CN103023032B - 配电网电能质量研究仿真装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配电网电能质量研究仿真装置，包括：三相固定谐波源、可变谐波无功源，所述三相固定谐波源与所述可变谐波无功源并联；所述三相固定谐波源用于提供实际电力配电网中的主要次谐波；所述可变谐波无功源用于提供任意次谐波与无功电流的叠加。本发明的配电网电能质量研究仿真装置，将传统的有源滤波器用可变谐波无功源代替，该可变谐波无功源可以提供任意次谐波与无功电流的叠加，通过本发明的装置能够模拟现实中可能出现的谐波与无功的情况，从而获得数据和处理这类问题的经验，并为实际工作中解决问题做好准备，保证了电力系统的供电质量。

Description

配电网电能质量研究仿真装置

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种配电网电能质量研究仿真装置。

背景技术

近三十年来，随着现代工业技术的发展，电力电子装置日益广泛应用于电力系统，在被日益广泛应用的各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，逆变器、直流斩波器等所需的直流电源主要来自整流电路，常用的晶闸管相控整流电路或二极管整流电路都是严重的谐波源。计算机、彩色电视、各种办公设备和其他家用电器的普及也会造成谐波污染。上述电气设备的单台容量虽然很小，但数量却极为庞大，其内部大都含有开关电源，各类开关电源、变频器的用量越来越多，加上荧光灯产生的谐波，使电源的谐波污染日益突出，谐波电压和谐波电流引起电源波形的严重畸变，影响到对电力用户的供电质量。由于这些负荷具有的非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压和电流不再为正弦波，而是畸变为含有各次谐波的电压和电流，还会造成电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等。在低压电容器无功补偿装置上还可能由于谐波的放大，产生并联电容器的损坏或谐振事故，因此对低压电网的谐波治理和无功补偿装置的改进是当前电力系统中亟待解决的重要课题。

在电力系统的实际运行中，可能会出现各种关于谐波治理和无功补偿的问题，若是等到实际问题出现后才想办法处理，将会影响电力系统的供电质量，甚至对用户造成影响。

发明内容

基于此，有必要针对上述在谐波治理和无功补偿时影响电力系统的供电质量的问题，提供一种配电网电能质量研究仿真装置。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种配电网电能质量研究仿真装置，包括：三相固定谐波源、可变谐波无功源，所述三相固定谐波源与所述可变谐波无功源并联；

所述三相固定谐波源用于提供实际电力配电网中的主要次谐波；

所述可变谐波无功源用于提供任意次谐波与无功电流的叠加。

由以上方案可以看出，本发明的配电网电能质量研究仿真装置，将传统的有源滤波器用可变谐波无功源代替，该可变谐波无功源可以提供任意次谐波与无功电流的叠加，这样一来就可以通过调节装置所发出无功电流大小或谐波大小来改变实验系统的谐波-无功含有量，从而达到通过调节得到不同谐波-无功含有量的效果，而不是只能从负载侧得到单一的谐波电流。通过本发明的装置能够模拟现实中可能出现的谐波与无功的情况，从而获得数据和处理这类问题的经验，并为实际工作中解决问题做好准备，有力保证了电力系统的供电质量。

附图说明

图1为本发明实施例中一种配电网电能质量研究仿真装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中三相固定谐波源的电气接线图；

图3为本发明实施例中可变谐波无功源的结构示意图；

图4为传统有源滤波器控制框图；

图5为本发明实施例中可变谐波无功源控制框图；

图6为本发明实施例中采用典型瞬时无功理论的ip-iq补偿算法进行计算的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述。

为了模拟现实中可能出现的谐波与无功的情况，从而对低压电网的谐波治理和无功补偿的改进总结经验，本发明实施例中搭建了一个谐波与无功研究平台，这个平台能够发出各种谐波和无功电流。参见图1所示，一种配电网电能质量研究仿真装置，包括：三相固定谐波源、可变谐波无功源，所述三相固定谐波源与所述可变谐波无功源并联；

所述三相固定谐波源用于提供实际电力配电网中常见的主要次谐波；

所述可变谐波无功源用于提供任意次谐波与无功电流的叠加。

作为一个较好的实施例，所述三相固定谐波源还可以用于提供必要的有功支撑，使得功率因数在可控范围内。

参见图2所示，作为一个较好的实施例，所述三相固定谐波源可以包括：三相全波整流桥、若干个空气开关、与所述空气开关的数目相对应的若干个电阻。所述三相全波整流桥可以为系统提供用功支撑和固定次数的谐波。整流桥的阳极和阴极相连为一个桥臂，三个桥臂构成所述三相全波整流桥，其中阴极对应的是三相全波整流桥的正极，阳极对应的是所述三相全波整流桥的负极，合上任意一个空气开关使得正负极通过一个电阻即可形成全波整流的通路，交流电流通过二极管整流变成脉动直流从而产生相应的有功消耗和谐波。通过改变投入开气开关的数量可以改变系统中的谐波电流含有率。

另外，作为一个较好的实施例，所述三相固定谐波源所提供的主要次谐波可以包括：5、7、11次等。

作为一个较好的实施例，所述可变谐波无功源还可以用于单独控制每次谐波的幅值大小与相位，以及控制谐波与无功电流瞬时发出与停止，从而更加逼真的模仿现实环境。

参见图3所示，作为一个较好的实施例，所述可变谐波无功源可以包括：信号调理、保护和模数转换单元、DSP（DigitalSignalProcessing，数字信号处理)、人机交互界面；所述信号调理、保护和模数转换单元、人机交互界面分别与所述DSP相连接。本发明实施例中的可变谐波无功源包含三个交流电压输出通道、三个交流电流输出通道、一个直流电压输入通道，输入的信号经过信号的调理、保护后进入AD转换器，DSP与AD转换器采用的是总线连接，可以直接读取AD转换的值，然后输出PWM输出信号给三相IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅极型功率管）桥臂和人机交互界面进行显示。

本发明实施例中用可变谐波无功源来代替传统的有源滤波器（ActivePowerFilter）。如图4所示，传统的有源滤波器是在负载侧进行电流采样、谐波电流检测，然后经过补偿电流计算并经IBGT主电路发出一个大小相等方向相反的谐波电流从而抵消由非线性负载带来的谐波电流，使得谐波电流无法流向系统侧。而本发明实施例中通过人机交互界面设定一个虚拟的含有谐波-无功的负载电流，经过补偿电流计算后进入IGBT主电路发出补偿电流，此时现实系统的负载侧无谐波电流，但对于整个实验平台来说，此可变谐波无功源相当于负载，其通过虚拟负载谐波电流检测发出的补偿电流对系统来说则是真实的谐波电流。操作人员通过本发明实施例中的人机交互界面可以设置装置所发出无功电流大小或谐波大小，从而改变实验系统的谐波-无功含有量，其控制框图如图5所示。需要说明的是，本发明实施例中的可变谐波无功源与传统有源滤波器一样，具有响应时间快、自身功耗小等特点。

作为一个较好的实施例，所述可变谐波无功源的控制核心DSP可以采用TI公司生产的28335型DSP。

从前面的描述可知本发明实施例中所搭建的谐波-无功研究平台（即配电网电能质量研究仿真装置）中可以通过虚拟负载谐波电流检测发出补偿电流，所以如何利用虚拟谐波-无功计算算法来得出补偿电流就是我们所要解决的问题。作为整个平台搭建的重要部分，本发明实施例中具体的虚拟谐波-无功计算算法如下：

1)、采集三相线电压的瞬时值U，用在系统电压表达式中。

2)、通过三相锁相环计算出相位θ，用在系统电压表达式中。

3）、根据所述瞬时值、相位计算虚拟系统电压。本发明实施例中建立的虚拟系统电压表达式如下：

U_A＝Usin(θ)

$U_B=U\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$U_C=U\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(1\right)$

式中，U_A、U_B、U_C是虚拟系统电压。

4)、计算虚拟无功电流。可以建立如下的虚拟无功电流表达式（其中I_F的值由人机交互界面设置，其大小代表无功电流的大小：

$I_A=I_F\sin (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

$I_B=I_F\sin (\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{6})$

式中，I_A、I_BI_C是虚拟无功电流。

5)、计算虚拟谐波电流。具体如下：建立虚拟谐波电流表达式，n=（2、3、4、7、<50）、I_h和由人机界面所设置，其值表示所要发出谐波的次数，I_h为谐波电流幅值，为谐波电流相对于基波电流的相位：

式中，I_a、I_b、I_c是虚拟谐波电流。

6）、计算虚拟谐波无功电流。根据上述步骤已求得虚拟无功电流表达式和虚拟谐波电流表达式，再由线性叠加原理，I_d=I_无功+I_谐波，所以其虚拟谐波无功电流I_d表达为公式为（2）+（3）：

式中，I₁、I₂、I₃表示虚拟谐波无功电流。

7）、在计算出虚拟谐波无功电流后，再经过典型有源滤波器的工作模式。由上述公式计算出的虚拟-无功电流为i_a、i_b和i_c，经过如图6所示的典型瞬时无功理论的ip-iq补偿算法进行的相关计算即可以得出补偿电流值If_a、If_b和If_c。

8)、根据计算得出的If_a、If_b和If_c，再经过DSP内部的PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）发生器生成相应占空比的PWM调制波，然后经过驱动电路给定IGBT主电路，使得装置向电网发送计算的虚拟补偿电流。

由于本发明实施例中采用了人机交互界面，因此实验人员可以通过该界面来设置无功电流I_F、谐波电流幅值I_h、谐波电流相对于基波电流的相位等，使得操作更加灵活和方便。

通过以上方案可以看出，本发明的配电网电能质量研究仿真装置，将传统的有源滤波器用可变谐波无功源代替，该可变谐波无功源可以提供任意次谐波与无功电流的叠加，这样一来就可以通过调节装置所发出无功电流大小或谐波大小来改变实验系统的谐波-无功含有量，从而达到通过调节得到不同谐波-无功含有量的效果，而不是只能从负载侧得到单一的谐波电流。通过本发明的装置能够模拟现实中可能出现的谐波与无功的情况，从而获得数据和处理这类问题的经验，并为实际工作中解决问题做好准备，有力保证了电力系统的供电质量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种配电网电能质量研究仿真装置，其特征在于，包括：三相固定谐波源、可变谐波无功源，所述三相固定谐波源与所述可变谐波无功源并联；

所述三相固定谐波源用于提供实际电力配电网中的主要次谐波；

所述可变谐波无功源用于提供任意次谐波与无功电流的叠加；

所述配电网电能质量研究仿真装置通过虚拟负载谐波电流检测发出虚拟补偿电流，并利用虚拟谐波-无功计算算法得出虚拟补偿电流，具体的虚拟谐波-无功计算算法如下：

1)、采集三相线电压的瞬时值U，用在虚拟系统电压表达式中；

2)、通过三相锁相环计算出相位θ，用在虚拟系统电压表达式中；

3)、根据所述瞬时值、相位计算虚拟系统电压，建立的虚拟系统电压表达式如下：

U_A＝Usin(θ)

$U_B=Usin(\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})$

$U_C=Usin(\mathrm{\&theta;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})$

式中，U_A、U_B、U_C是虚拟系统电压；

4)、计算虚拟无功电流，建立如下的虚拟无功电流表达式：

$I_A=I_{F}sin(\mathrm{\&theta;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})$

$I_B=I_{F}sin(\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6})$

$I_C=I_{F}sin(\mathrm{\&theta;}+\frac{7\mathrm{\&pi;}}{6})$

式中，I_A、I_B、I_C是虚拟无功电流；I_F的值由人机交互界面设置，其大小代表无功电流的大小；

5)、计算虚拟谐波电流，具体如下：建立虚拟谐波电流表达式，n、I_h和由人机界面所设置，n值表示所要发出谐波的次数，I_h为谐波电流幅值，为谐波电流相对于基波电流的相位：

式中，I_a、I_b、I_c是虚拟谐波电流；

6)、计算虚拟谐波无功电流，由线性叠加原理，I_d＝I_无功+I_谐波，虚拟谐波无功电流I_d表达公式为：

式中，I₁、I₂、I₃表示虚拟谐波无功电流；

7)、在计算出虚拟谐波无功电流后，经过典型瞬时无功理论的ip-iq补偿算法进行的相关计算即可以得出虚拟补偿电流值If_a、If_b和If_c；

8)、根据计算得出的If_a、If_b和If_c，再经过DSP内部的PWM发生器生成相应占空比的PWM调制波，然后经过驱动电路给定IGBT主电路，使得装置向电网发送计算的虚拟补偿电流。

2.根据权利要求1所述的配电网电能质量研究仿真装置，其特征在于，所述三相固定谐波源还用于提供有功支撑，使得功率因数在可控范围内。

3.根据权利要求1所述的配电网电能质量研究仿真装置，其特征在于，所述可变谐波无功源还用于控制每次谐波的幅值大小与相位，以及控制谐波与无功电流瞬时发出与停止。

4.根据权利要求3所述的配电网电能质量研究仿真装置，其特征在于，所述可变谐波无功源包括：信号调理、保护和模数转换单元、DSP、人机交互界面；所述信号调理、保护和模数转换单元、人机交互界面分别与所述DSP相连接。

5.根据权利要求4所述的配电网电能质量研究仿真装置，其特征在于，所述DSP采用28335型DSP。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的配电网电能质量研究仿真装置，其特征在于，所述主要次谐波包括：5、7、11次。