一种线性负荷和非线性负荷混合网络谐波源识别模型的制作方法

本实用新型涉及供用电系统电能质量技术领域，特别涉及一种线性负荷和非线性负荷混合网络谐波源识别模型。

背景技术：

随着电网规模的不断扩大，越来越多的新型用电设备和高精度用电设备接入到电力系统，向电网注入大量的谐波功率，使得输、供和用电产生额外的电能损耗，影响电气设备以及邻近的通讯设备的正常工作，同时也使得电力系统的继电保护装置误动作，可靠性降低。因此，供用电系统中进行谐波源识别，能够提高电网运行的可靠性、灵活性、安全性和经济性。

电网采用的电能计量仪表大多数是基于基波进行设计和计量，在计量时并没有考虑到电网存在谐波的情况。但由于谐波源的存在，将会直接影响电网和用电户，出现一些电能质量问题。本实用新型根据在供用电系统中的谐波源特点，提出了一种线性负载和非线性负载网络模型拓扑，为解决供用电系统中准确识别谐波源问题提供理论依据和有效技术手段。

技术实现要素：

本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种解决了供用电系统中，由于谐波源的存在，其产生的谐波电流会反馈到电网和电力用电户，直接导致电网和电力用电户的能量质量降低以及电能计量不公平的问题的一种线性负载和非线性负载网络模型拓扑。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种线性负荷和非线性负荷混合网络谐波源识别模型，包括系统电压源u_s和系统内阻抗Z_s串联支路、线性负荷阻抗支路和非线性负荷谐波电流源与非线性负荷等效阻抗并联支路构成的按系统支路、线性负荷支路和非线性支路顺序并联的供用电系统谐波源识别模型。

线性负荷用支路阻抗表示,并且线性支路为第1条支路到第i条支路；将非线性负荷用谐波电流源和支路阻抗的并联来表示,并且，非线性负荷支路为第i+1条支路到第m条支路。因此，线性负荷支路和非线性负荷支路共同组成m条支路，系统电压源和系统阻抗支路向线性负荷支路和非线性负荷支路供电。非线性负荷支路的谐波电流源可以通过电流检测和傅里叶分解获得，它对于各次谐波电流之和；线性和非线性负荷支路的支路阻抗可以通过检测的负荷电压和负荷电流计算获得，负荷支路的基波支路阻抗对于基波电压与基波电流的比值；负荷支路的某次谐波支路阻抗对于该次谐波电压与该次谐波电流的比值。

非线性负荷将谐波电流源和支路阻抗并联支路可以变换为谐波电压源和支路阻抗串联支路来表示，谐波电压源等于谐波电流源与其支路阻抗的乘积，原支路阻抗值不变。

按系统电压源和各次谐波电压源分别单独作用，计算各支路的基波和各次谐波的电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数。

负荷支路为第1条支路到第m条支路，其中：线性负荷i条支路，非线性负荷m-i条支路。先计算系统电压源单独作用在各负荷支路产生基波电流Ii和基波阻抗(电阻Ri和电抗Xi)，根据计算公式计算出各负荷支路的基波功率的大小；利用负荷基波电流与监测点电压的相位关系，得到负荷基波功率的方向。再计算各次谐波源单独作用在各负荷支路产生谐波电流Ii(k)和谐波阻抗(电阻Ri(k)和电抗Xi(k))，根据计算公式计算出各支路负荷的k次谐波功率的大小；利用负荷k次谐波电流与监测点电压的相位关系，得到负荷k次谐波功率的方向。当支路谐波功率小于零时，该支路为谐波源支路。

因此，1、可以采用电能计量系统识别供用电系统谐波源，无需另建数据采集系统；2、计算和分析谐波源对供用电系统产生的附加功率损耗；3、谐波源识别模型简单、实用和易推广。

附图说明

图1为本实用新型线性负荷和非线性负荷混合网络谐波源识别模型示意图。

图2本实用新型线性负荷和非线性负荷混合网络谐波源识别模型变换谐波源示意图。

图3是本实用新型谐波源单独作用电路示意图。

图4是本实用新型电压源单独作用电路示意图。

图5是本实用新型线性负荷和非线性负荷网络模型简化示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实用新型提供一种线性负荷和非线性负荷混合网络谐波源识别模型，包括系统电压源u_s和系统内阻抗Z_s串联支路、线性负荷阻抗支路和非线性负荷谐波电流源与非线性负荷等效阻抗并联支路构成的按系统支路、线性负荷支路和非线性支路顺序并联的供用电系统谐波源识别模型。

线性负荷用支路阻抗表示,并且线性支路为第1条支路到第i条支路；将非线性负荷用谐波电流源和支路阻抗的并联来表示,并且，非线性负荷支路为第i+1条支路到第m条支路。因此，线性负荷支路和非线性负荷支路共同组成m条支路，系统电压源和系统阻抗支路向线性负荷支路和非线性负荷支路供电。非线性负荷支路的谐波电流源可以通过电流检测和傅里叶分解获得，它对于各次谐波电流之和；线性和非线性负荷支路的支路阻抗可以通过检测的负荷电压和负荷电流计算获得，负荷支路的基波支路阻抗对于基波电压与基波电流的比值；负荷支路的某次谐波支路阻抗对于该次谐波电压与该次谐波电流的比值。

非线性负荷将谐波电流源和支路阻抗并联支路可以变换为谐波电压源和支路阻抗串联支路来表示，谐波电压源等于谐波电流源与其支路阻抗的乘积，原支路阻抗值不变。

按系统电压源和各次谐波电压源分别单独作用，计算各支路的基波和各次谐波的电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数。

负荷支路为第1条支路到第m条支路，其中：线性负荷i条支路，非线性负荷m-i条支路。先计算系统电压源单独作用在各负荷支路产生基波电流Ii和基波阻抗(电阻Ri和电抗Xi)，根据计算公式计算出各负荷支路的基波功率的大小；利用负荷基波电流与监测点电压的相位关系，得到负荷基波功率的方向。再计算各次谐波源单独作用在各负荷支路产生谐波电流Ii(k)和谐波阻抗(电阻Ri(k)和电抗Xi(k))，根据计算公式计算出各支路负荷的k次谐波功率的大小；利用负荷k次谐波电流与监测点电压的相位关系，得到负荷k次谐波功率的方向。当支路谐波功率小于零时，该支路为谐波源支路。

如图1所示，本实用新型线性负荷和非线性负荷混合网络等效模型示意图，由系统电压源为网络模型提供基波电能。其中,将线性负荷用支路阻抗表示,并且线性支路为第1条支路到第i条支路；将非线性负荷用谐波电流源和支路阻抗的并联来表示,并且，非线性负荷支路为第i+1条支路到第m条支路。因此，线性负荷支路和非线性负荷支路共同组成m条支路，系统电压源和系统阻抗支路向线性负荷支路和非线性负荷支路供电。非线性负荷支路的谐波电流源可以通过电流检测和傅里叶分解获得，它对于各次谐波电流之和；线性和非线性负荷支路的支路阻抗可以通过检测的负荷电压和负荷电流计算获得，负荷支路的基波支路阻抗对于基波电压与基波电流的比值；负荷支路的某次谐波支路阻抗对于该次谐波电压与该次谐波电流的比值。

图2所示，非线性负荷将谐波电流源和支路阻抗并联支路变换为谐波电压源和支路阻抗串联支路来表示，谐波电压源等于谐波电流源与其支路阻抗的乘积。

图3所示，将图2电路中谐波源单独作用时提取出来，非线性负荷支路为第i+1条支路到第m条支路,共m-i条非线性支路上的k次谐波源共同作用,在电网中产生k次谐波电流,再根据计算公式即可计算出各支路负荷的k次谐波功率的大小；利用负荷k次谐波电流与监测点电压的相位关系，得到负荷k次谐波功率的方向。

图4所示，将图2电路中系统电压源单独作用时提取出来，负荷支路为第1条支路到第m条支路，共m条支路。系统电压源在电网中产生基波电流，再根据计算公式即可计算出各负荷支路的基波功率的大小；利用负荷基波电流与监测点电压的相位关系，得到负荷基波功率的方向。

图5所示，将线性负荷和非线性负荷的电路网络模型进行简化，其中u_s＝100cos(2πft-90°)，f＝50Hz，ω₀＝2πf，Z₁＝0.5Ω，Z₂＝10Ω，Z₃＝15Ω，R₄＝1Ω，L＝0.01H。将U_s的一个周期内进行12倍基波频率的采样,则最高谐波次数为5次。通过快速傅里叶变换,参考电压u_ab为:

u_ab＝7.53+80.44cos(ω₀t-89.4°)+5.32cos(2ω₀t-15.5°)+0.62cos(3ω₀t-176°)+1.13cos(4ω₀t-14.3°)+0.61cos(5ω₀t-164°)；

流经Z₁支路的电流为：

i_Z1＝15.06+39.2cos(ω₀t-89.4°)+10.63cos(2ω₀t-15.5°)+1.24cos(3ω₀t-176°)+2.25cos(4ω₀t-14.3°)+1.23cos(5ω₀t-164°)；

流经Z₂支路的电流为：

i_Z2＝0.75+8.04cos(ω₀t-89.4°)+0.53cos(2ω₀t-15.5°)+0.06cos(3ω₀t-176°)+0.11cos(4ω₀t-14.3°)+0.06cos(5ω₀t-164°)；

流经Z₃支路的电流为：

i_Z3＝0.5+5.36cos(ω₀t-89.4°)+0.35cos(2ω₀t-15.5°)+0.04cos(3ω₀t-176°)+0.08cos(4ω₀t-14.3°)+0.04cos(5ω₀t-164°)；流经Z₄支路的电流为：

i_Z4＝16.31+25.85cos(ω₀t-95.7°)+11.52cos(2ω₀t+164.5°)+1.34cos(3ω₀t+4°)+2.44cos(4ω₀t+165.7°)+1.33cos(5ω₀t+16°)。对比，流经Z₁，Z₂，Z₃，Z₄所在支路电流与参考电压u_ab，可以看出，在基波下，u_ab相位与流经Z₁的电流相位之差则为电阻负荷，高次谐波下，则相位同相，说明Z₁为线性电阻负荷；在基波和高次谐波下，u_ab相位与流经Z₂和Z₃的电流相位之差为零，则相位同相，说明Z₂和Z₃均为线性电阻负荷；在基波下，u_ab相位与流经Z₄的电流相位之差为6.3°∈(-90°,-90°)，则为感性负荷，在高次谐波下，u_ab相位与流经Z₄的电流相位之差为-180°∈[-180°,-90°]∪[90°,180°]，相位均反相，说明Z₄为非线性负荷，即谐波源。

根据功率平衡的原则，来验证谐波源识别的正确性，根据功率计算式：其中,u₀,i₀为谐波源导致产生的直流分量，U_k，I_k为k次谐波有效值。则

P_Z1＝113.36+384.21+28.25+0.39+1.27+0.38＝527.85(W)；P_Z2＝5.67+323.56+1.41+0.02+0.06+0.02＝330.74(W)；P_Z3＝3.78+215.7+0.94+0.01+0.04+0.01＝220.5(W)；P_Z4＝-122.81+1033.02-30.6-0.42-1.37-0.41＝

877.41(W)。所有负荷和电网电源消耗的各次对应谐波功率之和为0，同时，消耗的基波功率之和也为0，并且，可以看出Z₁，Z₂，Z₃所消耗的有功功率均为正值，所以Z₁，Z₂，Z₃均为线性负荷；而Z₄除基波下所消耗的有功功率为正，在高次谐波下，吸收的有功功率均为负。所以说明利用功率平衡的验证是正确的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。