SVG和滤波器安装位置选取和容量计算的前提和基础，因此，工矿企业谐波责任评定具有重要意义。

公用配电网接在输电网末端，输电网属高压系统，没有新能源发电接入，因此其谐波责任判别简单，一般属于用户方责任。工矿企业电网接收来自于公用配电网的电能，通过母线将电能分配内部各用户。相比于公用配电网，工矿企业母线电压谐波是多个谐波源相互耦合共同造成的。工矿企业电网母线一般接有十多个用户，由于变频调速节能技术的广泛应用，几乎每个用户都会产生特性不同的谐波，都是谐波源。与此同时，由于新能源发电通过变流器直接接入公用配电网，使得公用配电网电压产生畸变，并通过变压器传输至工矿企业电网，因此工矿企业电网的谐波源众多，耦合性强，责任评定困难。而且大量不平衡负荷使得工矿企业电网出现电压电流不平衡现象，直接影响工矿企业的谐波责任评定。

当前谐波责任评定方法主要有两类。第一类是依据谐波阻抗的计算方法，主要有诺顿等效电路法、相关系数法、权重系数法。此类方法能够评定公用电网与用户侧各自的谐波发射水平，但需要分别计算系统与用户的谐波阻抗参数。而工矿企业谐波阻抗呈强波动性，计算困难，难以获取，因此，该类方法不适用于用于工矿企业谐波责任评定。第二类方法依据谐波功率的计算方法，主要有系统与负荷功率指标法、总谐波畸变率法，此类方法主要针对于公用配电网公共连接点的谐波责任划分，无法具体到接在母线上的每个谐波源用户，不适用于存在多个谐波源工矿企业电网。

以上两类谐波责任评估方法只能分别计算每相的谐波责任，没有考虑到工矿企业电网三相系统存在不平衡现象对谐波责任划分结果的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种适用于工矿企业的谐波责任评定方法，从电流分解的角度出发，根据电压波形计算相似电流分量和非相似电流分量，实现了对工矿企业电网系统侧以及工矿企业内部各个用户谐波源的准确定位，解决了系统与用户的谐波阻抗参数不易求取、谐波责任评定不准确的问题，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：适用于工矿企业的谐波责任评定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采集工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压和三相电流以及用户馈线首端处的三相电流：通过系统侧电压互感器采集工矿企业配电网公共连接PCC点的A相电压u_PA(t)、B相电压u_PB(t)、C相电压u_PC(t)，通过系统侧电流互感器采集工矿企业配电网公共连接PCC点的A相电流i_PA(t)、B相电流i_PB(t)、C相电流i_PC(t)，通过馈线电流互感器分别采集工矿企业配电网中m个用户馈线首端处三相电流i_M.A(t)、i_M.B(t)、i_M.C(t)，其中，m和M均为正整数且M＝1,2，…，m；

步骤二、工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压和三相电流以及用户馈线首端处的三相电流的正交坐标变换：根据公式和获取工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压的Park电压矢量u_P(t)、工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电流的Park电流矢量i_P(t)和用户馈线首端处的三相电流的Park电流矢量i_M(t)，其中，u_P(t)＝u_d+ju_q，i_P(t)＝i_d+ji_q，i_M(t)＝i_dM+ji_qM，T为正交矩阵，u_d为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压在dq坐标轴上的d轴电压矢量，u_q为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压在dq坐标轴上的q轴电压矢量，i_d为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电流在dq坐标轴上的d轴电流矢量，i_q为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电流在dq坐标轴上的q轴电流矢量，i_dM为第M个用户馈线首端处的三相电流在dq坐标轴上的d轴电流矢量，i_qM为第M个用户馈线首端处的三相电流在dq坐标轴上的q轴电流矢量；

步骤三、Park电压矢量u_P(t)、Park电流矢量i_P(t)和Park电流矢量i_M(t)的快速傅里叶分解：对Park电压矢量u_P(t)、Park电流矢量i_P(t)和Park电流矢量i_M(t)分别进行快速傅里叶分解，得其中，H为包括基波在内的谐波次数最大值，h为谐波次数编号且h归为集合N_h，为Park电压矢量u_P(t)的第h次谐波分量的相量，ω为工矿企业配电网的角频率，为Park电流矢量i_P(t)的第h次谐波分量的相量，为Park电流矢量i_M(t)的第h次谐波分量的相量；

步骤四、根据公式计算工矿企业配电网公共连接PCC点处的相似电流i_CS(t)，其中，U_h为的方均根值，α_h为的相角，U₁为Park电压矢量u_P(t)的基波分量的方均根值，I₁为Park电流矢量i_P(t)的基波分量的方均根值，α₁为Park电压矢量u_P(t)的基波电压的相角，β₁为Park电流矢量i_P(t)的基波电流的相角；

步骤五、根据公式计算公用配电网谐波电压产生的等值谐波电流i_CE(t)；

步骤六、评定工矿企业配电网系统侧的谐波责任：根据公式计算工矿企业配电网谐波电流发射水平XT，其中，I_CE为i_CE(t)的方均根值；

根据公式计算工矿企业配电网系统侧的谐波责任NLSI，其中，I_P,h为i_P(t)的方均根值；

步骤七、根据公式计算第M个用户馈线首端处的相似电流i_CM(t)，其中，I_M1为Park电流矢量i_M(t)的基波分量的方均根值，β_M1为Park电流矢量i_M(t)的基波电流的相角；

步骤八、根据公式i_nM(t)＝i_M(t)-i_CM(t)，计算第M个用户馈线首端处的非相似电流i_nM(t)；

步骤九、根据公式计算第M个用户馈线首端处第h次谐波的有功功率其中，为的共轭；

当时，表明第h次谐波是由第M个用户的非线性负载发射的，将h归为集合N_D，即h∈N_D，集合N_D内所有的谐波频次均是第M个用户的谐波源负载发射的谐波频次，因此，该用户为谐波源用户；

当时，表明第h次谐波是由第M个用户的频变负载引起的，将h归为集合即其中，

步骤十、根据公式计算谐波源用户产生的谐波电流i_nMh(t)，I_Mh为谐波源用户的Park电流矢量i_M(t)的第h次谐波分量的方均根值，β_Mh为谐波源用户的Park电流矢量i_M(t)的第h次谐波电流的相角；

步骤十一、评定用户谐波责任：根据公式计算用户谐波发射水平YH，其中，I_nMh为谐波源用户产生的各次谐波电流方均根值；

根据公式计算谐波源用户谐波责任NLSI'。

上述的适用于工矿企业的谐波责任评定方法，其特征在于：步骤一中所述馈线电流互感器的数量为m个。

上述的适用于工矿企业的谐波责任评定方法，其特征在于：所述正交矩阵

上述的适用于工矿企业的谐波责任评定方法，其特征在于：所述系统侧电压互感器的信号输出端、系统侧电流互感器的信号输出端和馈线电流互感器的信号输出端均与工控机的信号输入端连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明从电流分解的角度出发，根据电压波形计算与电源波形相同的相似电流分量和非相似电流分量，实现了对工矿企业电网系统侧以及工矿企业内部各个用户谐波源的准确定位，克服了系统与用户的谐波阻抗参数不易求取、谐波责任评定不准确的问题，便于推广使用。

2、本发明将工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压和三相电流以及用户馈线首端处的三相电流进行坐标变换，将工矿企业配电网三相系统综合考虑成一个整体来进行谐波责任计算，避免了三相不平衡对谐波责任指标计算的影响，使用效果好。

3、本发明针对工矿企业电网谐波源的多样性与复杂性，对每一用户进行谐波责任评定，利用工矿企业电网的电压数据以及各个用户的电流数据对公用配电网以及工矿企业内部各个谐波源用户的谐波责任进行评估，测量简单易于工程实现，突破了传统谐波责任划分方法仅关注公共连接点电压电流的谐波责任划分计算。

4、本发明方法步骤简单，能对工矿企业中各个谐波源的谐波发射量进行有效评估，将谐波责任直接定位到用户，责任明确，可提高用户治理谐波的意识，对企业无功补偿和滤波器容量具有指导意义，便于推广使用。

综上所述，本发明从电流分解的角度出发，计算与电源波形相同的相似电流分量和非相似电流分量，实现了对工矿企业电网系统侧以及工矿企业内部各个用户谐波源的准确定位，解决了系统与用户的谐波阻抗参数不易求取、谐波责任评定不准确的问题，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的配电接线图。

图2为本发明方法的方法流程框图。

图3为本实施例PCC点的电压波形。

图4为本实施例PCC点的电流波形。

图5为图3的频谱图。

图6为图4的频谱图。

图7为本发明公用配电网的等值谐波电流波形。

图8为图7的频谱图。

图9为本实施例工矿企业配电网中第1个用户馈线上Park电流矢量经快速傅里叶分解后的频谱图。

图10为本实施例工矿企业配电网中第2个用户馈线上Park电流矢量经快速傅里叶分解后的频谱图。

图11为本实施例工矿企业配电网中第3个用户馈线上Park电流矢量经快速傅里叶分解后的频谱图。

图12为本实施例工矿企业配电网中第4个用户馈线上Park电流矢量经快速傅里叶分解后的频谱图。

图13为本实施例工矿企业配电网第1个用户产生的谐波电流的波形图。

图14为图13的频谱图。

图15为本实施例工矿企业配电网第2个用户产生的谐波电流的波形图。

图16为图15的频谱图。

图17为本实施例工矿企业配电网第3个用户产生的谐波电流的波形图。

图18为图17的频谱图。

图19为本实施例工矿企业配电网第4个用户产生的谐波电流的波形图。

图20为图19的频谱图。

附图标记说明:

1—公用配电网；2—系统侧电压互感器；3—系统侧电流互感器；

4—馈线电流互感器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的适用于工矿企业的谐波责任评定方法，包括以下步骤：

步骤一、采集工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压和三相电流以及用户馈线首端处的三相电流：通过系统侧电压互感器2采集工矿企业配电网公共连接PCC点的A相电压u_PA(t)、B相电压u_PB(t)、C相电压u_PC(t)，通过系统侧电流互感器3采集工矿企业配电网公共连接PCC点的A相电流i_PA(t)、B相电流i_PB(t)、C相电流i_PC(t)，通过馈线电流互感器4分别采集工矿企业配电网中m个用户馈线首端处三相电流i_M.A(t)、i_M.B(t)、i_M.C(t)，其中，m和M均为正整数且M＝1,2，…，m；

本实施例中，步骤一中所述馈线电流互感器4的数量为m个。

本实施例中，所述系统侧电压互感器2的信号输出端、系统侧电流互感器3的信号输出端和馈线电流互感器4的信号输出端均与工控机的信号输入端连接。

步骤二、工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压和三相电流以及用户馈线首端处的三相电流的正交坐标变换：根据公式和获取工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压的Park电压矢量u_P(t)、工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电流的Park电流矢量i_P(t)和用户馈线首端处的三相电流的Park电流矢量i_M(t)，其中，u_P(t)＝u_d+ju_q，i_P(t)＝i_d+ji_q，i_M(t)＝i_dM+ji_qM，T为正交矩阵，u_d为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压在dq坐标轴上的d轴电压矢量，u_q为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压在dq坐标轴上的q轴电压矢量，i_d为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电流在dq坐标轴上的d轴电流矢量，i_q为工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电流在dq坐标轴上的q轴电流矢量，i_dM为第M个用户馈线首端处的三相电流在dq坐标轴上的d轴电流矢量，i_qM为第M个用户馈线首端处的三相电流在dq坐标轴上的q轴电流矢量；

本实施例中，所述正交矩阵

步骤三、Park电压矢量u_P(t)、Park电流矢量i_P(t)和Park电流矢量i_M(t)的快速傅里叶分解：对Park电压矢量u_P(t)、Park电流矢量i_P(t)和Park电流矢量i_M(t)分别进行快速傅里叶分解，得其中，H为包括基波在内的谐波次数最大值，h为谐波次数编号且h归为集合N_h，为Park电压矢量u_P(t)的第h次谐波分量的相量，ω为工矿企业配电网的角频率，为Park电流矢量i_P(t)的第h次谐波分量的相量，为Park电流矢量i_M(t)的第h次谐波分量的相量；

步骤四、根据公式计算工矿企业配电网公共连接PCC点处的相似电流i_CS(t)，其中，U_h为的方均根值，α_h为的相角，U₁为Park电压矢量u_P(t)的基波分量的方均根值，I₁为Park电流矢量i_P(t)的基波分量的方均根值，α₁为Park电压矢量u_P(t)的基波电压的相角，β₁为Park电流矢量i_P(t)的基波电流的相角；

步骤五、根据公式计算公用配电网1谐波电压产生的等值谐波电流i_CE(t)；

步骤六、评定工矿企业配电网系统侧的谐波责任：根据公式计算工矿企业配电网谐波电流发射水平XT，其中，I_CE为i_CE(t)的方均根值；

根据公式计算工矿企业配电网系统侧的谐波责任NLSI，其中，I_P,h为i_P(t)的方均根值；

步骤七、根据公式计算第M个用户馈线首端处的相似电流i_CM(t)，其中，I_M1为Park电流矢量i_M(t)的基波分量的方均根值，β_M1为Park电流矢量i_M(t)的基波电流的相角；

步骤八、根据公式i_nM(t)＝i_M(t)-i_CM(t)，计算第M个用户馈线首端处的非相似电流i_nM(t)；

步骤九、根据公式计算第M个用户馈线首端处第h次谐波的有功功率其中，为的共轭；

当时，表明第h次谐波是由第M个用户的非线性负载发射的，将h归为集合N_D，即h∈N_D，集合N_D内所有的谐波频次均是第M个用户的谐波源负载发射的谐波频次，因此，该用户为谐波源用户；

当时，表明第h次谐波是由第M个用户的频变负载引起的，将h归为集合即其中，

步骤十、根据公式计算谐波源用户产生的谐波电流i_nMh(t)，I_Mh为谐波源用户的Park电流矢量i_M(t)的第h次谐波分量的方均根值，β_Mh为谐波源用户的Park电流矢量i_M(t)的第h次谐波电流的相角；

步骤十一、评定用户谐波责任：根据公式计算用户谐波发射水平YH，其中，I_nMh为谐波源用户产生的各次谐波电流方均根值；

根据公式计算谐波源用户谐波责任NLSI'。

如图3至图20所示，本发明实施时，以m取4为例，针对具有4个用户的工矿企业配电网，其中，第1个用户馈线所连接的是矿用提升机、第2个用户馈线所连接的是绞车房、第3个用户馈线所连接的是生活区、第4个用户馈线所连接的是选煤楼，利用系统侧电压互感器2和系统侧电流互感器3对工矿企业配电网公共连接PCC点进行三相电压和三相电流采集，通过对工矿企业配电网公共连接PCC点处的三相电压和三相电流进行正交坐标变换，并对其进行快速傅里叶分解，获取工矿企业配电网公共连接PCC点处的相似电流并计算公用配电网1谐波电压产生的等值谐波电流，通过图8可知，本实施例中的公用配电网1含有5次谐波电流且谐波电流为3.1A；

利用各馈线上的馈线电流互感器4采集用户馈线首端处的三相电流，通过对用户馈线首端处的三相电流进行正交坐标变换，用户各个馈线首端处的三相电流的Park电流矢量，并对其进行快速傅里叶分解，求出各个用户的相似电流和非相似电流，非相似电流包含两个部分，即一部分非相似电流是由负载参数随频率变化的线性负载产生的谐波电流，该谐波频次的有功功率大于0，该谐波频次归于集合另一部分是完全由非线性负载产生的谐波电流，该频次的谐波电流有功功率小于0，该谐波频次归于集合N_D，通过公式计算第M个用户馈线首端处第h次谐波的有功功率得到的各个用户的有功功率计算结果如表1所示。

表1

根据计算结果可知，第1个用户矿井提升机的7次谐波的有功功率为负，第1个用户产生7次谐波电流；第2个用户绞车房7次、11次谐波功率为负，第2个用户产生7次、11次谐波电流；第3个用户无负谐波有功功率，第3个用户不产生谐波电流；第4个用户选煤楼的11次、13次谐波有功为负，第4个用户产生11次、13次谐波电流，计算各用户的谐波责任，各个用户产生的谐波电流及其频谱如图13至图20所示，各个谐波源用户产生的谐波电流计算结果如表2所示。

表2

谐波责任评定计算结果如表3所示。

表3

本发明从电流分解的角度出发，计算与电源波形相同的相似电流分量和非相似电流分量，实现了对工矿企业电网系统侧以及工矿企业内部各个用户谐波源的准确定位，解决了系统与用户的谐波阻抗参数不易求取、谐波责任评定不准确的问题，便于推广使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。