CN108141038A

CN108141038A - 配电网络谐波污染的确定

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Publication number: CN108141038A
Application number: CN201680058220.7A
Authority: CN
Inventors: 劳伦特·朗博
Original assignee: Universite de Poitiers
Current assignee: Universite de Poitiers
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2036-10-04
Also published as: US20180313879A1; FR3042075B1; CA3000302A1; US11029350B2; FR3042075A1; CN108141038B; EP3360222A1; WO2017060606A1; JP2018530300A; MX2018004301A; EP3360222B1; KR20180063284A; BR112018006932A2

Abstract

本发明涉及检测传输三相电流的配电网络内的谐波污染的方法，包括；针对每个所述相位，在所述网络的计量点(P1，P2，P3，P4)处，测量电压和电流幅值的步骤；计算对应于电流的基频的第一基于四元数阻抗的步骤；计算对应于电流的谐波频率的至少一个第二基于四元数阻抗的步骤；这些阻抗是通过以二维变换来变换电压和幅值而计算，所述二维变换是根据基于所述频率的角度而界定，以便提供具有分别为u_d、u_q、u_o以及i_d、i_q、i_o的两向量三数量的系统。然后，在使用四元数表示法之后，通过应用如下表达式：针对实数部分:公式(I)，针对虚数部分:公式(II)。基于所述第一阻抗与所述至少第二阻抗之间的差值，确定谐波污染的步骤。

Description

配电网络谐波污染的确定

技术领域

本发明涉及配电网络内谐波污染的检测。这样使得不仅能检测谐波污染，而且能测量谐波污染，并能根据操作的方法确定所述谐波污染的位置。

背景技术

理论上，配电网络(或更简单地说“电网”)以固定频率正弦波(在法国为50Hz)将发电厂的电传输到用户。这些用户可以是使用数量和规模有限的设备的个人，或者是可能具有数量巨大的设备并且需要非常高的耗电量的工业设施。

某些种类设备可能会干扰这种信号，并产生谐波畸变。通常，这种设备安装在用户的场所，且配电网络管理器不能对其进行控制。

这种谐波畸变是由连接到电网的非线性负荷导致的，其诱发信号的谐波分量。这类非线性负荷是由于维护不善、有缺陷，或设计不良的设备产生的。某些类型的设备本来就具有非线性负荷，像是例如，LED(发光二极管)、家用电器电源，以及用于电动机的速度传动装置，等等。现在，据信与这些谐波干扰相对应的能量相当于使用的总能量的大约5％。由于带有固有非线性负荷的设备数量增加，谐波畸变数量在今后也将会显著增长。

谐波干扰的主要缺点在于其横跨整个配电网络进行传播，而不只限于用户的专用网络。

然而，一些设备对此现象非常敏感，这会干扰或甚至破坏设备。对于像电视机等设备就是这样的情况，由于谐波干扰电网，这会大幅度地降低它们的使用寿命。

此外，配电网络管理器通过计量器执行的耗电量测量机制基于基本的测量。换言之，只有相当于50Hz(对于法国而言)的能量才被考虑在内来确定用户的消费量。相当于谐波频率的能量不会被考虑在内，且因此不能向用户收取费用，这相当于5％的损失。

因此，对于配电网络管理器而言，尽最大努力控制谐波干扰是一个巨大的挑战。

尽管如此，这些解决方案并不能使你确定谐波污染的来源。在每个用户连接点处必须放置滤波器，以确保局部干扰不会传播。

这种明显高成本的解决方案是不完美的：因为滤波器是昂贵的，谐波污染的种类和其估算值必须是已知的。

现行的解决方案，尤其是滤波解决方案，基于实际上定位在用户场所处的电网的模型。使用这种模型，可能会得出怎样免除或大幅度减少滤波器处相当于谐波频率的能量。

然而，由于用户之间的差异，而且尤其是连接到电网的负荷的动态本质，很难产生用户网络的模型。在一天时间内，甚至是从这一分钟到下一分钟，所连接的负荷可能会极大地变化。

因此，基于确定用户电网的模型的解决方案肯定是极其不足的。

在Qi Fei、Li Jian-Wen、Li Yong-gang、Sun Wei以及Li Zhong-Jian的论文《谐波污染的责任划分和基于完全最小二乘25回归方法的谐波阻抗的研究(Research on theResponsibility Partition of and Harmonic Impedance Based on the Total Least-squares 25Regression Method)》中描述了这种基于模型解决方案的实例。这种方法也遭遇以上提及的缺点，即无法说明用户电网的动态本质。

此外，这种解决方案不能定位污染的来源。事实上，此方案可以用来确定用户网络是否遭到谐波污染，但不能用来确定谐波污染是用户网络产生的还是通过配电网络来自于另一用户。

无法定位谐波污染的来源，所述方案不能够完全有效地实施对抗措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种至少部分地抵消上述劣势的方法和系统。

出于此目的，本发明提出，根据第一方面，检测传输电流的配电网络内的谐波污染的程序，其包括

-针对每个所述相位，在所述网络的计量点处，测量至少一个电压和所述电流的至少一个幅值的步骤。

-计算对应于所述电流的基频的第一基于四元数阻抗的步骤。

-计算对应于所述电流的谐波频率的至少一个第二基于四元数阻抗的步骤。

所述阻抗，Z_r、Z_i，通过以二维变换变换所述电压和幅值而计算，所述二维变换是根据基于所述频率的角度而界定，以便提供具有分别为u_d、u_q、u_o以及i_d、i_q、i_o的两向量三数量的系统，然后，在使用四元数表示法之后，应用如下表达式：

针对实数部分：

针对虚数部分：

-基于所述第一阻抗与所述至少一个第二阻抗之间的差值，确定谐波污染的步骤。

基于优选的操作方法，本发明包括一个或几个如下特征，所述特征可单独使用或部分地使用或彼此全部组合使用。

-所述电流是三相的，所述测量步骤包括测量三个相位的电压和幅值，并且所述二维变换包含派克变换的前两个维度。

-所述电流是单相的且所述二维变换是通过以下方程式界定的：

-所述谐波频率是5阶谐波频率。

-至少一个第二阻抗对应于5阶、7阶、11阶、13阶、17阶、19阶、23阶的谐波频率。

本发明的另一方面涉及经调适以能够检测传输电流的配电网络内的谐波污染的计量器，其包括

-针对每个所述相位，在所述网络的计量点处，测量电压和所述电流的幅值的构件。

-计算对应于所述电流的基频的第一基于四元数阻抗的构件。

-计算对应于所述电流的谐波频率的至少一个第二基于四元数阻抗的构件。

所述阻抗通过以二维变换来变换所述电压和幅值而计算，所述二维变换是根据基于所述频率的角度而界定，以便提供具有两向量三数量的(分别为u_d、u_q、u_o以及i_d、i_q、i_o)系统，然后，在使用四元数表示法之后，通过应用如下表达式：

针对实数部分：

针对虚数部分：

-基于所述第一阻抗与所述至少一个第二阻抗之间的差值，确定谐波污染的构件。

基于优选的操作方法，本发明包括一个或几个如下特征，所述特征可单独使用或部分地使用或彼此全部组合使用：

-所述谐波频率是5阶谐波频率。

-所述至少一个第二阻抗对应于5阶、7阶、11阶、13阶、17阶、19阶、23阶的谐波频率。

本发明的另一方面是包括至少一个如上界定的计量器的配电网络。

根据一个操作方法，此配电网络可包括端子与用户之间的多个分配支路，和与每个所述用户相关的计量器，以便确定谐波污染起源处的用户。

本发明的另一方面涉及一种系统，包括如上所界定的计量器和反谐波滤波器，其中由所述计量器确定的所述谐波污染使滤波器能够被动态地配置。

因此，所提出的解决方法不仅能够确定是否存在谐波污染，还能让我们对其进行量化。

以下将描述本发明的其它特征和优点，其遵循操作本发明的优选模式，参考随附图式作为实例给出。

附图说明

图1根据操作本发明的一个模式示意性地描绘使用本发明的配电网络的一个实例。

图2示意性地描绘操作本发明的一个模式的程序的功能视图。

具体实施方式

图1描绘了以三相低电压向4个用户或用户端C1、C2、C3、C4供电的配电网络。

MV/LV变压器可以对配电网络的端子区段进行输入，所述变压器可以将中电压(例如，20kV)降至低电压(例如，400V)。计量点P1、P2、P3、P4分别与每个用户C1、C2、C3、C4相关联。他们可以定位在用户的专用电网的输入端，以便计数相关用户的耗电量。

根据操作本发明的一个方法，这些计量点，或计量器经调适以确定由用户产生的对电网的谐波污染的量。

本发明也允许定位谐波污染。因为谐波污染在配电网络上进行传播，应注意到涉及测量用户场所的处谐波污染的某些方法可以测量来自另一用户的污染。所以，这些方法不会提供有效的矫正措施。

换言之，不仅能够测量谐波污染，实际上还能定位谐波污染(意味着能确定其来源于哪个消耗网络)是至关重要的。

位于MV/LV变压器附近的另外的计量点P5也能够经调适来确定谐波污染的量。根据本发明，这种额外计量点确定的量是计量点P1、P2、P3、P4所确定的量的总和。

因此，本发明也使得能够确定哪个用户产生最大的谐波污染。计量点P1、P2、P3、P4提供的污染测量使得能够，例如，分别配置滤波器F1、F2、F3、F4。因此，可以通过代表连接到用户网络的非线性负荷的测量来动态地配置反谐波滤波器。

所以，可以显著降低谐波污染，甚至从配电网络中完全去除所述污染。用户的专用网络上产生的谐波污染仍限于这种专用网络，而并不干扰其他用户。此外，没有累积效应，因为每个用户的谐波干扰不再彼此重叠。

此外，配电网络管理器可特定测量每个用户的污染。举例来说，如果污染超过了给定阈值，则这种测量使网络管理器能够采取个性化的纠正措施。事实上，谐波污染的程度被视为是可接受的，特别是由反谐波滤波器可轻易去除这种谐波污染的情况，但是某些高程度的谐波污染可能需要特定的干涉。

最终，了解量化程度的谐波污染可有助于降低用户的实际耗电量。事实上，因此可能知道相对于每个谐波频率(或甚至是主要谐波频率)的消耗的能量，并且因此知道总消耗能量。

根据本发明，5阶谐波畸变的确定足以良好地估算总体的谐波污染。或者，可以考虑5阶和7阶谐波，或5阶、7阶、11阶谐波，或5、7、11、13、17、19、23阶等等之间的任何阶数的谐波，以便能够最具体地估算总体的谐波污染。

首先，在计量点上测量电压和幅值。

这种测量是针对三个相位进行的，因此提供用于三个分量的两个向量：

对于电压，V＝[V1,V2,V3]，以及

对于电流的幅值，I＝[I1,I2,I3]。

然后，根据本发明，我们计算对应于电流的基频的第一阻抗。

大体而言，出于此目的，根据本发明的程序包括二维变换中测量的电压和幅值的变换，这种转化是根据依据给定频率的角度所界定的。

根据所述操作的一个第一模式，电流是三相电流。

在这种情况下，根据基于这种基频的角速度，通过派克变换方式，或派克式变换，变换电压V与幅值I来计算所述阻抗。

这种派克变换使其可能将3D向量变换成2D数学空间。其它变换具有与派克变换相似的性质，像是例如，DQO(直接正交零)变换。

因此，电流的幅值向量，I＝[I1,I2,I3]，根据派克变换可提供幅值I_dqo，根据如下方程式：

电流的幅值向量，I＝[I1,I2,I3]，根据DQO变换可提供幅值I_dqo，根据如下方程式：

针对电压V＝[V1,V2,V3]可写出类似方程式。

这样两种变换的区别仅在于变换矩阵P的第三行不同。然而，在本发明的上下文中且将如下文所见的，这样的第三行并未在计算中使用且在此仅出于具有反矩阵之目的而被示出。因此，本发明可使用不同的变换，在下文中将被称为“派克变换”或“派克型变换”。

角θ对应于给定频率，根据典型关系式：θ＝2πtf，其中t是时间而f是给定频率。

根据本发明，需要考虑至少两个频率：基频和谐波频率，例如5阶的谐波频率。同样，出于此目的，必须针对角θ的至少两个值完成显示的计算。

根据本发明所述的第二实施方式，电流和电压是单相的。这又需要返回到二维变换，由角θ界定(并且也允许如下文所见地进行比较)。

使其可能返回到这样的转化的变换可通过如下表达式进行描述：

其中V和I分别表示单相的电压和幅值。

如针对三相电流，可以通过等值θ＝2πtf确定角θ，其中t是时间而f是给定频率。

在所述的两个实施方式中，确定的大小，u_d、u_q、i_d以及i_q取决于时间。

在确定这四个大小之后，可以通过使用四元数表示法确定阻抗。因此，所获得的阻抗也将是基于四元数的。

根据四元数表示法，可能写出两种以下形式的转化向量

V＝v.cos(ψ1).K+v.sin(ψ1).L

I＝i.cos(ψ2).K+i.sin(ψ2).L

其中K和L表示平面的两个垂直轴。通过S＝V.I*，或I*界定的表观功率S，表示幅值I的组合的量，因此可表示为：

S＝(v.cos(ψ1).K+v.sin(ψ1).L).(-i.cos(ψ2).K-i.sin(ψ2).L)

Soit：

S＝vi.cos(ψ1-ψ2)+vi.sin(ψ1-ψ2).M

其中M是由轴K和L形成的平面中的垂直轴。

表达式出现两个项P和Q，通过如下界定：P＝vi.cos(ψ1-ψ2)，表示表观功率的标量部分，意指有功功率。

Q＝vi.sin(ψ1-ψ2).M，表示表观功率S的向量部分，意指无功功率。

阻抗Z是由Z＝V/I界定的，

因此，S＝V.I*＝Z.I.I*且S＝P+Q

因此，我们可以写出下列方程式：

根据本发明，针对至少两个频率计算阻抗Z，基频和至少一个谐波频率。

图2示意性地且非穷举性地图示本发明的程序。其是本发明程序的功能视图，可以根据不同的技术性构件进行实施。

TPV以及TPI方块分别表示在给定计量点中测量的电压V和电流幅值I的派克变换。

方块S表示给定频率处的正弦信号发生器。根据本发明，图2表示的步骤起初是针对基频进行的，然后在谐波频率下至少再进行一次。例如，其首先可在频率f₀＝50Hz下完成(对应于法国的基频)，且第二次是在f₅＝250Hz频率下完成(对应于法国的5阶谐波)。

这种正弦波提供于两个TPV和TPI方块的输入端中，以便确定派克变换矩阵的角θ。

θ₀＝2πf₀

θ₅＝2πf₅

在派克变换中，TPV和TPI方块的输出端分别具有电压u_dpo和幅值i_dpo。然后将这种电压和幅值传输到滤波器F_ud、F_uq、F_uo、F_id、F_iq以及F_io。这些是低通滤波器，允许不断分离派克变换中的分量，意指在给定的频率下的分量。电压分量u_dqo可被解多工，以便分别针对每一个分量u_d、u_q，以及u_o由特定滤波器F_ud、F_uq，以及F_uo进行处理。同样地，幅值分量i_dqo可被解多工，以便分别针对每一个分量i_d、i_q，以及i_o由特定滤波器F_id、F_iq，以及F_io进行处理。

然后，这些分量u_d、u_q、i_d、i_q，以及i_o被提供在计算方块P、Q以及I.I*的输入端中。这些方块对应于先前界定的物理量P、Q以及I.I*(＝I2)的计算且对应于方程式

因此，对应于表观功率的标量部分的物理量P(意指有功功率)，可根据表达式提供的分量进行计算：

P＝u_dxi_d+u_qxi_q

表示表观功率S的向量部分的物理量Q(意指无功功率)，可根据表达式提供的分量进行计算：

Q＝u_qxi_d+u_dxi_q

最后，物理量I.I*可根据表达式提供的分量进行计算：

I.I*-i_dxi_d+i_qxi_q

这三个计算方块的3个结果为下一相位的计算方块Z_r和Z_i提供输入。如以上我们所见的，通过以下方式提供阻抗：

因此，根据下式我们确定实部阻抗Z_r和虚部阻抗Z_i：

以及

这些实部阻抗和虚部阻抗也可表达成：

如以上我们所见的，实部阻抗和虚部阻抗是基于四元数的。阻抗的虚数部分表示跟随垂直于平面(d,q)的轴的向量部分。

因此，本发明包括第一步骤，所述第一步骤为针对计量点处电流的基频的频率f₀计算第一阻抗Z_r、Z_i的值。第二步骤是针对相同计量点处I阶的谐波的频率f_i计算至少第二阻抗Z_r、Z_i。第三步骤是基于第一阻抗(针对基频)与第二阻抗(针对i阶谐波频率)之间的差值确定谐波污染。

实际上，如果在电流的不同频率处的测量值之间存在阻抗差值，那么这意味着负荷并非线性运行且这种负荷导致谐波污染。

使用i＝5阶谐波处的负荷阻抗的对照足以良好地估算负荷网络的运行，但可决定考虑其它谐波频率，以改进估算。

此外，阻抗Z_r、Z_i的差值可指示谐波污染的程度。这种程度可与阈值相比较，以便指示谐波污染。这种特性使得能够区分开分配管理器可能不会采取行动的次要污染，和管理器可能会希望至少被告知的较大范围的污染。

本发明与当前技术状态的解决方案相比展示了许多主要优点。

首先，考虑到时间，且因此使其可能处理网络负荷的动态方面。因此，用户可连接设备以及断开连接设备，且解决方案将能够实时地确定其谐波污染，当然不需要再次计算网络的模型。

此外，使用四元数表示法使其可能远离来自连接到配电网络的其他用户的干扰的影响。实际上，如以上我们所见的，通过配电网络将用户的谐波污染传输到与其连接的其他用户。因此，能够在测量通过配电网络来自另一用户的污染的点处隔离本地产生的污染是至关重要的。

负荷的非线性本质是由阻抗(基频和谐波频率)值确定的，其不论非正弦波电流如何都会改变。给定负荷的非线性本质的特性，因此污染谐波，使得可能评估电网的污染，其中在所述电网处所有用户产生互连而又连接的系统。

每个用户既是污染源也是受到其他用户产生的污染的受害者。所提出的模型使得可能考虑到单独的一个用户的污染部分。

使用这些数值馈送反谐波污染滤波器，以使得滤波器可被配置并调适到实际的谐波污染。本发明也允许滤波器具有对应于配电网络的实矩阵，而不是目前最先进技术中的理论模型。

根据操作本发明的一个方法，可连续地或周期性地实施这种程序，以便甚至实时地估算动态谐波污染。因此，反谐波滤波器的配置可变成动态的。可根据用户的电网负荷的变化实时调适这些滤波器。与其它当前技术状态的解决方案相比，这显然有很大的优势。

当然，本发明不限于实例和所述及所呈现的操作方法，熟知本领域的技术人员可能获得许多变体。

Claims

1.一种用于检测传输电流的配电网络内的谐波污染的程序，其包含

针对每个相位，在所述网络的计量点(P1，P2，P3，P4)处，测量至少一个电压和所述电流的至少一个幅值的步骤；

计算对应于所述电流的基频的第一基于四元数阻抗的步骤；

计算对应于所述电流的谐波频率的至少一个第二基于四元数阻抗的步骤；

所述阻抗通过以二维变换来变换所述电压和幅值而计算，所述二维变换是根据基于所述频率的角度而界定，以便提供具有分别为u_d、u_q、u_o以及i_d、i_q、i_o的两向量三数量的系统，然后，在使用四元数表示法之后，通过应用如下表达式：

针对实数部分：

针对虚数部分：

基于第一阻抗与至少第二阻抗之间的差值，确定谐波污染的步骤。

2.根据上述权利要求所述的程序，其中所述电流是三相的；所述测量包括测量三个相位的电压和幅值；并且所述二维变换包含派克变换的前两个维度。

3.根据权利要求1所述的程序，其中所述电流是单相的，且所述二维变换是通过以下方程式界定的：

4.根据前述权利要求中的一项所述的程序，其中所述谐波频率是5阶谐波频率。

5.根据权利要求1到3中的一项所述的程序，其中所述至少第二阻抗对应于5阶、7阶、11阶、13阶、17阶、19阶、23阶中的阶次的谐波频率。

6.一种用于检测传输三相电流的配电网络内的谐波污染的经调适计量器，其包括

针对每个相位，在所述网络的计量点处，测量电压和所述电流的幅值的构件；

计算对应于所述电流的基频的第一基于四元数阻抗的构件；

计算对应于所述电流的谐波频率的至少一个第二基于四元数阻抗的构件；

针对实数部分：

针对虚数部分：

基于第一阻抗与至少第二阻抗之间的差值，确定谐波污染的构件。

7.根据前述权利要求所述的计量器，其中所述电流是三相的，测量步骤包括测量三个相位的电压和幅值，并且所述二维变换包含派克变换的前两个维度。

8.根据权利要求6所述的计量器，其中所述电流是单相的，且所述二维变换是通过以下方程式界定的：

9.根据权利要求6到8中一项所述的计量器，其中所述谐波频率是5阶谐波频率。

10.根据权利要求6到8中一项所述的计量器，其中所述至少第二阻抗对应于5阶、7阶、11阶、13阶、17阶、19阶、23阶中的阶次的谐波频率。

11.一种配电网络，其包含至少一个根据权利要求6到10所述的计量器。

12.根据前述权利要求所述的配电网络，其包含输入端子(MV/LV)与用户(C1，C2，C3，C4)之间的多个分配支路，和与每个所述用户相关的计量器(P1，P2，P3，P4)，以便确定谐波污染起源处的用户。

13.一种系统，其包括根据权利要求6到10中一项所述的计量器和反谐波滤波器，其中由所述计量器确定的所述谐波污染使得能够动态地配置所述滤波器。