考慮電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的電子式電流互感器諧波計(jì)量方法

萬薇薇

（國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210023）

集成電力系統(tǒng)具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的構(gòu)件耦合因素越來越多，易產(chǎn)生諧波振蕩[1]，需構(gòu)建電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的電子式電流互感器諧波抑制模型。對(duì)電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量研究是建立在對(duì)電力系統(tǒng)的空間參數(shù)特征匹配的基礎(chǔ)上，結(jié)合線性網(wǎng)絡(luò)的諧波穩(wěn)態(tài)跟蹤識(shí)別方法，構(gòu)建電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波計(jì)量的特征辨識(shí)模型，采用參數(shù)自適應(yīng)融合和特征優(yōu)化檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量和參數(shù)識(shí)別。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量方法主要有電子式電流互感器諧波準(zhǔn)確度整體校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究[2]、基于光伏逆變器實(shí)現(xiàn)的無網(wǎng)側(cè)電流互感器諧波補(bǔ)償方法[3]以及基于在線校驗(yàn)的電子式電流互感器測(cè)試技術(shù)研究[4]等。以上傳統(tǒng)方法通常構(gòu)建了電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量的參數(shù)分析模型。結(jié)合特征匹配和自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)，構(gòu)建電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量的約束參數(shù)模型，通過模糊決策和魯棒性控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量，但傳統(tǒng)方法進(jìn)行電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量的可靠性不高，穩(wěn)定性差。

針對(duì)上述問題，該文提出基于電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的電子式電流互感器諧波計(jì)量方法。首先構(gòu)建電子式電流互感器諧波參數(shù)采集模型，通過諧波信號(hào)特征匹配方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波振蕩的融合處理。匹配電子式電流互感器諧波的非線性負(fù)荷參量特征，采用非線性特征序列重組和負(fù)荷均衡匹配法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器的諧波抑制和可靠性檢測(cè)。仿真測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該文方法在提高電子式電流互感器諧波可靠性計(jì)量能力方面具有優(yōu)越性能。

1 電子式電流互感器諧波參數(shù)分析

1.1 參數(shù)采集

為實(shí)現(xiàn)基于電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的電子式電流互感器諧波計(jì)量，構(gòu)建電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波計(jì)量的信號(hào)分析模型，采用等效電路分析方法[5-6]，構(gòu)建電力系統(tǒng)的電子式電流互感器模型，如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)的電子式電流互感器等效電路

在圖1 所示的電力系統(tǒng)的電子式電流互感器中，采用線性網(wǎng)絡(luò)和非線性網(wǎng)絡(luò)組合設(shè)計(jì)方法，分析電力系統(tǒng)的電子式電流互感器諧波信號(hào)輸出特征，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，分析的電力系統(tǒng)的電子式電流互感器輸出穩(wěn)態(tài)信號(hào)特征量[7]，得到主磁滯回環(huán)內(nèi)部參數(shù)，表示為(a,b)，電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波窄帶信號(hào)分量可表示為：

根據(jù)電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波分量，結(jié)合頻譜分析方法，構(gòu)建電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波振蕩抑制模型，得到非正弦激勵(lì)下磁性信號(hào)頻率為f，電子式電流互感器諧波參數(shù)特征分量表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

引入傅里葉變換，得到電力系統(tǒng)的電子式靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度表示為：

式中，k為額定負(fù)載，I1、I2分別為一次側(cè)、二次側(cè)電流的有效值。

采用靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度特征融合分析方法，構(gòu)建電子式電流互感器諧波參數(shù)采集和信息融合模型[8]。

1.2 電子式電流互感器諧波信號(hào)模型

構(gòu)建電子式電流互感器諧波參數(shù)采集模型，通過諧波信號(hào)特征匹配方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波振蕩的融合處理[9-11]，得到電子式電流互感器頻率存在偏移時(shí)，即Δf≠0 時(shí)，電子式電流互感器的諧波特征分量表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

采用改進(jìn)動(dòng)態(tài)Preisach 模型實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的電子式電流互感諧波周期性振蕩控制，得到振蕩控制模型表達(dá)式為：

式中，θ為振蕩角差。結(jié)合等效磁場(chǎng)與磁密幅值融合分析，得到電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波窄帶分量表達(dá)式為：

當(dāng)Δf=nF(n為整數(shù))時(shí)，非正弦激勵(lì)的磁滯分量是一個(gè)固定值；當(dāng)Δf≠nF時(shí)，電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波的幅值為α，角頻率為β=2πΔf，采用匹配濾波檢測(cè)方法，結(jié)合級(jí)聯(lián)濾波器[12]，由此得到電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波振蕩抑制電路，如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波振蕩抑制電路

2 電子式電流互感器諧波計(jì)量結(jié)果優(yōu)化

2.1 諧波振蕩特征分析

通過電阻元件敏感參數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波的非線性負(fù)荷參量特征匹配，采用線性響應(yīng)特征分析方法[13]，得到電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波的輸出電壓參數(shù)：

式中，l是諧波數(shù)量，通過單頻諧波檢測(cè)方法，在偏置小磁滯回環(huán)中，得到電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波分量。計(jì)算電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波分量H，即：

快速提取模型參數(shù)，求出電力系統(tǒng)電子式電流互感器的二階電壓：

計(jì)算電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波的三階非線性電流和電壓[14]，得到傅里葉級(jí)數(shù)復(fù)數(shù)形式：

將所求出的一階、二階、三階電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波分量求和[15]，就得到了初始狀態(tài)分量下電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波的載噪比：

式中，δ是每個(gè)子頻段重新組合的功率之比，R為擴(kuò)頻碼速率。Q是多頻段動(dòng)態(tài)相量，定義為：

式中，η是接收的電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波傳遞函數(shù)。

2.2 電子式電流互感器諧波檢測(cè)

采用非線性特征序列重組和負(fù)荷均衡匹配的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波抑制和可靠性檢測(cè)，電流互感器諧波抑制的迭代函數(shù)為：

采用移頻頻率分析方法，得到電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波振蕩的初始值為V0，設(shè)置最大允許精度為ε。

按多頻段動(dòng)態(tài)相量分析方法，計(jì)算gk=?f(Vk)，若，則電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波滿足收斂條件，Vk則為電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波參數(shù)分析的近似解[16]。

計(jì)算電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波計(jì)量的搜索方向dirk，令dirk=-Hkgk。兼顧計(jì)算速度和精度，對(duì)迭代點(diǎn)Vk+1，即Vk+1=Vk+αkd。

計(jì)算電流互感器諧波的k+1 次迭代輸出為gk+1，定義子模塊的開關(guān)函數(shù)，令sk=Vk+1-Vk，yk=gk+1-gk，得到電力系統(tǒng)電子式電流互感器諧波穩(wěn)態(tài)計(jì)量輸出為：

綜上分析，采用非線性特征序列重組和負(fù)荷均衡匹配的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波抑制和可靠性檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 方法實(shí)現(xiàn)流程

3 仿真測(cè)試設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

通過仿真測(cè)試驗(yàn)證該文方法在實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波抑制和計(jì)量中的應(yīng)用性能，設(shè)定電子式電流互感器輸出的電平數(shù)為7，電壓相角為45°，電壓發(fā)生階躍的時(shí)間長(zhǎng)度為0.35 ms，電子式電流互感器諧波計(jì)量的迭代次數(shù)為120 次，輸出帶寬為3.2 kHz，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，得到電子式電流互感器諧波特性檢測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電子式電流互感器諧波特性檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖4的電子式電流互感器諧波特性檢測(cè)結(jié)果，在不同的互調(diào)階數(shù)下實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波計(jì)量，得到計(jì)量結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電子式電流互感器諧波計(jì)量結(jié)果

分析圖5 得知，該文電子式電流互感器諧波計(jì)量方法具有理想的穩(wěn)定性，且輸出功率增益較大。

測(cè)試不同方法進(jìn)行電子式電流互感器諧波計(jì)量的適應(yīng)度，如圖6 所示。

分析圖6 得知，與文獻(xiàn)[2]方法相比，該文方法得到的電子式電流互感器諧波計(jì)量的適應(yīng)度較高，收斂性較好。

圖6 電子式電流互感器諧波計(jì)量的適應(yīng)度曲線

4 結(jié)束語

該文提出基于電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的電子式電流互感器諧波計(jì)量方法。結(jié)合級(jí)聯(lián)濾波器，采用非線性特征序列重組和負(fù)荷均衡匹配的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器諧波抑制和可靠性檢測(cè)。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，該文方法進(jìn)行電子式電流互感器諧波檢測(cè)和計(jì)量的收斂性較好，檢測(cè)適應(yīng)度較強(qiáng)，有效提高了諧波抑制和檢測(cè)能力。