一種任意頻率下自適應(yīng)功率計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于電網(wǎng)電能計量技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種任意頻率下自適應(yīng)功率計算方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著各種節(jié)能電器W及類似快速充電站運(yùn)樣的脈沖電能負(fù)載的產(chǎn)生，電力系統(tǒng)參 數(shù)越來越復(fù)雜，給電能的準(zhǔn)確計量帶來一定困擾。在保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，通過調(diào)節(jié)有 功功率和無功功率得W實現(xiàn)控制策略，因此，在研究任意頻率下即非整數(shù)次諧波的功率測 量方法對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有重要的意義。
[0003]在實際電力系統(tǒng)電能計量時，通常需要把電壓信號或電流信號實時分解成基波分 量和多個頻率已知的諧波分量，并計算基波和各次諧波的幅值、相位，雖然取得了一些效 果，但同時也存在一定的不足之處，例如：
[0004]基于傅里葉變換的分析方法，離散傅里葉變換能分析出非整數(shù)次諧波，但由于計 算量過大，對硬件要求較高，快速傅里葉變換雖然降低了離散傅里葉變換的計算量，但是由 于存在柵欄效應(yīng)無法從混疊的頻譜中提取間諧波;基于小波變換的分析方法，由于不同小 波濾波器的分頻功能W及能量泄露差別等問題都尚不清楚，因此有必要提出一種方案來實 現(xiàn)電網(wǎng)在分布式電源和電力電子器件廣泛應(yīng)用的情況下，精確測量出電力系統(tǒng)負(fù)載端的交 流分量的有功功率和無功功率，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的控制策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了 一種任意頻率下自適應(yīng)功率計算方 法，保證了電網(wǎng)在分布式電源和電力電子器件廣泛應(yīng)用的情況下，實現(xiàn)電網(wǎng)電能的準(zhǔn)確計 量，精確測量出電力系統(tǒng)負(fù)載端的交流分量的有功功率和無功功率，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 提供有效的控制策略。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了W下技術(shù)措施：
[0007] -種任意頻率下自適應(yīng)功率計算方法，包括W下步驟：
[0008]S1、設(shè)定采樣周期為T，定時對電網(wǎng)負(fù)載端的電壓信號和電流信號進(jìn)行同步采樣， 得到同一時刻的電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)和電流采樣數(shù)據(jù)i(t);
[0009]S2、對電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)或電流采樣數(shù)據(jù)i(t)進(jìn)行工況匹配分析，獲得交流分量 個數(shù)N;
[0010]S3、采用改進(jìn)擴(kuò)展Prony方法擬合出N組交流參數(shù)分別為交流電壓ui、U2、…、UN、交 流電流il、i2、…、iN、W及頻率fl、f2、...、fN;
[00川S4、計算出每一個交流分量的有功功率Pi、P2、…、Pn和無功功率化、跑、…、輸。
[0012] 所述步驟S2具體包括：
[0013]a2:采用頻譜分析法處理所述電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)或電流采樣數(shù)據(jù)i(t)，獲得電壓 信號或電流信號的頻譜信息，從而得出所述電壓信號或電流信號的交流分量個數(shù)N;
[0014]b2:依據(jù)所述交流分量個數(shù)N，設(shè)定改進(jìn)擴(kuò)展Prony檢測模型的階數(shù)P，P=N。
[0015] 所述步驟S3具體包括：
[0016] a3:構(gòu)造擴(kuò)展階矩陣
[0017] 將所述電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)或電流采樣數(shù)據(jù)i(t)作為觀測數(shù)據(jù)序列x(n)和樣本函 數(shù)公式r(i，j)，構(gòu)造出擴(kuò)展階矩陣玄.：
[001 引
[0019] 其中，
>度，Pe和P分別為所述擴(kuò)展矩陣 忘的階數(shù)、W及有效秩，χΤ(η)表示求一維向量x(n)的轉(zhuǎn)置，N為交流分量的個數(shù)，并且0<i，
[0020]b3:對擴(kuò)展階矩陣夏求解特征多項式系數(shù) [0021 ]采用總體最小二乘估計方法求解法方程：
[0024]其中，aj為特征多項式系數(shù)，0<j<p;
[002引 C3:計算ΖΙ,Ζ2,…，z；p和?'(0)，鮮1).，,·.·.*.文卿-巧
[0026] 首先，利用b4中得到的系數(shù)曰1，曰2，一曲，求解特征多項式
的根，即可得到一組復(fù)指數(shù)Ζ?，Ζ2，···，Ζρ，所述Ζ?，Ζ2，···，Ζρ為特征多項式的Φ的根，令;1,7)表 示Χ(η)的估計值，再利用估計值興Η)的遞推差分方程式
逐個 計算出?(")，其中，η= 0，...，Ν-1，；(〇)二 4〇);
[0027] (13:計算131也，···^
[002引構(gòu)造方程組并代換成矩陣形式，可得：姑=i(") 、P
[0029]其中，
（2)
[0032] 公式(2)所示矩陣Z是一個N維的范德蒙矩陣，由于矩陣Z中的各個列均不相同，根 據(jù)范德蒙矩陣的性質(zhì)可知矩陣Z的各列線性獨立，即矩陣Z是一個列滿秩的矩陣，因此公式 (1 )采用最小二乘法求解的結(jié)果為知=尸Z"蛛!），其中，矩陣Z的共輛轉(zhuǎn)置矩陣；
[0033]e3:計算電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)或電流采樣數(shù)據(jù)i(t)的頻域信息
[0034] 在Zl，Z2，…，Zp和bl，b2，…，bp的計算結(jié)果基礎(chǔ)上，利用公式（3)可W依次計算出所 述觀測數(shù)據(jù)序列X(n)的各特征量包括幅值A(chǔ)m、相角δη、角頻率fm，
[003引
其中，m=l，2，...，p (3)
[0036]其中：T表示采樣時間間隔，31為圓周率，Re表示取復(fù)數(shù)的實部，Im表示取復(fù)數(shù)的虛 部；
[0037]所述電流采樣數(shù)據(jù)i(t)通過公式(3)處理后，輸出N組電流信號諧波分量的電流幅 值Ik，單位為A、電流相位恥，單位為rad、W及電流頻率fk，單位為化，所述電流幅值Ik、電流 相位恥、W及電流頻率fk滿足公式(4)
[0038]
(4)
[0039] 所述電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)通過公式(3)處理后，輸出N組電壓信號諧波分量的電壓幅 值化，單位為V、電壓相位戰(zhàn).，單位為rad、W及電壓頻率fk，單位為化，所述電壓幅值化、電壓 相位從、W及電壓頻率fk滿足公式巧）
[0040]
(5)。[0041] 所述步驟S4具體包括：
[0042] a4:依據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)有功功率P的功率計算公式為
計算出各個交流分量的有功功率Pi、P2、…、Pn，其中，0k為電壓相位和電流相位差，且 句=巧,-階，0k單位為rad;Pi=UiIicos0i，Pi單位為W，Pi為基波有功功率；
Ph單位為W，Ph為所有諧波有功功率總和；
[0043]b4:依據(jù)IE邸標(biāo)準(zhǔn)無功功率Q的功率計算公式為
計算出各個交流分量的無功功率Qi、Q2、…、Qn，其中，0k為電壓相位和電流相位差，且 命二戰(zhàn)-約，9k單位為rad;Qi=UiIisin9i，Qi單位為var，Qi為基波無功功率；
，:Qh單位為var，Qh為所有諧波無功功率總和。
[0044]本發(fā)明的有益效果在于：
[004引1)、本發(fā)明公開了一種任意頻率下自適應(yīng)功率計算方法，該方法包括首先設(shè)定采 樣周期為T，定時對電網(wǎng)負(fù)載端的電壓信號和電流信號進(jìn)行同步采樣，得到同一時刻負(fù)載的 電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)和電流采樣數(shù)據(jù)i(t);然后對所述電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)或電流采樣數(shù)據(jù)i (t)進(jìn)行工況匹配分析，獲得交流分量個數(shù)N;最后改進(jìn)擴(kuò)展Prony方法擬合出N組交流分量 的交流電壓Ul、U2、···、UN、交流電流il、i2、…、iN、W及頻率fl、f2、···、fN，計算出每一個交流分 量的有功功率Pi、P2、…、化和無功功率化、Q2、…、Qn;本發(fā)明實現(xiàn)在電力系統(tǒng)復(fù)雜諧波情況 下，特別針對非整數(shù)次諧波或諧波含量復(fù)雜情況下，將電壓信號和電流信號實時分解為多 個頻率、幅值和相位已知的諧波分量，從而精確測量出電力系統(tǒng)負(fù)載端的交流分量的有功 功率和無功功率，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的控制策略，而且本方法執(zhí)行簡單、精確度 高、易于實現(xiàn)，可W廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)電能功率計量中。
【附圖說明】
[0046]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0047]圖2為本發(fā)明的負(fù)載二階電路圖。
【具體實施方式】
[0048]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0049]設(shè)定一個任意可變的電流信號：
[0050]
[0051] 如圖1所示，一種任意頻率下自適應(yīng)功率計算方法，包括W下步驟：
[0052]S1、設(shè)定采樣周期Τ= 0.001s，定時對圖2中輸入端的電壓信號和電流信號進(jìn)行同 步采樣，得到同一時刻負(fù)載的電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)，單位為V，電流采樣數(shù)據(jù)i(t)，單位為A;
[0053]S2、采用頻譜分析方法處理電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)或電流采樣數(shù)據(jù)i(t)，獲得電壓信 號或電流信號的頻譜信息，從而得到電壓信號或電流信號的交流分量個數(shù)為2,依據(jù)交流分 量個數(shù)設(shè)定擴(kuò)展Prony檢測模型的階數(shù)P= 2。
[0054]S3、采用改進(jìn)擴(kuò)展Prony方法擬合出交流電壓幅值ui、U2和相位約、02，交流電流幅 值ii、i2和相位化、恥，頻率f1、f2的具體操作步驟為：
[00巧]a3:構(gòu)造擴(kuò)展階矩陣
[0056] 將所述電壓采樣數(shù)據(jù)u(t)或電流采樣數(shù)據(jù)i(t)作為觀測數(shù)據(jù)序列x(n)和樣本函 數(shù)公式r(i，j)，構(gòu)造出擴(kuò)展階矩陣忘：
[0057]
[005引其中
皆6 >公，Pe和P分別為所述擴(kuò)展矩陣 忘的階數(shù)、W及有效秩