2024年电力电子设备谐波分析评估关键技术报告

电力电子设备谐波分析评估关键技术 计算与测量技术交流 2024.10.10·北京 谐波特性分析PQ 三数据驱动建模深容电测冰皮术交流沙 目录 四谐波状态评估东大 CONTENT 五总结孙媛贩 研究背景 中华人民共翔阳国康发限科政委会会 推进电能质量管理 数字化智能化发展 国家发展改革委发布的《电能质量管理办法（暂行）》自2024年4月1日起施行《办法》中强调因发电，电网或用中原因引起电能质量问题时，责任主体应当按谁干扰谁治理“的原则及时处理并接受监督管理随看新型电力系统加快构建大量新能源电源和新型负荷接入电力系统面临电压 和频率调节支撑能力弱源荷功率波动性大电能质量指标越限等一一系列新的挑战需加强电能质量管理，维护电力系统的安全稳定运行，支撑新型电力系统构建 研究背景 随着“双碳”目标持续推进及新型电力系统快速发展，海量电力电子设备接入电力系统的发、输、配、用各环节 研究背景 高比例、大规模接入下，电力电子设备种类丰富、分散广布、特性各异，已成为新型电力系统中的典型谐波源 规模化电力电子设备应用在电力系统引发了严重的谐波问题 研究背景 谐波建模方法对比 基本形式 基本形式 恒流源模型 考虑基频电压及同频谐波影响，体现同频谐波电压和电流的耦合效应 谐波电流仅取决于其所在节点的外加基波电压与外电路阻抗无关 模型基本形式 基本形式：考虑交又频率相互影响，建立各次谐波电压与谐波电流间的耦合关系 谐波耦合模型 模型特点：①揭示多频耦合交互作用②适用于非线性设备特性分析 元素幅值代表耦合程度大小 谐波特性分析亚 三数据驱动建模 目录 四谐波状态评估 CONTENT 五总结 谐波特性分析 研究概况 针对电力系统中谐波源类型繁多特性各异的多元电加电子设备建模问题 单相/三相不控整流（电压型 单相/三相半控整流（电流型） 谐波特性分析 1.电力电子设备谐波耦合建模思路 整流装置的电流波形和电压波形，可由电流和电压开关函数与正弦(或余弦)函数的调制波形来描述，这种调制波形经过三角函数变换后即可得到其谐波特性与测量技术交 电压关系 频域 交流侧电压江亚洲电 联立求解耦合I=YU谐波导纳东大学 阻抗关系 交流侧电流 谐波特性分析 2.异构电力电子设备谐波模型一电压型不控整流类负荷 ，构建了单相不控整流频域谐波耦合模型，提出了典型工况下单相不控整流导通角及关断角计算方法，建立了三相不控整流连续和断续状态的综合谐波模型 矩阵元素 口将时域的非线性特征转化为频域的谐波耦合矩阵 谐波特性分析 2异构电力电子设备谐波模型电压型不控整流类负荷 当电路参数以及供电电压变化时三相电压型不控整流装置的工作状态也会改变，提出了一一种能够快速、有效判断电压型不控整流装置工作状态的方法 通过直流侧电流表征整流装置工作状态 口当min[/(]<0,工作状态断续当minl/（]>0工作状态连续口当minl/（0]=0.工作状态临界 影响因素 （1)随着负载R的增大从连续变为断续2）电容C对工作状态的影响较小（3）随着电感L的增大从断续变成连续（4）随着电压THD增大，从断续变成连续 轻载（R较大时鑫作状态断续谐波电流畸变率将高达160%重载（R较小）时工作状态连续，谐波电流畸变率可达40%以上 两种工作状态工作原理及交流侧电流的波形存在较大差异 谐波特性分析 2.异构电力电子设备谐波模型电流型整流类负荷 针对单相/三相桥式整流电路，利用调制理论获取交直流电压电流转换关系建立考虑多频耦合影响的谐波耦合矩阵模型 谐波特性分析 2.异构电力电子设备谐波模型一电流型整流类负荷 、耦合模型各元素是触发角、负载阻抗、谐波阶数及基波电压初始相位的函数与谐波幅值、相角、基波幅值无关 机理模型 矩阵元素 非对角元素幅值占比超过对角线元素，耦合谐波影响显著 模型形式 模型特点： 口矩阵元素不随整流装置端口谐波电压的变化而变化，是独立于整流装置端口谐波电压状况的恒定矩阵口整流设备端口各阶谐波电流和谐波电压相互耦合 谐波特性分析 2.异构电力电子设备谐波模型多脉动整流类负荷 在三相桥式整流电路基础上，考虑供电电压不平衡条件等非理想因素，建立多脉动整流装置谐波耦合矩阵模型，分析由此导致的非特征谐波特性 口开关特性非理想非理想因素口线路参数不平衡口供电电压不平衡口变压器参数差异 直流侧特性： 不平衡条件下直流侧偶数次谐波无法相互抵消，导致非特征谐波产生口平衡条件：6k次特征谐波口不平衡条件：6K土2次非特征谐波 多脉动整流器基本结构 交流侧特性： 三相平衡条件下，非特征谐波相互抵消，仅存在特征谐波分量*不平衡电压影响下，交流侧将产生6k3次的非特征谐波电流 谐波特性分析 2.异构电力电子设备谐波模型多脉动整流类负荷 不平衡工况不仅会引入非特征谐波，且会在耦合作用下导致特征谐波的增加脉动次数增加能够一定程度上提升电能质量、降低特征谐波及非特征谐波含量 谐波特性分析 2.异构电力电子设备谐波模型全控型变换器 理想供电条件下全控型电力电子变换器产生低频非特征谐波含量与高频特征谐波，分析了变换器两类谐波的产生原因 典型控制结构 输出低频次谐波 产生高频次谐波 低频谐波受背景谐波影响，谐波特性可能发生改变 高频谐波分量仅与开关特性有关 变换器开关特性 变换器死区效应 口高频特征谐波 调制开关器件按照频率f通断，产生开关频率边带谐波，典型频次f±2、2f±1次 口低频非特征谐波： 死区等非理想因素导致输出电压存在偏差，产生5、7、11、13次等低频谐波 谐波特性分析 2.异构电力电子设备谐波模型全控型变换器 针对全控型电力电子变换器分析谐波产生影响因素其与供电条件、拓扑结构控制环节以及其他非理想因素有关 2）控制结构参数 1）拓扑结构参数 L型:Uh-U-Z1 Z.+Z4U.-Z1LC型:UZ. 22+22#+221LCL型: U. 谐波特性分析 异构电力电子设备谐波模型全控型变换器 变换器跨频次谐波耦合与电压、电流及锁相环均有关但耦合程度相对较弱不平衡电压影响下交流侧将产生3次谐波电流分量 交直流谐波转换关系 谐波耦合模型构建 平衡条件下谐波耦合模型 不平衡条件下含三倍频谐波 直驱风机实测谐波电流结果 应用价值： 口针对直驱风机的工程应用可忽略耦合谐波影响，降低模型参数求解复杂度 谐波特性分析 3.电力电子设备谐波模型对比 单相/三相电压型整流设备 居民负荷 *机械、冶金等交-直-交变频器 单相/三相电流型整流设备 *计算机、显示器等家用电器 高压直流输电 三相全控逆变设备 ?光伏逆变器＊风机网侧变流器 研究背景 二谐波特性分析盛质 三数据驱动建模 目录 四谐波状态评估 CONTENT 五总结山东 数据驱动建模 研究概况 针对电力系统结构、参数难以获取的谐波扰动源特性分析问题 研究数据驱动的多元源荷动态谐波特性建模方法 居民负荷谐波模型 分布式光伏谐波模型 集合性负荷谐波模型 面向多元源荷动态运行状态实现数据驱动的谐波源特性分析 数据驱动建模 1.动态自适应谐波耦合模型 以单相不控整流桥类负荷为例，通过谐波导纳矩阵模型求解，研究表明供电电压与其耦合矩阵元素之间存在对应关系 基准电压与实际电压 数据驱动建模 动态自适应谐波耦合模型 为提升模型通用性，提出了利用调整矩阵来自适应调整供电电压对耦合矩模型参数的影响构建了电压自适应动态谐波耦合模型 1）基于实测数居的模型求解 建模流程 实测数据获取与预处理 3多运行状态识别DDDDD 分层K-均停聚类结果异常值识别并删除ur(col(u)=a-p(o 利用调整矩阵应对配电网电压波动大畸变高等问题 数据驱动建模 动态自适应谐波耦合模型 ：采用数据驱动方式对光伏模型进行分析，其谐波特性与出力程度相关，谐波幅值在低功率工况下随功率上升而增加，在高功率工况下近似稳定 谐波分布概率动态特征明显 不同输出功率下谐波电流变化趋势 光伏出力较小时，谐波电流畸变程度随着出力的增大而增加光伏出力达到70%左右时谐波畸变程度与输出功率关联关系减弱 数据驱动建模 2.集合性居民负荷自下而上谐波模型 由于不同类型家用电器的模型参数差异较大，将常见的32种电器分为典型家用电器与多状态电器，考虑温控负荷与照明负荷，分类建立电器行为学模型 家用电器分类建模 口典型电器行为学模型 口多状态电器行为学模型 开通状态判定OFO转移状态确立 照明负荷 调温负荷 开通T(d.)<1或t0,T-TK7概率P0.02/(d.t.k1<t.[0T-T.-7)7(d.01/8,7<T-T.515J (d.n1T-T015 开通kTa-≤i≤kT+te-tP.≥rOF(0)S(0)时刻0Pi<r0其他 开通时长 需确定开通概率和状态转移概率 需确定开通时间和开通时长 (a)娱乐活动 数据驱动建模 2.集合性居民负荷自下而上谐波模型 考虑以上家用电器行为学模型影响因素，基于多类型典型负荷的多状态模型提出适用于集合性居民负荷的自上而下建模思路 数据驱动建模 2.集合性居民负荷自下而上谐波模型 针对居民负荷的谐波耦合特性忽略幅值较低的元素提取影响谐波耦合的主导因素，提出了统一主元谐波耦合矩阵模型 Y-1,ify,/max(Y)≥Y.yp =0, if y//max(YD<y Y越大，生元矩阵保留元素越多，模型精度越高 数据驱动建模 2.集合性居民负荷自下而上谐波模型 在主元矩阵的基础上，拓展得到多时段主元矩阵，通过平均处理建立表示总时段的统主元矩阵，明确统一主元谐波耦合矩阵模型参数 3）统一矩阵建立 口统一矩阵（Y）建立 口主元矩阵）建立 模型主要优点 可考虑谐波之间的耦合关系引入统矩阵可识别主导元素相比于全模型，可提高概率谐波建模效率 数据驱动建模 2.集合性居民负荷自下而上谐波模型 提出的统主元谐波耦合矩模型能够有效实现集合性源荷时变谐波评估，可应用于家庭级别及小区级别的功率与谐波分析 模型准确度对比 统一生元矩阵建立 效果分析 口主元矩阵 对比计算电流波形与实测电流波形建模精度高统计误差波动范围更小表明统一生元模型可考虑电压波动与畸变的影响 口统一主元矩阵 UD-HCMM：统一主元谐波耦合矩阵模型CCS恒流源模型 数据驱动建模 3.数据驱动谐波模型对比 电力电子设备多频谐波特性与其运行状态，拓扑结构均相关 一谐波特性分析 三数据驱动建模 目录 四谐波状态评估 CONTENT 五总结绿媛媛 谐波状态评估 非选代谐波潮流计算 针对多谐波源接入下系统谐波评估问题研究了基于谐波耦合模型的非迭代式谐波潮流计算方法，实现了电力系统谐波状态的快速准确评估 建模流程 基本思想由于谐波导纳矩阵能够实现各次谐波电压和谐波电流解耦因此通过联立节点导纳方程和谐波源模型无需迭代即可基于基波潮流状态直接求解各次谐波潮流状态 应用价值： 口提升了谐波潮流计算效率口克服了多谐波源系统谐波潮流选代收敛困难的问题 谐波状态评估 非选代谐波潮流计算 利用所提出的非迭代式谐波潮流分析方法，求解分布式源荷接入下的谐波潮流明确分布式光伏接入导致的节点谐波电压变化情况 谐波状态评估 2.谐波概率潮流计算 基于系统电压、电流及功率的时变不确定运行状态特征提出了一种考虑多元源荷概率运行的电力系统概率谐波潮流计算方法 建模流程 基本思想由于单一时段内的谐波概率难以准确评估时变概率潮流提出了电力系统时变概率谐波潮流计算方法基于不确定特征建模与概率特征提取实现动态源荷随机接入下的概率谐波状态分析 时变概率谐波潮流计算 节点时变谐波电压与谐波电流的关系(0-+Y0U)谐波不确定变需之间的映射关系[U(0,.(