CN107390030A

CN107390030A - 基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法

Info

Publication number: CN107390030A
Application number: CN201710615398.3A
Authority: CN
Inventors: 凌毓畅; 曾江
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: CN107390030B

Abstract

本发明公开了一种基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法，步骤如下：选取并网点G1、G2、G3安装精确测量系统，测量得到三相电网谐波电压u_sah、u_sbh、u_sch；安装谐波电流发生器，设定谐波次数h，设置线性自抗扰控制器的参数，发出谐波电流i_ah、i_bh、i_ch；精确测量系统测量并提取得到实际的三相谐波电流i_ah i_bh i_ch，对其做Park变换获得i_dh i_qh，同时获得线性自抗扰控制器的输出u'_dh和u'_qh、以及扩张状态观测器的输出z_2d、z_2q；计算出对应第h次的系统谐波阻抗R_sh+jω_hL_sh；依次调整波次数h的值，重复上述步骤，得到相对应的h次谐波阻抗。该方法通过扩张状态观测器能够精确地观测出总和扰动，因此，测量结果较为精确，并且测量方法简单快速。

Description

基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统谐波测量技术领域，具体涉及一种基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法，适用于对电网的各次谐波阻抗的精确测量。

背景技术

电力电子技术的飞速发展,使它在国民经济中得到了越来越广泛的应用,并且取得了巨大的社会效益和经济效益。但与此同时,电力电子技术及设备的应用也造成了电力系统的谐波污染,并且日益严重。谐波是电环境的污染物。像很多其它形式的污染一样,谐波的发生要影响整个电环境,而且可能波及离谐波源很远的地方。电力系统谐波最明显的恶果或许是在电话通讯中因感应谐波噪声而使通话质量下降,再就是一些发生比较少,却能产生灾难性后果的情况,例如使重要的控制和保护设备发生误动作以及使电力装置与系统过载等。谐波污染的存在常常在遭受昂贵损失之后才被探测出来,例如改善功率因数用的电容器被破坏。国际上列出了谐波对电力系统及用户不良影响的11个方面：(l)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动异常；(3)引起感应电机和同步电机的额外损耗和过热；(4)网络谐振引起过电压和过电流；(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作,特别是固态的和微机型的；(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侧或闭锁的触发电路的不稳定运行。

因此,世界各国均对谐波问题日益关注,特别是国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)都相继成立了专门的谐波工作组。过去,对电能质量只要求频率与电压水平；现在,许多国家已制订了关于谐波限制的法规,对不同条件的电网中的谐波制订了具体的限制指标。我国己于1984年颁发了第一个谐波管理规定(暂行规定)。

电力系统谐波责任分析往往采用系统和用户诺顿等效电路分析，电网中系统侧和用户侧谐波源共同作用于公共耦合点(point of common couopling，PCC)处，如何根据所关注的PCC处谐波电压和电流数据，区分系统侧和用户侧谐波责任是难点也是重点。谐波电流在不同电压等级下不具有可比性，通过分析用户和系统在PCC处引起的谐波电压进行谐波责任划分更加合理。分析PCC处谐波污染的关键在于系统谐波阻抗的计算，即通过电力系统运行时测得的电压和电流等参数，进行谐波分析，而不是通过改变系统现时运行状态获得相关数据来进行谐波污染分析。

随着谐波问题的提出,国外研究领域对谐波阻抗的测量方法近年来也有了更多的探索,提出了几种谐波阻抗测量方法,但目前国内对谐波阻抗测量方法的研究工作成果很少。国外主要提出的测量方法有包括低压电力系统的谐波电流直接注入法,利用网络存在的谐波源测量系统的谐波阻抗,以及测量谐波阻抗的频谱分析法等。这些方法的实质都是利用电网中系统运行点的改变人为发生的或自身产生的,对电压电流信号进行时频域的分析处理,得出网络等效阻抗的频率特性。但都或多或少存在一定的限制与瓶颈,目前为止还没能找到一种切实可行、简易通用的能够用于实际电网中的准确测量谐波阻抗的方法。而且,对于测量结果的准确性的验证,误差大小的分析也存在一定的技术难度。主要原因是随着计算机仿真技术的不断发展,虽然可以用强功能的计算机软件程序进行仿真、计算和分析,但最好的计算机程序和电网分析仪也不能弥补可靠数据的不足。而且,系统的谐波阻抗还随着负荷、网络元件和系统的变化而不断的变化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法，该方法通过使用线性自抗扰控制器控制三相谐波电流发生器向系统依次注入各次谐波电流，通过注入的谐波电流和线性自抗扰控制器的观测值能够较精确地计算出电网的各次谐波阻抗。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法，所述方法包括下列步骤：

S1、选取并网点，在并网点通过精确测量系统测量得到电路断开状态下A、B、C三相电网电压u_sa、u_sb、u_sc，通过傅里叶分解后，人为设置只提取所需的第h次A、B、C三相谐波电压u_sah、u_sbh、u_sch；

S2、安装谐波电流发生器，设定谐波次数h，设置线性自抗扰控制器的参数，谐波电流发生器能够根据指令的要求发出谐波电流；

S3、通过精确测量系统测量并提取得到实际的三相谐波电流i_ah i_bh i_ch，对其做Park变换获得d轴和q轴谐波电流i_dh i_qh，同时获得线性自抗扰控制器的输出u'_dh和u'_qh、以及扩张状态观测器的输出z_2d、z_2q；

S4、计算出对应第h次的系统谐波阻抗R_sh+jω_hL_sh；

S5、依次调整波次数h的值，重复步骤S1至S4，得到相对应的h次谐波阻抗。

进一步地，所述的步骤S2中设置线性自抗扰控制器的参数过程如下：

S21、取_ωo＝3～10k_p、_β1＝2ω_o、b₀＝1/L₁；

S22、从小到大调节k_p，直至输出电流i_dh和i_qh出现波动和振荡为止，记录此时k_p和b₀；

S23、增大b₀的值，重复步骤S21和步骤S22；

S24、对b₀调整多次后，对比不同k_p和b₀值的控制效果，选取一套最优的参数。

其中，ω_o为线性自抗扰控制器中扩张状态观测器的带宽，k_p、b₀为线性自抗扰控制器中可调参数，L₁为谐波电流发生器的电感值。

进一步地，所述的步骤S4中通过下列公式计算出对应第h次的系统谐波阻抗R_sh+jω_hL_sh，公式如下：

上式中，f_d和f_q由扩张状态观测器观测出来，等于扩张观测器的输出z_2d和而电流i_dh和i_qh将跟踪设定值和u'_dh和u'_qh为线性自抗扰控制器的输出，ω_h为基波频率的h倍，L₁为谐波电流发生器的电感值，以上均为已知值，代入上式，则系统的h次谐波阻抗R_sh和L_sh可以被计算出来。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、扩张状态观测器能够精确地观测出总和扰动，测量结果较为精确；

2、测量方法较为简单，测量速度快。

附图说明

图1是本发明中三相谐波电流发生器；

图2是本发明中线性自抗扰控制器；

图3是本发明中A、B、C三相谐波阻抗测量原理图；

图4是本发明中三相系统的测量电气接线图；

图5是本发明中谐波阻抗计算流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

在阐述本实施例中公开的阻抗测量方法前，需要介绍所用到的测量装置：

1、三相谐波电流发生器。能够人为设置注入谐波的频率，向系统注入各次谐波电流，如图1所示。

2、精确测量系统。能够测量出线路某一点的电压和电流信号，并且能够做傅里叶分解，按照人为设置提取所需要的h次谐波电压和谐波电流。

3、线性自抗扰控制器。由扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)和线性误差反馈控制律构成，能够控制实际电流跟踪指令电流。

由谐波电流发生器和电网构成的系统是一个一阶线性系统，因此，首先以一阶被控对象为例阐述原理

式中，g是系统导数部分、扰动以及动态不确定性的综合；ω为未知外扰；b为控制输入增益，也包含不确定性，可对其进行估计，设估计值为b₀。则上式可写成

式中，f是系统的总和扰动。

线性自抗扰控制器由两个部分构成，如图2所示，

1)扩张状态观测器(ESO)

ESO能够观测出式(2)中的总和扰动f，其表达式为：

当参数β₁和β₂准确整定时，有z₁跟踪y，z₂跟踪总和扰动f，即z₁→y,z₂→f。

2)线性误差反馈控制律

取系统的控制率为：

式中，r为设定值。k_p为调整参数。

根据上述理论分析，将谐波电流发生器、电网和线性自抗扰控制器按图3连接，根据电路原理，可以得到：

对式(5)进行Park变换，

可以得到dq同步旋转坐标系下整个系统数学模型

其中，u_sdh和u_sqh是dq同步旋转坐标系下的电网电压。

因此，整个系统是一个两输入两输出的一阶线性系统，需要使用两个一阶的线性自抗扰控制器d和q以控制输出的实际谐波电流跟踪指令谐波电流。

由于引入了电网电压的前馈，因此u_sdh和u_sqh被抵消，仿照式(2)，将式(7)写成如下形式

其中

如前文所述，f_d和f_q能被ESO观测出来，等于扩张观测器的输出z_2d和z_2q而电流i_dh和i_qh将跟踪设定值和u'_dh和u'_qh为线性自抗扰控制器的输出，ω_h为基波频率的h倍，L₁为谐波电流发生器的电感值。以上均为已知值，代入式(9)，则系统的h次谐波阻抗R_sh和L_sh可以被计算出来。

此外，线性自抗扰控制器的参数β₁、β₂、k_p和b₀按照如下步骤整定：

取ω_o＝3～10k_p、β₁＝2ω_o、b₀＝1/L₁；

从小到大调节k_p，直至输出电流i_dh和i_qh出现波动和振荡为止，记录此时k_p和b₀；

增大b₀的值，重复以上步骤；

对b₀调整多次后，对比不同k_p和b₀值的控制效果，选取一套最优的参数。

整个谐波阻抗测量和计算步骤如图5所示，下面将结合附图对本发明方法做进一步说明，该基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法包括下列步骤：

S1、在并网点装上G1、G2、G3精确测量系统，如图4所示，但先不安装谐波电流发生器，此时，电路断开，精确测量系统测量得到的是A、B、C三相电网电压u_sa、u_sb、u_sc，精确测量系统做傅里叶分解后，提取所需的第h次A、B、C三相谐波电压u_sah、u_sbh、u_sch。

S2、在并网点装上谐波电流发生器，并设置谐波电流的频率为基波的h倍，即ω_h＝h×ω₀，按照本发明所提的参数整定步骤设置线性自抗扰控制器的参数。则谐波电流发生器能够根据指令的要求，发出频率为ω_h的三相谐波电流。

S3、精确测量系统测量并提取得到实际的三相谐波电流i_ah i_bh i_ch，对其做Park变换获得i_dh i_qh，同时获得线性自抗扰控制器的输出u'_dh和u'_qh、以及扩张状态观测器的输出z_2d、z_2q。

S4、将以上所得数据输按照公式(9)，计算出对应第h次的系统谐波阻抗R_sh+jω_hL_sh。

S5、依次调整h的值，重复上述步骤，就能得到相对应的h次谐波阻抗。比如将h的值设为2-50次变化，就能计算出对应的2-50次三相谐波阻抗。

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上述实施例的限制，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

1.一种基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

S4、计算出对应第h次的系统谐波阻抗R_sh+jω_hL_sh；

2.根据权利要求1所述的基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述的步骤S2中设置线性自抗扰控制器的参数过程如下：

S21、取ω_o＝3～10k_p、β₁＝2ω_o、b₀＝1/L₁；

S23、增大b₀的值，重复步骤S21和步骤S22；

3.根据权利要求1所述的基于线性自抗扰的三相电网谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述的步骤S4中通过下列公式计算出对应第h次的系统谐波阻抗R_sh+jω_hL_sh，公式如下：

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