諧波諧振的s域模態分析法

張仁武，帥定新

（1.攀枝花學院交通與汽車工程學院，攀枝花 617000；2.攀枝花學院電氣信息工程學院，攀枝花 617000）

諧波諧振的s域模態分析法

張仁武1，帥定新2

（1.攀枝花學院交通與汽車工程學院，攀枝花 617000；2.攀枝花學院電氣信息工程學院，攀枝花 617000）

為了減少頻率掃描的計算時間，提高計算精度，提出了利用s域模態分析確定諧波諧振頻率的方法。通過牛頓-拉夫遜迭代法對電力系統在s域中傳遞函數極點的求解，可得到電力系統中諧振頻率及大小程度等信息。在每次迭代求解過程中，只需更新復頻率s值即能確定諧振的幅度等信息，不需要頻率掃描，從而節省計算時間并提高計算精度。測試系統分析表明，s域模態分析法對于諧波諧振的分析簡單有效，快速準確，是分析諧波諧振及諧振治理的有效工具。

諧波諧振；牛頓-拉夫遜迭代法；復頻率；測試；s域模態分析

隨著電力電子技術的快速發展，大量具有非線性特性的電力設備如電弧爐、電力機車、變頻設備等投入運行，電力系統中的諧波污染、諧振問題也隨之越來越嚴重。諧波諧振是電力系統諧波引起的危害之一，易造成因諧波過電壓引發的設備故障問題[1-2]。諧波諧振本質是由系統中的容性元件和感性元件之間頻繁的無功功率交換造成。

目前在工業電力系統，如風電系統、電氣化鐵道、煤礦電力系統等均發生諧波諧振現象[3-5]，但鮮有文獻能提出對該現象有效分析并治理的工具[6-9]。目前，研究諧波諧振的方法有3種：①頻譜分析，頻譜分析對驅動點阻抗進行頻率掃描可識別諧振存在及確定諧振頻率，但頻譜分析不能提供更多有效的諧振信息[10]；②模態分析，模態分析可識別諧振存在并確定諧振頻率，進而準確定位出諧波諧振區域、元件敏感度等[11-12]，在電力系統中得到廣泛應用；③s域模態分析，s域模態分析不僅能得到全面的諧波諧振信息，而且計算精度與計算時間都優于模態分析。

然而，頻譜分析和模態分析均需對頻率進行掃描，理論上來說當頻率精度提高時，將成倍增加計算量。對于模態分析而言，每次需對節點導納矩陣進行更新及特征值求解，嚴重限制了模態分析在分析大型電力網絡及頻率精度高等場景的應用。節點導納矩陣在s域中計算時，不需要對每個頻率點進行掃描，只需對趨于奇異性的節點導納矩陣進行迭代計算，求解諧振頻率精度高、計算速度快。

因此，本文將s域分析法應用于電力系統的諧波諧振分析，通過建立s域下的系統節點導納矩陣，利用牛頓-拉夫遜N-R（Newton-Raphson）迭代法進行極點/零點的求取，從而確定系統的并聯/串聯諧振頻率及諧振幅度。

1 電力系統s域模型

1.1 s域的節點導納矩陣

對某個電力網絡，可建立關系式為

式中：Y（s）為電力系統的s域節點導納矩陣；x(s)為廣義狀態空間；u（s）為系統的輸入；y（s）為系統的輸出；B和C分別為與u（s）和x(s)維度匹配的系數矩陣。

為便于分析網絡對于某個節點注入電流量的響應，可通過式（1）和式（2），得到特定的單輸入單輸出系統的關系式

式中：b為行向量，其第j個元素為1，其余元素為0；c為行向量，其第i個元素為1，其余元素為0；uj表示系統在第j個節點的注入電流。當在系統的節點j注入電流時，可得節點i的輸出電壓，則輸入阻抗為

輸入阻抗Zij（s）代表節點i對節點j的互阻抗，其物理意義是節點i對節點j的影響。

1.2 s域模型以及關于s的導數

節點導納矩陣Y（s）是對電力系統的結構及參數特性的描述，電力系統中的元件可分為RLC元件、傳輸線路、變壓器等元件。

系統的大部分元件可等效為如圖1所示的RLC串聯或并聯的形式。通過在時域中的拉普拉斯變換，可得出電阻、電感、電容在s域中的模型。

圖1 RLC支路模型Fig.1 Model of RLC branch

串聯RLC支路以及并聯RLC支路的復頻域導納模型為

式（5）和式（6）關于s的一階導數分別為

對于分布參數傳輸線路模型而言，可等效為圖2的π模型線路，π模型的阻抗和導納分別為

式中：l為單位傳輸線路長度；γ為傳輸線路傳播常數；Yc為傳輸線路特征導納。Ys應被加入到Y（s）對角線元素中；而Yp的負值應被加入到Y（s）的非對角線元素中。傳輸線路的導納函數是關于單位傳輸線路長度l、傳輸線路傳播常數γ、傳輸線路特征導納Yc的函數。在單位長度下的傳輸線路傳播常數γ以及傳輸線路特征導納Yc分別為為單位長度的傳輸線路阻抗，Yu為單位長度的傳輸線路導納。

圖2 傳輸線路等效π模型Fig.2 Equivalent π model of transmission line

Ys、Yp中線路導納Yc關于s的一階導數為

2 電力系統傳遞函數極點計算

由定義可知系統的極點與系統輸入輸出無關。故令系統輸出yi=1，系統輸入uj=0，由式（3）得系統傳遞函數為

式中，G(s)為系統的二階傳遞函數。

將式（13）運用N-R迭代法進行迭代，可得

式中：λ為系統傳遞函數G（s）的極點；k為迭代次數；Δλ為λ的增量，即

將系統傳遞函數G（s）及其導數代入式（14）中，可得迭代增量Δλ為

通過式（1）、式（2）表示的簡單線性系統，可求出式（16）中的cTY-1與Y-1b分別為

將式（17）、式（18）代入式（16）中經運算，可得

式中：λj為已找到的極點；Rj為對應的留數（j為已找到極點的指數）。

若所求解的極點為重極點或者多重極點，則式（21）可表達為

需要注意到的是在N-R迭代法過程中，當Δλ小于某個給定誤差（如10-6）時，則停止迭代，否則更新λ，繼續迭代，直到滿足迭代精度要求為止。迭代初值的選取對迭代的快慢以及迭代的收斂有著重要的關系，根據文獻[13]提出的方法，可消除初值對迭代的影響。為消除已求出極點對迭代的影響，在每一次迭代過程中，可先將已求出的極點濾除，再繼續迭代求解，即

式中：m為多重極點個數，m＞1；Rm為傳遞函數的留數。

再通過式（16）～式（19）的計算，可以得出修正后的迭代增量Δλ為

傳遞函數的留數，根據定義，可得

將式（23）迭代求出的值代入式（24）中，有

化簡為

由式（23）可求出傳遞函數的留數，即諧振幅度為

3 算例驗證

3.1 三母線測試系統

圖3 三母線測試系統Fig.3 Three-bus test system

圖4 測試系統頻譜分析結果Fig.4 Spectrum analysis results of the test system

圖5 三母線測試系統模態阻抗Fig.5 Modal impedances of the three-bus test system

表1 測試系統模態分析結果Tab.1 Modal analysis results of the test system

對圖3的三母線測試系統分別使用文中所提到的3種方法進行諧波諧振分析。系統中的3條母線可被激勵產生或觀察到諧波諧振。通過對母線2注入1 p.u.的電流，得到如圖4的頻譜分析。雖然頻譜分析可得出測試系統的諧振頻率，但難以確定每條母線所對應的諧振頻率，也即無法定位具體諧振位置。對測試系統進行模態分析可得出圖5及表1，通過模態分析可知母線1的諧振頻率為51.8 p.u.，母線3的諧振頻率為9.8 p.u.。最后對測試系統進行s域模態分析，通過N-R迭代計算可得測試系統傳遞函數極點值，對極點值進行處理（虛數部分除以2π）可得測試系統諧振頻率及諧振位置，如表2所示。在N-R迭代求解極點計算過程中，極點所對應的留數也可一同求出，留數可以表征諧振幅度，這說明s域模態分析可確定更多的諧振信息。雖然模態分析可得出測試系統的諧振頻率和諧振位置，但由于模態分析需對頻率一一掃描，耗時較長，共耗時0.14 s，而s域模態分析共用時0.001 6 s，耗時明顯少于模態分析所用時間。測試系統只含有三母線，當分析多母線系統時，s域模態分析在計算時間上的優勢會更加明顯。

表2 三母線測試系統極點計算Tab.2 Calculation of poles in the three-bus test system

3.2 測試系統

為了驗證s域模態分析方法的性能，本文用如下的測試系統進行s域模態分析。圖6為一典型的工業電力系統，基本的網路結構和線路參數均摘自IEEE Standard 519—1992[14]。電力系統中每一個輸出負載都并聯了功率補償電容，而電容會引起諧波諧振。圖6所示的電力系統，可由文中前述的建模方法建立等效電路。

圖6 五母線測試系統Fig.6 Five-bus test system

系統采用工頻50 Hz，系統中各元件的參數在表3中給出，分別為變壓器T1等效電感和電阻，L1以及R1分別為輸出負載端的等效電感和電阻。

表3 測試系統參數Tab.3 Parameters of the test system

由模態分析法，可得出測試系統在頻率范圍1～250 Hz內有4個諧振峰值，如圖7所示，母線1的諧振頻率為143 p.u.，母線2的諧振頻率為16 p.u.，母線3的諧振頻率為65 p.u.，母線4的諧振頻率為172 p.u.。由s域模態分析，得出表4及圖8。圖8是由測試系統傳遞函數極點值畫出，通過圖8與圖7的對比，可得出s域模態分析得出的諧振頻率與模態分析得出的結果比例幾乎一致，圖8還可揭示出諧振幅度。模態分析所用時間為0.094 s，而s域共用時間為0.015 s，耗時明顯減少。

圖7 測試系統模態阻抗Fig.7 Modal impedances of the test system

表4 測試系統極點計算Tab.4 Calculation of poles in the test system

圖8 測試系統傳遞函數極點Fig.8 Poles of the test system’s transfer function

4 結 語

通過在s域對電力系統建立節點導納矩陣，計算傳遞函數極點求出電力系統的諧振頻率并與模態分析法進行對比。結果表明s域的求解方法不僅能夠揭示出電力系統諧振信息，并且計算時間明顯少于現有的其他方法，這是由于s域模態分析不需要對頻率掃描，而是直接對電力系統傳遞函數的極點進行迭代計算，從而得出電力系統的諧振頻率及幅度信息。s域模態分析可用于任何大小、任何拓撲的電力系統諧振分析，在分析多節點的電力系統時，計算時間會大幅度減少，s域模態分析是分析諧波諧振及諧振治理的有效工具。

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[14]IEEE STD 519—1992，IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electric power systems[S].

s-Domain Modal Analysis Method for Harmonic Resonance

ZHANG Renwu1，SHUAI Dingxin2
（1.School of Transportation and Automotive Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China；2.School of Electrical and Information Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China）

To reduce the calculation time and improve the calculation accuracy of frequency scanning，a method of determining the harmonic resonance frequency is proposed in this paper by usings-domain modal analysis.By using Newton-Raphson method to seek the poles of the power system’s transfer function ins-domain，the proposed method can obtain the resonance frequency and its magnitude of the power system.In each iteration of the solution process，only thesdata of complex frequency needs to be updated to determine the information of resonance（e.g.，amplitude）without scanning the frequency，which saves the calculation time and improves the calculation accuracy.The analysis of a test system shows thats-domain modal analysis is simple，effective，fast and accurate for harmonic resonance，indicating that it is an effective tool for the analysis of harmonic resonance and resonance control.

harmonic resonance；Newton-Raphson method；complex frequency；test；s-domain modal analysis

TM714

A

1003-8930（2017）10-0113-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.019

2016-01-20；

2017-08-02

張仁武（1965—），男，本科，副教授，研究方向為電力系統分析。Email：971903609@qq.com

帥定新（1979—），男，博士，副教授，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：31775897@qq.com