CN103257269A - 基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法 - Google Patents

基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法，其特征是，包括步骤如下：1）对非线性负荷设备的实际电压、电流波形进行测试；2）根据实际电压波形产生基准电压波形；3）绘制实测电流特性曲线；4）采用分段方式对实测电流特性曲线进行多项式拟合；5）根据拟合结果编程实现谐波源模型输出控制；本发明模型结构简单，方法新颖独特，能够高精度地复现实际的电流波形。

Description

基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法
技术领域
本发明涉及谐波源建模方法，尤其涉及一种基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法，可应用于谐波源的仿真和谐波治理设备的设计。
背景技术
随着电力系统中各种非线性负荷设备的大量使用，这些非线性负荷设备对电网引起的谐波干扰也日益加剧。根据非线性负荷对电力网络中引入的电流、电压谐波类型，可以将其分为电流源型非线性负荷设备和电压源型非线性负荷设备，由于实际电力网络中的非线性负荷设备多为电流源型非线性负荷，因此为电力网络中的非线性负荷作为谐波电流源进行建模，可以对非线性负荷的谐波影响进行系统仿真研究，为谐波治理技术及措施提供仿真研究基础。
现有的电流源型非线性负荷建模主要有两种方法：
（1）根据负荷供电系统工作原理，搭建实际设备电路模型
该方法按照实际负荷设备供电电源的结构组成，采用电力电子元件搭建实际非线性负荷设备的电路模型，接入电力系统模型进行仿真，由于电力电子电路的非线性特性，在系统侧产生谐波电流。
利用该方法来搭建负荷设备谐波电流源模型的特点：其一是模型结构比较复杂，当实际中不同负荷设备的具体结构不同时，需要重新搭建模型；其二是模型产生的谐波电流属于理论研究中的理想情况，和实际设备的实测电流存在差异；其三是适于采用电力电子技术的直流供电的负荷设备，对于采用交流供电的负荷设备，并不适用。
（2）基于实测电流的谐波源建模方法
根据对非线性负荷设备电流的实际测试数据，通过电能质量谐波分析仪进行谐波分析，得出其基波及各次谐波含量情况，采用仿真系统中的电流源模型，通过基波及各主要次谐波叠加的方法进行合成，搭建该设备的谐波模型。
利用该方法来搭建谐波电流源模型的特点：其一是适用于采用交流供电的负荷设备，无法采用电力电子电路进行模型搭建；其二是一般选择该负荷设备主要含有的谐波进行合成，高次或含量少的谐波部分通常被忽略，与实际电流存在差异。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的上述不足，本发明专利的目的是根据非线性负荷设备的实测电流波形和基准电压波形，绘制出实际电流相对于基准电压的伏安特性曲线，通过对伏安特性曲线进行拟合的方法，提出一种基于PSCAD仿真系统的负荷设备谐波模型的建模方法，使得模型输出电流能够模拟复现实际设备的输出电流。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法，实施步骤如下：
（1）对非线性负荷设备的实际电压、电流波形进行测试
对需要建模的非线性负荷设备的实际电压、电流波形进行测试，由于实际中电流波形畸变严重，谐波含量丰富，建模时设定输出为电流源。对该设备典型时段的实际电压、电流波形至少进行一个完整周期的测试，得到该设备实际电压、电流波形一个完整周波的数据。
（2）根据实际电压波形产生基准电压波形
根据实际测量得到的一个完整周期的实测电压数据，产生该设备的基准电压波形，该基准电压幅值等于实测电压的幅值，基准电压的相位等于实测电流波形的相位，并根据实测数据时的采样频率，模拟产生该设备的基准电压波形信号。
（3）绘制实测电流特性曲线
取半周期实测电流波形数据与基准电压波形数据，以电压值为横坐标，电流值为纵坐标，绘制实测电流伏安特性（I-V特性）曲线。
（4）采用分段方式对实测电流特性曲线进行多项式拟合
根据实测电流伏安特性曲线的总体趋势，采用分段拟合的方法，将半周期数据分成设定的段数，并利用Matlab的多项式拟合函数，拟合得出该设备的I-V特性曲线的数学表达式。另半个周期的伏安特性曲线的数学表达式，可以利用对称性得出。
（5）根据拟合结果编程实现谐波源模型输出控制
在PSCAD系统中，采用用户自定义模型功能，搭建该设备的模型，通过编程产生前述同样的基准电压波形数据，作为伏安特性的电压输入数据，根据拟合结果计算出实际电流大小，通过程序控制实现模型输出同样大小的电流，以此实现模型输出电流对实际电流的模拟输出，使得模型输出电流值在半个周波内的各点均等于实际设备输出的各点电流的大小，另半个周波利用对称关系得到，以实现可以复现实际电流波形的谐波源模型。
所述步骤（5）在PSCAD系统中，采用自定义模型，搭建含有谐波的设备模型的详细过程如下：
a)建立Fortran文件
在PSCAD系统中，建立一个Fortran文件，在该文件中编写程序实现以下功能：首先通过定义子程序，编写产生基准电压，该基准电压与绘制实测伏安特性曲线时采用基准电压应相同；然后编写基于此基准电压的分段I-V特性拟合公式，并计算不同电压时的电流值；最后按照计算所得的电流值，通过操作符CCIN控制模型输出同样大小的节点电流。
b)建立设备的自定义模型
在PSCAD系统中，建立设备的自定义模型，首先生成一个自定义模型，并进行编辑模型；其次定义模型的三条支路电气属性为电流源，然后调用a）步中定义的子程序；最后在PSCAD中调用a）步中的Fortran文件。
c)模型调试
将建立的谐波源模型接入该设备的电气系统模型，进行仿真并调试，比较实测电流波形与模型输出电流模型，通过调整伏安特性曲线的拟合精度控制模型的误差。
本发明的有益效果
（1）方法新颖
本发明通过绘制非线性负荷设备的实际电流相对于其基准电压的伏安特性曲线，在PSCAD中，通过编程产生相同的基准电压，作为伏安特性的电压输入数据，根据拟合结果计算出实际电流大小，并通过程序控制模型输出同样大小的电流，这种复现含谐波时的实际电流波形的方法，具有方法新颖，构思独特的特点。
（2）模型通用性强
该方法针对不同非线性负荷设备，不用重新搭建模型，只需要根据不同设备的实测电流，进行伏安特性拟合，并在程序中重新进行模拟输出，以实现电流源型非线性负荷设备的建模，克服目前传统方法搭建模型的复杂性，通用性不强，且与实际电流存在一定差异性等不足之处。
（3）模型精度高
本发明提出的方法，根据对非线性负荷设备的实际伏安特性曲线的拟合结果，采用PSCAD中的自定义模型，通过编程实现对模型电流的输出控制，使得模型在对应于不同的电压输入情况下，其输出电流值和实际负荷设备实测电流值大小相等。该方法通过调整曲线拟合的精度，可以实现高精度模拟输出。
本发明提出的方法，针对不同设备，不用重新搭建模型，只需要根据不同设备的实测电流数据，绘制出该设备的实测电流伏安特性曲线，再通过对其伏安特性进行拟合，得到其伏安特性的数学表达式，然后在PSCAD系统中，通过用户自定义模型的编程功能，控制模型输出电流拟合实测电流。该方法提出的建模方法，模型结构简单，方法新颖独特，可以高精度地复现实际的电流波形。
附图说明
图1为基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模原理图；
图2为实施例某轧机实测电压、电流波形图；
图3为实施例某轧机半周期伏安特性及分段拟合伏安特性结果；
图4为实施例Fortran语言编写的程序框图；
图5为实施例PSCAD中建立的某轧机自定义模型；
图6为实施例某轧机实测输出电流波形；
图7为实施例某轧机模型输出电流波形。
具体实施例
下面以某轧机设备的模型为例，结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明中的基于实测电流波形特性曲线拟合，进行谐波源建模的原理，如图1所示。
以对10千伏电压等级的某轧机设备的建模为例，其实施步骤：
（1）对该轧机设备的实际电压、电流进行测试
在对一个10KV电压等级的轧机设备建模时，首先进行实际电压、电流测试，选择测量点位置为该轧机设备的10KV电源线的进线处。对该轧机设备典型时段的实际电压、电流波形至少进行一个完整周期的测试，得到该轧机设备实际电压、电流波形一个完整周波的数据。见附图2。
（2）根据实际电压波形产生10千伏基准电压波形
根据实际测量得到的一个完整周期的实测电压数据，产生该设备的10千伏基准电压波形，该基准电压幅值等于实测电压的幅值，基准电压的相位等于实测电流波形的相位，并根据实测数据时的采样频率，模拟产生该设备的基准电压波形信号。
（3）绘制该轧机设备的实测电流特性曲线
取该轧机设备半周期实测电流波形数据与基准电压波形数据，以基准电压为横坐标、实测电流为纵坐标，绘制实测电流相对于基准电压的伏安特性（I-V特性）曲线。见图3中的*号所绘曲线。
（4）采用分段方式对轧机设备的实测电流特性曲线进行多项式拟合
根据实测电流伏安特性曲线的总体趋势，采用分段拟合的方法，将半周期数据分成设定的段数，并利用Matlab的polyfit多项式拟合函数，拟合得出该设备的I-V特性曲线的数学表达式。另半个周期的伏安特性曲线的数学表达式，可以利用对称性得出。
根据该轧机设备的实测特性曲线的趋势，分三段拟合其I-V特性，参见实施例图3的实线所绘曲线，具体拟合公式为：
I = - 7.87 &times; 10 - 6 U 2 - 0.1757 U - 1026.3 ( U < - 10600 ) - 4.58 &times; 10 - 11 U 3 + 3.16 &times; 10 - 8 U 2 + 0.0119731 U + 25.6928497 ( - 10600 &le; U &le; 13300 ) - 1.45 &times; 10 - 5 U 2 + 0.453925 U - 3395.403 ( U > 13300 )
（5）根据该轧机设备的特性曲线拟合结果，编程实现谐波源模型输出控制
在PSCAD中，通过用户自定义程序实现谐波源模型的电流输出控制。
a）在PSCAD系统中，建立Fortran文件～.f，在～.f文件中编写程序：首先定义子程序subroutine～()；其次编写定义基准电压，基准电压与绘制伏安特性曲线时采用基准电压相同；最后编写基于此基准电压的分段I-V特性拟合公式；最后用操作符CCIN()控制模型输出同样大小的节点电流。
Fortran语言编程实现的自定义模型程序框图，见图4。
Fortran语言编程具体程序代码：
定义子程序：SUBROUTINE lvzhaji(NA,NB,NC,SS)
定义基准电压：VAB=15000*sin(TWO_PI*50*TIME-TWO_PI/7)
VBC=15000*sin(TWO_PI*50*TIME+2*TWO_PI/3-TWO_PI/7)
VCA=15000*sin(TWO_PI*50*TIME+TWO_PI/3-TWO_PI/7)
依照拟合公式编写I-V程序。
输出节点电流：CCIN(NA,SS)=CCIN(NA,SS)-(InewA-G*VA)/1000
GGIN(NA,SS)=GGIN(NA,SS)+G
CCIN(NB,SS)=CCIN(NB,SS)-(InewB-G*VB)/1000
GGIN(NB,SS)=GGIN(NB,SS)+G
CCIN(NC,SS)=CCIN(NC,SS)-(InewC-G*VC)/1000
GGIN(NC,SS)=GGIN(NC,SS)+G
b）建立设备的自定义模型
在PSCAD系统中，首先用Create New Component建立设备的自定义模型，并用editdefinition编辑模型；其次在script-Branch栏定义模型的三条支路电气属性为source；然后在script-Fortran栏调用a）步中定义的子程序subroutine～()；最后在PSCAD中添加file reference调用第a）步中的～.f文件。
在PSCAD中建立某轧机的自定义模型，参见图5。
c）模型接入系统，运行并调试
将建立的10千伏某轧机设备模型，接入该设备的电气系统，进行仿真运行并调试，比较该轧机的实测电流波形与模型输出电流波形，通过调整伏安特性曲线的拟合精度控制模型的误差。某轧机设备的实测电流波形和模型输出电流波形，参见实施例图6、图7。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法，其特征是，包括步骤如下：
1）对非线性负荷设备的实际电压、电流波形进行测试
对实际需要建模的非线性负荷设备的实际电压、电流波形进行实测，对该设备典型时段的实际电压、电流波形至少进行一个完整周期的测试，得到该设备实际电压、电流波形一个完整周波的数据；
2）根据实际电压波形产生基准电压波形
根据实际测量得到的一个完整周期的实测电压数据，产生该设备的基准电压波形，该基准电压幅值等于实测电压的幅值，基准电压的相位等于实测电流波形的相位，并根据实测数据时的采样频率，模拟产生该设备的基准电压波形信号；
3）绘制实测电流特性曲线
取半周期实测电流波形数据与基准电压波形数据，以电压值为横坐标，电流值为纵坐标，绘制实测电流伏安特性曲线；
4）采用分段方式对实测电流特性曲线进行多项式拟合
根据实测电流伏安特性曲线的总体趋势，采用分段拟合的方法，将半周期数据分成设定的段数，并利用Matlab的多项式拟合函数，拟合得出该设备的I-V特性曲线的数学表达式，另半个周期的伏安特性曲线的数学表达式，利用对称性得出；
5）根据拟合结果编程实现谐波源模型输出控制
在PSCAD系统中，采用用户自定义模型功能，搭建该设备的模型，产生前述同样的基准电压波形数据，作为伏安特性的电压输入数据，根据拟合结果计算出实际电流大小，通过程序控制实现模型输出同样大小的电流，以实现模型输出电流对实际电流的模拟输出，使得模型输出电流值在半个周波内的各点均等于实际设备输出的各点电流的大小，另半个周波利用对称关系得到，以实现可以复现实际电流波形的谐波源模型。
2.如权利要求1所述的一种基于实测电流特性曲线拟合的谐波源建模方法，其特征是，所述步骤5）搭建设备模型的步骤如下：
a)建立Fortran文件
在PSCAD系统中，建立一个Fortran文件，在该文件中编写程序实现以下功能：首先通过定义子程序，编写产生基准电压，该基准电压与绘制实测伏安特性曲线时采用基准电压应该相同；然后编写基于此基准电压的分段I-V特性拟合公式，并计算不同电压时的电流值；最后按照计算所得的电流值，通过操作符CCIN控制模型输出同样大小的节点电流；
b)建立设备的自定义模型
在PSCAD系统中，建立设备的自定义模型，首先生成一个自定义模型，并进行编辑模型；其次定义模型的三条支路电气属性为电流源，然后调用a）步中定义的子程序；最后在PSCAD中调用a）步中的Fortran文件；
c)模型调试
将建立的谐波源模型接入系统，进行仿真并调试，比较实测电流波形与模型输出电流模型，通过调整伏安特性曲线的拟合精度控制模型的误差。
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