浙江电力 l4 ZHEJIANG ELECTRIC POWER 2014年第2期 谐波谐振的模态分析法及其应用 丘 凌 ,丘 扬 (1.国网浙江省电力公司经济技术研究院,杭州 310008; 2.国网浙江省电力公司杭州供电公司,杭州 310009) 摘要:通过计算与分析,论证了系统并联谐振频率与回路串联谐振频率完全相同。比较几种不同的 模态分析法并得出结论:基于节点导纳矩阵或基于节点阻抗矩阵的模态分析法适用于系统并联谐振分 析,且两种方法结果相同;基于回路阻抗矩阵的模态分析法适用于回路串联谐振分析,由于系统回路 串联谐振频率与并联谐振频率完全相同,因而与系统并联谐振分析结果相同,单一使用基于回路阻抗 矩阵的模态分析法并不能求得支路串联谐振频率:结合运用基于节点导纳矩阵的模态分析法和虚拟支 路法,可求得包括支路串联谐振频率在内的系统全部谐波谐振频率。论证了虚拟支路法对于支路串联 谐振分析的适用性 关键词:谐波谐振;模态分析;并联谐振;回路串联谐振;支路串联谐振 中图分类号:TM7l2 文献标志码:A 文章编号:1007一l881(2014)02—0014—04 Modal Analysis Method of Harmonic Resonance and the Application QIU Ling ,QIU Yang2 (1.State Grid Zhejiang Economy Research Institute,Hangzhou 3 10008,China; 2.State Grid Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou 3 10009,China) Abstract:Through calculation and analysis,the paper demonstrates that the parallel resonance ̄equency of the system is the same as the loop series resonance ̄equency.It is concluded by comparing several different modal analysis methods that modal analysis methods based on node admittance matrix or node impedance ma— trix are suitable for the analysis of parallel resonance,and the results of the two methods are the same.The modal analysis methods based on loop impedance matrix are suitable for the analysis of loop series resonance. Because parallel resonance ̄equency of the system is the same as loop series resonance ̄equency of the sys— tern,the results of harmonic resonance are the same as the analysis of parallel resonance.The modal analysis method using h)op impedance matrix only can not conclude branch series resonance ̄equency.In combination with modal analysis method and virtual branch based on node admittance matix,allr harmonic resonance fre- quencies including branch series resonance ̄equency can be concluded.The paper demonstrates that the virtue branch method can be applicable to tributary series resonance analysis. Key words:harmonic resonance;modal analysis;parallel resonance;loop series resonance;branch series r sonance 1概述 电力系统中大量使用的电力电子设备,如交 直流整流器、电气化机车、电弧炉等,在运行时 会产生高次谐波。这些设备在电力系统中的应用 不断增加,已成为系统中客观存在的高次谐波 源。构成电力系统的发电机、变压器、输电线路、 电抗器和电容器等均为感性元件或容性元件,其 参数及连接方式决定了系统的固有谐振频率。由 于系统固有谐振频率不同,对各次谐波的反应或 敏感程度也不相同,表现为谐波电压/电流的放 大或衰减.特别当系统中的某次谐波与系统的固 有谐振频率相同或接近时,会导致该次谐波严重 放大.即发生谐波谐振.可能危及系统运行安 全 由此可见,电力系统谐波谐振是由谐波源的 激励与系统的内在特性共同造成的。因此,治理 2014年第2期 浙江电力 15 电力系统的谐波问题,不仅要消除或减少系统中 的谐波源及其影响,还应防止系统固有频率与可 能的谐波源频率接近甚至重合的情况。由于发现 系统中的谐波源然后进行治理具有滞后性,因而 通过事前了解系统的谐波谐振频率并采取预防措 施应该是治理电力系统谐波问题更合理可行的途 径 因此.研究电力系统的谐波谐振频率具有理 论和实际意义。 计算系统谐波谐振频率的方法主要有解析 法、频谱分析法、模态分析法【 ]等,前两种方法 存在计算复杂、耗时长的问题,模态分析法由于 其高效方便的特点受到重视[ 】,通过灵敏度矩阵 和参与因子【6-8】等可为治理方案提供更多的信 息【9-10]。但单一使用模态分析法有其局限性,仅适 用于部分谐波谐振模式,不能得到全部谐波谐振 频率。在有些文献中,将谐波的谐振模式划分为 并联谐振和串联谐振,并认为必须分析回路阻抗 矩阵才能准确获得串联谐振频率及相关支路的信 息,但本文论证实际情况并非如此。文献[3]提出 1个改进的模态分析法,该方法结合使用基于回 路阻抗矩阵的模态分析法和虚拟支路法,可求得 包括串联谐振频率在内的全部谐波谐振频率,并 指出求解串联谐振问题必须使用回路阻抗矩阵的 结论。文献 ]算例中求得的3个串联谐振频率实 际上是与并联谐振频率完全相同的回路串联谐振 频率。实际上,基于回路阻抗矩阵的模态分析法 获得的是回路串联谐振频率.与基于导纳矩阵的 模态分析得到的并联谐振频率完全相同,因而使 用基于节点导纳矩阵的模态分析法和虚拟支路法 也可求得系统全部谐波谐振频率,且计算比基于 回路阻抗矩阵的方法更简化,适合实际应用。此 外,为准确理解和运用,对于虚拟支路法需要更 合理的解释。 2谐波谐振的模态分析法 系统节点电压电流方程为: YV=I, (1) 式中:l,为nxn节点导纳矩阵:n为系统节点数; =(V。,…, ) 和,=( …,厶) 分别为节点电 压和节点注人电流向量。 导纳矩阵可分解为: 1 ^ , (2) 式中: 和 分别为左、右特征向量矩阵,且 = ~:/1为对角特征值矩阵,如果导纳矩阵l,的n 个特征值各不相同,可得: I Al 0 … 0 /1:l【 0 Az…0 I (3) 0 0 … A J. 由式(1)和式(2)可得: =】,_ ,=r ^ ,=L人 ”, (4) 或表示为: 八 l,, (5) 式中: = 定义为模态电压向量, =( 。,…, ) ;t,=TI定义为模态电流向量,l,=(.,l,…, ) ; /1 可称为模态阻抗矩阵。 当电网发生节点并联谐波谐振时,某些节点 的注入电流将产生很高的节点电压。由式(3)和 式(5)可知,如果A 等于0或很小,则很小的模 态电流 可能导致很大的模态电压 。因此,可 由A 等于或接近零判断并联谐振状态。实际应用 时,可通过扫描发现特征值的符号改变来判断谐 振点所在区间。为减少计算量,可先选择较大的 扫描步长,然后不断在缩小的区间内使用较小的 扫描步长,以获得足够的精度。由于导纳矩阵与 阻抗矩阵的互逆关系,其特征值互为倒数,因此 基于阻抗矩阵的模态分析法只能得到相同的结 果,差别在于是以l 等于或接近零判断谐波的 并联谐振状态。 对于如图l所示的3节点系统[ ,运用基于 节点导纳矩阵的模态分析方法可求得3个并联谐 振频率(或回路串联谐振频率)。在一些文献中, 认为其余的谐波谐振为串联谐振,需通过基于回 路阻抗矩阵的模态分析法求得谐振频率。但实际 上.基于回路阻抗矩阵的模态分析法仅能获得回 路串联谐振频率。与基于导纳矩阵的模态分析法 得到的并联谐振频率完全相同,单一使用基于回 路阻抗矩阵的模态分析法并不能求得支路串联谐 振频率。为求取其余的串联谐波谐振频率,文献 [3]提出的虚拟支路法是行之有效的,本文对此给 出如下解释 为便于说明。先忽略各支路阻抗的电阻分 量。将节点i的连接支路等值为接地支路XA,当 节点i的连接支路发生并联谐振,则鳓 ∞;当 节点i的连接支路发生串联谐振,则XA=O。为模 l6 丘凌,等:谐波谐振的模态分析法及其应用 2014年第2期 AC 图1 3节点系统接线 拟支路串联谐振条件XA=0,可以通过与 并联 一短接支路。在节点i上并联支路阻抗 可得: =监. (6) XA+XI 当节点i发生并联谐振,须满足XA+虢=0,即 为 与 构成回路串联谐振,可见筏与XA发生 并联谐振即等同于鼍与 构成回路串联谐振, 这也印证了并联谐振与回路串联谐振的一致性。 运用模态分析法可求得此接线下的并联谐振频率 (回路串联谐振频率),在谐振状态下须满足XA+X =0,即: XA=一 . (7) 如果并联支路电抗 足够小,式(7)近似等 于支路串联谐振条件XA=0。由此可知,通过与柏 并联短接支路可以实现支路串联谐振频率计算, 此短接支路即为文献[3】提出的虚拟支路。 如果计及支路阻抗的电阻分量,支路串联谐 振条件可表示为Im( )=0(Im( )表示阻抗 的 虚部),由于系统中各支路阻抗的电阻分量一般 小于电抗分量。故可近似以ZA=0作为支路串联 谐振条件。类似地,通过支路z 与 并联, 阻 抗足够小.运用模态分析法求得此接线下的并联 谐振频率(回路串联谐振频率),即近似等于支路 的串联谐振频率。 综上所述,运用基于节点导纳矩阵的模态分 析法和虚拟支路法,通过频率扫描可求得系统全 部谐波谐振频率,且无须使用基于回路阻抗矩阵 的分析方法,计算得以简化,更适合实际应用。 由于导纳矩阵l,的元素为复数,谐波谐振的模态 分析涉及求取复系数矩阵的特征值和特征向量, 可利用标准计算机程序求得。 3与谐波谐振的解析法结果比较 以图1所示的3节点系统为例。图中,各阻 抗值均为对应于基波的阻抗值, =0.02+jo.3Q. ZI2 ̄O.08+jo.3Q,砀=jo.25Q,b10=jo.O15f ̄~,620= jo.O15f ̄一,6 0.07Q~。可列出系统的谐振方程并 求得谐振频率,为便于计算,在谐振方程中忽略 了各支路阻抗的电阻分量。 并联谐振方程如下: 1/{(x1o/h)//x 1 h//{Xl2 +( ∞/ )// 23 +( 3o/^)]}】 =0,可求得谐振频率h为3.837 4,16.507 0和 26.519 2; 1/{( 加/h)// ̄ 2 +( 10/h)//x l h]//[x ̄ +( 30/h)]) =O.可求得谐振频率h为3.837 4,16.507 0和 26.519 2; l/{(戈30/h)// 23 +( 2o/h)//(x 2 +(XIO/h)/ 。h)]} =0,可求得谐振频率h为3.837 4,16.507 0和 26.519 2。 回路串联谐振方程如下: (XIO/h)+x l h//{x12 +( 加/h)//[ 23 +( 30/ )】}=0, 可求得谐振频率h为3.837 4.16.507 0和26.5l9 2: l +( 1o/h)//{x12 +( ∞/h)l/Ix23 +( 3o/h)】}=0, 可求得谐振频率h为3.837 4,16.507 0和26_519 2: ( l0/ ) l + l2 +( 加/h)//I 23 +( 3o/h)]=0,可 求得谐振频率h为3.837 4,16.507 0和26.5l9 2: ( 2。/ )+ I2 +( 10/h)/ ̄ l 】,/【 23 +( 30/h)1=o, 可求得谐振频率h为3.837 4,16.507 0和26.5l9 2: ( 30/h)+ 23 +( 20/h)// l2 +( lo/h) l 】=0, 可求得谐振频率h为3.837 4,16.507 0和26.5l9 2。 支路串联谐振方程如下: 。 ^+( 2o/h)l/Ix23 +( 3o/^)1=O,可求得谐振 频率h为4.933 6和22.840 6: 】2h+( 。o/h)//x J h,可求得谐振频率h为 21.081 9; 23 ( 30/h)=O,可求得谐振频率h为7.559 3; 23 +( 20/h)//[x12^+( 。/h)/ ̄ l ]=O,可求得谐 振频率h为15.599 2和26.267 8。 在上述公式中,符号“//”表示支路并联运算: l2, 23分别表示 1, 23的电抗分量, lo= 一1/bl0, 2o=一1/b加, 30=一1/b30;h表示谐振频率,单 位为标幺值(p.u.)。根据计算结果,并联谐振频率 与回路串联谐振频率完全相同,原因很简单,l大J 为两端相连的并联阻抗 。与 :也可以看作是头 尾相连构成的串联回路。[大1此,将谐振模式简单 地定义为并联谐振和串联谐振并不严谨,应该区 2014年第2期 浙江电力 17 分回路串联谐振和支路串联谐振。 运用基于导纳矩阵的模态分析法对上述系 统进行计算(为与解析结果比较,忽略了各支路阻 抗的电阻分量).可得到3个谐振频率。分别为 3.837 4.16.507 0和26.519 2。与解析结果完全 一致.可见基于导纳矩阵的模态分析法适用于并 联谐振(或回路串联谐振)分析。 4算例 对于图1所示的3节点系统.运用解析法、 频谱分析法和基于节点导纳矩阵的模态分析法, 谐波谐振评估计算结果示于表1,其中支路串联 谐振1—3分别为与节点1—3接入虚拟接地支路 后构成回路对应的支路。由于解析法、频谱分析 法为精确方法,其结果可作为标准答案。由表1 可见,如忽略支路阻抗的电阻分量,模态分析法 结果与解析法、频谱分析法完全一致:如计人支 路阻抗的电阻分量.模态分析法的误差也很小。 能满足实际应用要求。系统模态阻抗示于图2, 各曲线编号按其峰值出现顺序。其中曲线1,5, 9为系统模态阻抗曲线,其峰值对应于系统并联 谐振:曲线2,7为节点l虚拟接地时的模态阻 抗曲线,模拟节点l上接入谐波电压源时的系统 模态阻抗曲线,其峰值对应于相关支路(与虚拟接 地支路构成回路)的串联谐振:曲线3,6为节点2 虚拟接地时的模态阻抗曲线。模拟节点2上接人 谐波电压源时的系统模态阻抗曲线:曲线4,8 为节点3虚拟接地时的模态阻抗曲线.模拟节点 3上接人谐波电压源时的系统模态阻抗曲线。 表1 系统谐振频率及分类 不计支路阻抗电阻分量 计人支路阻抗电阻分量 谐振类型… ., .———— 解析法(频谱法) 模态法 频谱法 模态法 5 结论 基于节点导纳矩阵或基于节点阻抗矩阵的模 5o0 4oo 喜 o岛 o 200 l0O 1. O 从 人 0 5 10 15. 2O 25 3O 频率/p-u. 图2系统模态阻抗曲线 态分析法适用于系统并联谐振分析。实际应用 时,可通过扫描发现特征值的符号改变来判断谐 振点所在区间。由于导纳矩阵与阻抗矩阵的互逆 关系,其特征值互为倒数,因此两种方法的结果 相同。 系统谐波谐振可分为并联谐振和串联谐振. 串联谐振又可分为回路串联谐振与支路串联谐 振。基于回路阻抗矩阵的模态分析法适用于回路 串联谐振分析.由于系统回路串联谐振频率与并 联谐振频率完全相同.因而与系统并联谐振分析 结果相同.单一使用基于回路阻抗矩阵的模态分 析法并不能求得支路串联谐振频率。 结合运用基于节点导纳矩阵的模态分析法和 虚拟支路法。可以求得包括支路串联谐振频率在 内的系统全部谐波谐振频率,且计算比基于回路 阻抗矩阵的方法更简化和规范,适合实际应用。 参考文献: 【l j WILSUN XU.HUANG ZHENGYU,YU CUI.et a1.Ha卜 monic resonance mode analysis[J】.IEEE Transactions on Power Delevery,2005,20(2):1182-1190. 【2】 徐文远,张大海.基于模态分析的谐波谐振评估方法[J1 .中国电机工程学报。2005.25(22):89—93. 【3] 周辉,吴耀武,娄素华,等.基于模态分析和虚拟支路法 的串联谐波谐振分析[J】.中国电机工程学报,2007,27 (28):84—89. [4] 仰彩霞,刘开培,王东旭.基于回路模态分析法的串联 谐波谐振评估【JJ.高电压技术,2008,34(11):2459—2462. 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[2] JJF 1051-2009计量器具命名与分类编码技术规范[S]. 北京:中国标准出版社.2009. 3需要解决的问题 在系统实际应用中,大部分设备都已实现了 与系统的完美对接,其准确性和可靠性也得到了 验证。但部分仪表检定尚未实现微机化,受现有 标准器具和计量器具的限制。各部门和单位正在 积极开发对应的自动检定设备和软件。以减少人 工干预的影响。例如,2012年绍兴供电公司针对 指针式万用表,已研制出通过图像识别实现全自 【3] 曹国昌,杨世元,窦仁鹏,等.基于ISO 10012的计量管 理信息系统设计[J].计量技术,2007(09):58—60. 【4】 蔡惠.CIMS环境下计量检测与信息管理集成系统的研 究[D].广东工业大学,2000. 【5】 刘殿英,王守存.建立有效的计量信息管理体系【J】.石 油工业技术监督,2003(9):30—31. 动检定的功能;2013年.绍兴供电公司针对直流 单臂电桥,开始研制通过数字微伏计替代传统检 流计,实现智能检定等等。以上都是本系统未来 需进一步发展的目标和方向。 [6】 盛胜利.计量器具的检定校准与网络化管理系统【J].计 量技术,2008(10):60—62. 4 结语 计量技术监督和设备管理系统根据国家电网 公司三集五大的管理要求,紧密结合计量技术监 督与设备管理的现状,针对目前测量设备管理职 、 一收稿日期:2013—07-17 作者简介:顾 果(1969一),男,浙江宁波人,高级技师,从 事电测计量技术和设备管理工作。 (本文编辑:龚皓) 套一垒一吏一炱一女一奠一奠一寞一套 一受一受一受一受—受一奥一 夹一爽一史一受一女, 一 一寞一橐一套一寞一女一囊 寞 寞 受一女一受一受一受一受一寞一 一 一 一 , (上接第17页) C.Selective model analysis with application to electric 中滤波器配置【J].现代电力,2008,25(2):42—46. 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