CN104198843A - 一种电网阻频特性测试方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电网阻频特性测试方法及其装置，由直流储能器(D)、单相逆变器(B)、单相隔离变压器(T)、电压互感器(V)、电流互感器(A)、上层控制器(C)等组成；上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出非特征频率的谐波电流，经单相隔离变压器(T)注入电网监测点(M)，电流互感器(A)测量注入监测点的谐波电流值，电压互感器(V)测量监测点的谐波电压值，扣除已知的电流互感器(A)与电压互感器(V)的传递函数的影响，上层控制器(C)计算出电网监测点的阻抗值，再根据阻抗值拟合出包括特征频率在内的电网监测点的阻频特性曲线。

Description

一种电网阻频特性测试方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种电网阻频特性测试系统，特别涉及电网阻频特性的在线测试技术。
背景技术
电力电子技术的飞速发展，改善了电网供电性能，给大规模、超长距离和超高压直流输电等技术提供了强有力的支持，并且越来越广泛地应用在国民经济的各种领域，但与此同时,电网中这些电力电子(非线性)设备的使用也引起了不容忽视的谐波问题，并且日益严重。
谐波会对电网产生许多危害，主要包括：(1)介质击穿或无功过载而使电容器组故障；(2)干扰纹波控制电力载波系统，引起遥控、负荷控制和遥测的运行异常；(3)造成电网损耗增加；(4)网络谐振引起过电压或过电流；(5)谐波过电压引起绝缘电缆的介质击穿；(6)对通信系统的感应干扰；(7)引起感应式电度表计量误差；(8)引起信号干扰和保护误动，特别是固态型的和微机型的；(9)干扰大型电机控制系统和电厂励磁系统；(10)引起感应电机或同步电机的机械振动；(11)引起基于电压过零检测或闭锁的触发电路的不稳定运行，等。
为了控制公用电网中的谐波污染，国家标准《电能质量 公用电网谐波》规定了用户谐波发射限值。国际上也提出了一种奖惩性方案，即系统与用户在额定的范围内正常交易，如果系统不能保证供电质量，用户应当得到赔偿；如果用户的污染指标恶化，则系统在保证向用户正常供电的前提下要收取额外的惩罚费用；如果用户吸收了系统中额外的谐波功率，系统应当给予用户一定的补偿和鼓励。该方案顺利实施的前提是在公共连接点对系统以及用户的谐波发射水平进行合理的评估，而评估主要围绕对系统和用户侧谐波阻抗特性分析来展开。众所周知,电网是一个含有电感、电容、电阻和电源元件的网络，电网的阻频特性是固有的，其中，最重要的其谐振特性。当谐波源向该网络注入的谐波频率等于或两者接近网络谐振频率时，将激励该网络产生谐振或谐波放大。谐振分为并联谐振和串联谐振。谐振会造成电网中谐波激增，产生谐波过电流、过电压等现象，危害系统的供电、用电设备，严重时还会影响电网的安全可靠运行。近年来，随着交直交列车在电气化铁路上的广泛使用，谐波谐振造成电气化铁路的供电设备损坏，甚至影响正常、安全运行的案例时有发生。因此，有必要对系统的阻频特性进行测定，掌握其谐振规律，更有针对性地对系统的谐波情况进行评估和治理，避免不良影响的发生和发展。
国内外学者一直致力于系统阻频特性测量方法的研究，提出的方法主要有：投切电容器法、投切晶闸管支路法和谐波电流源注入法。前两种都存在注入谐波含量不全和不可控制的问题，容易受噪声信号的影响，降低了测量的准确度，而谐波电流源注入法采用的是注入特征谐波电流，这又将受到电网背景谐波(也是特征谐波)的干扰而影响其测试精度，甚至真伪难辨。
本发明公开一种电网阻频特性测试装置，将非特征频率的谐波电流注入电网监测点，结合测试相应频率的谐波电压，扣除已知的电压互感器与电流互感器的传递函数的影响，得到该点的阻抗值，再根据测得的这些阻抗值拟合出包括特征频率在内的阻频特性。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种电网阻频特性测试方法，实现电网阻频特性的在线测试。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种电网阻频特性测试方法，在主要由直流储能器(D)、单相逆变器(B)、单相隔离变压器(T)、电压互感器(V)、电流互感器(A)、上层控制器(C)等组成的系统上；上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出非特征频率的谐波电流，经单相隔离变压器(T)注入电网监测点(M)，电流互感器(A)测量注入监测点的谐波电流值，电压互感器(V)同时测量该监测点对应频率的谐波电压值，并把测得的谐波电流值和谐波电压值送至上层控制器(C)；上层控制器(C)根据该非特征频率下已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数和测得的谐波电流值、谐波电压值进行计算，得出电网监测点的阻抗值，进一步获得电网监测点的阻频特性曲线，主要步骤是：
(1)上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出一组非特征频率的序列谐波电流，电压互感器(V)测量对应的序列谐波电压值，扣除已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数的影响，上层控制器(C)计算出电网监测点的序列阻抗值；
(2)上层控制器(C)根据该序列阻抗值拟合出包括特征频率在内的阻频特性曲线；对应阻频特性曲线上阻抗极大值的为并联谐振频率，阻抗极小值的为串联谐振频率；如果需要谐振点的更精确测量，转步骤(3)，否则，转步骤(5)；
(3)上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出另一组集中于并联谐振和串联谐振频率附近的非特征频率序列谐波电流，其中,保留一个与上一组频率和大小相同的谐波电流,称为校准谐波电流,电压互感器(V)测量对应该序列的谐波电压值，扣除已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数的影响，上层控制器(C)计算出电网监测点的序列阻抗值；
(4)对应校准谐波电流，如果步骤(3)与步骤(2)计算出的阻抗值的偏差在允许范围内，则认为此时电网运行方式稳定，转步骤(2)，否则，转步骤(1)；
(5)输出电网监测点阻频特性曲线。
特征频率是指工频整倍数的频率，如100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、350Hz等，非特征频率是指特征频率以外的频率。
阻频特性是阻抗-频率特性的简称，即阻抗是频率的函数。
本发明的另一目的是为上述方法提供实现装置。
一种电网阻频特性测试装置，主要由直流储能器(D)、单相逆变器(B)、单相隔离变压器(T)、电压互感器(V)、电流互感器(A)、上层控制器(C)组成。上层控制器(C)与单相逆变器(B)连接，单相隔离变压器(T)连接在单相逆变器(B)与电网监测点(M)之间；上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出非特征频率的谐波电流，经单相隔离变压器(T)注入电网监测点(M)，电流互感器(A)测量注入监测点的谐波电流值，电压互感器(V)同时测量该监测点对应频率的谐波电压值,并把测得的谐波电流值和谐波电压值送至上层控制器(C)；上层控制器(C)根据该非特征频率下已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数和测得的谐波电流值、谐波电压值进行计算，得出电网监测点的阻抗值。
本发明的工作原理是：电网是由发电机、变压器、输电线和负载等元件构成的网络。每个元件均可由电感、电容、电阻和电源及其联接关系来等效表示。发电机可由基波电压源及其串联阻抗表示；变压器、输电线可由电感、电容、电阻构成的等效电路表示；负载分为线性的和非线性的，前者可由电感、电容、电阻构成的等效电路表示，后者以电力电子装置为代表，并且产生工频整倍数频率的特征谐波，其中，电力电子整流装置可由电感、电容、电阻构成的等效电路和并联的特征谐波电流源表示，电力电子逆变装置可由电感、电容、电阻构成的等效电路和串联的特征谐波电压源表示。于是，电网可由电感、电容、电阻构成的无源等效电路和基波电压源、特征谐波电压源及特征谐波电流源组成的等效网络表示。当特征频率以外的非特征谐波作用于电网时，电网的等效网络中的基波电压源电压为0(短路)，特征谐波电压源电压为0(短路)，特征谐波电流源电流为0(开路)，于是，电网就可由非特征谐波这惟一电源作用的无源网络来表示。显然，此时测得的非特征谐波作用点(监测点)的电网阻抗值和由此得到的阻频特性是不受基波电压源、特征谐波电压源及特征谐波电流源影响的。
电网给定时，其阻频特性就是固定的。在阻频特性曲线上，阻抗极大值处发生的是并联谐振，阻抗极小值处发生的是串联谐振。研究表明:电网的并联谐振、串联谐振是随着频率增加而依次发生的；频宽为工频(50Hz)范围内不会发生2次及以上并联谐振或串联谐振，换言之，单相逆变器(B)输出的序列谐波电流的非特征频率间隔小于工频(50Hz)的二分之一(25Hz)时，得到的阻频特性就能包括全部的并联谐振和串联谐振。
按此要求，注入监测点一组非特征频率的序列谐波电流，其非特征频率间隔小于工频(50Hz)的二分之一(25Hz)，测量对应的序列谐波电压值，就能计算出电网监测点的序列阻抗值，并根据该序列阻抗值拟合出包括特征频率在内的阻频特性曲线。
测试所用的电流互感器与电压互感器的传递函数(阻频特性)可以事先测得并应扣除，以保证阻抗值的测试、计算精度。
研究电网阻频特性最重要的是研究并联谐振和串联谐振。注入监测点的序列谐波电流的非特征频率间隔的大小会影响拟合出的包括特征频率在内的阻频特性曲线的精度，非特征频率间隔越小，拟合精度越高，但同时，在总的测试频率范围不变时，序列中的谐波电流数量会增多，所需的注入功率也更大。因此，在上一组测试、计算、拟合出包括特征频率在内的阻频特性曲线并得到并联谐振、串联谐振的基础上，有必要再注入另一组集中于并联谐振和串联谐振频率附近的非特征频率序列谐波电流，测量对应的序列谐波电压值，计算电网监测点的序列阻抗值，从而可以在不增加序列中谐波电流数量和所需注入功率的情况下更精确地获取阻频特性。
当然，电网运行方式的改变就意味着等效网络的结构和参数的改变，对应监测点的阻抗值就会改变。测试、计算中，引入校准谐波电流的概念，即一个与上一组频率和大小相同的谐波电流,比较前后两次对应校准谐波电流的阻抗值，根据其偏差来判断电网运行方式是否改变，并决定测试是否重复，这就兼顾了测试的实时性和稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明的电网阻频特性测试装置以非特征谐波电流注入电网监测点，不会受到电网中已有的特征(背景)谐波的干扰，或者说,特征(背景)谐波和非特征谐波互不影响。同时，扣除已知的电压互感器与电流互感器的传递函数的影响，更好地保证测试、计算和拟合出高精度的阻频特性曲线。
二、本发明通过引入校准谐波电流的概念，即一个与上一组频率和大小相同的谐波电流,比较前后两次对应校准谐波电流的阻抗值，根据其偏差来判断电网运行方式是否改变，兼顾了测试的实时性和稳定性。
三、本发明的电网阻频特性测试装置可以安装在运输工具上，作为电能质量测试系统的组成部分，具备较好的机动性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施的阻频特性形成流程图。
具体实施方式
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种电网阻频特性测试装置，由直流储能器(D)、单相逆变器(B)、单相隔离变压器(T)、电压互感器(V)、电流互感器(A)、上层控制器(C)等组成；上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出非特征频率的谐波电流，经单相隔离变压器(T)注入电网监测点(M)，电流互感器(A)测量注入监测点的谐波电流值，电压互感器(V)同时测量该监测点对应频率的谐波电压值，并把测得的谐波电流值和谐波电压值送至上层控制器(C)；上层控制器(C)根据该非特征频率下已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数和测得的谐波电流值、谐波电压值进行计算，得出电网监测点的阻抗值，进一步获得电网监测点的阻频特性曲线，具体步骤是：
(1)选择p＝1的一组非特征频率，例如为：fp(k)＝100-x+10k,Hz，x＝5,k＝0,1,2,3,…,n(其上限由需要测试的最高谐波次数确定)，上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出的序列谐波电流Ip(k)，电压互感器(V)测量对应的序列谐波电压值Up(k)，扣除电流互感器(A)传递函数后的序列谐波电流记为Irp(k)，扣除电压互感器(V)的传递函数后的序列谐波电压记为Urp(k)，上层控制器(C)计算出电网监测点的序列阻抗值，Zp(k)＝Urp(k)/Irp(k)。
(2)上层控制器(C)根据该序列阻抗值拟合出包括特征频率在内的阻频特性曲线；对应阻频特性曲线上阻抗极大值的为并联谐振频率，阻抗极小值的为串联谐振频率；如果需要谐振点的更精确测量，转步骤(3)，否则，转步骤(5)。
(3)选择另一组(p+1)集中于并联谐振和串联谐振频率附近的非特征频率，记为：fp+1(j)，上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出序列谐波电流Ip+1(j)，其中,保留一个与上一组频率和大小相同的谐波电流,称为校准谐波电流，电压互感器(V)测量对应该序列的谐波电压值Up+1(j)，扣除电流互感器(A)传递函数后的序列谐波电流记为Irp+1(k)，扣除电压互感器(V)的传递函数后的序列谐波电压记为Urp+1(k)，上层控制器(C)计算出电网监测点的序列阻抗值，Zp+1(k)＝Urp+1(k)/Irp+1(k)；
(4)对应校准谐波电流，如果步骤(3)与步骤(2)计算出的阻抗值的偏差绝对值∣Zp(0)-Zp+1(0)∣在允许范围内，则认为此时电网运行方式稳定，转步骤(2)，否则，转步骤(1)。
(5)输出电网监测点阻频特性曲线。
图2是阻频特性形成流程图。
显然，把以上所述的3套单相电网阻频特性测试装置接成星形或三角形连接于电网就可以进行三相电网的阻频特性测试与分析。
在单相逆变器(B)电压等级与监测点的电压等级一致时，可以省却单相隔离变压器(T)。

Claims (2)

1.一种电网阻频特性测试方法，在主要由直流储能器(D)、单相逆变器(B)、单相隔离变压器(T)、电压互感器(V)、电流互感器(A)、上层控制器(C)组成的系统上，上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出非特征频率的谐波电流，经单相隔离变压器(T)注入电网监测点(M)，电流互感器(A)测量注入监测点的谐波电流值，电压互感器(V)同时测量该监测点对应频率的谐波电压值,并把测得的谐波电流值和谐波电压值送至上层控制器(C)；上层控制器(C)根据该非特征频率下已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数和测得的谐波电流值、谐波电压值进行计算，得出电网监测点的阻抗值。
其获得电网监测点阻频特性的主要步骤是：
(1)上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出一组非特征频率的序列谐波电流，电压互感器(V)测量对应的序列谐波电压值，扣除已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数的影响，上层控制器(C)计算出电网监测点的序列阻抗值；
(2)上层控制器(C)根据该序列阻抗值拟合出包括特征频率在内的阻频特性曲线；对应阻频特性曲线上阻抗极大值的为并联谐振频率，阻抗极小值的为串联谐振频率；如果需要谐振点的更精确测量，转步骤(3)，否则，转步骤(5)；
(3)上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出另一组集中于并联谐振和串联谐振频率附近的非特征频率序列谐波电流，其中,保留一个与上一组频率和大小相同的谐波电流,称为校准谐波电流,电压互感器(V)测量对应该序列的谐波电压值，扣除已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数的影响，上层控制器(C)计算出电网监测点的序列阻抗值；
(4)对应校准谐波电流，如果步骤(3)与步骤(2)计算出的阻抗值的偏差在允许范围内，则认为此时电网运行方式稳定，转步骤(2)，否则，转步骤(1)；
(5)输出电网监测点阻频特性曲线。
2.实现权利要求1所述方法的电网阻频特性测试装置，主要由直流储能器(D)、单相逆变器(B)、单相隔离变压器(T)、电压互感器(V)、电流互感器(A)、上层控制器(C)组成，其特征在于，上层控制器(C)与单相逆变器(B)连接，单相隔离变压器(T)连接在单相逆变器(B)与电网监测点(M)之间；上层控制器(C)控制单相逆变器(B)输出非特征频率的谐波电流，经单相隔离变压器(T)注入电网监测点(M)，电流互感器(A)测量注入监测点的谐波电流值，电压互感器(V)同时测量该监测点对应频率的谐波电压值,并把测得的谐波电流值和谐波电压值送至上层控制器(C)；上层控制器(C)根据该非特征频率下已知的电压互感器(V)与电流互感器(A)的传递函数和测得的谐波电流值、谐波电压值进行计算，得出电网监测点的阻抗值。
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