CN110907686A - 基于fbd法的分布式光伏并网系统谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法，用FBD检测法快捷的运算过程代替传统瞬时无功检测法中前期的繁琐坐标变换过程，通过对电网电流i_a,i_b,i_c和锁相环产生的正弦电压信号Sin‑Cos进行运算，得到有功电导G_p(t)和无功电导G_q(t)，再经过电导和电流的转换关系，得到有功电流i_p与无功电流i_q，接下来再经过瞬时无功检测法的矩阵逆变换，即可得到谐波电流；本发明运用FBD法改进后的瞬时无功检测法，可节省传统坐标转换环节中一半的加法器和乘法器，简化了有功电流和无功电流的计算过程，不仅节省了数据存储空间，且运算量大幅降低，提高了谐波检测效率；克服了传统FBD检测法只能用于处理单相系统缺陷，将FBD法扩展至三相四线制电网系统。

Description

基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法

技术领域：

本发明涉及输变电供电检修领域，特别是涉及一种基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法。

背景技术：

我国电力系统的电能来源主要以火电为主，随着煤炭、石油等化石燃料的储量日渐不足，寻找替代化石燃料的清洁能源迫在眉睫。太阳能作为储量最大且分布最广的能源，是目前人类所能利用的最合适的清洁能源。

光伏发电系统可根据运行方式的不同分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏系统成本高、维护困难，故应用面窄。目前，光伏系统多采用并网运行方式。光伏阵列、变流器和控制系统是光伏并网系统最主要的构成部分。光伏阵列是系统功能实现的基础，有太阳能电池板组合串并联组成的光伏阵列是在太阳能和电能之间完成光电转换的设备，是决定整个系统发电质量的关键。变流器是连接光伏发电系统和电网的媒介，担负着稳定电压、抑制谐波、提高电能质量的责任。

近年来，大量的光伏发电站投入建设和使用。由于天气、太阳直射角度等因素的影响，光伏阵列逆变器较少处于满负荷运载状态，阴雨天运载负荷较低，夜晚甚至处于空载状态。这就在光伏阵列并网过程中带来了谐波问题，影响电网的电能质量。

因此，在并网系统中需要加入谐波抑制和无功补偿装置，并要求实时、精确地检测负载中的谐波电流分量。

谐波检测是实现谐波抑制的前提，目前谐波检测方法研究方向主要有模拟滤波器法、FFT检测法、神经网络检测法和瞬时无功检测法；模拟滤波器法用滤波器和电流互感器分别测得工频分量与实际电流，相减得到谐波分量，此方法简单易行，但精度受限；FFT检测法是利用傅里叶变换得到各次谐波分量再进行反变换的方式得到谐波分量，该种方法精度较高，但计算量较大，数据处理需要时间；神经网络检测法尚属于研究阶段，是使用神经网络进行训练和改变权值来实现谐波检测，此方法在精度和处理速度方面均可达到检测要求，但还未投入使用；瞬时无功检测法是目前普遍使用的方法，是利用矩阵变换的方式处理瞬时电压和电流，可以较为精确地得到三相系统的谐波电流。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，基于FBD(Fryze-Buchholz-Dpenbrock)检测法对于传统瞬时无功检测法进行改进，用FBD检测法快捷的运算过程代替传统瞬时无功检测法中前期的繁琐坐标变换过程，提高运算量和运算速度，且可以直接用于三相三线制的分布式光伏并网系统中的基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法。

本发明的技术方案是：一种基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法，步骤一、获取光伏并网系统结构图的电路；步骤二、利用等效替代的思想，把电路中的各相负载等效成串联在各相上的等效电导获得等效电路；步骤三、采用FBD检测法，根据等效电导的值对电路电流进行分解，对电网电流i_a,i_b,i_c和锁相环产生的正弦电压信号Sin-Cos进行运算，得到有功电导G_p(t)和无功电导G_q(t)；步骤四、经过电导和电流的转换关系，得到p-q坐标下的有功电流i_p与无功电流i_q；步骤五、经过瞬时无功检测法的矩阵逆变换，得到谐波电流。

进一步的，所述步骤四中，有功电导G_p(t)和无功电导G_q(t)与有功电流i_p和无功电流i_q之间转换所采用的转换公式为：

进一步的，所述转换公式由以下方法获得：由FBD检测法中有功电导和无功电导的公式整理可得：

瞬时无功检测法中有功电流、无功电流与三相电流的坐标转换公式为：

根据上述两式中，由FBD检测法中的有功电导和无功电导与瞬时无功检测法中的有功电流和无功电流存在的线性关系获得。

进一步的，所述步骤五中，谐波电流由以下方式获得：经过LPF滤波器得到p-q坐标下的有功直流分量

和无功直流分量

最后经过两次矩阵的逆变换得到基波分量i_al,i_bl,i_cl，具体方法如下：

结合实际三相电流就可以获得谐波电流i_ah,i_bh,i_ch，公式如下：

(i_ah i_bh i_ch)^T＝(i_a i_b i_c)^T-(i_al i_bl i_cl)^T (6)。

本发明的有益效果是：

谐波检测是实现谐波抑制的前提，目前谐波检测方法研究方向主要有模拟滤波器法、FFT检测法、神经网络检测法和瞬时无功检测法。模拟滤波器法用滤波器和电流互感器分别测得工频分量与实际电流，相减得到谐波分量。此方法简单易行，但精度受限。FFT检测法是利用傅里叶变换得到各次谐波分量再进行反变换的方式得到谐波分量，该种方法精度较高，但计算量较大，数据处理需要时间。神经网络检测法尚属于研究阶段，是使用神经网络进行训练和改变权值来实现谐波检测。此方法在精度和处理速度方面均可达到检测要求，但还未投入使用。瞬时无功检测法是目前普遍使用的方法，是利用矩阵变换的方式处理瞬时电压和电流，可以较为精确地得到三相系统的谐波电流。

本发明提出的谐波检测方法是基于FBD(Fryze-Buchholz-Dpenbrock)检测法对于瞬时无功检测法的改进，FBD检测法运算速度快，没有繁琐的坐标变换环节，主要应用于单项并网系统。改进之后的检测方法理论上可以在运算量和运算速度的性能上得到较大提升，且可以直接用于三相三线制的分布式光伏并网系统中。经试验检测，本发明提出的改进谐波检测方法响应速度快、波形稳定、可靠性高，整体性能较传统方法提升50％。

附图说明：

图1为光伏并网系统结构图。

图2为FBD法等效电路图。

图3为改进瞬时无功检测法原理图。

图4为瞬时无功检测法性能图。

图5为FBD改进瞬时无功检测法性能图。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3、图4和图5。

基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法，用FBD检测法快捷的运算过程代替传统瞬时无功检测法中前期的繁琐坐标变换过程，通过对电网电流i_a,i_b,i_c和锁相环产生的正弦电压信号Sin-Cos进行运算，得到有功电导G_p(t)和无功电导G_q(t)，再经过电导和电流的转换关系，得到有功电流i_p与无功电流i_q，接下来再经过瞬时无功检测法的矩阵逆变换，即可得到谐波电流；运用FBD法改进后的瞬时无功检测法，可节省传统坐标转换环节中一半的加法器和乘法器，简化了有功电流和无功电流的计算过程；不仅节省了数据存储空间，且运算量大幅降低，提高了谐波检测效率；该方法同时克服了传统FBD检测法只能用于处理单相系统缺陷，将FBD法扩展至三相四线制电网系统；在进行三相电流运算时，零序电流被抵消。因此，在计算过程中不必考虑零序电流的影响。

下面结合附图对本申请进行详细描述。

按照功能将光伏并网系统细分，系统主要工作部件有：电池板阵列、Boost电路、MPPT跟踪系统、电流检测系统、逆变器、电压调节控制器和PWM发生器。光伏并网发电系统的组成和工作原理，如图1光伏并网系统结构图所示。

光伏阵列工作电压的设定，决定了整个光伏系统的功率输出。图中MPPT，就是完成最大功率点跟踪的系统。MPPT单元输出系统最大功率点电压，电压调节单元(AVR)利用其与Boost电路测量电压的误差来调节输出。Sin-Cos为电网电压经过锁相环后得到的信号，该信号与负载电流信号经过FBD电流检测单元，得到谐波电流分量。

FBD检测法：FBD检测法的基本原理是，利用等效替代的思想，把电路中的各相负载等效成串联在各相上的等效电导，根据等效电导的值对电路电流进行分解，避免进行矩阵变换，可直接得到补偿电流分量和基波有功、无功分量。图2为FBD法等效电路图，功率从电源侧流向负荷侧。

u＝(u₁,u₂,…u_w)^T,i＝(i₁,i₂,…i_w)^T表示系统的电压向量和电流向量。其中，各元素均为瞬时值。则FBD检测法中各参数计算方法如下：

上式中u_q表示无功电压，相位滞后π/2，得到有功电导和无功电导后即可根据有功、无功电压向量求得有功、无功电流。这里可以把线性电流的有功和无功分量，等效为基波的有功与无功分量。若线性有功电流用i_pl表示，线性无功电流用i_ql表示，计算方法如下：

则谐波电流分量为：

i_h＝i-i_pl-i_ql (3)

瞬时无功检测法：瞬时无功功率理论由日本学者赤木泰文提出，主要思想是利用矩阵变换，将三相电路中电压和电流的瞬时值变换到正交坐标中。在传统功率的定义之外，提出了瞬时电流和瞬时功率的概念。基于瞬时无功功率理论，出现了一种新的谐波检测方法——瞬时无功检测法，包括p-q法和ip-iq法等。本申请所指的瞬时无功检测法主要是ip-iq检测法，此方法的主要思路是求取瞬时有功电流和瞬时无功电流，进而得到谐波电流分量。先通过锁相环PLL锁定电路相位，再通过信号发生器得到Sin-Cos信号作为计算瞬时电流分量的原始信号。该种方法的主要特征是依赖矩阵坐标变换，具体方法如下：

三相电流i_a,i_b,i_c经过两次矩阵变换得到p-q坐标下的有功电流i_p和无功电流i_q：

再经过LPF滤波器可以得到p-q坐标下的有功直流分量

和无功直流分量

最后经过两次矩阵的逆变换便可得到基波分量i_al,i_bl,i_cl，具体方法如下：

再结合实际三相电流就可以获得谐波电流i_ah,i_bh,i_ch，公式如下：

(i_ah i_bh i_ch)^T＝(i_a i_b i_c)^T-(i_al i_bl i_cl)^T (6)

FBD改进的瞬时无功检测法：瞬时无功检测法需要进行多次坐标变化，而FBD法没有坐标变换的过程，可节省大量运算时间。本申请以此为出发点基于FBD法，来改进瞬时无功检测法。即采用FBD方法来替代瞬时无功检测法的前半部分，可省去一半的坐标变换。图3为改进瞬时无功检测法原理图。

由图3可知，FBD改进的瞬时无功检测法对电网电流i_a,i_b,i_c和锁相环产生的正弦电压信号Sin-Cos进行运算，得到有功电导G_p(t)和无功电导G_q(t)。再经过电导和电流的转换关系，得到p-q坐标下有功电流i_p与无功电流i_q，接下来再经过瞬时无功检测法的矩阵逆变换，即可得到谐波电流。

由FBD检测法中有功电导和无功电导的公式(1)整理可得：

瞬时无功检测法中有功电流、无功电流与三相电流的坐标转换公式为：

比较上述两式(7)、(8)，可以发现FBD检测法中的有功电导和无功电导与瞬时无功检测法中的有功电流和无功电流存在线性关系。因此，将FBD法替换为瞬时无功检测法前半部分时，可得到如下转换关系：

下面结合实施例和相应的附图对本申请进行进一步详细描述。

利用MATLAB搭建模型对该方法进行仿真。其中，光伏阵列输出功率6.5kW，系统采用工频交流电，三相系统线电压380V；逆变器直流侧电压600V，直流测电容170uF，变流器测电感4.65mH，网测电感0.96mH，滤波电容6.8uF；分布式光伏并网系统与负载间距3KM，负载为不可控三相负载。

搭建模型对传统瞬时功率检测法和基于本申请方法改进的瞬时功率检测法的电流检测性能进行测试，并对比分析了两种方法的响应速度、波形质量和幅值稳定性。图4为传统瞬时无功检测法有功电流检测性能，图5为FBD改进瞬时无功检测法有功电流检测性能。

从两种方法的性能对比可以看出，传统瞬时无功检测方法运算速度较慢，达到波形平稳需要1.25个周期左右。而FBD改进的瞬时无功检测法，在0.5个周期内便可得到理想的波形。FBD改进后的瞬时无功检测法相比于传统的瞬时无功检测法响应速度提高近一倍，波形在不到半个周期就趋于平稳且幅值稳定。因此，本申请提出的方法应用于分布式光伏并网谐波检测中具有良好的性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法，其步骤是：步骤一、获取光伏并网系统结构图的电路；步骤二、利用等效替代的思想，把电路中的各相负载等效成串联在各相上的等效电导获得等效电路；步骤三、采用FBD检测法，根据等效电导的值对电路电流进行分解，对电网电流i_a,i_b,i_c和锁相环产生的正弦电压信号Sin-Cos进行运算，得到有功电导G_p(t)和无功电导G_q(t)；步骤四、经过电导和电流的转换关系，得到p-q坐标下的有功电流i_p与无功电流i_q；步骤五、经过瞬时无功检测法的矩阵逆变换，得到谐波电流。

2.根据权利要求1所述的基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法，其特征是：所述步骤四中，有功电导G_p(t)和无功电导G_q(t)与有功电流i_p和无功电流i_q之间转换所采用的转换公式为：

3.根据权利要求2所述的基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法，其特征是：所述转换公式由以下方法获得：由FBD检测法中有功电导和无功电导的公式整理可得：

瞬时无功检测法中有功电流、无功电流与三相电流的坐标转换公式为：

根据上述两式中，由FBD检测法中的有功电导和无功电导与瞬时无功检测法中的有功电流和无功电流存在的线性关系获得。

4.根据权利要求1所述的基于FBD法的分布式光伏并网系统谐波检测方法，其特征是：所述步骤五中，谐波电流由以下方式获得：经过LPF滤波器得到p-q坐标下的有功直流分量

和无功直流分量

最后经过两次矩阵的逆变换得到基波分量i_al,i_bl,i_cl，具体方法如下：

结合实际三相电流就可以获得谐波电流i_ah,i_bh,i_ch，公式如下：

(i_ah i_bh i_ch)^T＝(i_a i_b i_c)^T-(i_al i_bl i_cl)^T (6)。

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