民用负荷的谐波随机性分析及综合治理措施研究

现今电力系统中，居民用电占电能总消耗的30%以上，我国居民用电总量目前占总用电量的13%，随着社会经济的发展，居民用电总量必然将逐年提升，预计2030年居民用电量会超过总用电量的20%。由于家用电器负荷中存在大量含电力电子类非线性负荷，所产生的电流畸变高，且其大量随机、分散地接入民用配电系统，导致民用配电系统谐波具有高畸变、强随机、分散广等特点，以往对于大工业或单个确定性谐波源负荷的谐波分析方法无法直接应用于评估民用负荷谐波产生的影响。因此，本项目基于实测电压、电流数据和实际负荷开关行为统计数据建立新的民用负荷随机性谐波评估方法。项目研究所取得的成果如下：(1)提出利用广义复偏最小二乘的方法计算家用电器负荷的谐波耦合矩阵模型参数，并针对模型电压适应范围较小的缺点，提出模型参数调整因子，使得模型参数可随电压的变化而动态地自适应调整，之后建立了多状态家用负荷的谐波模型。(2)结合电压自适应谐波模型，充分考虑我国用电影响因子的家用电器修正开通概率行为模型，建立一个自下而上的谐波和功率评估仿真平台，该平台能考虑负荷的更新换代，实现对区域性谐波和功率的预测，适合在实际中推广应用。(3)针对集合性居民负荷，深入分析实测数据，提出了一种基于测量的分时段概率谐波模型，相比于传统谐波模型该模型能考虑不同次谐波电压和电流之间的耦合关系，具有更高的建模精度，且考虑的模型参数较少，建模效率更高，且能考虑负荷的时变和随机特性，能够为概率谐波潮流计算、谐振分析等提供模型支持，具有实际应用前景。(4)研究了含居民负荷的概率谐波潮流算法，提出了一种基于改进点估计与最大熵算法的概率谐波潮流算法，相比目前普遍应用的传统点估计与级数展开的方法，能够有效的提升计算效率且能够保持较高的精度。本项目的研究结论将为建立准确、快速的居民负荷谐波评估方法来管控和治理谐波污染奠定理论基础。 2100433B

随着科技的飞速发展，非线性电力电子装置被广泛应用于家用电器中，使得民用负荷成为一类新兴的谐波源。民用谐波源负荷具有随机性、分散性和不平衡性等特点，以往的谐波分析方法无法直接用于评估其谐波影响。因此，本项目将基于民用谐波源负荷的特点，提出一套综合评估其谐波电流的分析方法并研究相应的治理措施。首先建立单个家用电器类谐波源负荷的随机性谐波模型，进而考虑用户中同时存在的多个不同种类谐波源之间的相互影响，提出每个用户的等值谐波源模型；进一步研究多个用户谐波电流的叠加和衰减效应，为每个配电变压器所带总负荷提出等值的谐波分析模型。发展可考虑负荷在三相之间分配不均及负荷随机开关性等特点的概率性谐波潮流算法，对整个配电系统的谐波畸变情况进行评估。结合民用谐波源的特点，研究相应的滤波方案并选择滤波装置的最优安装地点和数量，为防止居民谐波源负荷所产生的谐波电流影响更高一级的电力系统提出有效的措施。

对于居民用电时间比较集中、季节性强、且谐波中含有大量零序分量的特点[6]，居民用电所产生的谐波治理可以从以下三个方面入手:设计方面;管理方面;技术方面 。

1)设计方面。首先要合理规划供电结构，在进行配网设计时，要尽量详细的掌握配网的负载情况及谐波源。在低压配网系统中，将产生谐波的电气设备接在同一母线上，可以利用谐波的互补作用降低配网中的谐波含量;将不产生谐波的电气设备接在同一母线，尽量减少谐波对其影响。关于变压器，为了防止谐波电流引起的过热，可以使用因数变压器，该变压

器的设计基本上是通过改善绕组和降低铁芯损耗来减少由谐波电流所引起的附加损耗。配网中若有三相整流变压器，应采用D, ynll接线方式，以最大限度的抑制谐波。另外，在三相系统中，三相负荷功率相等不代表三相平衡，因为负荷的自身特性可能导致三相不平衡和非线性。所以在进行配电设计时，除了使三相负荷功率平衡外，还应考虑各相所带的负荷性质。

2)管理方面。谐波的治理，需要大量的投资，走共同治理之路。在分清谐波来源基础上，除了依靠供电部门，还要调动电力供需环节中的各个方面。谐波治理是综合治理的过程，有明确的规定和要求，是改善供电品质的重要方面。然而许多电力用户，对谐波的危害没有足够的认识，往往认为谐波治理仅仅是电力部门的事情。就此而言，电力管理部门有必要加强

谐波治理方面的宣传，强调谐波带来的危害和谐波治理的重性及投资回报。在对谐波准确测量的基础上，提出适合于用户的治理方案。

3)技术方面。电力系统谐波的抑制方法可分为预防性和补救性两大类，而针对居民用户的特点预防方法效果不大，所以通常使用补救性方法，补救性方法主要是使用滤波器进行滤波。

滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。二者之间的本质区别在于:无源滤波器只能滤除特定阶次的谐波电流，而有源滤波器是对电网进行实时监测，在检测到系统谐波的同时向系统注入一组与之相位相反的电流来抵消谐波电流，同时动态补偿基波无功功率。其优点是可同时处理多阶次谐波，缺点是价格较贵。由于居民用电对电能质量要求相对较低，应尽量避免增设造价过的高设备，以防止对居民产生过高的资金分摊压力，故采用单调谐滤波器与高通滤器相结合的混合无源滤波方式进行谐波治理。另外还可以通过改变电容器组的安装位置或调整电容器组的无功出力来治理。在调谐的谐波次数下，电容器和电抗器具有相同的电抗，但是需要特别注意的是电容器应能承受施加在其上的总电压。然而，随着电力电子技术的发展，未来滤波的趋势是采用有源滤波器。有源滤波器可以对频率与幅度发生变化的谐波进行跟踪，具有不受阻抗影响的特点，并且避免了出现谐振的危险。目前，以下3个原因限制了其在我国的应用:1)国外同类装置价格太高;2)人们对谐波危害还没有足够的认识;3)国内谐波问题的污染程度还不是特别严重。但是，随着技术的发展有源滤波器的价格会进一步下降，并且未来谐波源将越来越多也越来越多样化，谐波问题会变得越来越复杂，因此人们对谐波认识也会逐渐加深，所以综合来看，未来滤波的发展趋势是有源滤波。

针对绝大多数居民用户采用的TN-S或TN-C-S的配电方式，由于其存在中性线，零序谐波电流，特别是3次谐波电流在中线上会相互叠加，使得中线电流中的谐波状况异常严重。面对这种状况，除了适当增加中性线的截面积，降低其带来的不利影响外，可以在中性线上加装零序滤波电抗器。该电抗器使用的是LC调谐滤波器的原理，但是无电容拓扑，具有效率高、结构简单、投资少、运行可靠，不存在谐波放大和失谐等优点。零序滤波装置在三相四线制城市配电网滤波工程中具有较好的应用价值，可以有效的降低谐波对配电网的危害。

为降低电力牵引负荷产生的谐波，在电力牵引变电所和电力机车中装设了由电容、电感组成的谐波吸收装置。正在发展中的交流-直流-交流电力机车利用电力电子技术，可实现低谐波分量的负荷特性，使谐波影响降到最低 。2100433B