基于电网中的谐波研究

电能在众多能源中，由于有着易于传输、转换和控制等特殊优越性，在人类的日常生活、生产活动中被广泛使用。电能的普及使用已经成为一个国家在在现代工业社会发展程度的重要标志。电能属于二次能源，与煤炭、石油以及天然气等一次能源有着极大不同，它是一种由发电、输电、配电和用电系统，以及配套的调剂系统共同保证质量的一种商品。任何一个环节或者一个设备出现问题，都会影响电能，破坏其质量。良好的电能质量意味着优质的供电。为了详细描述电能质量，一般将其具体分为以下几方面：
（1）电压质量：反映系统向用户提供的实际电压与理想状态应该分配给用户的电压偏差。须确保用户得到的电压符合标准，以保证用户用电设备在额定状态工作。不同的电压等级。对于不同的电压等级有各自不同的标准。
（2）电流质量：电流的质量和电压的质量是紧密相关的，因为电压和阻抗决定了电流，二者任何一方出现问题，都将导致电流不符合标准。严格符合要求的电流是与电压向角无偏差且没有谐波的正弦波。
（3）供电质量：一方面指供电部门的服务质量，如对用户建议投诉的处理情况、电价的合理透明公开等等；还有一方面指供电部门电力供给的质量与可靠。确保用户及时得到所需的供电。
（4）用电质量：一方面指用户的消费电能支付情况，另一方面也指用户的使用电力情况。
今年来我国工业飞速发展电网越来越庞大，电力市场中电能质量带来的问题成为阻碍国民经济发展的绊脚石，越来越多的引起供电方及用电方的关注。国家电力相关部门也制定了关于电力的政策和法规，要求电力部门在满足用电负荷的用电需求的同时，还要确保安全、可靠、经济而且高质量。这是电力相关部门实现运营的条件，也是做到社会公益性企业的途径。但是由于电力系统的复杂性，实现高质量的供电只靠电力部门是无法实现的，从电能特殊性及电能质量问题考虑，有如下几个特点：
（1）电能不能储存，生产的同时进行着消耗。不同时刻，不同节点的电能质量情况也不同，不能认为某一时刻的电能质量就是系统的供电质量。而不同的用户在不同的时刻对电能质量的影响和要求也是不同的，对电能质量的要求在空间和时间上处于变化中。
（2）电能从生产到消费有几个环节。电力系统运行的过程中，无论输送、分配、转换等环节哪个环节出了问题，都会使电能质量不符合标准，其中有些电能质量问题是由于多个环节造成的。不符合标准的电能又会对各个环节造成危害。甚至有些电能质量问题往往是由多个电单位存在干扰引起的。
（3）用户的用电也影响着电能质量。在系统供电符合标准的情况下也会造成电能质量问题，原因就是用户的问题，用户用电对电网造成了损害。
由于存在以上特点，电力系统中优质的电能质量问题是由供、输、用电企业共同保障的。目前，供电单位对电能质量的关注主要有以下几方面：
（1）电力装置飞速发展，在整个系统中存在着种类繁多、数量巨大的精密电子元件，这些元件很容易受到电磁干扰产生损害等问题，因此此类元件严格要求高标准、高质量的电能。
（2）越来越多的非线性装置及变流元件被应用，导致电能质量受到严重损害，给电网造成污染，给整个电力系统的安全、可靠、经济运行带来严重的威胁。
（3）电力系统包含多个环节，是一个统一的整体。局部电网出现电能质量问题，不仅给所在区域造成危害，还会造成整个电网大范围的事故。一方面，电力系统必须向用户提供高质量的电能，即使用户含有谐波源。令一方面，含有谐波源的用户其设备的运行会给电网带来电能质量问题。
（4）用户越来越关注供给电能的质量问题。现在很多用电设备对电能质量要求很高，给给电能的不合格不仅干扰设备的正常运行，严重的电能质量问题甚至会造成用电设备的损坏。
电能作为一种特殊的商品也存在着质量问题是不争的事实，但供电方与用电方对电能产生质量问题的原因与责任存在着偏差。站在各自的立场，把责任完全归咎给单独一方是不严谨的处理方式。很多实践证明，电能质量问题的产生是多方面的，某些情况下是电力部门的责任没有供给高质量的电能，有些时候可以认为是用户的责任，当然某些电能质量问题还可能是双方共同的责任。高质量的电能是双方共同的要求。
在电能质量包括的所有评价内容中，谐波含量可以认为是最重要的一项，国家电力相关部门对其进行了详细的定义，并对其限值及其污染计算等有着严格的规定。其对电网的安全经济运行危害很大，也引起了大量专家学者广泛深入的研究。系统中存在的数量巨大的非线性负载是造成谐波污染的主要原因，非线性负载运行能将产生的谐波注入到电网危害其他设备，是造成电能质量不佳的重要原因。谐波作为电能质量问题的一种，也存在着责任划分问题。某个非线性用户将产生的谐波电流注入电网，流经谐波阻抗产生谐波电压，直接造成公共连接点所连其他用户的电能质量问题，甚至会引起电力事故。若已经获得谐波源的位置、容量等信息，可以采取相关措施改善处理，阻止其影响其他用户。但随着经济的发展电网逐渐庞大，谐波源也越来越复杂，不能准确定位。因此，为了改善电能质量，并做到明确责任划分，谐波源辨识技术及发射水平估算的研究是完全必要的。谐波源探测技术，一般可分为谐波源定性辨识及定量估计。谐波源的定性辨识一般是将系统分为用户侧和电源侧，主要判别出哪一侧是主导谐波源，即对公共点的谐波畸变贡献大，而定量估计即量化用户的具体谐波发射水平。在电网的实际运行中，某个区域连接于一个公共结点的谐波源可能多处，造成谐波污染是多方面的共同作用结果。因此研究谐波源定位方法，找出主要谐波污染源及对发射水平进行量化，对责任划分及保证电能质量有重要意义。
1.2 国内外研究现状（Present Situation of Domestic and Foreign Research）
随着现代电力技术的飞速发展，种类繁多的电力电子设备投入使用，其中有大量的设备属于非线性负荷，其严重影响到电力系统的供电情况，造成谐波畸变越来越高。国家电力部门为保障公用电网电能质量，限制各方对电网造成谐波污染，颁布了关于公用电网谐波的相关电能质量标准，并要求对非线性用户接入电网进行评估。国内外很多学者在谐波源定位、防治以及评估等领域做了研究并提出很多思路，但依然存在一些问题得不到共识，谐波源辨识就是其中之一。最新的谐波源辨识技术很多还在理论研究，应用到实际还有问题需要解决。目前，该技术主要分两个层面，一是定位，而是定量。定位即将整个系统分为两侧——用户侧和电源侧，通过各种参数指标，判别出哪一测是主要的谐波源，即对公共连接点造成的谐波畸变贡献大。而定量，是目前研究较多的，其目的是量化各个用电单位的谐波污染水平。
1.2.1 谐波定性辨识
定位即定性辨识分析，理论研究众多实际应用广泛流行的是基于功率潮流谐波源辨识方法。文献 [XXX]提出了根据有功功率方向判断主谐波源的方法，该方法是最传统的而且被广泛运用到实际工程中。其定义从电源侧到用户侧的方向为有功功率正方向，通过测量电源侧及用户侧的公共连接点处谐波电压、电流数值计算有功功率符号，如果符号为正，则认为电源侧相较用户侧是主要的谐波源；如果有功功率为负，则证明用户侧发射的谐波水平高。根据电路理论，电压相角差影响有功的传输，而幅值决定无功的传输，所以有学者在文献[XXX]提到了用无功的流向来辨识主要谐波源，其模型与原理与有功相似，通过测量得出无功符号进而判断主谐波源。上述方法在某些工况能判断出主谐波源，但文献[XXX]指出了他们的不合理性。二者都受谐波源角度的影响，判断存在盲区，其中无功功率方向法还受谐波阻抗的限制。为了解决上述功率方向法的不足，学者徐文元等在文献[XXX]中，提出了临界阻抗法，该法认为电源侧谐波电压所产生的无功功率为电源侧的谐波电压与公共连接点的谐波电流共同作用的结果，并且假设消耗掉谐波所产生的无功需要某个阻抗值，将该阻抗值与整个系统阻抗的大小进行比较。若前者大，则电源侧电压较大，那么对应的谐波发射水平也较高；若后者较大，则用户侧电压较大，用户对公共连接点的谐波应负主要责任。该法也有判断盲区，但对无功功率法的缺点有了改进。
很多学者提出了基于谐波阻抗辨识谐波源。其中文献[XXX]提出了基于微分方程法。若用电负荷的阻抗关系随时间变化为线性的，则表示加在该用电负荷上的电压与电流比例关系一直是固定的，即使系统电压已经发生了畸变。这时，说明该用电负荷呈现线性性质，负荷侧没有谐波源；相反，若用电负荷的阻抗关系出现了非线性变化，则说明此负荷侧含有谐波源。文献[XXX]提出了分离“畸变负荷”的方法，该方法提出了“畸变负荷”与“非畸变负荷”的概念，认为“非畸变负荷”在任何电流情况下都不会引起电压的畸变。在频域下PCC点的电压与负荷非畸变电流是线性关系，而且无论频率如何变化。
文献[XXX]提到了基于谐波状态进行谐波源辨识，利用谐波电压或谐波电流为状态变量（估计量），再选定功率、电压或电流作为量测量，建立量测矩阵，根据量测情况，采取不同的方法求解状态变量、量测量以及量测矩阵之间建立的线性状态方程进行定位。其中文献[33]提出以谐波电流为状态变量，支路视在功率为量测量，组成广义逆求解方程组，利用最小二乘判断支路是否注入有功功率来判定该支路是否存在谐波源，该方法由于基于功率法进行量测存在争议。文献[34]选取谐波电压为状态变量，选取谐波电流为量测量进行谐波状态估计，较大的系统数据量巨大计算不便，另外随着测量点数目的增多经济上费用过高。随着科技的发展GPS技术日益成熟，文献[35]利用实时数据采集技术进行同步测量，提出向量测量单元谐波状态估计法，该方法初始的方程较复杂，一般先对量测方程进行优化处理。
另外，近些年随着科学的进步，谐波源定性辨识还采用了神经元网络算法。文献[XXX]提出采用对神经元网络进行训练，将人为设置的谐波源电流频谱与提取的输入侧电流信息进行对比，通过相应的判定原则达到定位谐波源的目的。
1.2.2 谐波定量估计
谐波源污染水平量化，主要侧重的是谐波阻抗的计算。量化谐波源污染水平的分析方法可以分为“干预式”和“非干预式”。“干预式分析法” 由于改变了系统正常运行工况，往往对系统造成不利影响。 “干预式”的分析方法，包括谐波电流注入、投切电路开关元件及用户侧并联阻抗等方法。这些方法有各自的特点，但是往往需要额外的设备及操作，并且都对系统的正常运行产生干扰，无论从经济上还是安全性上来说都比较落后，因此对他们的理论研究逐渐冷却，现在的学者研究主要集中于“非干预式”的分析方法。该方法通过测量点的电压、电流信号进行采集，运用各种统计方法对数据进行分析，进而计算出谐波阻抗，达到量化谐波发射水平的目的。最早的属于“非干预式”的分析法是文献[XXX]提到的波动量法，该法认为系统谐波阻抗受系统短路阻抗影响较大，某个时间段谐波阻抗是一定值，通过计算电压、电流波动量比值符号进行谐波阻抗计算以估计谐波污染水平，该法对背景谐波有较高的要求。很多学者针对“线性回归法”进行了研究。文献[]提出了二元线性回归法，该方法前提认为电源侧运行稳定且谐波阻抗为纯感性，根据电网等值电路确定回归模型，然后进行回归计算得出结果，从而估算谐波污染水平。该方法不对系统干扰且操作简单，但电源侧谐波阻抗不可能为纯感性，并且算法基于最小二乘，计算有较大误差。后来随着数理统计理论的研究发展，基于最小二乘及其延伸算法的谐波源污染水平估计方法越来越多的被学者关注。很多方法对最小二乘进行了改进。如有学者提出采用偏最小二乘法，文献[XXX]提出了基于广义岭回归采用有偏估计进行计算谐波阻抗估计谐波污染水平，文献[]提出了采用复线性最小二乘进行定量划分谐波责任，还有学者提出稳健回归等。
2.4 小结
现代电网中存在种类繁多的电力和用电变流设备及其它非线性负载，它们构成了产生谐波的主要源头。谐波对整个电力系统都有较为严重的危害，谐波问题也越来越受到人们的关注。对谐波进行治理无论是从安全还是经济上都有深远意义。本章主要介绍了关于谐波的相关概念，包括谐波的定义、产生、分类及危害和治理等。这些是治理谐波的基础，运用谐波源定位技术和上述所述，能够对谐波做到更好的控制补偿，提高供电质量。