一種電網(wǎng)電壓畸變不對(duì)稱狀態(tài)下電流各分量有功成分和無功成分的檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的評(píng)估和檢測領(lǐng)域，具體涉及一種電網(wǎng)電壓畸變 不對(duì)稱狀態(tài)下電流各分量有功成分和無功成分的檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電力需求的突飛猛進(jìn)，電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的非線性負(fù)荷， 非線性負(fù)荷的負(fù)載電流（除正序基波成分之外還包括正序諧波、負(fù)序基波、以及負(fù)序諧波， 在三相四線制電力系統(tǒng)中，還可能存在零序電流）流入電網(wǎng)，在電網(wǎng)阻抗上形成工頻正弦 的電網(wǎng)電壓降，使得電網(wǎng)端電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變和不對(duì)稱，給電力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的其他用 戶造成了嚴(yán)重的影響。
[0003] 在對(duì)負(fù)載電流的負(fù)序基波、正序諧波及負(fù)序諧波進(jìn)行評(píng)估和治理之前，需要對(duì)其 進(jìn)行精確檢測，常見的檢測算法中，通常不進(jìn)行有功成分和無功成分的細(xì)分，但是諧波的有 功功率和無功功率是客觀存在的，且對(duì)電網(wǎng)的影響也是不同的。
[0004] 比如在估算諧波網(wǎng)損的時(shí)候，單純利用電流畸變率估計(jì)諧波網(wǎng)損通常不能滿足 需要，如果將負(fù)載電流的負(fù)序基波、正序諧波以及負(fù)序諧波各分量進(jìn)一步細(xì)分為有功成分 (對(duì)應(yīng)有功分量）和無功成分（對(duì)應(yīng)無功分量），可以增加諧波網(wǎng)損的計(jì)算精度。
[0005] 再比如，鄒文學(xué)在《電網(wǎng)諧波有功分量的分析與處理》一文中指出諧波的有功分量 流入負(fù)載時(shí)是負(fù)載所必須的，無需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，因此有源濾波器等電能質(zhì)量治理設(shè)備對(duì) 流入負(fù)載的諧波有功分量不進(jìn)行治理，大大降低有源濾波器的補(bǔ)償容量。由此可見，對(duì)諧波 的有功成分和無功成分進(jìn)行精確提取是很有必要的。
[0006] 常見的檢測算法無法實(shí)現(xiàn)諧波的有功成分和無功成分的精確提取，如圖3所示， 以電流正序k次諧波為例，根據(jù)瞬時(shí)功率理論，電流正序k次諧波矢量在電網(wǎng)電壓正序k次 諧波矢量上的投影為電流正序k次諧波的有功成分，而電流正序k次諧波矢量在電網(wǎng)電壓 正序k次諧波矢量法向量上的投影為電流正序k次諧波的無功成分，因此，對(duì)電流正序k次 諧波的有功成分和無功成分的提取，需要精確計(jì)算電流正序k次諧波矢量與電網(wǎng)電壓正序 k次諧波矢量的夾角。
[0007] 但是，現(xiàn)有技術(shù)中，諧波檢測的常用算法為了降低計(jì)算復(fù)雜度通常忽略該夾角，在 廣義的dq坐標(biāo)系下通過對(duì)d軸和q軸的合成得到電流正序k次諧波，但此時(shí)的d軸并不為 電流正序k次諧波的有功分量，此時(shí)的d軸亦不為電流正序k次諧波的無功分量，由此可 見，在該合成過程中并不能進(jìn)行有功成分和無功成分的檢測，同理，現(xiàn)有技術(shù)亦不能對(duì)其它 各分量的有功成分和無功成分的精確提取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種電網(wǎng)電壓畸變不對(duì)稱狀態(tài)下電流各分量有功成分和無功成分 的檢測方法，可以應(yīng)用于三相三線制電力系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變不對(duì)稱時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) 負(fù)載電流正序基波分量、負(fù)序基波分量、正序任意次諧波分量、負(fù)序任意次諧波分量的有功 成分和無功成分的精確提取。為表述方便，下面以正序k次諧波表示正序基波（k= 1)或正 序任意次諧波（k多2)，以負(fù)序k次諧波表示負(fù)序基波（k= 1)或負(fù)序任意次諧波（k多2)。
[0009] 本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是：如圖3所示，根據(jù)電網(wǎng)電壓/電流投影理論和瞬時(shí)功率理 論，在dq坐標(biāo)系下，負(fù)載電流的正序（或負(fù)序）k次諧波分量矢量在電網(wǎng)電壓的正序（或負(fù) 序）k次諧波分量矢量上投影為其有功成分，在電網(wǎng)電壓的正序（或負(fù)序）k次諧波分量矢 量法向量上的投影為其無功成分。
[0010] 由于電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變且不對(duì)稱，常用的dq坐標(biāo)系，如圖3所示實(shí)線dq坐標(biāo)系， 記為坐標(biāo)系Ck+，在坐標(biāo)系Ck+中，d軸與電網(wǎng)電壓各分量矢量之間存在不同的夾角，因此直 接將負(fù)載電流在dq坐標(biāo)系Ck+下進(jìn)行提取時(shí)不精確的。
[0011] 為了精確計(jì)算負(fù)載電流正序（或負(fù)序）k次諧波矢量在電壓正序（或負(fù)序）k次諧 波矢量上的投影，重新構(gòu)建滿足d軸與電壓正序（或負(fù)序）k次諧波矢量重合的廣義dq坐 標(biāo)系，如圖3所示虛線坐標(biāo)系，并記為坐標(biāo)系CI+ (或C[_)在坐標(biāo)系C[+ (或C(_)中，由于 d軸與電壓正序（或負(fù)序）k次諧波矢量重合，負(fù)載電流正序（或負(fù)序）k次諧波矢量在d軸 上的投影即為在電壓正序（或負(fù)序）k次諧波矢量上的投影；負(fù)載電流正序（或負(fù)序）k次 諧波矢量在q軸上的投影即為在電壓正序（或負(fù)序）k次諧波矢量法向量上的投影。
[0012] 從圖3中可見，要構(gòu)建坐標(biāo)系(或:)，只需將坐標(biāo)系Ck+(或Ck)旋轉(zhuǎn)一定角 度，該角度恰好為坐標(biāo)系Ck+(或Ck )中d軸與電壓正序（或負(fù)序）k次諧波矢量的夾角，而 該夾角為電壓正序（或負(fù)序）k次諧波分量的初相位。
[0013] 因此，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，首先獲取電壓基波角頻率構(gòu)建廣義park變換矩陣 將電壓變換到坐標(biāo)系Ck+(或Ck)，計(jì)算電壓正序（或負(fù)序）各諧波分量的初相位，重新構(gòu)建 廣義park變換矩陣將負(fù)載電流變換到坐標(biāo)系C￡+ (或)，并在坐標(biāo)系(或)中 實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流各分量有功成分和無功成分的精確檢測。
[0014] 其中，上述的廣義park變換及其廣義park變換的反變換方程如下：
[0015]
(24)
[0016] 其中，fab。為三相電網(wǎng)電壓或電流，fdq為在dq坐標(biāo)系下的d軸成分和q軸成分，T 為三相電網(wǎng)電壓或電流變換到dq坐標(biāo)系下的變換矩陣，T'為dq坐標(biāo)系下的電氣量變換到 abc坐標(biāo)系下的變換矩陣。
[0017] -種電網(wǎng)電壓畸變不對(duì)稱狀態(tài)下電流各分量有功成分和無功成分的檢測方法，包 括以下步驟：
[0018] (1)由于電力系統(tǒng)中存在不平衡負(fù)載，負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓都可能三相不對(duì)稱，根 據(jù)對(duì)稱分量法的基本原理，可將電網(wǎng)電壓分為三個(gè)分量，即正序分量，負(fù)序分量，零序分量， 本發(fā)明基于的三相三線制系統(tǒng)不存在零序分量。
[0019] 由于系統(tǒng)中可能存在非線性負(fù)載，負(fù)載電流可能并非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，非正弦的 電流與系統(tǒng)阻抗形成非正弦的電網(wǎng)電壓降，即監(jiān)測點(diǎn)電網(wǎng)電壓亦為非正弦，根據(jù)傅里葉基 數(shù)理論，將負(fù)載電流劃分為若干諧波的疊加。
[0020] 記abc靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓uabc為：
[0021]
[0022] 式中，《為電網(wǎng)電壓基波的角頻率；
[0023] t為時(shí)間；
[0024] n多2時(shí)，n為電網(wǎng)電壓諧波含量中所包含的諧波次數(shù)，n= 1時(shí)為基波；
[0025] 冗為電網(wǎng)電壓正序n次諧波分量有效值；
[0026] :為電網(wǎng)電壓負(fù)序n次諧波分量有效值；
[0027] 尤，為電網(wǎng)電壓正序n次諧波分量的初相位；
[0028] '為電網(wǎng)電壓負(fù)序n次諧波分量的初相位。
[0029] 1-1-1、利用鎖相環(huán)（PLL)對(duì)三相電網(wǎng)電壓鎖相，得到基波的角頻率
[0030] 1-1-2、對(duì)于電壓正序k次諧波分量初相位的提取方法為：構(gòu)建旋轉(zhuǎn)頻率為k?的 廣義park變換矩陣，記對(duì)應(yīng)的廣義dq坐標(biāo)系為坐標(biāo)系Ck+，根據(jù)坐標(biāo)系Ck+的d軸和q軸角 度關(guān)系計(jì)算電網(wǎng)電壓正序k次諧波的初相位；利用基波角頻率分別經(jīng)廣義park變換變換 到廣義dq坐標(biāo)系Ck，根據(jù)坐標(biāo)系Ck的d軸和q軸關(guān)系計(jì)算電網(wǎng)電壓負(fù)序k次諧波的初相 位；
[0031] 下面詳述計(jì)算方法。
[0032] 1-1-1、為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓正序k次諧波矢量初相位的提取，構(gòu)建如下廣義park變 換： 「nrml
[0034] 將（25)式（abc靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓即）與（26)式（廣義park變換矩陣） 代入（24)式，得到坐標(biāo)系Ck+中得到d軸和q軸分量分別為ud，k+、uq，k+，如下所示：
[0035]
[0036] 由（27)式可見，當(dāng)n=k時(shí)，ud,k+、uq,k+均為直流；當(dāng)n乒k時(shí)，ud,k+、uq,k+均含有 正弦或余弦。因此經(jīng)低通濾波對(duì)直流進(jìn)行提取，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓正序k次諧波分量的精確 提取。
[0037] 1-1-2、將上（27)式中的1!0+、1!0+進(jìn)行低通濾波得到直流成分即為電網(wǎng)電壓正序 k次諧波的d軸成分和q軸成分，如下式：
[0038]
(28)
[0039] 由該式得到電網(wǎng)電壓正序k次諧波矢量初相位為：
[0040]
(29)
[0041] 1-2-1、為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓負(fù)序k次諧波矢量初相位的提取，構(gòu)建如下廣義park變 換：
[0042]
(30)
[0043] 將（25)式（abc靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓即）與（30)式（廣義park變換矩陣） 代入（24)式，得到坐標(biāo)系Ck中得到d軸和q軸分量分別為udiek、ivk，如下所示：
[0044] abc靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓，SP(25)式的uab。經(jīng)矩陣為（8)的廣義park變換 后，得到坐標(biāo)系Ck中的電網(wǎng)電壓Udik、Uq，k如下所示：
[0045]
(31)
[0046] 由該式可見，當(dāng)n=k時(shí)，ud,k、uq,k均為直流；當(dāng)n乒k時(shí)，ud,k、uq,k均包含正弦 和余弦成分，因此經(jīng)低通濾波對(duì)直流進(jìn)行提取，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓負(fù)序k次諧波分量的精確 提取
[0047] 1-2-2、將（31)的ud，k、uq，k進(jìn)行低通濾波得到直流成分即為電網(wǎng)電壓負(fù)序k次諧 波的d軸成分和q軸成分為：
[0048]
(32)
[0049] 由該式得到電網(wǎng)電壓負(fù)序k次諧波矢量初相位為：
[0050]
(33)
[0051] (2)重新構(gòu)建廣義park變換矩陣使新的dq坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)電壓正序k次諧 波矢量重合，得到坐標(biāo)系巧+，重新構(gòu)建的廣義park變換矩陣為：
[0052]
[0055] 2-2、步驟（2)中，重新構(gòu)建廣義park變換矩陣使新的dq坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)電 壓負(fù)序k次諧波矢量重合，得到坐標(biāo)系C[_s重新構(gòu)建的廣義park變換矩陣為：
[0056]
[0059] (3)將abc靜