有功功率谐波源定位的仿真分析.docx
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有功功率谐波源定位的仿真分析
有功功率谐波源定位的仿真分析
3.1有功功率方向法
3.1.1有功功率方向法介绍
在含有谐波源的电力系统中，谐波功率流向如图所示：
图3.1谐波功率流向图
从图中可以看出，发电机发出基波有功，经过非线性负荷后，一部分基波有功转化为谐波有功，这部分谐波有功在电力系统中返回给了发电机以及其他负荷。
由此可见，在公共连接点测量谐波功率，根据谐波功率的方向可以来确定谐波源的位置。
简单地，将系统简化为系统侧与用户侧。
在单一谐波源的情况下，谐波源检测要求定位出谐波源；在多个谐波源的情况下，需要寻找对PCC谐波贡献较大的谐波源，即主要谐波源。
因此，在公共耦合点通过测量谐波电压与谐波电流，可以确定主要谐波源的位置。
有功功率方向法的基本原理是检测谐波有功的流向，认为产生谐波有功的一方为主要谐波源。
比如对k次谐波，首先规定
的方向由系统侧指向用户侧，若
，则系统侧为主要谐波源；反之，若
，则用户侧为k次谐波主要谐波源。
3.1.2有功功率方向法的数学分析
常用的谐波等效电路如下图所示：
~
~
图3.2戴维宁等效电路
忽略谐波阻抗的电阻，公共连接点处的视在功率如下：
（3-1）
即
同时，可以根据在PCC处测得的谐波电压与谐波电流求得谐波功率：
（3-2）
由式（3-1）可知，在谐波阻抗接近感性时，谐波有功功率的方向与谐波源之间的相角差由很大关系，而不是仅仅取决于谐波源的大小。
而由式（3-2）知，谐波有功还与谐波电压与谐波电流的相位差有关，而谐波电压与谐波电流的相位差不光是由谐波阻抗所决定，因为谐波源也可能会吸收一部分谐波有功。
在实际的应用当中，对于配电网正常的功率因数有一定的要求，谐波电压与谐波电流相位差为
的情况一般不会出现。
从上面的分析可以看出，有功功率方向法简单直观，为大家所普遍接受，但是由于其自身的缺陷，在有些情况下，不能对谐波源做出正确定位。
3.1.3有功功率方向法模拟仿真
利用matlab中的simulink对谐波定位进行仿真，仿真模型采用简单的点对点系统，电压等级及输电功率模拟配电网的相关情况。
用户侧的谐波源采用六脉波整流电路。
并且三相平衡，故各测量量只取A相，仿真图如下：
图3.3有功功率方向法仿真图
其中SubsystemP与SubsystemQ分别用来计算谐波有功与谐波无功，该子模块如下图：
图3.4有功测量子模块
首先利用傅里叶变换模块获得相应谐波的幅值与相角，再计算谐波有功和谐波无功。
同时根据示波器得到电压与电流波形，在matlab窗口中利用程序绘制波形图并计算谐波功率。
在没有背景谐波的情况下，即只有一个非线性负荷时的电压及电流波形如下图所示：
图3.5电流波形
图3.6电压波形
通过程序分析得出电压及电流频谱如下：
图3.7电流频谱
图3.8电压频谱
从图中可以看出，谐波主要集中在
次，这与六脉波整流电路相一致，利用simulink自带的谐波分析工具powergui分析得到如下的分析结果：
通过程序得到：
OrderpercentUIangle
00.000143930.364740.00811330
115653.456.3710.17026
20.000666732.47990.0375840.13791
30.00126611.40160.0713730.042259
40.000629530.950720.035487-0.31245
50.2215389.9912.486-1.5985
60.000335810.517780.018934.8267
70.084552210.774.7663-1.5838
80.000497961.50890.028071-1.2077
90.000918521.59790.051778-1.4395
100.000432151.69910.024361-1.1201
110.061758237.583.4814-1.5845
120.000187090.242070.010547-1.0207
130.030385140.821.7128-1.5738
140.000323061.33040.0182114.6729
150.000494481.45210.0278744.2995
160.000263681.47010.0148644.8116
170.020995124.331.18354.6888
187.2738e-0050.19810.0041003-1.1771
190.01103174.2410.621824.696
在只有背景谐波的情况下，为简单说明，背景谐波为在可编程电压源中加入5次谐波，得到如下的波形图：
图3.11电流波形
图3.12电压波形
可以看出5次谐波的含有率为20%，与事先的设定值一样，这也说明正弦波通过线性负荷后，波形不发生改变，利用自编的频谱分析程序得到如下的电流电压频谱图：
图3.15电流频谱
图3.16电压频谱
同时通过程序可以获得公共连接点的相关数据如下：
OrderpercentUIangle
03.9743e-0052.9134e-0150.000229430
115772.95.77290.0010002
20.000285831.65010.00165010.00050012
39.3847e-0050.541770.000541770.00033339
48.8582e-0050.511370.000511370.00025007
50.199891153.91.15390.00020005
60.000358792.07130.00207130.0001667
70.000218851.26340.00126340.00014289
80.000166110.958930.000958930.00012503
90.000136640.788820.000788820.00011113
100.00011720.676580.000676580.00010002
110.000103150.595460.000595469.0927e-005
129.2398e-0050.53340.00053348.3345e-005
138.3847e-0050.484040.000484047.6937e-005
147.685e-0050.443640.000443647.1435e-005
157.0998e-0050.409860.000409866.6675e-005
166.602e-0050.381120.000381126.2503e-005
176.1726e-0050.356340.000356345.8825e-005
185.7979e-0050.33470.00033475.5555e-005
195.4677e-0050.315640.000315645.2627e-005
根据有功功率的正负判定谐波源的位置如下：
对于PCC两侧都含有谐波的仿真如下，背景谐波为在可编程电压源中加入20%的5次谐波：
图3.17电流波形
图3.18电压波形
图3.19电流频谱
图3.20电压频谱
公共连接点的相关数据如下：
OrderpercentUIangle
02.2106e-0112.7928e-0151.4106e-009-3.1416
115772.963.8092.0316e-005
20.000310981.65010.0198430.00022856
30.0720520.541774.59763.1389
40.000226060.511370.014425-3.1433
50.0430721153.92.74840.0046465
60.00039662.07130.0253070.00032553
70.0812741.26345.186-0.0011813
80.000279610.958930.0178420.0018735
90.139370.788828.89310.0010234
100.000145890.676580.00930913.1437
110.0719120.595464.5886-0.00054067
120.000288920.53340.0184363.1409
130.0328660.484042.09720.001967
140.000445820.443640.0284473.1424
150.029620.409861.893.1433
160.000285460.381120.0182153.1409
170.0485570.356343.09843.141
180.000105430.33470.00672733.1443
190.0571950.315643.64953.1424
由于公共连接点两侧都存在5次谐波源，且两者的幅值与相角差不多，从而相互抵消，从电流频谱中可以看出，5次谐波的含有率很小，依据有功功率方向法无法判断主要谐波源的位置。
并且由于背景5次谐波的存在，通过6脉波整流电路后，系统中增加了其他奇数次谐波。
根据程序的判断结果为：
综上所述，有功功率方向法原理简单，但缺乏一定的准确性。
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