CN114720751A - 一种基于谐波电流源的过电压判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，利用交直谐结构设计功率变换主电路；基于可编程序控制器设计控制电路，将控制电路与功率变换主电路中的逆变器并联连接，完成谐波电流源的设计；将谐波电流源并入配电系统，并进行并联谐振分析；根据分析结果构建过电压判据，以判别配电系统是否存在过电压；本发明通过设计谐波电流源，并结合配电系统进行相应的并联谐振分析，能够准确判别过电压。

Description

一种基于谐波电流源的过电压判别方法
技术领域
本发明涉及过电压判别的技术领域，尤其涉及一种基于谐波电流源的过电压判别方法。
背景技术
电力系统运行的可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量，尽管停电原因很多，但绝缘的击穿是造成停电的主要原因之一。因此电力系统运行的可靠性在很大程度上取决于设备的绝缘水平及工作状况。电气设备的绝缘长期处于工作电压的作用下，在运行过程中，电压还可能升高而超过工作电压(即过电压)，其电源是系统中发电机的电动势，常见的原因是正常或事故操作会在系统中引起的振荡过程或谐振现象。因此在电力系统中对过电压的监测和分析有着极其重要的意义，为电网的安全运行提供可靠和准确的参考依据。
现有的过电压判别方法主要有实验室物理模拟和在线监测，实验室物理模拟不可能完全真是的模拟现场过电压，且成本较高，而在线监测受外界影响，难以实现准确判别。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：利用交直谐结构设计功率变换主电路；基于可编程序控制器设计控制电路，将所述控制电路与功率变换主电路中的逆变器并联连接，完成谐波电流源S的设计；将所述谐波电流源S并入配电系统，并进行并联谐振分析；根据分析结果构建过电压判据，以判别配电系统是否存在过电压。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：功率变换主电路包括电源、整流器、滤波器、逆变器、多频谐波发生器及变压器；其中，交直部分为桥式整流，经交流接触器软启到整流器，而后到滤波器，得到平稳电流；电源的输入端和输出端均接有滤波器。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：包括：逆变器选用IGBT作为开关元件，逆变器输出的脉宽调制波经输出滤波器滤波后，输出谐波交流电。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：多频谐波发生器包括：基于信号发生器设计多频谐波发生器，所述多频谐波发生器由参考时钟、相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器构成；所述相位累加器由N位加法器和N位寄存器构成，N位加法器和N位寄存器间串联连接；相位累加器的输出端与波形存储器的输入端连接，波形存储器的输出端与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器的输出端与低通滤波器的输入端连接；参考时钟分别与N位寄存器的输入端、波形存储器的输入端和D/A转换器的输入端连接。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：包括：可输出谐波的最低频率和最高频率间的范围超过200Hz～400Hz，且多频谐波发生器的频率分辨率小于50Hz。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：控制电路包括可编程序控制器、控制板、调压器和仪表板；其中，可编程控制器和控制板并联连接，控制板和仪表板串联连接，调压器和控制板并联连接。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：包括：所述控制电路通过控制电缆与功率变换主电路的功率变换主电路中的逆变器连接；所述控制电路通过正弦脉宽调制方式对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流谐波频率，该交流谐波频率为可输出谐波。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：包括：配电系统包括等效电容C、等效负载Z和变压器T；将n个无功补偿电容器组等效为所述等效电容C，所述等效负载Z为阻感性元件，包括等效电阻R和等效电感L，所述等效电阻R和等效电感L串联连接；所述等效电容C分别与等效负载Z、变压器T并联连接；所述谐波电流源S与所述等效负载Z并联连接。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：并联谐振分析包括：向配电系统注入待判别电压；计算在m次谐波下的阻抗值Z：
Figure BDA0003575952170000031
比较变压器的阻抗值和阻抗值Z，判断谐振类型，即若变压器的阻抗值大于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生并联谐振；若变压器的阻抗值等于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生基波谐振；若变压器的阻抗值小于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生近谐振；
其中，ZR为等效负载的阻抗值，ZC为等效电容的阻抗值。
作为本发明所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的一种优选方案，其中：过电压判据包括：根据分析结果，定义当发生谐振的谐波次数为奇数时，配电系统发生并联谐振，并计算此时的功率因数Q：
Figure BDA0003575952170000032
若功率因数Q大于设定值，则说明此时的补偿电容值过大，存在过电压。
本发明的有益效果：本发明通过设计谐波电流源，并结合配电系统进行相应的并联谐振分析，能够准确判别过电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的多频谐波发生器结构示意图；
图2为本发明第一个实施例所述的基于谐波电流源的过电压判别方法的配电系统与谐波电流源连接结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，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，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～图2，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于谐波电流源的过电压判别方法，包括：
S1：利用交直谐结构设计功率变换主电路。
功率变换主电路包括电源、整流器、滤波器、逆变器、多频谐波发生器及变压器；其中，交直部分为桥式整流，经交流接触器软启到整流器，而后到滤波器，得到平稳电流；电源的输入端和输出端均接有滤波器；逆变器选用IGBT作为开关元件，逆变器输出的脉宽调制波经输出滤波器滤波后，输出谐波交流电。
基于信号发生器设计多频谐波发生器，参照图1，多频谐波发生器由参考时钟、相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器构成；
相位累加器由N位加法器和N位寄存器构成，N位加法器和N位寄存器间串联连接；相位累加器的输出端与波形存储器的输入端连接，波形存储器的输出端与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器的输出端与低通滤波器的输入端连接；参考时钟分别与N位寄存器的输入端、波形存储器的输入端和D/A转换器的输入端连接。
较佳的是，可输出谐波的最低频率和最高频率间的范围超过200Hz～400Hz，且多频谐波发生器的频率分辨率小于50Hz，从而保证产生250Hz/350Hz的谐波频率不受频率边界的影响而相对稳定及准确。
S2：基于可编程序控制器设计控制电路，将控制电路与功率变换主电路中的逆变器并联连接，完成谐波电流源S的设计。
控制电路包括可编程序控制器、控制板、调压器和仪表板；其中，可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和控制板并联连接，控制板和仪表板串联连接，调压器和控制板并联连接。
控制电路通过控制电缆与功率变换主电路的功率变换主电路中的逆变器连接；控制电路通过正弦脉宽调制方式(Sine Pulse Width Modulation，SPWM)对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流谐波频率，该交流谐波频率为可输出谐波。
SPWM控制—脉冲宽度调制技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)的一种控制方式，具体的，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个谐波———谐波半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，用矩形脉冲代替就是等幅，不等宽，中点重合，面积(冲量)相等，宽度按正弦规律变化，脉冲宽度按正弦规律变化而和谐波等效的波形也就是SPWM波形，其可通过按同一比例改变各脉冲宽度来改变等效输出谐波幅值。
S3：将谐波电流源S并入配电系统，并进行并联谐振分析。
配电系统包括等效电容C、等效负载Z和变压器T；将n个无功补偿电容器组等效为等效电容C，等效负载Z为阻感性元件，包括等效电阻R和等效电感L，等效电阻R和等效电感L串联连接；等效电容C分别与等效负载Z、变压器T并联连接；
谐波电流源S与所述等效负载Z并联连接，如图2所示。
进一步的，进行并联谐振分析：
(1)向配电系统注入待判别电压；
(2)计算在m次谐波下的阻抗值Z：
Figure BDA0003575952170000061
其中，ZR为等效负载的阻抗值，ZC为等效电容的阻抗值。
(3)比较变压器的阻抗值和阻抗值Z，判断谐振类型；
若变压器的阻抗值大于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生并联谐振；若变压器的阻抗值等于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生基波谐振；若变压器的阻抗值小于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生近谐振。
S4：根据分析结果构建过电压判据，以判别配电系统是否存在过电压。
根据计算数据和分析结果可知，发生并联谐振的主要以奇次谐波为主，因此本实施例定义：当发生谐振的谐波次数为奇数时，配电系统发生并联谐振；并计算此时的功率因数Q：
Figure BDA0003575952170000062
若功率因数Q大于设定值，则说明此时的补偿电容值过大，存在过电压。
实施例2
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的技术方案和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
为验证本方法相对传统的技术方案能够较准确的判别过电压，本实施例中将采用传统的技术方案和本方法分别对某变电站采集的3组电压(电压A、电压B、电压C)进行判别对比。
传统的技术方案通过TR2000过电压监测仪器对过电压进行判别，将采集的3组电压输入至TR2000过电压监测仪器，同时将功率因数的设定值设为0.95，采用本方法对3组电压进行判别，获得的判别结果如下表所示。
表1：过电压判别结果。
Figure BDA0003575952170000071
由表1可见，本方法相较于传统的技术方案，能够准确地判别过电压。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，包括：
利用交直谐结构设计功率变换主电路；
基于可编程序控制器设计控制电路，将所述控制电路与功率变换主电路中的逆变器并联连接，完成谐波电流源S的设计；
将所述谐波电流源S并入配电系统，并进行并联谐振分析；
根据分析结果构建过电压判据，以判别配电系统是否存在过电压。
2.如权利要求1所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，功率变换主电路包括电源、整流器、滤波器、逆变器、多频谐波发生器及变压器；
其中，交直部分为桥式整流，经交流接触器软启到整流器，而后到滤波器，得到平稳电流；
电源的输入端和输出端均接有滤波器。
3.如权利要求2所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，包括：
逆变器选用IGBT作为开关元件，逆变器输出的脉宽调制波经输出滤波器滤波后，输出谐波交流电。
4.如权利要求2或3所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，多频谐波发生器包括：
基于信号发生器设计多频谐波发生器，所述多频谐波发生器由参考时钟、相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器构成；
所述相位累加器由N位加法器和N位寄存器构成，N位加法器和N位寄存器间串联连接；相位累加器的输出端与波形存储器的输入端连接，波形存储器的输出端与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器的输出端与低通滤波器的输入端连接；
参考时钟分别与N位寄存器的输入端、波形存储器的输入端和D/A转换器的输入端连接。
5.如权利要求4所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，包括：
可输出谐波的最低频率和最高频率间的范围超过200Hz～400Hz，且多频谐波发生器的频率分辨率小于50Hz。
6.如权利要求5所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，控制电路包括可编程序控制器、控制板、调压器和仪表板；
其中，可编程控制器和控制板并联连接，控制板和仪表板串联连接，调压器和控制板并联连接。
7.如权利要求5或6所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，包括：
所述控制电路通过控制电缆与功率变换主电路的功率变换主电路中的逆变器连接；
所述控制电路通过正弦脉宽调制方式对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流谐波频率，该交流谐波频率为可输出谐波。
8.如权利要求7所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，包括：
配电系统包括等效电容C、等效负载Z和变压器T；将n个无功补偿电容器组等效为所述等效电容C，所述等效负载Z为阻感性元件，包括等效电阻R和等效电感L，所述等效电阻R和等效电感L串联连接；所述等效电容C分别与等效负载Z、变压器T并联连接；
所述谐波电流源S与所述等效负载Z并联连接。
9.如权利要求8所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，并联谐振分析包括：
向配电系统注入待判别电压；
计算在m次谐波下的阻抗值Z：
Figure FDA0003575952160000021
比较变压器T的阻抗值和阻抗值Z，判断谐振类型，即若变压器T的阻抗值大于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生并联谐振；若变压器的阻抗值等于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生基波谐振；若变压器的阻抗值小于阻抗值Z，则等效电容与变压器端间发生近谐振；
其中，ZR为等效负载的阻抗值，ZC为等效电容的阻抗值。
10.如权利要求9所述的基于谐波电流源的过电压判别方法，其特征在于，过电压判据包括：
根据分析结果，定义当发生谐振的谐波次数为奇数时，配电系统发生并联谐振，并计算此时的功率因数Q：
Figure FDA0003575952160000031
若功率因数Q大于设定值，则说明此时的补偿电容值过大，存在过电压。
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CN115902609A (zh) * 2022-11-18 2023-04-04 上海交通大学 一种基于谐波电流源的过电压实验方法及装置

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