CN111650437A - 一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统和方法 - Google Patents

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潘爱强
刘婧
董真
杜凤青
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Abstract

本发明涉及一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统，包括谐波测量装置以及相互连接的风电并网发电线路和系统侧线路，所述的系统侧线路与光伏与用户侧线路连接，所述的用户侧线路与多个用电装置连接，所述的谐波测量装置包括电压互感器、电流互感器、带通滤波电路、单片机和显示屏，所述的电压互感器和电流互感器分别与测试点PCC连接，所述的带通滤波电路分别与电压互感器和电流互感器连接，并依次与单片机和显示屏连，与现有技术相比，本发明具有测量简单且准确性高等优点。

Description

一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统和方法
技术领域
本发明涉及谐波电能计量技术，尤其是涉及一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统和方法。
背景技术
国际上，早在20世纪初就有大量研究谐波的文章发表，90年代以来，电能质量现象、电能质量的测量和电能质量的改善等问题受到越来越多的关注。在我国，虽然基波电能计量技术有了快速的发展，但是对谐波电能计量的研究起步较晚，发展也比较缓慢。现阶段针对谐波对电能计度的影响作用，科研报道基本上还是依靠实验根据，合理可行的计度方式到底如何寻找，如何妥善处理计度的动态误差情形，现阶段在电网内部还是没有得到有效准确的解释。
根据叠加定理，分布式光伏发电与风电并网点处谐波的产生可视为用户侧谐波与背景谐波源共同叠加贡献所导致的结果，如何对并网点处背景谐波进行计算和分析，得到分布式光伏发电与风电的真实注入谐波，对电能质量以及电能计量的影响分析至关重要。分布式光伏与风电并网谐波的测量中，现有系统阻抗的估计方法，由于要向电网注入扰动信号，会降低注入电网的电能质量，所以，寻找合适方法对分布式光伏与风电并网谐波进行定量的测量就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统，包括谐波测量装置以及相互连接的风电并网发电线路和系统侧线路，所述的系统侧线路与光伏与用户侧线路连接，所述的用户侧线路与多个用电装置连接，所述的谐波测量装置包括电压互感器、电流互感器、带通滤波电路、单片机和显示屏，所述的电压互感器和电流互感器分别与测试点PCC连接，所述的带通滤波电路分别与电压互感器和电流互感器连接，并依次与单片机和显示屏连接；
所述的电压互感器和电流互感器分别获取测试点PCC的电流信号和电压信号，并经过带通滤波电路检测得到谐波电压
Figure BDA0002564068260000021
和谐波电流
Figure BDA0002564068260000022
单片机根据谐波电压
Figure BDA0002564068260000023
和谐波电流
Figure BDA0002564068260000024
得到谐波功率因数角，并根据谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角计算并网点处的真实谐波电流注入。
所述的测试点PCC为并网专线的接入点，设置于系统侧线路和风电并网发电线路之间，所述的带通滤波电路设置多个，且多个带通滤波电路的中心频率不相等；
所述的电压互感器和电流互感器分别用于获取系统侧线路端口处的电压信号和电流信号，所述的多个带通滤波电路用于将电流信号和电压信号中的谐波分量检测出来得到谐波电压
Figure BDA0002564068260000025
和谐波电流
Figure BDA0002564068260000026
所述的谐波测量装置还包括输入放大器和A/D转换器，所述的输入放大器的一端分别与电压互感器和电流互感器连接，另一端与带通滤波电路连接，用于放大谐波电压
Figure BDA0002564068260000027
和谐波电流
Figure BDA0002564068260000028
的信号幅度，所述的A/D转换器的一端与带通滤波电路连接，另一端与单片机连接，用于完成信号的模数转换。
本发明中，所述的电压互感器的型号可以选择JDZF7-10GUW1，所述的电流互感器的型号可以选择LZZBJ9-100A3G，所述的输入放大器的型号可以选择TSM103A，所述的A/D转换器的型号可以选择AD7671，所述的单片机可以选择OTP型MDT20系列单片机，所述的显示屏可以选择LCD显示屏。
一种如所述的分布式光伏与风电并网谐波测量系统的谐波测量方法，包括以下步骤：
S1：建立系统侧线路端口处的等效谐波模型，计算系统侧等效阻抗；
S2：利用系统侧等效阻抗和等效谐波模型得到背景谐波电压；
S3：计算并网点处的真实谐波电流注入。
所述的等效谐波模型的公式为：
Figure BDA0002564068260000029
其中，
Figure BDA00025640682600000210
为谐波电压，
Figure BDA00025640682600000211
为谐波电流，Zh为系统侧等效阻抗，
Figure BDA00025640682600000212
为背景谐波电压。
所述的系统侧等效阻抗通过基于相对相角的双主导波动差商阻抗法求解，具体包括：
S11：选择符合双主导波动筛选规则的谐波电压和谐波电流；
所述的双主导波动筛选规则的表达式为：
Figure BDA0002564068260000031
其中，ΔU为两相邻内部电源等效谐波电压差，μΔU为谐波电压差ΔU的均值，σΔU为谐波电压差ΔU的标准差，ΔI为两相邻内部电源等效谐波电流差，μΔI为谐波电流差ΔI的均值，σΔI为谐波电流差ΔIΔU的标准差，α1为谐波电压差ΔU的奈尔系数，α2为谐波电流差ΔI的奈尔系数；所述的谐波电压差ΔU的奈尔系数α1的取值范围为1-1.5，所述的谐波电流差ΔI的奈尔系数α2的取值范围为1-1.5。
S12：依据差商阻抗法计算系统侧等效阻抗。
所述的系统侧等效阻抗的计算式为：
Figure BDA0002564068260000032
其中，Uh(i)、Ih(i)和
Figure BDA0002564068260000033
分别为测试点PCC处第i组计量数据的h次谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角；
Uh(i+1)、Ih(i+1)和
Figure BDA0002564068260000034
分别为测试点PCC处第i+1组监测数据的h次谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角。
所述的并网点处真实谐波电流注入的计算式为：
Figure BDA0002564068260000035
Figure BDA0002564068260000036
其中，
Figure BDA0002564068260000037
为并网点处真实谐波电流注入，
Figure BDA0002564068260000038
为测试点PCC处背景谐波源对用户侧的等效谐波电流注入，
Figure BDA0002564068260000039
为测试点PCC处实测谐波电流，ZAh为用户侧等效谐波阻抗。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过在并网专线的接入点(即系统侧线路和风电并网发电线路之间)设置测试点PCC，并与谐波测量装置连接，获取系统侧线路端口处的谐波电压
Figure BDA00025640682600000310
和谐波电流
Figure BDA00025640682600000311
并通过建立等效谐波模型最终计算得到并网点处真实谐波电流注入，实现分布式光伏与风电并网谐波的测量；
2)本发明中的谐波测量装置结构简单，无需设置向电网注入扰动信号的模块，降低成本，同时不会降低注入电网的电能质量；
3)本发明方法中利用谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角，通过基于相对相角的双主导波动差商阻抗法求解系统侧等效阻抗，无需向电网注入扰动信号，这三个参数的测量方便，且能够得到准确的系统侧等效阻抗，提高系统侧等效阻抗的计算效率和准确性；
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为谐波检测装置的结构示意图；
图3为本发明方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统，包括谐波测量装置以及相互连接的风电并网发电线路和系统侧线路，系统侧线路与光伏与用户侧线路连接，用户侧线路与多个用电装置连接，其中在系统侧线路和风电并网发电线路之间设置测试点PCC，该点为并网专线的接入点。
如图2所示，谐波测量装置包括电压互感器、电流互感器、带通滤波电路、单片机和显示屏，电压互感器和电流互感器分别与测试点PCC连接，输入放大器分别与电压互感器和电流互感器连接，并依次与带通滤波电路、单片机、A/D转换器和显示屏连接，其中带通滤波电路设置多个，中心频率分别为f1、f2...fN，各中心频率固定为工频的整数倍，并且f1<f2...<fN，从而能够将电流信号和电压信号中的谐波分量从高到低检测出来。
该系统的工作过程为：
用户侧线路的谐波与背景谐波源共同叠加贡献导致分布式光伏发电与风电并网点处谐波的产生的，电压互感器和电流互感器分别获取测试点PCC的电流信号和电压信号，并经过输入放大器放大信号幅度后通过多个带通滤波电路，检测得到谐波电压
Figure BDA0002564068260000051
和谐波电流
Figure BDA0002564068260000052
谐波电压
Figure BDA0002564068260000053
和谐波电流
Figure BDA0002564068260000054
通过A/D转换器后转换为数字信号，最终单片机根据谐波电压
Figure BDA0002564068260000055
和谐波电流
Figure BDA0002564068260000056
得到谐波功率因数角，并根据谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角计算并网点处的真实谐波电流注入。
另外本实施例中，电压互感器的型号选择JDZF7-10GUW1，电流互感器的型号选择LZZBJ9-100A3G，输入放大器的型号选择TSM103A，A/D转换器的型号选择AD7671，单片机选择OTP型MDT20系列单片机，显示屏选择LCD显示屏。
如图3所示，本发明还提供一种分布式光伏与风电并网谐波测量方法，包括以下步骤：
S1：建立系统侧线路端口处的等效谐波模型，计算系统侧等效阻抗；
S2：利用系统侧等效阻抗和等效谐波模型得到背景谐波电压；
S3：计算并网点处的真实谐波电流注入。
等效谐波模型的公式为：
Figure BDA0002564068260000057
其中，
Figure BDA0002564068260000058
为谐波电压，
Figure BDA0002564068260000059
为谐波电流，Zh为系统侧等效阻抗，
Figure BDA00025640682600000510
为背景谐波电压。
在该等效谐波模型中，统侧等效阻抗Zh(即系统谐波阻抗)的求解至关重要，然而系统侧等效阻抗的估算是一个非常复杂的问题。系统谐波阻抗随着时间可能产生显著的变化，因此十分缺乏可靠的数据，即使是先进的计算机程序和网络分析仪也难以弥补该问题。
为了得到准确的系统侧等效谐波阻抗，本发明采用基于相对相角的双主导波动差商阻抗法求解系统阻抗，该阻抗法是对差商阻抗法的改进，首先通过双主导波动筛选规则选出两个相邻的内部电源等效电压差可以忽略的数据，再依据差商阻抗法思想，使用所选数据计算近似等效谐波阻抗，具体包括：
S11：选择符合双主导波动筛选规则的谐波电压和谐波电流；
双主导波动筛选规则的表达式为：
Figure BDA00025640682600000511
其中，ΔU为两相邻内部电源等效谐波电压差，μΔU为谐波电压差ΔU的均值，σΔU为谐波电压差ΔU的标准差，ΔI为两相邻内部电源等效谐波电流差，μΔI为谐波电流差ΔI的均值，σΔI为谐波电流差ΔIΔU的标准差，α1为谐波电压差ΔU的奈尔系数，α2为谐波电流差ΔI的奈尔系数；谐波电压差ΔU的奈尔系数α1的取值范围为1-1.5，谐波电流差ΔI的奈尔系数α2的取值范围为1-1.5。
S12：依据差商阻抗法计算系统侧等效阻抗。
系统侧等效阻抗的计算式为：
Figure BDA0002564068260000061
其中，Uh(i)、Ih(i)和
Figure BDA0002564068260000062
分别为测试点PCC处第i组计量数据的h次谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角；
Uh(i+1)、Ih(i+1)和
Figure BDA0002564068260000063
分别为测试点PCC处第i+1组监测数据的h次谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角。
求解得到准确的系统侧等效阻抗后，背景谐波电压即可通过等效谐波模型得到：
Uoh＝Uph-ZhIph
背景谐波源对用户的等效谐波电流注入可通过背景谐波电压与各部分等效阻抗求解，然后与公共连接点处所测谐波电流叠加得到分布式光伏与风电发电侧对系统侧的真实谐波电流注入，其计算式为：
Figure BDA0002564068260000064
Figure BDA0002564068260000065
其中，
Figure BDA0002564068260000066
为并网点处真实谐波电流注入，
Figure BDA0002564068260000067
为测试点PCC处背景谐波源对用户侧的等效谐波电流注入，
Figure BDA0002564068260000068
为测试点PCC处实测谐波电流，ZAh为用户侧等效谐波阻抗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统，其特征在于，包括谐波测量装置以及相互连接的风电并网发电线路和系统侧线路，所述的系统侧线路与光伏与用户侧线路连接，所述的用户侧线路与多个用电装置连接，所述的谐波测量装置包括电压互感器、电流互感器、带通滤波电路、单片机和显示屏，所述的电压互感器和电流互感器分别与测试点PCC连接，所述的带通滤波电路分别与电压互感器和电流互感器连接，并依次与单片机和显示屏连接，所述的带通滤波电路设置多个，且多个带通滤波电路的中心频率互不相等，所述的谐波测量装置还包括输入放大器和A/D转换器，所述的输入放大器的一端分别与电压互感器和电流互感器连接，另一端与带通滤波电路连接，用于放大谐波电压
Figure FDA0002564068250000011
和谐波电流
Figure FDA0002564068250000012
的信号幅度，所述的A/D转换器的一端与带通滤波电路连接，另一端与单片机连接，用于完成信号的模数转换；
所述的电压互感器和电流互感器分别获取测试点PCC的电流信号和电压信号，并经过带通滤波电路检测得到谐波电压
Figure FDA0002564068250000013
和谐波电流
Figure FDA0002564068250000014
单片机根据谐波电压
Figure FDA0002564068250000015
和谐波电流
Figure FDA0002564068250000016
得到谐波功率因数角，并根据谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角计算并网点处的真实谐波电流注入。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统，其特征在于，所述的测试点PCC为并网专线的接入点，设置于系统侧线路和风电并网发电线路之间；
所述的电压互感器和电流互感器分别用于获取系统侧线路端口处的电压信号和电流信号，所述的多个带通滤波电路用于将电流信号和电压信号中的谐波分量检测出来得到谐波电压
Figure FDA0002564068250000017
和谐波电流
Figure FDA0002564068250000018
3.根据权利要求2所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统，其特征在于，所述的电压互感器的型号为JDZF7-10GUW1，所述的电流互感器的型号为LZZBJ9-100A3G。
4.根据权利要求2所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量系统，其特征在于，所述的输入放大器的型号为TSM103A，所述的A/D转换器的型号为AD7671，所述的单片机为OTP型MDT20系列单片机，所述的显示屏为LCD显示屏。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的分布式光伏与风电并网谐波测量系统的谐波测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立系统侧线路端口处的等效谐波模型，计算系统侧等效阻抗；
S2：利用系统侧等效阻抗和等效谐波模型得到背景谐波电压；
S3：计算并网点处的真实谐波电流注入。
6.根据权利要求5所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量方法，其特征在于，所述的等效谐波模型的公式为：
Figure FDA0002564068250000021
其中，
Figure FDA0002564068250000022
为谐波电压，
Figure FDA0002564068250000023
为谐波电流，Zh为系统侧等效阻抗，
Figure FDA0002564068250000024
为背景谐波电压。
7.根据权利要求6所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量方法，其特征在于，所述的系统侧等效阻抗通过基于相对相角的双主导波动差商阻抗法求解，具体包括：
S11：选择符合双主导波动筛选规则的谐波电压和谐波电流；
S12：依据差商阻抗法计算系统侧等效阻抗。
8.根据权利要求7所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量方法，其特征在于，所述的双主导波动筛选规则的表达式为：
Figure FDA0002564068250000025
其中，ΔU为两相邻内部电源等效谐波电压差，μΔU为谐波电压差ΔU的均值，σΔU为谐波电压差ΔU的标准差，ΔI为两相邻内部电源等效谐波电流差，μΔI为谐波电流差ΔI的均值，σΔI为谐波电流差ΔIΔU的标准差，α1为谐波电压差ΔU的奈尔系数，α2为谐波电流差ΔI的奈尔系数；
所述的等效谐波阻抗的计算式为：
Figure FDA0002564068250000026
其中，Uh(i)、Ih(i)和
Figure FDA0002564068250000027
分别为测试点PCC处第i组计量数据的h次谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角；
Uh(i+1)、Ih(i+1)和
Figure FDA0002564068250000028
分别为测试点PCC处第i+1组监测数据的h次谐波电压、谐波电流和谐波功率因数角。
9.根据权利要求7所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量方法，其特征在于，所述的并网点处真实谐波电流注入的计算式为：
Figure FDA0002564068250000031
Figure FDA0002564068250000032
其中，
Figure FDA0002564068250000033
为并网点处真实谐波电流注入，
Figure FDA0002564068250000034
为测试点PCC处背景谐波源对用户侧的等效谐波电流注入，
Figure FDA0002564068250000035
为测试点PCC处实测谐波电流，ZAh为用户侧等效谐波阻抗。
10.根据权利要求8所述的一种分布式光伏与风电并网谐波测量方法，其特征在于，所述的谐波电压差ΔU的奈尔系数α1的取值范围为1-1.5，所述的谐波电流差ΔI的奈尔系数α2的取值范围为1-1.5。
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