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CN108957130B - 一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法 - Google Patents

一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法 Download PDF

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CN108957130B CN201810844520.9A CN201810844520A CN108957130B CN 108957130 B CN108957130 B CN 108957130B CN 201810844520 A CN201810844520 A CN 201810844520A CN 108957130 B CN108957130 B CN 108957130B
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Abstract

本发明公开了一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法：首先用FFT算法对电网信号进行快速分析,初步获取各谐波及间谐波频率成分；进而分别建立频率为谐波正序和谐波负序的两相旋转坐标，并将电网三相信号分别变换到这两个旋转坐标系后再分别进行滤波处理；最后通过坐标逆变换即可得到三相正序和负序谐波分量。本发明既能检测正序谐波又能检测负序谐波，同时还能检测包括间谐波的各个频率段的谐波含量，且结构简单，易于数字化实现，具有很强的实用价值。

Description

一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统谐波检测方法，尤其是涉及一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法。
背景技术
近年来，风电装机容量不断增加，高压直流输电线路也越来越多，使得电力系统的电力电子化程度越来越高。而随着电力电子设备在电力系统中不断增多，使得电力系统中的谐波含量变得异常复杂，同时还会出现大量的间谐波，这些都是谐波检测技术所亟待解决的问题。
目前常用的谐波检测方法主要包括滤波器法、频率分析法、小波分析分析法以及采用瞬时无功功率理论的谐波检测方法。
滤波器法算法结构简单，然而精确性和可靠性较差且带通和带阻滤波器在工程都中不易实现。频率分析法通常采用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)对谐波进行分析，虽然可以检测出各次谐波分量的幅值和相位，但由于其窗宽的限制，其实时性较低，一般适用于进行离线计算，用于实时谐波检测时往往精度和可靠性较低。基于小波变换的谐波检测方法可以检测出基波有功、无功电流和总谐波电流，但不能检测各次谐波含量，且小波变换的谐波检测方法精度和可靠性也都较差。采用瞬时无功功率理论的谐波检测方法以瞬时无功功率理论为基础，通过坐标变换和相应的计算可以精确可靠的检测出系统的谐波含量。
但现有的基于瞬时无功功率理论的传统谐波检测算法也只能检测出总的谐波含量而不能检测出各次谐波的含量和相角，在某些需要获取特定频率和相序的谐波时将不再适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提出了一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法，既能检测正序谐波又能检测负序谐波，同时还能检测包括间谐波的各个频率段的谐波含量。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下。
一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)对电网三相电流或电压信号Xs(s＝a，b，c)进行采样，获得其离散采样信号；
(2)对步骤(1)所述离散采样信号Xs利用FFT算法进行快速分析，初步获取各谐波及间谐波频率成分；
(3)将Xs分别变换到频率为fp的正序和负序两相旋转坐标系中，得到分量Xd、Xq；
其中fp为步骤(2)所获取的谐波及间谐波中所关注的谐波频率；
(4)对步骤(3)所述Xd、Xq进行低通滤波，得到
Figure BDA0001746339400000021
(5)对
Figure BDA0001746339400000022
进行频率为fp的正序和负序坐标逆变换，得到fp的三相正序和负序谐波分量。
本发明进一步包括以下优选方案：
步骤(3)具体包括以下内容：
3.1通过克拉克变换矩阵(1)将三相电流或电压进行abc/αβ坐标系变换：
Figure BDA0001746339400000031
变换到频率为fp正序的两相旋转坐标系时，相角θ取为2πfpt，变换到频率为fp负序的两相旋转坐标系时，相角θ取为-2πfpt；θ
3.2通过派克变换矩阵(2)进行αβ/dq的坐标系变换。
Figure BDA0001746339400000032
步骤(4)所述低通滤波为采用一阶低通滤波器，其传递函数Glp(s)表达式如公式(3)：
Figure BDA0001746339400000033
式中，ωc为一阶低通滤波器的截止频率，取值为[0Hz,50Hz]，s为拉普拉斯算子。
在步骤(5)中，根据变换矩阵(1)、(2)、(4)进行坐标逆变换，得到三相正序和负序谐波分量。
Cdq/abc＝(Cαβ/dqCabc/αβ)-1 (4)
其中变换矩阵(1)、(2)同3.1和3.2所述。
本方法首先用FFT算法对电网信号进行快速分析,初步获取各谐波及间谐波频率成分；进而分别建立频率为谐波正序和谐波负序的两相旋转坐标，并将电网三相信号分别变换到这两个旋转坐标系后再分别进行滤波处理；最后通过坐标逆变换即可得到三相正序和负序谐波分量。
本发明相对于现有技术能取得以下有益效果：
本发明基于瞬时无功功率理论的基本原理提出了一种新型的谐波检测算法，既能检测正序谐波又能检测负序谐波，同时还能检测包括间谐波的各个频率段的谐波含量，且结构简单，易于数字化实现，具有很强的实用价值。
附图说明
图1所示为本发明的基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法示意图；
图2所示为本发明实施例在理想测试信号下的谐波检测方法示意图；
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进一步详细表述。
本发明公开的一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法如附图1所示，包括以下步骤：
(1)对电网三相电流或电压信号Xs(s＝a，b，c)进行采样，获得其离散采样信号；
(2)对步骤(1)所述离散采样信号Xs利用FFT算法进行快速分析，初步获取各谐波及间谐波频率成分；
(3)将Xs分别变换到频率为fp正序和负序的两相旋转坐标系中，得到分量Xd、Xq；
其中fp为步骤(2)所获取的谐波及间谐波中所关注的谐波频率；
(4)对步骤(3)所述Xd、Xq进行低通滤波，得到
Figure BDA0001746339400000041
(5)对
Figure BDA0001746339400000042
进行频率为fp正序和负序的坐标逆变换，得到fp的三相正序和负序谐波分量。
步骤(3)包括以下内容：
3.1通过克拉克变换矩阵(1)将三相电流/电压进行abc/αβ坐标系变换：
Figure BDA0001746339400000051
变换到频率为fp正序的两相旋转坐标系时，相位取θ为2πfpt，变换到频率为fp负序的两相旋转坐标系时，相位取θ为-2πfpt；
3.2通过派克变换矩阵(2)进行αβ/dq坐标系变换：
Figure BDA0001746339400000052
步骤(4)所述低通滤波，采用一阶低通滤波器，其传递函数Glp(s)表达式如公式(3)：
Figure BDA0001746339400000053
式中，ωc为一阶低通滤波器的截止频率，取值为[0Hz,50Hz]，本申请实施例优选10Hz；s为拉普拉斯算子。
在步骤(5)中，根据变换矩阵(1)、(2)、(4)进行坐标逆变换，最终得到得到三相正序和负序谐波分量。
Cdq/abc＝(Cαβ/dqCabc/αβ)-1 (4)
其中变换矩阵(1)、(2)同3.1和3.2所述。
下面结合图2和表1的实施例说明本发明。
本发明实施例采用三相电流测试信号，该测试信号包含频率50Hz幅值100A的基频正序电流，频率150Hz幅值10A的三倍频正序分量，频率250Hz幅值5A的五倍频负序分量以及频率70Hz幅值4A的负序间谐波分量；各次谐波的初相位均为零。
采用如图2所示的谐波检测方法，得到如表1所示谐波检测结果。由表1结果可见，本发明谐波算法能够准确检测出各频率段下正序和负序谐波，不仅能检测整数次谐波还能检测间谐波，弥补了传统的基于瞬时无功功率理论谐波检测算法的缺陷。
表1：本发明实施例在理想测试信号下的谐波检测结果
Figure BDA0001746339400000061

Claims (3)

1.一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对电力系统三相电流或电压信号Xs(s＝a，b，c)进行采样，获得其离散采样信号；
(2)对步骤(1)所述离散采样信号Xs利用FFT算法进行快速分析，初步获取各谐波及间谐波频率成分；
(3)将Xs分别变换到频率为fp正序和负序的两相旋转坐标系中，得到分量Xd、Xq；
其中fp为步骤(2)所获取的谐波及间谐波中，关心的谐波频率；
(4)对步骤(3)所述Xd、Xq进行低通滤波，得到
Figure FDA0002469624880000011
(5)对
Figure FDA0002469624880000012
进行频率为fp正序和负序的坐标逆变换，得到fp的三相正序和负序谐波分量；
所述的步骤(3)具体包括以下内容：
3.1通过派克变换矩阵(1)将三相电流或电压进行abc/αβ坐标系变换，变换矩阵为：
Figure FDA0002469624880000013
变换到频率为fp正序的两相旋转坐标系时，取相角θ为2πfpt，变换到频率为fp负序的两相旋转坐标系时，取相角θ为-2πfpt；
3.2通过克拉克变换矩阵(2)进行αβ/dq坐标系变换：
Figure FDA0002469624880000014
2.根据权利要求1所述的基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法，其特征在于：所述的步骤(4)的低通滤波为采用一阶低通滤波器，其传递函数表达式如公式(3)：
Figure FDA0002469624880000021
式中，ωc为一阶低通滤波器的截止频率，取值为[0Hz,50Hz]。
3.根据权利要求2所述的一种基于瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，根据变换矩阵(1)、(2)、(4)进行坐标逆变换，最终得到三相正序和负序谐波分量，
Cdq/abc＝(Cαβ/dqCabc/αβ)-1 (4)
其中，变换矩阵(1)、(2)同3.1和3.2所述。
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