CN105606900A - 一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法，具体包括，将低压电网系统简化为串联电路，在串联电路中确定接入点，并接入精确测量器开路时候的接入点的电压，接入谐波电流发生器，通过使用谐波电流发生器向系统依次注入各次幅值以12.5Hz方波变化的谐波电流，能够较精确地测量出各次的谐波电压，从而能较精确地计算出各次的谐波阻抗。

Description

一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及电力领域，具体涉及一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法。

背景技术

在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。非线性负载通常是以谐波电流为特征的，所以经常选择谐波电流来表述其扩散极限，而不用电压来表述。近年来，对非线性负荷向系统注入谐波电流，以及在节点产生的相应的谐波电压的大小的估计的研究受到了越来越广泛的关注,谐波源量化与定位一直是电能质量研究领域的重点和难点问题。随着工业的发展，大量非线性负荷接入电网，并向电网注入谐波电流，谐波电流流经系统阻抗，在各母线上形成谐波电压，从而影响电网中敏感负荷及设备的正常工作。采取有效的激励措施来抑制电网中的谐波水平是现代智能电网所要求的，如：对引起谐波事故的责任谐波源要进行相应惩罚，对那些对电网谐波水平起抑制作用的用户要进行相应奖励等。而所有这些“奖惩机制”实现的前提是要准确合理地划分各谐波源的谐波污染责任。出于分清谐波污染的责任，也出于更好地调整谐波治理策略等多方面原因，因此，确切地获知系统的谐波阻抗都是非常重要的。谐波阻抗测量是一项复杂的任务，国内外对系统谐波阻抗频率特性的测量也进行了大量研究，提出了许多关于系统谐波阻抗频率特性测量的方法。但目前对这一方面的研究仍处于理论分析阶段，没有研究开发出能够应用于实际的测量电力网络谐波阻抗的仪器或装备。测量和分析电力系统的谐波阻抗频率特性。目前，国际上通用一种方式是谐波电流注入法。这种方法首先通过一个谐波电流放生器将不同频率的谐波电流注入被测量的电力系统,然后由一个谐波信号接受器接受测量点处的谐波电压和电流,最后再有一个谐波阻抗计算器来完成谐波阻抗的计算。该方法原理简单，实施起来方便。但是，用该方法测量系统的谐波阻抗有一定的局限性,主要存在以下几个问题：1.注入系统的谐波电流有可能影响系统的正常运行，因此注入电流的值不能太大；2.由于注入电流量较小，因此造成的谐波电压的变化量比较微弱，容易被背景噪声淹没；3.由于测量结果的辨识困难，整个测量过程所需时间较长。4.测量时间较长导致被测电力系统的运行方式可能会变化,谐波阻抗也将随之而变,从而使得计算结果可能出现较大偏差。因此，原有的谐波电流注入法已经越来越难以满足对谐波阻抗测量的要求。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法，该方法通过使用谐波电流发生器向系统依次注入各次幅值以12.5Hz方波变化的谐波电流，能够较精确地测量出各次的谐波电压，从而能较精确地计算出各次的谐波阻抗。

本发明采用如下技术方案：

一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法，包括谐波电流发生器、精确测量器、带通滤波器及谐波阻抗计算器，所述精确测量器与带通滤波器连接，所述带通滤波器与谐波阻抗计算器连接，具体步骤如下：

S1根据电路原理，将低压电网简化为一个电压源u_sh及系统阻抗Z_sh的串联电路；

S2在串联电路确定谐波电流发生器的接入点G，并在接入点G装上精确测量器，然后将电压源开路，测得接入点G点的电压u_s，对其进行傅里叶分解，得

$u_s=\underset{h=1}{\overset{n}{\Σ}}{u}_{sh};$

S3在接入点G中接入谐波电流发生器，并设置谐波电流频率为基波的h倍，即ω_h＝h×ω₀，设置注入谐波电流的幅值为以12.5Hz波动的方波信号；

S4谐波电流发生器发出频率为ω_h的谐波电流i_sh，即i_sh＝A(t)sinω_ht，A(t)为谐波电流幅值为12.5Hz的方波信号，精确测量器测得此时接入点G的电压为u；

S5将测量得到的G点电压u通过带通滤波器滤波后得到u_h，再提取u_h的幅值|u_h|，此时|u_h|为电网电压幅值|u_sh|和注入谐波电流|Z_sh|·A(t)引起的响应之和，再通过12.5Hz的带通滤波器得到|u_h|_12.5Hz与|Z_sh|·A(t)相对应的响应；

S6通过谐波阻抗计算器，根据公式计算出相应的h次谐波阻抗|Z_sh|。

所述

$A\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1& {\mathrm{nT}}_s\&le;t<T_s\&CenterDot;d+{\mathrm{nT}}_s\\ a_2& T_s\&CenterDot;d+{\mathrm{nT}}_s\&le;t<T_s+{\mathrm{nT}}_s\end{array}\right.,n=0,1,\mathrm{2...}$

式中，a₁、a₁为方波信号的幅值上限和幅值下限；

T_s为方波的周期，等于方波频率的倒数；

d为方波的占空比；

ω为注入谐波电流的角频率。

所述带通滤波器的频率为h*50Hz。

所述谐波电流发生器由6个带并联二极管的IGBT管构成，其直流侧并联电容，三相出线端接滤波电感。

谐波电流发生器能根据给定的指令电流，通过控制开关管的开或者断，来控制输出的电流使其能够跟踪给定的指令电流。

所述精确测量器配置电压传感器及电流传感器，用于对输出点的电压电流进行采样，通过谐振阻抗计算机的傅里叶分解计算，将计算结果得到的各次谐波电压和谐波电流的值反馈回来，用于进一步的计算。

本发明的有益效果：

(1)可以在对电网注入较小的谐波电流情况下，获得较为精确的谐波阻抗值；

(2)向电网注入的谐波电流较小，减轻对电网的影响；

(3)可以方便、迅速地调整注入谐波电流的频率，操作方便，耗时短；

(4)投资成本相对较低。

附图说明

图1是本发明的谐波阻抗的测量原理图；

图2是本发明的电器接线原理图；

图3是本发明计算谐振阻抗的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2及图3所示，一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法，采用的测量装置包括谐波电流发生器、精确测量器、带通滤波器及谐波阻抗计算器；

图1中，u_sh为电网电压u_s的h次谐波电压分量

u_h为并网点电压u的h次谐波电压分量

i_sh为谐波电流发生器注入的h次谐波电流

Z_sh为系统的h次谐波阻抗

所述谐波电流发生器：能够根据人为设置发出不同频率的电流，向系统注入谐波电流，并且幅值为以12.5Hz波动的方波信号，可以看做一个幅值随时间变化的无伴电流源；

该谐波电流发生器，能够根据给定的指令电流，通过控制开关管的开或者断，来控制输出的电流使其能够跟踪给定的指令电流。所以，实际上能够等效成一个谐波电流源。目前，市面上流通的有源电力滤波器(APF)实际上就是一个谐波电流发生器，我们通过对其的一些改进就能使得该装置成为谐波电流发生器。

所述谐波电流发生器由6个带并联二极管的IGBT管构成，其直流侧并联电容，三相出线端接滤波电感。谐波电流发生器能根据给定的指令电流，通过控制开关管的开或者断，来控制输出的电流使其能够跟踪给定的指令电流。

精确测量器：能够测量出线路某一点的电压和电流信号；所述精确测量器配置电压传感器及电流传感器，用于对输出点的电压电流进行采样，通过谐振阻抗计算机的傅里叶分解计算，将计算结果得到的各次谐波电压和谐波电流的值反馈回来，用于进一步的计算。

带通滤波器：是指能通过某一频率范围内的频率分量，但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器；

谐波阻抗计算器：能够根据谐波电压和谐波电流的数据，计算出谐波阻抗，一般为计算机或DSP处理器。

具体包括如下步骤：

S1根据电路原理，将低压电网系统简化为一个电压源u_sh及系统阻抗Z_sh的串联电路；

S2在串联电路中确定谐波电流发生器的接入点G，并在接入点通过电压探头及电源探头装上精确测量系统，带通滤波器及谐波阻抗计算器，然后电压源开路，测得G点电压u_s，对其进行傅里叶分解，得

$u_s=\underset{h=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{u}_{sh}---\left(1\right)$

因此，由(1)可知，电网电压可以分解为一系列不同频率的电压之和，其中h次电网谐波电压u_sh，也称为背景谐波电压。

S3在接入点G跨接入谐波电流发生器，并设置谐波电流频率为基波的h倍，即ω_h＝h×ω₀；并且设置注入谐波电流的幅值为以12.5Hz波动的方波信号，注入谐波电流表达式如下：

i_sh＝A(t)sinωt(2)

其中

$A\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1& {\mathrm{nT}}_s\&le;t<T_s\&CenterDot;d+{\mathrm{nT}}_s\\ a_2& T_s\&CenterDot;d+{\mathrm{nT}}_s\&le;t<T_s+{\mathrm{nT}}_s\end{array}\right.,n=0,1,\mathrm{2....}---\left(3\right)$

式中，a₁、a₁为方波信号的幅值上限和幅值下限；

T_s为方波的周期，等于方波频率的倒数；

d为方波的占空比；

ω为注入谐波电流的角频率。

S4精确测量器测得此时G点的电压为u；同理，也可对其做傅里叶分解，得

$u=\underset{h=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{u}_h---\left(4\right)$

由公式(4)可知，并网点电压u也可以分解为不同频率的电压之和。

根据电路原理，可得：

u＝u_s+Z_s·i_sh(5)

此时，根据上述(1)式和(4)式的分解，可以通过相应频率的滤波器提取所需要的h次并网点电压分量u_h，则(5)式变为：

u_h＝u_sh+Z_sh·i_sh(6)

此时，再通过谐波信号接收器，提取得到u_h的幅值，忽略相角的影响，得到(7)式：

|u_h|＝|u_sh|+|Z_sh|·A(t)(7)

由(7)式，幅值|u_h|将会以一定的频率波动，其中包含两部分：一部分是由12.5Hz方波信号A(t)引起的幅值波动|Z_sh|·A(t)；另外一部分是以非12.5Hz频率波动的背景谐波电压幅值|u_sh|。

接下来通过12.5Hz的带通滤波器，将其中以非12.5Hz频率波动的背景谐波电压幅值|u_sh|滤除，剩下的只有由方波A(t)引起的以12.5Hz波动的幅值，

|u_h|_12.5Hz＝|Z_sh|·A(t)(8)

因此，通过谐波阻抗计算器即可计算出谐波阻抗为

$\left|Z_{sh}\right|=\frac{{\left|u_h\right|}_{12.5Hz}}{A\left(t\right)}---\left(9\right)$

S5本实施例设置h取2-50，因此依次调整h的值，重复步骤S1-S4，得到相对应的h次阻抗。比如将h的值设为2-50次变化，就能计算出对应的2-50次谐波阻抗。

本发明中，电力系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数。

电力系统的某一次谐波阻抗是系统模型中降落在谐波阻抗的该次谐波电压差与该次谐波电流的比值。

本发明采用叠加的方波信号，它的频率是由用户设定的，这样虽然我们注入的谐波电流很小，但我们依据自己设定的方波信号的频率去滤除其他频率的量而只留下方波信号以及它所产生的响应，就可以计算出谐波阻抗了。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于方波信号的单相谐波阻抗测量方法，其特征在于，包括谐波电流发生器、精确测量器、带通滤波器及谐波阻抗计算器，所述精确测量器与带通滤波器连接，所述带通滤波器与谐波阻抗计算器连接，具体步骤如下：

S1根据电路原理，将低压电网简化为一个电压源u_sh及系统阻抗Z_sh的串联电路；

S2在串联电路确定谐波电流发生器的接入点G，并在接入点G装上精确测量器，然后将电压源开路，测得接入点G点的电压u_s，对其进行傅里叶分解，得

$u_s=\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_{sh};$

S3在接入点G中接入谐波电流发生器，并设置谐波电流频率为基波的h倍，即ω_h＝h×ω₀，设置注入谐波电流的幅值为以12.5Hz波动的方波信号；

S4谐波电流发生器发出频率为ω_h的谐波电流i_sh，即i_sh＝A(t)sinω_ht，A(t)为谐波电流幅值为12.5Hz的方波信号，精确测量器测得此时接入点G的电压为u；

S5将测量得到的G点电压u通过带通滤波器滤波后得到u_h，再提取u_h的幅值|u_h|，此时|u_h|为电网电压幅值|u_sh|和注入谐波电流|Z_sh|·A(t)引起的响应之和，再通过12.5Hz的带通滤波器得到|u_h|_12.5Hz与|Z_sh|·A(t)相对应的响应；

S6通过谐波阻抗计算器，根据公式计算出相应的h次谐波阻抗|Z_sh|。

2.根据权利要求1所述的单相谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述

$A\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1& {\mathrm{nT}}_s\&le;t<T_s\&CenterDot;d+{\mathrm{nT}}_s\\ a_2& T_s\&CenterDot;d+{\mathrm{nT}}_s\&le;t<T_s+{\mathrm{nT}}_s\end{array}\right.,n=0,1,\mathrm{2....}$

式中，a₁、a₁为方波信号的幅值上限和幅值下限；

T_s为方波的周期，等于方波频率的倒数；

d为方波的占空比；

ω为注入谐波电流的角频率。

3.根据权利要求1所述的单相谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述带通滤波器的频率为h*50Hz。

4.根据权利要求1所述的单相谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述谐波电流发生器由6个带并联二极管的IGBT管构成，其直流侧并联电容，三相出线端接滤波电感。

5.根据权利要求4所述的单相谐波阻抗测量方法，其特征在于，谐波电流发生器能根据给定的指令电流，通过控制开关管的开或者断，来控制输出的电流使其能够跟踪给定的指令电流。

6.根据权利要求1所述的单相谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述精确测量器配置电压传感器及电流传感器，用于对输出点的电压电流进行采样，通过谐振阻抗计算机的傅里叶分解计算，将计算结果得到的各次谐波电压和谐波电流的值反馈回来，用于进一步的计算。