CN106033477B - 一种综合负荷的等效建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种综合负荷的等效建模方法，包括：根据实际电路中的物理现象分析综合负荷应需反映的各种功率特性，确定不同特性功率对应的电气元件种类，其次建立综合负荷的等效模型拓扑，最后给出了一种各电气元件参数的数学推导公式。本发明提出的综合负荷的等效建模方法，以实际电路的物理现象为基础，各功率分量与之一一对应，所建立的等效模型物理概念明确，能够准确地描述电路特性，可有效的解决面向负荷的电能质量分析问题。
Description
技术领域：
本发明涉及电能质量分析领域，更具体涉及一种综合负荷的等效建模方法。
背景技术：
现代社会中，工业技术和信息产业迅猛发展，用电负荷为了获得最佳的用电效率，对电能形态提出了新的要求；电能质量需要实现快速实时控制，以提高输送效率并保证系统安全稳定运行；各类新能源的不断挖掘与开发，需要进一步提高并网控制技术，所有这些目标的实现都依托于电力电子装置及其功率控制技术。这些非线性设备在系统负荷构成中所占的比例正在迅速增加，成为了最主要的污染源，造成了电网电磁环境的畸变。另一方面，电力系统中的负荷并不全为三相对称负载，电气化铁路等单相负荷的大量增加，使得不平衡扰动更加突出。
电力系统分析领域中的传统综合负荷的等效建模方法主要针对潮流计算，电力系统动态稳定性分析，是基于正弦对称情况下提出的，在非正弦不平衡条件下，电力系统分析领域中的传统综合负荷的等效建模方法已不能有效反映负荷特性，这给电能计量、谐波和无功补偿等方面的理论及仿真分析带来了很大的困扰。
发明内容：
本发明的目的是提供一种综合负荷的等效建模方法，解决目前电能质量分析中采用的综合负荷等效建模方法中其等效参数不能与实际物理现象一一对应，无法有效反映电路特性、在非正弦不平衡条件不适用的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种综合负荷的等效建模方法，包括：
在每个频谱分析时间窗T内，采集综合负荷PCC点的电压和电流信号；
确定电压的波形集、电流的波形集和n次谐波有功分量；
根据所述的n次谐波下的有功功率方向，将谐波分为子集NC和子集ND；
根据所述的频次属于ND的谐波电流集，建立综合负荷的n1次谐波下的负荷等效模型；n1∈ND；
针对所述的频次属于NC的谐波电流集，建立其n2次谐波下的负荷等效模型；n2∈NC。
本发明提供的一种综合负荷的等效建模方法，所述电压的波形集和电流的波形集通过所述电压和电流信号的傅里叶分解得到；再计算所述n次谐波有功分量；n∈N,N为综合负荷所包含的基波和谐波子集。
本发明提供的一种综合负荷的等效建模方法，所述子集NC为有功功率方向从电源到负荷的谐波集合，所述子集ND为有功功率方向从负荷到电源的谐波集合。
本发明提供的另一优选的一种综合负荷的等效建模方法，所述综合负荷n1次谐波下的等效模型为谐波电流源，表征从负荷流向电源的电流的功率特性；所述n1∈ND。
本发明提供的另一优选的一种综合负荷的等效建模方法，将从电源到负荷的电流，通过等值参数来表征其功率特性，以建立n2次谐波下的负荷模型；所述参数包括总源荷有功的等效电导、n2次谐波下的有功等效电导、n2次谐波下的分散功率等效电导、n2次谐波下的等效电纳和n2次谐波下的不平衡导纳。
本发明提供的又一优选的一种综合负荷的等效建模方法，所述n次谐波负荷等效模型的等值参数包括发生电流源Ig、负载等效电导Ge、分散电导Gs、无功电纳
和不平衡导纳
本发明提供的又一优选的一种综合负荷的等效建模方法，所述等值参数对应于相应的功率分量包括发生功率、有功功率、分散功率、无功功率和不平衡功率。
本发明提供的又一优选的一种综合负荷的等效建模方法，利用录波仪或电能质量分析仪，获得每个频谱分析时间窗T内,综合负荷PCC点的电压和综合负荷电流信号。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明的方法以电源对称的三相电路为研究对象，以电路叠加定理为前提，建立的是综合负荷各次谐波的等效模型；
2、本发明的方法以对称的电路结构来研究非正弦不平衡条件时的负载特性，分析方便，通用性强；
3、本发明的方法既可表征对称负载特性又可表征非对称负载特性，且物理概念明确，思路清晰；
4、本发明的方法为电能计量、谐波和无功补偿、电能质量评估提供依据；
5、本发明的方法可以有效解决三相系统综合负荷的等效建模问题。
附图说明
图1为本发明提供技术方案的综合负荷n2(n2∈NC)次谐波下的等效模型拓扑图；
图2为本发明提供技术方案的综合负荷n1(n1∈ND)次谐波下的等效模型拓扑图；
图3为本发明提供技术方案的综合负荷n次谐波模型等效参数求取流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-3所示，本例的发明提供的一种综合负荷的等效建模方法，实施中分三相三线制和三相四线制电路两种情景，其等值参数的示例求取方法分别如下。
情景1：三相三线制电路
步骤1：每个频谱分析时间窗T(参考标准IEC 61000-4-7，T的典型值可取为0.2s)内，采集综合负荷PCC点的电压VA、VB、VC和综合负荷电流信号iA、iB、iC；采集数据随时间窗的滑动而变化，负荷模型等效参数时变。
步骤2：根据步骤1所述的该时间窗内的电压、电流信号，将电压、电流进行傅里叶分解，得到电压、电流的波形集，然后计算n(n∈N,N为综合负荷所包含的基波和谐波子集)次谐波有功分量；
其中，VX为综合负荷PCC点的三相对地电压信号，iX为综合负荷PCC点的三相电流信号。
步骤3：根据步骤2所述的n次谐波下的有功功率方向，将谐波分为两个子集NC和子集ND；即
Pn＞0,n∈NC；Pn＜0,n∈ND (4)
所述子集NC表示有功功率方向从电源到负荷的谐波子集，称其有功为源荷有功功率，所述子集ND表示有功功率方向从负荷到电源的谐波子集；
步骤4：根据步骤3所述的子集NC和子集ND，将电流子集分为子集NC和子集ND；
步骤5：根据4所述的电流子集ND，得到综合负荷n1次(n1∈ND)谐波下的等效模型，所述等效模型为一个谐波电流源，对应等值参数为发生电流Ig，其对应于发生功率分量；
步骤6：针对步骤5所述的电流子集NC，以四个等值参数来表征其特性，分别为总源荷有功的等效电导，n2次谐波下的有功等效电导，n2次谐波下的分散功率等效电导，n2次谐波下的等效电纳，n2次谐波下的不平衡导纳；
所述四个等值参数对应于相应的功率分量，分别为有功功率、分散功率、无功功率、不平衡功率；上述参数可按下列公式求取。
1)总源荷有功的等效电导Ge
Ge表征以最小的电流值获得等值总源荷有功的等效电导，总三相源荷有功功率计算公式为：
获得总三相源荷有功功率P后，即可按下式计算等效电导：
Ge＝P/||ve||2 (6)
2)n2次谐波分散功率的等效电导Gs
n2次谐波的等效电导可如下计算：
分散电流因由谐波频率下的负载电导不同于负载等效电导而产生，n2次谐波分散功率的等效电导的计算公式为：
3)无功电纳Bn2
n2次谐波的等效电纳可如下计算：
4)不平衡导纳
存在以下关系式：
其中
且当三相基波电压为正序对称时，有：
当三相电压为负序对称时，则有：
则n2次谐波的三相不平衡导纳为：
其中，为的共轭，涉及到的电压为
步骤7：根据步骤5和步骤6所述的各次谐波下与负荷物理现象对应的功率分量、等值参数，建立综合负荷的n次谐波等效模型；
步骤8：采集下一时间窗内综合负荷PCC点的电压和综合负荷电流信号，按步骤1-7重新计算并更新综合负荷的n次谐波模型的等效参数。
情景2：三相四线制电路
步骤1—步骤5：与三相三线制电路的相同。
步骤6：针对步骤5所述的电流子集NC，以四个等值参数来表征其特性，分别为总源荷有功的等效电导，n2次谐波下的有功等效电导，n2次谐波下的分散功率等效电导，n2次谐波下的等效电纳，n2次谐波下的不平衡导纳；
所述四个等值参数对应于相应的功率分量，分别为有功功率、分散功率、无功功率、不平衡功率；上述参数可按下列公式求取。
1)总源荷有功的等效电导Ge
有功的等效电导Ge按式(5)、(6)求取。
2)n2次谐波分散功率的等效电导Gs
对于三相谐波导纳可按如下公式计算：
则n2次谐波等效电导为：
则根据定义，n2次谐波分散功率的等效电导为：
3)n2次谐波等效电纳
根据定义及式(14)，n2次谐波等效电纳为：
4)不平衡导纳
负序n2次不平衡导纳为：
则三相负序n2次不平衡导纳参数为：
零序n2次不平衡导纳为：
则三相零序n2次不平衡导纳参数为：
步骤7：根据步骤5和步骤6所述的各次谐波下与负荷物理现象对应的功率分量、等值参数，建立综合负荷的n次谐波等效模型；
步骤8：采集下一时间窗内综合负荷PCC点的电压和综合负荷电流信号，按步骤1-7重新计算并更新综合负荷的n次谐波模型的等效参数。
本发明适用于三相系统，所建立的综合负荷等效模型可表征正弦平衡、正弦不平衡、非正弦平衡和非正弦不平衡条件下的负载特性，适用范围广，通用性强，电路条件对本方法的限制小。
本发明提出的综合负荷的等效建模方法物理概念明确，思路清晰，无论电源电压是否正弦、电路是否平衡，均能准确的表征负载特性，并能与实际的物理现象相对应，可实现对任意三相电路的综合负荷的建模并进行相关的电路特性分析。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种综合负荷的等效建模方法，其特征在于，包括：
在每个频谱分析时间窗T内，采集综合负荷PCC点的电压和电流信号；
确定电压的波形集、电流的波形集和n次谐波有功分量；
根据所述的n次谐波下的有功功率方向，将谐波分为子集NC和子集ND；
根据所述的频次属于ND的谐波电流集，建立综合负荷的n1次谐波下的负荷等效模型；n1∈ND；
针对所述的频次属于NC的谐波电流集，建立其n2次谐波下的负荷等效模型；n2∈NC；
所述电压的波形集和电流的波形集通过采集的电压和电流信号的傅里叶分解得到；再计算所述n次谐波有功分量；n∈N,N为综合负荷所包含的基波和谐波频次集合；
所述子集NC为有功功率方向从电源到负荷的谐波频次集合，所述子集ND为有功功率方向从负荷到电源的谐波频次集合；
所述综合负荷n1次谐波下的等效模型为谐波电流源，表征从负荷流向电源的电流的功率特性；所述n1∈ND；
将从电源到负荷的电流，通过等值参数来表征其功率特性，以建立n2次谐波下的负荷模型；所述参数包括总源荷有功的等效电导、n2次谐波下的有功等效电导、n2次谐波下的分散功率等效电导、n2次谐波下的等效电纳和n2次谐波下的不平衡导纳；
所述n次谐波负荷等效模型的等值参数包括发生电流源Ig、负载等效电导Ge、分散电导Gs、无功电纳
和不平衡导纳
所述等值参数对应于相应的功率分量包括发生功率、有功功率、分散功率、无功功率和不平衡功率。
2.如权利要求1所述的一种综合负荷的等效建模方法，其特征在于：利用录波仪或电能质量分析仪，获得每个频谱分析时间窗T内,综合负荷PCC点的电压和综合负荷电流信号。
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| 面向负荷的光伏电池和燃料电池建模及其等效描述;钱军 等;《电网技术》;20110430;第35卷(第4期);135-142 * |
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