CN110133371A - 一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法 - Google Patents

一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，包括以下步骤，步骤一，利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电压信号；步骤二，检测变压器低压侧的电压信号U(t)与电流信号I(t)；步骤三，根据滑动DFT算法，提取出测量信号中不同频率的电压电流谐波波形；步骤四，根据皮尔逊相关系数计算公式，计算不同频率电压电流谐波波形之间的相关系数；步骤五，根据计算得到的不同频率电压电流谐波之间的相关系数，来确定谐振点。本发明此方法实现简单，只需操作设备注入低频载波电压信号，设备就会自动检测出谐振点。另外，该方法计算量小，测量数据无需上传到主站，可本地进行分析，可以实现对谐振点的实时在线检测。

Description

一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法
技术领域
本发明涉及配电网自动化系统领域，涉及一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法。
背景技术
功率因数是衡量电网系统一个很重要的性能指标，也是衡量一个国家电力方面技术水平重要的指标之一。因此，为了提高电力系统的功率因数，一般是通过向电网系统中投切补偿电容器组，并且按照系统负荷的大小来投切不同容量的电容器，降低线路损耗，提高经济效益。但是由于电网系统中存在大量的谐波源，可能会出现投切的补偿电容与系统之间发生谐振，产生很大的谐振电容，从而烧毁补偿电容，甚至损坏其他的一些电网设备，造成严重的电网事故。因此，需要提前检测出系统的谐振点，对于投切电容器具有很重要的指导意义。
目前已有公司和高校在谐振点检测方面取得了很多成果，并且已经制造出专门的检测设备，但是此类设备价格昂贵，检测过程操作复杂，速度较慢。当设备检测到所需的信号后，还要上传到主站来进行分析，检测过程具有滞后性，不能实时在线检测。因此，需要发展一种实现简单、能够实时在线检测谐振点的方法。
发明内容
本发明针对上述问题，克服现有技术的不足，提出一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，该方法利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电压信号，根据DFT算法提取的低频脉动电压电流信号之间的相似度来确定谐振点。该方法实现简单，只需测量出变压器低压侧的电压电流信号，并且此信号较容易直接测量。另外，该方法计算量小，测量信号无需上传到主站，在本地设备即可进行分析，可实现实时在线检测，具有很好的工程实用性。
本发明通过一种恒压源变换器向变压器低压侧注入低频载波电压信号来检测谐振点。该方法首先利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电压信号，同时检测变压器低压侧的电压电流信号，然后根据滑动DFT算法提取出电压电流信号中不同频率的谐波波形，最后根据电压电流谐波之间的相关系数来检测谐振点。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，包括以下步骤，
步骤一，利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入频率不同、幅值相等的载波电压信号。
步骤二，检测变压器低压侧的电压信号U(t)与电流信号I(t)。
步骤三，根据滑动DFT算法，提取出测量信号中不同频率的电压电流谐波波形。
步骤四，根据皮尔逊相关系数计算公式，计算不同频率电压电流谐波波形之间的相关系数。
步骤五，根据计算得到的不同频率电压电流谐波之间的相关系数，来确定谐振点。
进一步地，步骤一中的恒压源变换器中谐振控制器的传递函数分别为
其中，n为载波电压次数，ω为基波角频率，Kr为谐振项系数。
进一步地，步骤三中的滑动DFT算法的计算公式为，
其中，Rek代表第k次谐波的实部，Imk代表第k次谐波的虚部，x为检测信号，T0为检测信号的初始时刻，i为第i个检测信号的采样点，M代表工频周期的数据点数，k代表谐波次数，T为工频周期的时间。
进一步地，步骤四中的皮尔逊相关系数计算公式为，
其中，ik为提取的第k次电流谐波，为提取的第k次电流谐波的均值，uk为提取的第k次电压谐波，为提取的第k次电压谐波的均值，M为用于计算相关系数的数据点数，ρk为计算得到的第k次电压电流谐波波形之间的相关系数。
进一步地，步骤五中的根据计算得到的不同频率电压电流谐波之间的相关系数来确定谐振点的原则为，ρk越大，第k次谐波越靠近谐振点，当ρk＝1时，电压第k次谐波与电流第k次谐波之间的相关系数达到最大，第k次谐波频率为谐振点频率。
进一步地，步骤一中频率范围在1K～5KHz之间。
进一步地，步骤一中幅值范围在5～15V之间。
进一步地，步骤一种恒压源变换器结构采用三电平结构，利用SVPWM调制算法生成各相开关管的驱动信号，通过驱动各相IGBT驱动各相的开关驱动信号Sxn(其中x＝a,b,c，n＝1,2,3,4)调整变换器输出电压UAO、UBO及UCO，从而实现电压UAB UBC UCA的控制。
本发明的有益效果是：本发明一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入频率不同、幅值相等的载波电压信号，根据计算得到的不同频率电压电流谐波之间的相关系数来检测谐振点。此方法实现简单，只需操作设备注入低频载波电压信号，设备就会自动检测出谐振点。另外，该方法计算量小，测量数据无需上传到主站，可本地进行分析，可以实现对谐振点的实时在线检测。
附图说明
图1为本发明基于电压电流谐波相似度的谐振点检测方法总体流程图。
图2为本发明恒压源变换器装置系统框图。
图3为本发明注入550Hz低频载波电压信号时测量的变压器低压侧电压电流信号波形。
图4为本发明注入1100Hz低频载波电压信号时测量的变压器低压侧电压电流信号波形。
图5为本发明注入1250Hz低频载波电压信号时测量的变压器低压侧电压电流信号波形。
图6为本发明注入2950Hz低频载波电压信号时测量的变压器低压侧电压电流信号波形。
图7为本发明提取的电压电流测量信号中的11次谐波波形。
图8为本发明提取的电压电流测量信号中的22次谐波波形。
图9为本发明提取的电压电流测量信号中的25次谐波波形。
图10为本发明提取的电压电流测量信号中的59次谐波波形。
图11为本发明提取的注入550Hz低频载波电压信号时补偿电容产生的11次谐波电流波形。
图12为本发明提取的注入1100Hz低频载波电压信号时补偿电容产生的22次谐波电流波形。
图13为本发明提取的注入1250Hz低频载波电压信号时补偿电容产生的25次谐波电流波形。
图14为本发明提取的注入2950Hz低频载波电压信号时补偿电容产生的59次谐波电流波形。
其中图3～图14中，横坐标代表采样点数，纵坐标代表电压电流的幅值单位分别为V、A。
具体实施方式
下面结合附图1-14和实施例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
结合附图1，本发明的一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，包括以下步骤，
步骤一，利用附图2设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入为幅值为7V、频率分别为550Hz、1100Hz、1250Hz、2950Hz的低频载波电压信号。
步骤二，检测变压器低压侧的电压信号U(t)与电流信号I(t)，其波形如图3～图6所示。
步骤三，根据滑动DFT算法，分别提取注入550Hz、1100Hz、1250Hz、2950Hz低频载波电压信号时变压器低压侧电压电流信号中的11、22、25、59次谐波，其波形分别如图7～图10所示，其中滑动DFT算法的计算公式为，
其中，Rek代表第k次谐波的实部，Imk代表第k次谐波的虚部，x为检测信号，T0为检测信号的初始时刻，i为第i个检测信号的采样点，M代表工频周期的数据点数，k代表谐波次数，T为工频周期的时间，T＝20ms。
步骤四，根据皮尔逊相关系数计算公式，分别计算11、22、25、59次电压电流谐波波形之间的相关系数，皮尔逊相关系数的计算公式为，
其中，ik为提取的第k次电流谐波，为提取的第k次电流谐波的均值，uk为提取的第k次电压谐波，为提取的第k次电压谐波的均值，M为用于计算相关系数的数据点数，M＝1000，ρk为计算得到的第k次电压电流谐波波形之间的相关系数。。
步骤五，根据计算得到的电压电流谐波之间的相关系数来确定谐振点，其原则为ρk越大，第k次谐波越靠近谐振点，当ρk＝1时，电压第k次谐波与电流第k次谐波之间的相关系数达到最大，第k次谐波频率为谐振点频率。经计算，第11次电压电流谐波之间的相关系数为0.5209，第22次电压电流谐波之间的相关系数为0.8917，第25次电压电流谐波之间的相关系数为0.9421，第59次电压电流谐波之间的相关系数为0.0729，经比较可见，第25次电压电流谐波之间的相关系数最靠近1，可以判定第25谐波最靠近谐振点，因此，谐振点频率在第25次谐波频率附近。
本实施例中：利用现场的实际数据对本发明中的谐振点检测方法进行了测试验证。本发明利用恒压源变换器注入幅值恒定、不同频率的低频载波电压信号确定了谐振点在第25次谐波频率附近，另外，根据图11～图14可知，注入1250Hz低频载波电压信号时，补偿电容产生的谐波电流要比注入550Hz、1100Hz、2950Hz低频载波电压信号时补偿电容产生的电流大很多，说明在25次谐波频率附近发生了谐振，由此也进一步验证了本发明所提出方法的准确性。在实际的检测过程中，由于利用恒压源变换器向电网中注入幅值恒定、不同频率的低频载波电压信号，当检测到快接近谐振点的时候，会跳过谐振点所在的一段频率范围，避免引起系统的谐振。因此，此方法最终的检测结果是检测出谐振点位于一定的频率范围。
本发明步骤一中频率范围在1K～5KHz之间，可以是1KHz、5KHz或1K～5KHz之间的任意数值，并不限于实施例所给出的数值。步骤一中幅值范围在5～15V之间，可以是5V、15V或5～15V之间的任意数值，并不限于实施例所给出的数值。
综上所述，本发明提出一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，首先利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入频率不同、幅值相等的载波电压信号，同时检测变压器低压侧的电压电流信号，然后根据滑动DFT算法提取出测量信号中不同频率的电压电流谐波波形，最后根据皮尔逊相关系数计算公式计算得到的相关系数来检测谐振点。此方法只需要测量变压器低压侧的电压电流信号，实现简单。另外，此方法计算量小，测量数据不用上传到主站，能够对谐振点实现实时在线检测，该方法具有很好的工程实用性。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电压信号；
步骤二，检测变压器低压侧的电压信号U(t)与电流信号I(t)；
步骤三，根据滑动DFT算法，提取出测量信号中不同频率的电压电流谐波波形；
步骤四，根据皮尔逊相关系数计算公式，计算不同频率电压电流谐波波形之间的相关系数；
步骤五，根据计算得到的不同频率电压电流谐波之间的相关系数，来确定谐振点。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，其特征在于：步骤一中利用设计的恒压源变换器向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电压信号，其中恒压源变换器中谐振控制器的传递函数分别为
其中，n为载波电压次数，ω为基波角频率，Kr为谐振项系数。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，其特征在于：步骤三中根据滑动DFT算法提取出测量信号中不同频率的电压电流谐波波形，其中滑动DFT算法的计算公式为，
其中，Rek代表第k次谐波的实部，Imk代表第k次谐波的虚部，x为检测信号，T0为检测信号的初始时刻，i为第i个检测信号的采样点，M代表工频周期的数据点数，k代表谐波次数，T为工频周期的时间。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，其特征在于：步骤四中根据皮尔逊相关系数计算公式，计算不同频率电压电流谐波波形之间的相关系数，其中皮尔逊相关系数计算公式为，
其中，ik为提取的第k次电流谐波，为提取的第k次电流谐波的均值，uk为提取的第k次电压谐波，为提取的第k次电压谐波的均值，M为用于计算相关系数的数据点数，ρk为计算得到的第k次电压电流谐波波形之间的相关系数。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于恒压源变换器的电网谐振点检测方法，其特征在于：步骤五中根据计算得到的不同频率电压电流谐波之间的相关系数来确定谐振点的原则为，ρk越大，第k次谐波越靠近谐振点，当ρk＝1时，电压第k次谐波与电流第k次谐波之间的相关系数达到最大，第k次谐波频率为谐振点频率。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于恒压源变换器和电压电流相位差的谐振点检测方法，其特征在于：步骤一中频率范围在1K～5KHz之间。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于恒压源变换器和电压电流相位差的谐振点检测方法，其特征在于：步骤一中幅值范围在5～15V之间。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于恒压源变换器和电压电流相位差的谐振点检测方法，其特征在于：步骤一种恒压源变换器结构采用三电平结构，利用SVPWM调制算法生成各相开关管的驱动信号，通过驱动各相IGBT驱动各相的开关驱动信号Sxn(其中x＝a,b,c，n＝1,2,3,4)调整变换器输出电压UAO、UBO及UCO，从而实现电压UAB UBC UCA的控制。
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