一種電網阻頻特性測試方法及其裝置製造方法

2023-05-29 20:01:31 2

一種電網阻頻特性測試方法及其裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種電網阻頻特性測試方法及其裝置，由直流儲能器(D)、單相逆變器(B)、單相隔離變壓器(T)、電壓互感器(V)、電流互感器(A)、上層控制器(C)等組成；上層控制器(C)控制單相逆變器(B)輸出非特徵頻率的諧波電流，經單相隔離變壓器(T)注入電網監測點(M)，電流互感器(A)測量注入監測點的諧波電流值，電壓互感器(V)測量監測點的諧波電壓值，扣除已知的電流互感器(A)與電壓互感器(V)的傳遞函數的影響，上層控制器(C)計算出電網監測點的阻抗值，再根據阻抗值擬合出包括特徵頻率在內的電網監測點的阻頻特性曲線。
【專利說明】一種電網阻頻特性測試方法及其裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電網阻頻特性測試系統，特別涉及電網阻頻特性的在線測試技術。

【背景技術】
[0002]電力電子技術的飛速發展，改善了電網供電性能，給大規模、超長距離和超高壓直流輸電等技術提供了強有力的支持，並且越來越廣泛地應用在國民經濟的各種領域，但與此同時，電網中這些電力電子(非線性)設備的使用也引起了不容忽視的諧波問題，並且日益嚴重。
[0003]諧波會對電網產生許多危害，主要包括:(I)介質擊穿或無功過載而使電容器組故障；(2)幹擾紋波控制電力載波系統，引起遙控、負荷控制和遙測的運行異常；(3)造成電網損耗增加；(4)網絡諧振引起過電壓或過電流；(5)諧波過電壓引起絕緣電纜的介質擊穿；(6)對通信系統的感應幹擾；(7)引起感應式電度表計量誤差；(8)引起信號幹擾和保護誤動，特別是固態型的和微機型的；(9)幹擾大型電機控制系統和電廠勵磁系統；(10)引起感應電機或同步電機的機械振動；(11)引起基於電壓過零檢測或閉鎖的觸發電路的不穩定運行，等。
[0004]為了控制公用電網中的諧波汙染，國家標準《電能質量公用電網諧波》規定了用戶諧波發射限值。國際上也提出了一種獎懲性方案，即系統與用戶在額定的範圍內正常交易，如果系統不能保證供電質量，用戶應當得到賠償；如果用戶的汙染指標惡化，則系統在保證向用戶正常供電的前提下要收取額外的懲罰費用；如果用戶吸收了系統中額外的諧波功率，系統應當給予用戶一定的補償和鼓勵。該方案順利實施的前提是在公共連接點對系統以及用戶的諧波發射水平進行合理的評估，而評估主要圍繞對系統和用戶側諧波阻抗特性分析來展開。眾所周知，電網是一個含有電感、電容、電阻和電源元件的網絡，電網的阻頻特性是固有的，其中，最重要的其諧振特性。當諧波源向該網絡注入的諧波頻率等於或兩者接近網絡諧振頻率時，將激勵該網絡產生諧振或諧波放大。諧振分為並聯諧振和串聯諧振。諧振會造成電網中諧波激增，產生諧波過電流、過電壓等現象，危害系統的供電、用電設備，嚴重時還會影響電網的安全可靠運行。近年來，隨著交直交列車在電氣化鐵路上的廣泛使用，諧波諧振造成電氣化鐵路的供電設備損壞，甚至影響正常、安全運行的案例時有發生。因此，有必要對系統的阻頻特性進行測定，掌握其諧振規律，更有針對性地對系統的諧波情況進行評估和治理，避免不良影響的發生和發展。
[0005]國內外學者一直致力於系統阻頻特性測量方法的研究，提出的方法主要有:投切電容器法、投切晶閘管支路法和諧波電流源注入法。前兩種都存在注入諧波含量不全和不可控制的問題，容易受噪聲信號的影響，降低了測量的準確度，而諧波電流源注入法採用的是注入特徵諧波電流，這又將受到電網背景諧波(也是特徵諧波)的幹擾而影響其測試精度，甚至真偽難辨。
[0006]本發明公開一種電網阻頻特性測試裝置，將非特徵頻率的諧波電流注入電網監測點，結合測試相應頻率的諧波電壓，扣除已知的電壓互感器與電流互感器的傳遞函數的影響，得到該點的阻抗值，再根據測得的這些阻抗值擬合出包括特徵頻率在內的阻頻特性。


【發明內容】

[0007]本發明的目的之一是提供一種電網阻頻特性測試方法，實現電網阻頻特性的在線測試。
[0008]本發明解決其技術問題，所採用的技術方案為:一種電網阻頻特性測試方法，在主要由直流儲能器(D)、單相逆變器(B)、單相隔離變壓器(T)、電壓互感器(V)、電流互感器(A)、上層控制器(C)等組成的系統上；上層控制器(C)控制單相逆變器(B)輸出非特徵頻率的諧波電流，經單相隔離變壓器(T)注入電網監測點(M)，電流互感器(A)測量注入監測點的諧波電流值，電壓互感器(V)同時測量該監測點對應頻率的諧波電壓值，並把測得的諧波電流值和諧波電壓值送至上層控制器(C);上層控制器(C)根據該非特徵頻率下已知的電壓互感器(V)與電流互感器(A)的傳遞函數和測得的諧波電流值、諧波電壓值進行計算，得出電網監測點的阻抗值，進一步獲得電網監測點的阻頻特性曲線，主要步驟是:
[0009](I)上層控制器(C)控制單相逆變器(B)輸出一組非特徵頻率的序列諧波電流，電壓互感器(V)測量對應的序列諧波電壓值，扣除已知的電壓互感器(V)與電流互感器(A)的傳遞函數的影響，上層控制器(C)計算出電網監測點的序列阻抗值；
[0010](2)上層控制器(C)根據該序列阻抗值擬合出包括特徵頻率在內的阻頻特性曲線；對應阻頻特性曲線上阻抗極大值的為並聯諧振頻率，阻抗極小值的為串聯諧振頻率；如果需要諧振點的更精確測量，轉步驟(3)，否則，轉步驟(5)；
[0011](3)上層控制器(C)控制單相逆變器(B)輸出另一組集中於並聯諧振和串聯諧振頻率附近的非特徵頻率序列諧波電流，其中，保留一個與上一組頻率和大小相同的諧波電流，稱為校準諧波電流，電壓互感器(V)測量對應該序列的諧波電壓值，扣除已知的電壓互感器(V)與電流互感器(A)的傳遞函數的影響，上層控制器(C)計算出電網監測點的序列阻抗值；
[0012](4)對應校準諧波電流，如果步驟(3)與步驟(2)計算出的阻抗值的偏差在允許範圍內，則認為此時電網運行方式穩定，轉步驟(2)，否則，轉步驟⑴；
[0013](5)輸出電網監測點阻頻特性曲線。
[0014]特徵頻率是指工頻整倍數的頻率，如10Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、350Hz等，非特徵頻率是指特徵頻率以外的頻率。
[0015]阻頻特性是阻抗-頻率特性的簡稱，即阻抗是頻率的函數。
[0016]本發明的另一目的是為上述方法提供實現裝置。
[0017]一種電網阻頻特性測試裝置，主要由直流儲能器(D)、單相逆變器(B)、單相隔離變壓器(T)、電壓互感器(V)、電流互感器(A)、上層控制器(C)組成。上層控制器(C)與單相逆變器(B)連接，單相隔離變壓器(T)連接在單相逆變器(B)與電網監測點(M)之間；上層控制器(C)控制單相逆變器⑶輸出非特徵頻率的諧波電流，經單相隔離變壓器⑴注入電網監測點(M)，電流互感器(A)測量注入監測點的諧波電流值，電壓互感器(V)同時測量該監測點對應頻率的諧波電壓值，並把測得的諧波電流值和諧波電壓值送至上層控制器(C);上層控制器(C)根據該非特徵頻率下已知的電壓互感器(V)與電流互感器(A)的傳遞函數和測得的諧波電流值、諧波電壓值進行計算，得出電網監測點的阻抗值。
[0018]本發明的工作原理是:電網是由發電機、變壓器、輸電線和負載等元件構成的網絡。每個元件均可由電感、電容、電阻和電源及其聯接關係來等效表示。發電機可由基波電壓源及其串聯阻抗表示；變壓器、輸電線可由電感、電容、電阻構成的等效電路表示；負載分為線性的和非線性的，前者可由電感、電容、電阻構成的等效電路表示，後者以電力電子裝置為代表，並且產生工頻整倍數頻率的特徵諧波，其中，電力電子整流裝置可由電感、電容、電阻構成的等效電路和並聯的特徵諧波電流源表示，電力電子逆變裝置可由電感、電容、電阻構成的等效電路和串聯的特徵諧波電壓源表示。於是，電網可由電感、電容、電阻構成的無源等效電路和基波電壓源、特徵諧波電壓源及特徵諧波電流源組成的等效網絡表示。當特徵頻率以外的非特徵諧波作用於電網時，電網的等效網絡中的基波電壓源電壓為
O(短路)，特徵諧波電壓源電壓為O (短路)，特徵諧波電流源電流為O (開路)，於是，電網就可由非特徵諧波這惟一電源作用的無源網絡來表示。顯然，此時測得的非特徵諧波作用點(監測點)的電網阻抗值和由此得到的阻頻特性是不受基波電壓源、特徵諧波電壓源及特徵諧波電流源影響的。
[0019]電網給定時，其阻頻特性就是固定的。在阻頻特性曲線上，阻抗極大值處發生的是並聯諧振，阻抗極小值處發生的是串聯諧振。研究表明:電網的並聯諧振、串聯諧振是隨著頻率增加而依次發生的；頻寬為工頻(50Hz)範圍內不會發生2次及以上並聯諧振或串聯諧振，換言之，單相逆變器(B)輸出的序列諧波電流的非特徵頻率間隔小於工頻(50Hz)的二分之一(25Hz)時，得到的阻頻特性就能包括全部的並聯諧振和串聯諧振。
[0020]按此要求，注入監測點一組非特徵頻率的序列諧波電流，其非特徵頻率間隔小於工頻(50Hz)的二分之一(25Hz)，測量對應的序列諧波電壓值，就能計算出電網監測點的序列阻抗值，並根據該序列阻抗值擬合出包括特徵頻率在內的阻頻特性曲線。
[0021]測試所用的電流互感器與電壓互感器的傳遞函數(阻頻特性)可以事先測得並應扣除，以保證阻抗值的測試、計算精度。
[0022]研究電網阻頻特性最重要的是研究並聯諧振和串聯諧振。注入監測點的序列諧波電流的非特徵頻率間隔的大小會影響擬合出的包括特徵頻率在內的阻頻特性曲線的精度，非特徵頻率間隔越小，擬合精度越高，但同時，在總的測試頻率範圍不變時，序列中的諧波電流數量會增多，所需的注入功率也更大。因此，在上一組測試、計算、擬合出包括特徵頻率在內的阻頻特性曲線並得到並聯諧振、串聯諧振的基礎上，有必要再注入另一組集中於並聯諧振和串聯諧振頻率附近的非特徵頻率序列諧波電流，測量對應的序列諧波電壓值，計算電網監測點的序列阻抗值，從而可以在不增加序列中諧波電流數量和所需注入功率的情況下更精確地獲取阻頻特性。
[0023]當然，電網運行方式的改變就意味著等效網絡的結構和參數的改變，對應監測點的阻抗值就會改變。測試、計算中，引入校準諧波電流的概念，即一個與上一組頻率和大小相同的諧波電流，比較前後兩次對應校準諧波電流的阻抗值，根據其偏差來判斷電網運行方式是否改變，並決定測試是否重複，這就兼顧了測試的實時性和穩定性。
[0024]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0025]一、本發明的電網阻頻特性測試裝置以非特徵諧波電流注入電網監測點，不會受到電網中已有的特徵(背景)諧波的幹擾，或者說，特徵(背景)諧波和非特徵諧波互不影響。同時，扣除已知的電壓互感器與電流互感器的傳遞函數的影響，更好地保證測試、計算和擬合出高精度的阻頻特性曲線。
[0026]二、本發明通過引入校準諧波電流的概念，即一個與上一組頻率和大小相同的諧波電流，比較前後兩次對應校準諧波電流的阻抗值，根據其偏差來判斷電網運行方式是否改變，兼顧了測試的實時性和穩定性。
[0027]三、本發明的電網阻頻特性測試裝置可以安裝在運輸工具上，作為電能質量測試系統的組成部分，具備較好的機動性。
[0028]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發明實施例的結構示意圖。
[0030]圖2是本發明實施的阻頻特性形成流程圖。

【具體實施方式】
[0031]實施例
[0032]圖1示出，本發明的一種【具體實施方式】為:一種電網阻頻特性測試裝置，由直流儲能器(D)、單相逆變器(B)、單相隔離變壓器(T)、電壓互感器(V)、電流互感器(A)、上層控制器(C)等組成；上層控制器(C)控制單相逆變器⑶輸出非特徵頻率的諧波電流，經單相隔離變壓器(T)注入電網監測點(M)，電流互感器(A)測量注入監測點的諧波電流值，電壓互感器(V)同時測量該監測點對應頻率的諧波電壓值，並把測得的諧波電流值和諧波電壓值送至上層控制器(C);上層控制器(C)根據該非特徵頻率下已知的電壓互感器(V)與電流互感器(A)的傳遞函數和測得的諧波電流值、諧波電壓值進行計算，得出電網監測點的阻抗值，進一步獲得電網監測點的阻頻特性曲線，具體步驟是:
[0033](I)選擇 P = I 的一組非特徵頻率，例如為:fp(k) = 100-x+10k, Hz, x = 5, k =
0,1,2, 3，一,n(其上限由需要測試的最高諧波次數確定)，上層控制器(C)控制單相逆變器⑶輸出的序列諧波電流Ip(k)，電壓互感器(V)測量對應的序列諧波電壓值Up(k)，扣除電流互感器㈧傳遞函數後的序列諧波電流記為IrpGO，扣除電壓互感器(V)的傳遞函數後的序列諧波電壓記為Urp(k)，上層控制器(C)計算出電網監測點的序列阻抗值，Zp(k)=Urp (k)/Irp (k)。
[0034](2)上層控制器(C)根據該序列阻抗值擬合出包括特徵頻率在內的阻頻特性曲線；對應阻頻特性曲線上阻抗極大值的為並聯諧振頻率，阻抗極小值的為串聯諧振頻率；如果需要諧振點的更精確測量，轉步驟(3)，否則，轉步驟(5)。
[0035](3)選擇另一組(p+1)集中於並聯諧振和串聯諧振頻率附近的非特徵頻率，記為:fp+1(j)，上層控制器(C)控制單相逆變器⑶輸出序列諧波電流Ip+1(j)，其中，保留一個與上一組頻率和大小相同的諧波電流，稱為校準諧波電流，電壓互感器(V)測量對應該序列的諧波電壓值up+1(j)，扣除電流互感器㈧傳遞函數後的序列諧波電流記為Irp+1(k)，扣除電壓互感器(V)的傳遞函數後的序列諧波電壓記為Urp+1(k)，上層控制器(C)計算出電網監測點的序列阻抗值，Zp+1 (k) = Urp+1 (k)/Irp+1(k)；
[0036](4)對應校準諧波電流，如果步驟(3)與步驟(2)計算出的阻抗值的偏差絕對值Izp(0)-zp+1 (O) I在允許範圍內，則認為此時電網運行方式穩定，轉步驟(2)，否則，轉步驟⑴。
[0037](5)輸出電網監測點阻頻特性曲線。
[0038]圖2是阻頻特性形成流程圖。
[0039]顯然，把以上所述的3套單相電網阻頻特性測試裝置接成星形或三角形連接於電網就可以進行三相電網的阻頻特性測試與分析。
[0040]在單相逆變器⑶電壓等級與監測點的電壓等級一致時，可以省卻單相隔離變壓器⑴。
【權利要求】
1.一種電網阻頻特性測試方法，在主要由直流儲能器(D)、單相逆變器(B)、單相隔離變壓器(T)、電壓互感器(V)、電流互感器(A)、上層控制器(C)組成的系統上，上層控制器(C)控制單相逆變器(B)輸出非特徵頻率的諧波電流，經單相隔離變壓器(T)注入電網監測點(M)，電流互感器(A)測量注入監測點的諧波電流值，電壓互感器(V)同時測量該監測點對應頻率的諧波電壓值，並把測得的諧波電流值和諧波電壓值送至上層控制器(C);上層控制器(C)根據該非特徵頻率下已知的電壓互感器(V)與電流互感器(A)的傳遞函數和測得的諧波電流值、諧波電壓值進行計算，得出電網監測點的阻抗值。 其獲得電網監測點阻頻特性的主要步驟是: (1)上層控制器(C)控制單相逆變器⑶輸出一組非特徵頻率的序列諧波電流，電壓互感器(V)測量對應的序列諧波電壓值，扣除已知的電壓互感器(V)與電流互感器㈧的傳遞函數的影響，上層控制器(C)計算出電網監測點的序列阻抗值； (2)上層控制器(C)根據該序列阻抗值擬合出包括特徵頻率在內的阻頻特性曲線；對應阻頻特性曲線上阻抗極大值的為並聯諧振頻率，阻抗極小值的為串聯諧振頻率；如果需要諧振點的更精確測量，轉步驟(3)，否則，轉步驟(5)； (3)上層控制器(C)控制單相逆變器(B)輸出另一組集中於並聯諧振和串聯諧振頻率附近的非特徵頻率序列諧波電流，其中，保留一個與上一組頻率和大小相同的諧波電流，稱為校準諧波電流，電壓互感器(V)測量對應該序列的諧波電壓值，扣除已知的電壓互感器(V)與電流互感器㈧的傳遞函數的影響，上層控制器(C)計算出電網監測點的序列阻抗值； (4)對應校準諧波電流，如果步驟(3)與步驟(2)計算出的阻抗值的偏差在允許範圍內，則認為此時電網運行方式穩定，轉步驟(2)，否則，轉步驟⑴； (5)輸出電網監測點阻頻特性曲線。
2.實現權利要求1所述方法的電網阻頻特性測試裝置，主要由直流儲能器(D)、單相逆變器(B)、單相隔離變壓器(T)、電壓互感器(V)、電流互感器(A)、上層控制器(C)組成，其特徵在於，上層控制器(C)與單相逆變器(B)連接，單相隔離變壓器(T)連接在單相逆變器(B)與電網監測點(M)之間；上層控制器(C)控制單相逆變器(B)輸出非特徵頻率的諧波電流，經單相隔離變壓器(T)注入電網監測點(M)，電流互感器(A)測量注入監測點的諧波電流值，電壓互感器(V)同時測量該監測點對應頻率的諧波電壓值，並把測得的諧波電流值和諧波電壓值送至上層控制器(C);上層控制器(C)根據該非特徵頻率下已知的電壓互感器(V)與電流互感器(A)的傳遞函數和測得的諧波電流值、諧波電壓值進行計算，得出電網監測點的阻抗值。
【文檔編號】G01R31/00GK104198843SQ201410397801
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】李群湛, 舒澤亮, 陳民武, 易東, 王保國, 劉煒, 趙元哲, 李亞楠 申請人:西南交通大學