一種主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法與流程

本發明涉及電力系統高頻諧波計算領域相關技術領域，具體地說，涉及一種主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法。

背景技術：

近年來，隨著能源短缺和環境問題的日益突出，新能源發電技術在國家政策的大力支持下得到了迅猛的發展，大量的新能源發電裝置以分布式電源的形式接入到電網中，它的優點得到人們越來越多的關注。當分布式電源在逐漸發揮優勢時，也給電力系統帶來了一系列的負面影響。分布式電源帶來的難題，在近年來逐漸的成為電力工作者以及學術研究人員所關注的焦點，具體表現在配電網注入的高頻諧波對于潮流分布的影響等。

分布式電源越來越多的接入配電網，傳統單向潮流的被動式配電網正逐步演變成雙向潮流的集成分布式發電裝置的主動式配電網。然而，隨著分布式電源越來越多的接入配電網，其自身的問題也日益顯現。可再生能源以分布式電源形式并網通常需要通過電力電子裝置轉換成標準的工頻交流電供給負荷或并網。隨著技術的發展，并網逆變器使用的電力電子器件多為IGBT等全控型器件。IGBT屬于高頻開關元件，其開關頻率很高，在運行過程中會產生大量的高頻諧波。諧波疊加在基波上，造成基波波形嚴重畸變，造成很多精密的設備損壞，甚至造成變壓器損壞。同時，由于工業中非線性負荷的大量增加，引起了電網電壓、電流波形發生畸變，造成電網諧波污染。這些都給電力系統的規劃和運行帶來了很大的挑戰，其中對主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法近年來逐漸成為電力行業所關注的主要問題之一。因此正確合理的計算主動式配電網的高頻諧波潮流有利于更好的制定諧波治理措施，降低電力系統諧波治理的成本，對于研究和發展主動式配電網具有十分重要的意義。然而，主動式配電網的高頻諧波潮流該如何進行計算，現有技術中還沒有相關的計算方法。

技術實現要素：

本發明針對主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法近年來逐漸成為電力行業所關注的主要問題，正確合理的計算主動式配電網的高頻諧波潮流有利于更好的制定諧波治理措施，降低電力系統諧波治理的成本，對于研究和發展主動式配電網具有十分重要的意義現實情況，而主動式配電網的高頻諧波潮流該如何進行計算，現有技術中還沒有相關的計算方法的問題，提供一種主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法。

本發明所需要解決的技術問題，可以通過以下技術方案來實現：

一種主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法，其特征在于，包括：

1)確定主動式配電網的拓撲結構和各元器件的參數，得到各元器件的高頻諧波阻抗模型；

2)將主動式配電網高頻背景諧波的高頻諧波等效模型用諧波電壓源表示，將電壓源型并網逆變器的高頻諧波等效模型用一個受控諧波電壓源和逆變器等效諧波阻抗串聯表示，將電流源型并網逆變器的高頻諧波等效模型用一個受控諧波電流源和逆變器等效諧波阻抗并聯表示；

3)分別計算主動式配電網中，背景諧波電壓源單獨作用時、受控諧波電壓源單獨作用時和受控諧波電流源單獨作用時，主動式配電網擬計算結點的諧波電壓；

4)利用疊加定理將背景諧波電壓源單獨作用時、受控諧波電壓源單獨作用時和受控諧波電流源單獨作用時，得到的諧波電壓相加，得到擬計算結點的高頻諧波潮流。

本發明中，在利用疊加定理時，受控諧波電壓源和受控諧波電流源需要考慮其單獨作用的情況；若受控諧波電壓源或者受控諧波電流源不作用時，則受控諧波電壓源和受控諧波電流源都作斷路處理。

本發明中，所述受控諧波電壓源表示為：

其中，u_dc為電壓源型并網逆變器的直流側電壓，f_k為開關頻率，k為調制比。

本發明中，所述受控諧波電流源表示為：

其中，i_dc為電流源型并網逆變器的直流側電流，f_k為開關頻率，k為調制比。

本發明中，所述元器件包括配電變壓器，所述配電變壓器的高頻諧波阻抗模型表示為：

其中，h為主動式配電網的高頻諧波次數，為配電變壓器的h次諧波阻抗，為配電變壓器的基波阻抗。

本發明中，所述元器件包括配電線路，所述配電線路的高頻諧波阻抗模型表示為：

其中，h為主動式配電網的高頻諧波次數，為配電線路的h次諧波阻抗，為配電線路的基波阻抗，為配電線路的h次諧波導納，為配電線路的基波導納。

本發明中，所述元器件包括線性負荷，當主動式配電網存在高頻諧波時，所述線性負荷的高頻諧波阻抗模型表示為：

其中，h為主動式配電網的高頻諧波次數，Y_h為線性負荷的h次諧波導納，R_h為線性負荷并聯電阻的h次諧波阻抗，X_h為線性負荷并聯電抗的h次諧波阻抗，X₁為線性負荷并聯電抗的基波阻抗。

本發明中，所述主動式配電網結構，包括：形成高頻背景諧波的上級電源，上級電源連接配電變壓器的一次側，所述配電變壓器的二次側連接配電線路，配電線路的輸出端連接線性負荷、包含電壓源型并網逆變器的非線性負荷以及包含電流源型并網逆變器的非線性負荷，所述擬計算結點設置在配電線路的輸出端。

所述背景諧波電壓源單獨作用時，所述擬計算結點的諧波電壓為：

其中，為背景諧波電壓源的電壓，Y_h′為折算到配電變壓器一次側的線性負荷的h次諧波導納，為配電變壓器一次側主動式配電網系統h次諧波阻抗，為折算到配電變壓器一次側的h次配電變壓器諧波阻抗，為折算到配電變壓器一次側的配電線路h次諧波阻抗。

所述受控諧波電壓源單獨作用時，所述擬計算結點的諧波電壓為：

其中，受控諧波電壓源的電壓，Y_h為折算到配電變壓器二次側的線性負荷h次諧波導納，為折算到配電變壓器二次側的主動式配電網系統h次諧波阻抗，為折算到配電變壓器二次側的h次配電變壓器諧波阻抗，為配電變壓器二次側的配電線路h次諧波阻抗，為配電變壓器二次側的電壓源型并網逆變器等效h次諧波阻抗。

所述受控諧波電流源單獨作用，所述擬計算結點的諧波電壓為：

其中，為受控諧波電流源的電流，Y_h為折算到配電變壓器二次側的線性負荷h次諧波導納，為折算到配電變壓器二次側的主動式配電網系統h次諧波阻抗，為折算到配電變壓器二次側的h次配電變壓器諧波阻抗，為配電變壓器二次側的配電線路h次諧波阻抗，為配電變壓器二次側的電流源型并網逆變器等效h次諧波阻抗。

本發明主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法，通過確定主動式配電網諧波源類型，利用主動式配電網等效的高頻諧波模型和電工學中的疊加定理，得到了主動式配電網高頻諧波潮流，可以更為準確地把握高頻諧波的潮流分布，有利于更好的制定諧波治理措施，以降低諧波治理成本和對電力系統產生的影響，對于研究和發展主動配電網具有十分重要的作用。

附圖說明

以下結合附圖和具體實施方式來進一步說明本發明。

圖1為本發明實施例提供的主動式配電網結構示意圖。

圖2A為本發明實施例提供的主動式配電網配電變壓器的高頻諧波阻抗模型圖。

圖2B為本發明實施例提供的主動式配電網輸電線路的高頻諧波阻抗模型圖。

圖3為本發明實施例提供的主動式配電網線性負荷的高頻諧波阻抗模型圖。

圖4A為本發明實施例提供的主動式配電網電壓源型并網逆變器拓撲結構圖。

圖4B為本發明實施例提供的主動式配電網并網電流源型逆變器拓撲結構圖。

圖5A為本發明實施例提供的電壓源型并網逆變器的高頻諧波等效模型圖。

圖5B為本發明實施例提供的電流源型并網逆變器的高頻諧波等效模型圖

圖6為本發明實施例提供的主動式配電網高頻諧波等值電路阻抗模型圖。

圖7為本發明實施例提供的主動式配電網背景諧波(諧波電壓源)單獨作用時的高頻諧波等值電路阻抗模型圖。

圖8為本發明實施例提供的主動式配電網受控諧波電壓源單獨作用時的高頻諧波等值電路阻抗模型圖。

圖9為本發明實施例提供的主動式配電網受控諧波電流源單獨作用時的高頻諧波等值電路阻抗模型圖。

圖10為本發明主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法流程圖。

具體實施方式

為了使本發明的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。

本發明的主旨在于，通過對現有主動式配電網在高頻諧波潮流計算需求的分析，發現現有針對主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法近年來逐漸成為電力行業所關注的主要問題，正確合理的計算主動式配電網的高頻諧波潮流有利于更好的制定諧波治理措施，降低電力系統諧波治理的成本，對于研究和發展主動式配電網具有十分重要的意義現實情況，而主動式配電網的高頻諧波潮流該如何進行計算，現有技術中還沒有相關的計算方法的問題，通過本發明提供一種主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法以解決上述問題。

參見圖1，發明的實施例提供了一種主動式配電網結構，其包括形成高頻背景諧波的上級電源，上級電源連接配電變壓器的一次側，配電變壓器的二次側連接配電線路，配電線路的輸出端連線性負荷、包含電壓源型并網逆變器的非線性負荷以及包含電流源型并網逆變器的非線性負荷。

結合圖1再參見圖10，由于本發明的主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法，計算主動式配電網中任何結點的高頻諧波潮流的過程都是一樣的，在本實施例中采用將配電線路的輸出端作為擬計算結點進行示例性說明，同理，對于主動式配電網的結構，除了本實施例中所示外，也可以有其他形式，本實施例中并非對本發明的限制。

因此，本發明的在進行計算時，首選確定主動式配電網的拓撲結構和各元器件的參數，主動式配電網的拓撲結構如圖1所示主要包括，上級電源、系統阻抗、配電變壓器、配電線路、線性負荷和非線性負荷，然后得到各元器件的高頻諧波阻抗模型。

如圖2A和圖2B所示，為主動式配電變壓器和配電線路的高頻諧波阻抗模型。在諧波作用下，配電變壓器繞組的集膚效應以及鐵芯中的渦流損耗都將增大，有關資料表明，變壓器的等值電阻大致與諧波次數的平方根成正比，其諧波阻抗可以表示為：

其中，h為主動式配電網的高頻諧波次數，為配電變壓器的h次諧波阻抗，為配電變壓的基波阻抗。

在電力系統中在長的配電線路中存在高頻諧波時，可使用π型的等效模型進行精確的描述，這種模型采用雙曲函數用來表示系統中阻抗以及導納，這個時候每配電條線路僅僅只是需求一個π型等值電路就可以達到目的。此時，配電線路的諧波阻抗可以表示為：

其中，h為主動式配電網的高頻諧波次數，為配電線路的h次諧波阻抗，為配電線路的基波阻抗，為配電線路的h次諧波導納，為配電線路的基波導納。

如圖3所示，為主動式配電網線性負荷的高頻諧波模型。在給定頻率時，線性負荷等值阻抗為常數，負荷吸收的有功功率和無功功率與負荷的電壓平方成正比，并聯負荷模型適用于表示含感應電動機的集中負荷，當主動式配電網存在高頻諧波時，線性負荷的高頻諧波阻抗模型表示為：

其中，h為主動式配電網的高頻諧波次數，Y_h為線性負荷的h次諧波導納，R_h為線性負荷并聯電阻的h次諧波阻抗，X_h為線性負荷并聯電抗的h次諧波阻抗，X₁為線性負荷并聯電抗的基波阻抗。

在進行后續計算前，需要說明一下，主動式配電網高頻諧波源分類，包括來自主動式配電網系統的高頻背景諧波以及由主動式配電網內非線性用電設備(非線性負荷)產生的高頻諧波。高頻背景諧波以諧波電壓源表征，非線性用電設備等效的高頻諧波源模型分為諧波電壓源和諧波電流源兩種類型。對含并網逆變器供用電設備(包含分布式電源)，確定其變流器拓撲結構及變流原理，進而確定高頻諧波源類型，是受控諧波電壓源還是受控諧波電流源。

如圖4A和圖4B所示，主動式配電網并網逆變器的拓撲結構圖。如前所述，主動式配電網的并網逆變器主要分為電壓源型和電流源型并網逆變器。在主動式配電網中分布式電源通常需要通過電力電子裝置轉換成標準的工頻交流電供給負荷或并網。一般電力電子裝置采用PWM控制，它們的開關過程勢必會向配電網注入高頻諧波。對于配電網來說分布式電源逆變器、以及含有電力電子裝置的設備都是非線性負荷。

主動式配電網非線性負荷的高頻諧波阻抗模型。非線性負荷高頻諧波阻抗模型主要包括電壓源型和電流源型高頻諧波阻抗模型。圖5A中電壓源型并網逆變器的高頻諧波等效模型可以用一個受控諧波電壓源和逆變器等效諧波阻抗串聯表示，圖5B中，電流源型并網逆變器的高頻諧波等效模型可以用一個受控諧波電流源和逆變器等效諧波阻抗并聯表示。

在主動式配電網中，高頻諧波的來源一般是上級電網傳下來的背景諧波和配電網中非線性負荷自身產生的諧波。背景諧波一般以諧波電壓源的形式傳遞到配電網。電壓源型非線性負荷產生的諧波通常以諧波電壓的形式注入配電網。電壓源型非線性負荷產生的諧波電壓的大小和頻譜分布與其電路參數有關。以電壓源型并網逆變器為例，它注入電網的諧波電壓的大小和頻譜主要由直流側電壓的大小、穩定性以及全控型器件的開關頻率和調制比等參數所決定，可將其等效為一個受控諧波電壓源和逆變器等效諧波阻抗串聯起來表示：

其中，u_dc為電壓源型并網逆變器的直流側電壓，f_k為開關頻率，k為調制比。

電流源型非線性負荷產生的諧波通常以諧波電流的形式注入配電網。電流源型非線性負荷產生的諧波電流的大小和頻譜分布與其電路參數有關。以電流源型并網逆變器為例，它注入電網的諧波電流的大小和頻譜主要由直流側電流的大小、穩定性以及全控型器件的開關頻率和調制比等所決定，可將其等效為一個受控諧波電流源和逆變器等效諧波阻抗并聯起來表示：

其中，i_dc為電流源型并網逆變器的直流側電流，f_k為開關頻率，k為調制比。

如圖6所示，主動式配電網高頻諧波等值電路阻抗模型圖。在上述得到的主動式配電網高頻諧波阻抗模型和高頻諧波源的基礎上，利用疊加定理將高頻諧波在主動式配電網的各結點進行疊加，得到整個主動式配電網的高頻諧波潮流。在利用疊加定理時，對于受控源電路原理中一般不考慮其單獨作用，而對于獨立源，電壓源單獨作用時，電流源作斷路處理；電流源單獨作用時，電壓源作短路處理。但是，在本發明專利中，受控諧波電壓源和受控諧波電流源的大小和頻譜分布并不是受配電網外部電路參數的控制，而是受電壓源型和電流源型非線性負荷的內部電路參數，控制方式等影響。因此，在本發明專利中利用疊加定理時，受控諧波電壓源和受控諧波電流源需要考慮其單獨作用的情況；若受控源不作用，則都應作斷路處理。

如圖7所示，為考慮高頻背景諧波(諧波電壓源)單獨作用時的主動式配電網高頻諧波等值電路阻抗模型圖。此高頻諧波等值電路阻抗模型圖中的電路阻抗均為折算到配電變壓器一次側的阻抗。此時，由高頻背景諧波單獨作用的結點1處(配電線路的輸出端)的諧波電壓為：

其中，為背景諧波電壓源的電壓，Y_h′為折算到配電變壓器一次側的線性負荷的h次諧波導納，為配電變壓器一次側主動式配電網系統h次諧波阻抗，為折算到配電變壓器一次側的h次配電變壓器諧波阻抗，為折算到配電變壓器一次側的配電線路h次諧波阻抗。。

如圖8所示，為主動式配電網受控諧波電壓源單獨作用時的高頻諧波等值電路阻抗模型圖。此高頻諧波等值電路阻抗模型圖中的電路阻抗均為折算到配電變壓器二次側的阻抗。此時，由受控諧波電壓源單獨作用的結點1處的諧波電壓為：

其中，為受控諧波電壓源的電壓，Y_h為折算到配電變壓器二次側的線性負荷h次諧波導納，為折算到配電變壓器二次側的主動式配電網系統h次諧波阻抗，為折算到配電變壓器二次側的h次配電變壓器諧波阻抗，為配電變壓器二次側的配電線路h次諧波阻抗，為配電變壓器二次側的電壓源型并網逆變器等效h次諧波阻抗。

如圖9所示，為主動式配電網受控諧波電流源單獨作用時的高頻諧波等值電路阻抗模型圖。此高頻諧波等值電路阻抗模型圖中的電路阻抗均為折算到配電變壓器二次側的阻抗。此時，由受控諧波電流源單獨作用的結點1處的諧波電壓為：

其中，為受控諧波電流源的電流，Y_h為折算到配電變壓器二次側的線性負荷h次諧波導納，為折算到配電變壓器二次側的主動式配電網系統h次諧波阻抗，為折算到配電變壓器二次側的h次配電變壓器諧波阻抗，為配電變壓器二次側的配電線路h次諧波阻抗，為配電變壓器二次側的電流源型并網逆變器等效h次諧波阻抗。

將上述各諧波單獨作用在結點1處得到的諧波電壓相加，即得到主動式配電網高頻諧波在結點1處的潮流。

本發明專利的具體實施方式以結點1為例，說明主動式配電網高頻諧波潮流的計算方法，其他結點處的諧波潮流計算與結點1處的方法相同，不再進行累述。

以上僅就本發明較佳的實施例作了說明，但不能理解為是對權利要求的限制。本發明不僅局限于以上實施例，其具體結構允許有變化。總之，凡在本發明獨立權利要求的保護范圍內所作的各種變化均在本發明的保護范圍內。