CN108535529A - 考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，主要用于评价微电网中脉冲负载引起基波频率变化、电压间歇性畸变时电压波形的畸变程度，本发明的考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法通过构造参考正弦函数，计算公倍周期时间段内相对偏差率，以评价电压波形的畸变程度。本发明较全面考虑了脉冲负载下微电网的特性，交流电压频率发生波动的情况，同时兼顾到交流电压在任意时刻的畸变率，在时域范围内能够较好的反映出交流电压的畸变程度。

Description

考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法

技术领域

本发明涉及电能质量技术领域，特别是考虑基波频率变化的交流电压畸变程度评价方法。

背景技术

微电网中通常含有大量的电力电子变换器进行电能变换，而电力电子装置将产生大量的谐波导致微电网交流母线电压发生畸变，特别是脉冲负载，引起交流电压频率发生波动且周期性畸变，严重的畸变电压将导致电气设备发热、发电机输出有功功率降低、保护控制装置失灵、干扰通信指挥系统，因此对波形畸变程度进行准确的评价非常重要。

微电网电压波形畸变评价指标，通常用总谐波畸变率(Total HarmonicDistorion,THD)表示波形畸变程度，定义为周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比；谐波含有率(Harmonic Ratio,HR),定义为周期性交流量中含有的第h次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值之比。相关规范和标准普遍采用总谐波畸变率和谐波含有率设定电网谐波含量限制。在IEEE 519-1992《电力系统中谐波控制推荐实施细则与要求》中给出了另一种表示方法，总需量畸变率(Total Demand Distortion,TDD)，与THD不同的是，它采用谐波含量与额定量的比值，而不是基波含量，如电压总需量畸变率TDD_u等于总谐波电流与系统额定电流之比。这些定义都是基于傅里叶分析的理论，任何周期信号可以视为一系列不同频率、幅值和相位的正弦信号的叠加，包括和原始信号同周期的信号(基波)和更高频率的正弦信号(谐波)。黄奂等提出一种基于独立分量分析的瞬时电能质量扰动信号检测与判别方法，对分析微电网暂态时刻电能质量具有借鉴意义；飞机供电系统也可看做是独立运行的微电网，郑先成等分析了飞机供电系统交流电压发生畸变的原因，滤除电压基波分量，减小了采样误差对高频信号测量准确度的影响；此外，有些文献从不同方面对电压畸变情况进行了研究，但是上述文献提出的电压畸变程度的评估方法，都是在THD_u方法基础上对电压畸变程度的评估，并没有考虑到频率波动时的影响，具有一定的局限性。

对于工程应用中的实际信号，如电网电压，通常认为其基波频率为50Hz，但是，实际的电网电压有低频波动，特别是微电网，电源容量低、惯性小，受自然条件或负载的影响较大，特别是脉冲负载，电网电压频率已发生明显的波动，此时电网电压并非严格的周期信号，若仍以工频为前提，对多个周期的电网电压信号进行傅里叶变换，虽然也能得到频率为基波周期整数倍的谐波和非整数倍的间谐波，但是误差将会增大。

韩航星等人于2016年在《现代雷达》第2期发表“脉冲负载作用下衡量电压畸变率的方法研究”一文，针对在柴油发电机组带脉冲负载孤岛运行的系统中，柴油发电机组的输出电压发生畸变，当负载作用强烈时，电压频率波动较大，难以确定其基波频率并有效分离出各次谐波含量，此时传统的电压总谐波畸变率(THDv)已不能应用，提出了一种利用时域分析来评估正弦波电压畸变程度的方法DRV，其计算公式为：

但是该方案的缺陷在于(1)没有充分考虑基波频率变化迅速的情况；(2)没有考虑参考电压u_b(t)与实测电压信号的对应关系，即参考电压的频率、相位与实测电压信号可能存在错位的情况；(3)计算方法涉及平方、积分、微分等环节，当数据量非常大时，计算过程耗时较长，难以快速计算出结果。

假设脉冲负载的工作周期为56ms，占空比为40％，微电网交流电压和直流电流的工作波形如图1所示。图中，t₀-t₁为交流相电压周期；t₀-t₂，t₄-t₆为脉冲负载消耗功率时间；t₀-t₄，t₄-t₇为脉冲负载工作周期。脉冲负载对电源的影响只有22.4ms，时间刻度为t₀-t₂，t₄-t₆，即脉冲负载对交流电压信号的影响是间歇性的。从直流侧看，在t₀-t₂，t₄-t₆内，负载引起系统交流电压总谐波畸变率THD非常大，在t₂-t₄，t₆-t₇时间刻度内，电压总谐波畸变率接近于零；从交流侧看，t₀-t₁时间刻度内脉冲负载持续工作，负载引起系统交流电压总谐波畸变率将很大，t₁-t₃时间刻度内脉冲负载部分时间工作，负载引起系统交流电压总谐波畸变率将降低，即交流信号不同周期内，总谐波畸变率是不一样的，谐波含有率也是不同的。但是傅里叶变换时，计算的基础是工频50Hz，对交流信号连续计算，即将t₀-t₇时间刻度内的交流信号统一计算，得到的总谐波畸变率作为当前信号畸变程度的表征指标，必将导致误差偏大。在脉冲负载的工作模式下，实测的交流电压和直流电流如图2所示。

从图2可明显得出，在脉冲负载工作期间交流电压畸变较大，在间歇期畸变较小。图中畸变部分波形相对脉冲负载电流波形有些“滞后”，这是因为实验时直流侧有滤波电容，在脉冲负载峰值功率来临时，电容开始放电，此时交流侧尚未作出响应，随着电容电压降低，同步发电机开始输出功率，交流电压波形开始发生畸变。

如上所述，采用基于傅里叶分解的总谐波畸变率表征脉冲负载下微电网畸变程度时存在以下问题：一是忽略了频率变化的信息，脉冲负载下微电网频率是随时变化的，这通过基于AMDCF函数法可以证明；二是忽略了交流信号畸变的时间段，交流信号不是持续畸变的，而是在脉冲负载工作时间刻度内畸变程度大，在工作间隙畸变程度小；三是总谐波畸变率通常只考虑奇次谐波，忽略了偶次谐波和非整数倍谐波，理论上在脉冲负载作用下，偶次谐波和非整数倍谐波含量增大，偶次谐波和非整数倍谐波对微电网的影响还需进一步研究。

发明内容

本发明提出了一种考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法。

实现本发明的技术解决方案为：一种考虑基波频率变化的交流电压畸变程度评价方法，具体步骤为：

具体步骤为：

步骤1、计算单个交流周期内交流电压信号频率；

步骤2、计算交流电压周期和脉冲负载工作周期的最小公倍数，即公倍周期；

步骤3、计算步骤2得到的公倍周期内的总采样点数；

步骤4、计算单个周期内交流电压信号有效值；

步骤5、根据单个交流周期内交流电压信号频率、单个周期内交流电压信号有效值构建参考电压正弦函数，具体为：

式中，U_n为单个交流周期内交流电压信号有效值，f_n为单个交流周期内交流电压信号频率，为交流电压信号在第n个周期的初始相位角；

步骤6、根据构建的参考电压正弦函数计算公倍周期t_d时间段内相对偏差率，具体计算公式为：

式中，u(t)为交流信号电压，u_bn(t)是对应交流信号电压的参考电压，W为公倍周期内采样总点数，U_b为公倍周期时间段上参考电压的有效值；

步骤7、计算M个公倍周期的相对偏差率的平均值，得到交流电压畸变程度评价指标相对偏差率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提出了一种新的定义相对偏差率RDR指标，该指标全面考虑了脉冲负载下微电网的电压畸变特性，特别是基波频率变化的情况。(2)本发明在计算交流电压信号单个周期的频率、相位的基础上，以该频率、相位为基准构造了正弦信号，确保了交流电压信号与正弦信号频率、相位一致；(3)本发明提出的交流电压畸变率指标计算方法简单、运算速度快，特别适用于交流电压信号长时间内大量数据时计算。(4)本发明的评价方法不仅适用于脉冲负载下微电网交流信号波形，也适用于评价任何有畸变情况的波形。

附图说明

图1为脉冲负载工作原理图。

图2为交流电压与直流电流实测波形图。

图3为参考电压与交流电压对比图。

图4为实施例1中电压相对偏差率随占空比D变化的曲线图。

图5为电压总谐波畸变率随占空比D变化的曲线图。

具体实施方式

本发明公开了一种考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，主要用于评价微电网中脉冲负载引起基波频率变化、电压间歇性畸变时电压波形的畸变程度，具体步骤为：

步骤1、计算单个交流周期内交流电压信号频率；

步骤2、计算交流电压周期和脉冲负载工作周期的最小公倍数，即公倍周期，具体计算公式为：

t_d表示公倍周期，T_ac表示交流电压信号周期，T_d表示直流负载的工作周期，G为交流电压周期和脉冲负载工作周期的最大公约数。

步骤3、计算公倍周期内总采样点数W，具体计算公式为：

W＝f·t_d

f表示交流电压信号的采样频率。

步骤4、计算单个周期内交流电压信号有效值；具体计算公式为：

N为一个交流电压周期内采样点数，U_n为单个周期内交流电压信号有效值，u(k)为第k个采样点电压信号值。

步骤5、根据单个交流周期内交流电压信号频率、单个频率内交流电压信号有效值构造参考电压正弦函数，具体为：

式中，U_n为单个频率内交流电压信号有效值，f_n为单个交流周期内交流电压信号频率，为交流信号在第n个周期的初始相位角，u_bn(t)表示参考电压。

如图3所示，进一步的实施例中，参考电压正弦函数在一个周期内的初始相位角与交流电压信号在一个周期内的初始相位角相等，以保证参考电压波形与交流电流波形在横轴完全重合。

步骤6、根据构建的参考电压正弦函数计算公倍周期t_d时间段内相对偏差率，具体计算公式为：

式中，u(t)为交流信号电压，u_bn(t)是对应交流信号电压的参考电压，W为公倍周期内采样总点数，U_b为公倍周期时间段上参考电压的有效值；

步骤7、计算M个公倍周期的相对偏差率的平均值，得到交流电压畸变程度评价指标相对偏差率，具体公式为：

M表示公倍周期的正整数倍数，M值越大，RDR精度越高。

通过上述步骤，即可得到交流电压畸变程度评价指标相对偏差率RDR，该指标值越大，表面交流电压畸变程度越高。

为了表征脉冲负载对交流侧信号影响程度，本发明基于时域提出相对偏差率(Relative Deviation Rate,RDR)的概念。其定义：相对偏差率是指信号偏离正弦信号的程度，该正弦信号的有效值、频率为当前信号的有效值、频率。

其定义可用以下公式表示：

其中，u(t)为交流信号电压，u_b(t)是对应交流信号电压的参考电压，W为公倍周期内采样总点数，U_b为公倍周期时间段上参考电压的有效值，M为t_d的倍数。

在脉冲负载情况下，交流电压任意时刻畸变的程度不同，脉冲负载工作的周期特性致使交流电压畸变呈现周期性，且畸变周期与脉冲负载工作周期有关，与交流电压本身周期没有关系，但是评价交流电压信号的相对偏差度又是基于交流电压周期，为了充分考虑交流电压在任意时刻的畸变程度，t_d取交流电压周期和脉冲负载工作周期的最小公倍数，此时计算得到的电压相对偏差率能够反映交流信号整体的畸变程度。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

在本实施例的脉冲负载模拟装置中，设定脉冲负载工作模式为：峰值功率P_L＝30kW，开关周期T_s＝56ms，占空比D＝0.40，将其标记为P30_T56_D40。实验数据由电力系统同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit,PMU)采集，采样频率为10000Hz，交流电流互感器变比为200A/5A，直流电流互感器最大量程为100A。

提出的电压相对偏差率综合反映了脉冲负载对交流电压波形的影响程度，随着占空比D参数的改变，交流电压畸变程度评价指标相对偏差率RDR_u的变化趋势如表1和图4所示。

表1电压相对偏差率随占空比的变化

D	0.1	0.3	0.5	0.7	0.9	1
							RDRu/％	2.24	4.6	6.19	8.24	10.08	11.11

传统基于傅里叶分解的电压畸变程度评价指标是电压总谐波畸变率(THD_u)，其计算方法为：

其中，U₁为电压基波有效值，U₃U₅U₇…分别为电压谐波分量；

拟合出的THD_u随D变化的曲线如图5所示。

对比图4和图5可以得到，电压相对偏差率RDR_u随着占空比的增大而增大，和实际电压畸变程度随占空比的变化趋势吻合；THD_u虽然反映出电压畸变率随占空比的增大也在增大，但在占空比为0.4时计算出的THD_u比占空比0.3时还要小，这与实际情况不相符，同时，在任意占空比得到的THD_u误差较大，而采用指标RDR能够较好的反映出电压畸变程度随D的变化规律。

Claims (6)

1.一种考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、计算单个交流周期内交流电压信号频率；

步骤2、计算交流电压周期和脉冲负载工作周期的最小公倍数，即公倍周期；

步骤3、计算步骤2得到的公倍周期内的总采样点数；

步骤4、计算单个周期内交流电压信号有效值；

步骤5、根据单个交流周期内交流电压信号频率、单个周期内交流电压信号有效值构建参考电压正弦函数，具体为：

式中，U_n为单个交流周期内交流电压信号有效值，f_n为单个交流周期内交流电压信号频率，为交流电压信号在第n个周期的初始相位角；

步骤6、根据构建的参考电压正弦函数计算公倍周期t_d时间段内相对偏差率，具体计算公式为：

式中，u(t)为交流信号电压，u_bn(t)是对应交流信号电压的参考电压，W为公倍周期内采样总点数，U_b为公倍周期时间段上参考电压的有效值；

步骤7、计算M个公倍周期的相对偏差率的平均值，得到交流电压畸变程度评价指标相对偏差率。

2.根据权利要求1所述的考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，其特征在于，步骤2中计算交流电压周期和脉冲负载工作周期的最小公倍数的具体公式为：

t_d表示公倍周期，T_ac表示交流电压信号周期，T_d表示直流负载的工作周期，G为交流电压周期和脉冲负载工作周期的最大公约数。

3.根据权利要求1所述的考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，其特征在于，步骤3中计算公倍周期内总采样点数W的具体计算公式为：

f表示交流电压信号的采样频率。

4.根据权利要求1所述考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，其特征在于，步骤4中计算单个周期内交流电压信号有效值的具体计算公式为：

N为一个交流电压周期内采样点数，U_n为单个周期内交流电压信号有效值，u(k)为第k个采样点电压信号值。

5.根据权利要求1所述考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，其特征在于，步骤5中构建的参考电压正弦函数在一个周期内的初始相位角与交流电压信号在一个周期内的初始相位角相等。

6.根据权利要求1所述考虑基波频率变化的交流微电网电压畸变程度评价方法，其特征在于，步骤7计算M个公倍周期的相对偏差率的平均值的具体公式为：

M表示公倍周期的正整数倍数。