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CN108054763B - 一种电能质量综合管理的确定方法及系统 - Google Patents

一种电能质量综合管理的确定方法及系统 Download PDF

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CN108054763B
CN108054763B CN201810014505.1A CN201810014505A CN108054763B CN 108054763 B CN108054763 B CN 108054763B CN 201810014505 A CN201810014505 A CN 201810014505A CN 108054763 B CN108054763 B CN 108054763B
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姜泽旭
王海欣
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Hefei Polytechnic University
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Abstract

本发明公开一种电能质量综合管理的确定方法及系统，包括：得到三相电流、三相电压正弦信号；得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值；各相基波有功电流幅值与三相电压正弦信号相乘得到各相基波有功电流；得到各相无功和谐波电流；求出各相基波有功电流幅值的平均值；将各相基波有功电流幅值与各相基波有功电流幅值的平均值相减得到各相基波有功电流幅值差得到需要调节的基波有功电流；根据给定直流侧电压与实际电压的差通过比例积分调节器获得电压环输出；将需要调节的基波有功电流、各相无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际指令电流进行各相电流均衡操作。采用本发明方法抑制各相电流中的无功和谐波，同时实现三相电流的平衡。

Description

一种电能质量综合管理的确定方法及系统
技术领域
本发明涉及三相电流均衡领域，特别是涉及一种在三相四线制电网中补偿无功和谐波电流的同时平衡三相电流的电能质量综合管理的确定方法及系统。
背景技术
我国低压配网普遍采用三相四线供电方式，具有负荷小而分散、单相负荷占比高、负荷受季节和气温影响大、负荷波动范围大等特点，且单相负荷多采用二极管不控整流且无功率因数校正电路，因此三相不平衡和谐波比较严重，导致网侧电流包含多次谐波，导致线路阻抗产生谐波压降，配网变压器损耗增加和出力减小、电压不对称、零序电流增大、电机效率下降和线路损耗增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种电能质量综合管理的确定方法及系统，解决了不能抑制各相电流中的无功和谐波，不能实现三相电流的平衡的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电能质量综合管理的确定方法，包括：
对供电端的三相电路分别进行测量，得到三相电流；
对三相电路进行锁相得到与三相电路电压同频率同相位的三相电压正弦信号；
根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值；
根据所述各相基波有功电流幅值与所述三相电压正弦信号相乘得到各相基波有功电流；
根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流；
根据所述各相基波有功电流幅值求出所述各相基波有功电流幅值的平均值；
将所述各相基波有功电流幅值与所述各相基波有功电流幅值的平均值相减得到各相基波有功电流幅值差；
将所述各相基波有功电流幅值差与所述三相电压正弦信号相乘得到需要调节的基波有功电流；
根据给定直流侧电压与实际电压的差通过比例积分调节器获得电压环输出；
将所述需要调节的基波有功电流、所述各相无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际指令电流，根据所述实际指令电流进行各相电流均衡操作。
可选的，所述根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值具体包括：
将所述三相电流分别与所述三相电压正弦信号相乘所得结果含有直流分量和交流分量；
根据所述结果中的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值。
可选的，所述根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流具体包括：
所述三相电流减去所述各相基波有功电流，得到所述各相无功和谐波电流。
可选的，所述根据所述各相电流的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值具体包括：
根据公式Ip＝kI1，其中，Ip为所述各相基波有功电流幅值；I1为所述各相电流的直流分量，k为大于0的自然数。可选的，所述k为2。
一种电能质量综合管理的确定系统，包括：
电流获取模块，用于对供电端的三相电路分别进行测量，得到三相电流；
电压正弦信号确定模块，用于对三相电路进行锁相得到与三相电路电压同频率同相位的三相电压正弦信号；
有功电流幅值计算模块，用于根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值；
有功电流计算模块，用于根据所述各相基波有功电流幅值与所述三相电压正弦信号相乘得到各相基波有功电流；
无功、谐波电流计算模块，用于根据所述三相电流与所述三相基波有功电流得到各相无功和谐波电流；
平均值计算模块，用于根据所述各相基波有功电流幅值求出所述各相基波有功电流幅值的平均值；
电流幅值差计算模块，用于将所述各相基波有功电流幅值与所述各相基波有功电流幅值的平均值相减得到各相基波有功电流幅值差；
需调节电流确定模块，用于将所述各相基波有功电流幅值差与所述三相电压正弦信号相乘得到需要调节的基波有功电流；
电压环输出获取模块，用于根据给定直流侧电压与实际电压的差通过比例积分调节器获得电压环输出；
指令确定模块，用于将所述需要调节的基波有功电流、所述各相无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际指令电流，根据所述实际指令电流进行各相电流均衡操作。
可选的，所述有功电流幅值计算模块具体包括：
分量计算单元，用于将所述三相电流分别与所述三相电压正弦信号相乘所得结果含有直流分量和交流分量；
电流幅值计算单元，用于根据所述结果中的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值。
可选的，所述无功、谐波电流计算模块根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流，具体包括：
所述三相电流减去所述所述各相基波有功电流，得到所述各相无功和谐波电流。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中通过提取出各相电流的基波幅值，求取出三相电流的基波幅值的平均值，以此平均值作为各相电流基波幅值的给定值，该给定值与各相电流相位信息结合，即可获得各相电流实时给定目标值，根据目标值调节器进行实时调节，使得各相电流实际值实时跟踪目标值，即可实现三相电流的均衡。本发明应用于三相四线制电网，可以抑制各相电流中的无功和谐波，同时使得三相电流平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明实施例电能质量综合管理的确定方法流程图；
图2为本发明实施例电能质量综合管理的确定系统模块图；
图3为本发明实施例电能质量综合管理器拓扑结构；
图4为本发明实施例电能质量综合治理计算方法结构图；
图5(a)为三相不平衡条件下的非线性负载电流实验波形；
图5(b)为三相不平衡条件下的非线性负载电流THD和有效值；
图5(c)为采用本发明算法在三相不平衡条件下的网侧实验波形；
图5(d)为采用本发明算法在三相不平衡条件下的网侧电流THD和有效值；
图6(a)为三相不平衡条件下的非线性负载AB相及中线电流实验波形；
图6(b)为三相不平衡条件下的非线性负载AB相及中线电流THD和有效值；
图6(c)为采用本发明算法在三相不平衡条件下的网侧AB相及中线电流实验波形；
图6(d)为采用本发明算法在三相不平衡条件下的网侧AB相及中线电流THD和有效值；
图7(a)为采用本发明算法前后网侧AB相及补偿后中线电流实验波形；
图7(b)为采用本发明算法前后网侧AB相及补偿后中线电流THD和有效值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电能质量综合管理的确定方法及系统，解决了不能抑制各相电流中的无功和谐波，不能实现三相电流的平衡的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例电能质量综合管理的确定方法流程图。参见图1，一种电能质量综合管理的确定方法，包括：
步骤101：对供电端的三相电路分别进行测量，得到三相电流；
步骤102：对三相电路进行锁相得到与三相电路电压同频率同相位的三相电压正弦信号；
步骤103：根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值；
步骤104：根据所述各相基波有功电流幅值与所述三相电压正弦信号相乘得到各相基波有功电流；
步骤105：根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流；
步骤106：根据所述各相基波有功电流幅值求出所述各相基波有功电流幅值的平均值；
步骤107：将所述各相基波有功电流幅值与所述各相基波有功电流幅值的平均值相减得到各相基波有功电流幅值差；
步骤108：将所述各相基波有功电流幅值差与所述三相电压正弦信号相乘得到需要调节的基波有功电流；
步骤109：根据给定直流侧电压与实际电压的差通过比例积分调节器获得电压环输出；
步骤110：将所述需要调节的基波有功电流、所述各相无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际指令电流，根据所述实际指令电流进行各相电流均衡操作。
其中，所述根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值具体包括：
将所述三相电流分别与所述三相电压正弦信号相乘所得结果含有直流分量和交流分量；
根据所述结果中的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值。
其中，根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流具体包括：
所述三相电流减去所述各相基波有功电流，得到所述各相无功和谐波电流。
其中，根据所述各相电流的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值具体包括：
根据公式Ip＝kI1，其中，Ip为所述各相基波有功电流幅值；I1为所述各相电流的直流分量，k为大于0的自然数，在本实施例中k为2。
采用上述方法可获得各相电流实时给定目标值，根据目标值调节器进行实时调节，使得各相电流实际值实时跟踪目标值，即可实现三相电流的均衡。
图2为本发明实施例电能质量综合管理的确定系统模块图。参见图2，一种电能质量综合管理的确定系统，包括：
电流获取模块201，用于对供电端的三相电路分别进行测量，得到三相电流；
电压正弦信号确定模块202，用于对三相电路进行锁相得到与三相电路电压同频率同相位的三相电压正弦信号；
有功电流幅值计算模块203，用于根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值；
有功电流计算模块204，用于根据所述各相基波有功电流幅值与所述三相电压正弦信号相乘得到各相基波有功电流；
无功、谐波电流计算模块205，用于根据所述三相电流与所述三相基波有功电流得到各相无功和谐波电流；
平均值计算模块206，用于根据所述各相基波有功电流幅值求出所述各相基波有功电流幅值的平均值；
电流幅值差计算模块207，用于将所述各相基波有功电流幅值与所述各相基波有功电流幅值的平均值相减得到各相基波有功电流幅值差；
需调节电流确定模块208，用于将所述各相基波有功电流幅值差与所述三相电压正弦信号相乘得到需要调节的基波有功电流；
电压环输出获取模块209，用于根据给定直流侧电压与实际电压的差通过比例积分调节器获得电压环输出；
指令确定模块210，用于将所述需要调节的基波有功电流、所述各相无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际指令电流，根据所述实际指令电流进行各相电流均衡操作。
其中，有功电流幅值计算模块203具体包括：
分量计算单元，用于将所述三相电流分别与所述三相电压正弦信号相乘所得结果含有直流分量和交流分量；
电流幅值计算单元，用于根据所述结果中的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值。
其中，无功、谐波电流计算模块205根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流，具体包括：
所述三相电流减去所述所述各相基波有功电流，得到所述各相无功和谐波电流。
采用上述系统可以抑制各相电流中的无功和谐波，同时使得三相电流平衡。
图3为本发明实施例电能质量综合管理器拓扑结构。参见图3，其中ua、ub、uc为网侧相电压，ia、ib、ic为负载侧相电流。
1)对负载侧三相不平衡电流采样得到ia、ib、ic；
2)取峰值为1，且与三相电网电压同频率同相位的正弦信号：ua、ub、uc，并与对应的三相电流相乘，以A相为例：
3)如图4所示，将相乘后得到的含有直流分量和交流分量的结果，经过低通滤波器滤波，得到直流分量即为基波有功电流的幅值Ipa的一半。由此得到基波有功电流幅值Ipa的大小，将其与由锁相得到的正弦信号sinωt相乘得到基波有功电流ipa(t)；同理得到ipb(t)、ipc(t)。
4)将A相电流ia滤除掉基波有功部分，便可以得到剩下的无功和谐波电流为：
iLa(t)＝ia(t)-ipa(t)
同理得到iLb(t)、iLc(t)。
5)求出三相基波有功电流幅值的平均值为：
将三相基波有功电流幅值分别与其做差，得到三相静止坐标系下需要调节的基波有功电流幅值：
ΔIpa＝Ipa-Ipave
ΔIpb＝Ipb-Ipave
ΔIpc＝Ipc-Ipave
6)将上式得到的需要调节的基波有功电流幅值与锁相得到的正弦信号sinωt、相乘得到需要调节的基波有功电流Δipa、Δipb、Δipc，与检测得出的无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际的指令电流。
本发明一实施例中给定网侧交流230V，负载侧2mH电感、1000MFD电容，三相分别带107Ω、50Ω、50Ω的实验波形。实验过程中，使用电能质量分析仪对采用电能质量综合治理算法前后的波形、有效值和THD进行测量。其中，图5(a)、图5(b)为三相不平衡条件下的非线性负载实验波形、有效值和THD，由于三相负载不平衡的原因，负载电流波形不仅有较大的谐波和无功，且有效值也不同；图5(c)、图5(d)为采用本发明算法在三相不平衡条件下的网侧电流实验波形、有效值和THD，可以看到网侧电流无功和谐波电流得到补偿的同时，也平衡了三相电流的基波有功分量。图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)为AB两相和中线电流波形的对比，可以看出负载不平衡产生了很大的中线电流，而本算法能够有效平衡三相电流，抑制中线电流。图7(a)、图7(b)为单独一相在采用电能质量综合治理算法前后及补偿后中线电流通过电能质量分析仪得到的网侧电流波形、有效值和THD的对比，本发明算法使得网侧电流THD减小，网侧电流波形也更趋近正弦，有效抑制了中线电流，改善了网侧电流电能质量。
本发明提供一种在三相四线制电网中补偿无功和谐波电流的同时平衡三相电流的电能质量综合管理的计算方法。本发明用单相谐波检测算法对负载电流进行基波有功与谐波和无功进行分离，计算需要调节的三相基波有功电流，从而得到指令电流，此策略能有效补偿负载电流中的无功和谐波，同时平衡三相基波有功电流。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电能质量综合管理的确定方法，其特征在于，包括：
对供电端的三相电路分别进行测量，得到三相电流；
对三相电路进行锁相得到与三相电路电压同频率同相位的三相电压正弦信号；
根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值；
根据所述各相基波有功电流幅值与所述三相电压正弦信号相乘得到各相基波有功电流；
根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流；
根据所述各相基波有功电流幅值得到所述各相基波有功电流幅值的平均值；
将所述各相基波有功电流幅值与所述各相基波有功电流幅值的平均值相减得到各相基波有功电流幅值差；
将所述各相基波有功电流幅值差与所述三相电压正弦信号相乘得到需要调节的基波有功电流；
根据给定直流侧电压与实际电压的差通过比例积分调节器获得电压环输出；
将所述需要调节的基波有功电流、所述各相无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际指令电流，根据所述实际指令电流进行各相电流均衡操作。
2.根据权利要求1所述的电能质量综合管理的确定方法，其特征在于，所述根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值具体包括：
将所述三相电流分别与所述三相电压正弦信号相乘所得结果含有直流分量和交流分量；
根据所述结果中的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值。
3.根据权利要求1所述的电能质量综合管理的确定方法，其特征在于，所述根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流具体包括：
所述三相电流减去所述各相基波有功电流，得到所述各相无功和谐波电流。
4.根据权利要求2所述的电能质量综合管理的确定方法，其特征在于，所述根据所述各相电流的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值具体包括：
根据公式Ip＝kI1，其中，Ip为所述各相基波有功电流幅值；I1为所述各相电流的直流分量，k为大于0的自然数。
5.根据权利要求4所述的电能质量综合管理的确定方法，其特征在于，所述k为2。
6.一种电能质量综合管理的确定系统，其特征在于，包括：
电流获取模块，用于对供电端的三相电路分别进行测量，得到三相电流；
电压正弦信号确定模块，用于对三相电路进行锁相得到与三相电路电压同频率同相位的三相电压正弦信号；
有功电流幅值计算模块，用于根据所述三相电流和所述三相电压正弦信号得到各相电流对应的各相基波有功电流幅值；
有功电流计算模块，用于根据所述各相基波有功电流幅值与所述三相电压正弦信号相乘得到各相基波有功电流；
无功、谐波电流计算模块，用于根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流；
平均值计算模块，用于根据所述各相基波有功电流幅值求出所述各相基波有功电流幅值的平均值；
电流幅值差计算模块，用于将所述各相基波有功电流幅值与所述各相基波有功电流幅值的平均值相减得到各相基波有功电流幅值差；
需调节电流确定模块，用于将所述各相基波有功电流幅值差与所述三相电压正弦信号相乘得到需要调节的基波有功电流；
电压环输出获取模块，用于根据给定直流侧电压与实际电压的差通过比例积分调节器获得电压环输出；
指令确定模块，用于将所述需要调节的基波有功电流、所述各相无功和谐波电流、电压环输出的指令电流相加，得到实际指令电流，根据所述实际指令电流进行各相电流均衡操作。
7.根据权利要求6所述的电能质量综合管理的确定系统，其特征在于，所述有功电流幅值计算模块具体包括：
分量计算单元，用于将所述三相电流分别与所述三相电压正弦信号相乘所得结果含有直流分量和交流分量；
电流幅值计算单元，用于根据所述结果中的直流分量得到所述各相基波有功电流幅值。
8.根据权利要求6所述的电能质量综合管理的确定系统，其特征在于，所述无功、谐波电流计算模块根据所述三相电流与所述各相基波有功电流得到各相无功和谐波电流，具体包括：
所述三相电流减去所述各相基波有功电流，得到所述各相无功和谐波电流。
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