一种电网电压畸变不对称状态下电流各分量有功成分和无功成分的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统中电能质量的评估和检测领域，具体涉及一种电网电压畸变 不对称状态下电流各分量有功成分和无功成分的检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的发展和电力需求的突飞猛进，电网中出现了大量的非线性负荷， 非线性负荷的负载电流（除正序基波成分之外还包括正序谐波、负序基波、以及负序谐波， 在三相四线制电力系统中，还可能存在零序电流）流入电网，在电网阻抗上形成工频正弦 的电网电压降，使得电网端电网电压出现畸变和不对称，给电力系统和电力系统的其他用 户造成了严重的影响。
[0003] 在对负载电流的负序基波、正序谐波及负序谐波进行评估和治理之前，需要对其 进行精确检测，常见的检测算法中，通常不进行有功成分和无功成分的细分，但是谐波的有 功功率和无功功率是客观存在的，且对电网的影响也是不同的。
[0004] 比如在估算谐波网损的时候，单纯利用电流畸变率估计谐波网损通常不能满足 需要，如果将负载电流的负序基波、正序谐波以及负序谐波各分量进一步细分为有功成分 (对应有功分量）和无功成分（对应无功分量），可以增加谐波网损的计算精度。
[0005] 再比如，邹文学在《电网谐波有功分量的分析与处理》一文中指出谐波的有功分量 流入负载时是负载所必须的，无需对其进行补偿，因此有源滤波器等电能质量治理设备对 流入负载的谐波有功分量不进行治理，大大降低有源滤波器的补偿容量。由此可见，对谐波 的有功成分和无功成分进行精确提取是很有必要的。
[0006] 常见的检测算法无法实现谐波的有功成分和无功成分的精确提取，如图3所示， 以电流正序k次谐波为例，根据瞬时功率理论，电流正序k次谐波矢量在电网电压正序k次 谐波矢量上的投影为电流正序k次谐波的有功成分，而电流正序k次谐波矢量在电网电压 正序k次谐波矢量法向量上的投影为电流正序k次谐波的无功成分，因此，对电流正序k次 谐波的有功成分和无功成分的提取，需要精确计算电流正序k次谐波矢量与电网电压正序 k次谐波矢量的夹角。
[0007] 但是，现有技术中，谐波检测的常用算法为了降低计算复杂度通常忽略该夹角，在 广义的dq坐标系下通过对d轴和q轴的合成得到电流正序k次谐波，但此时的d轴并不为 电流正序k次谐波的有功分量，此时的d轴亦不为电流正序k次谐波的无功分量，由此可 见，在该合成过程中并不能进行有功成分和无功成分的检测，同理，现有技术亦不能对其它 各分量的有功成分和无功成分的精确提取。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种电网电压畸变不对称状态下电流各分量有功成分和无功成分 的检测方法，可以应用于三相三线制电力系统中，当电网电压畸变不对称时，也能够实现对 负载电流正序基波分量、负序基波分量、正序任意次谐波分量、负序任意次谐波分量的有功 成分和无功成分的精确提取。为表述方便，下面以正序k次谐波表示正序基波（k= 1)或正 序任意次谐波（k多2)，以负序k次谐波表示负序基波（k= 1)或负序任意次谐波（k多2)。
[0009] 本发明的理论基础是：如图3所示，根据电网电压/电流投影理论和瞬时功率理 论，在dq坐标系下，负载电流的正序（或负序）k次谐波分量矢量在电网电压的正序（或负 序）k次谐波分量矢量上投影为其有功成分，在电网电压的正序（或负序）k次谐波分量矢 量法向量上的投影为其无功成分。
[0010] 由于电网电压发生畸变且不对称，常用的dq坐标系，如图3所示实线dq坐标系， 记为坐标系Ck+，在坐标系Ck+中，d轴与电网电压各分量矢量之间存在不同的夹角，因此直 接将负载电流在dq坐标系Ck+下进行提取时不精确的。
[0011] 为了精确计算负载电流正序（或负序）k次谐波矢量在电压正序（或负序）k次谐 波矢量上的投影，重新构建满足d轴与电压正序（或负序）k次谐波矢量重合的广义dq坐 标系，如图3所示虚线坐标系，并记为坐标系CI+ (或C[_)在坐标系C[+ (或C(_)中，由于 d轴与电压正序（或负序）k次谐波矢量重合，负载电流正序（或负序）k次谐波矢量在d轴 上的投影即为在电压正序（或负序）k次谐波矢量上的投影；负载电流正序（或负序）k次 谐波矢量在q轴上的投影即为在电压正序（或负序）k次谐波矢量法向量上的投影。
[0012] 从图3中可见，要构建坐标系(或:)，只需将坐标系Ck+(或Ck)旋转一定角 度，该角度恰好为坐标系Ck+(或Ck )中d轴与电压正序（或负序）k次谐波矢量的夹角，而 该夹角为电压正序（或负序）k次谐波分量的初相位。
[0013] 因此，为了实现本发明的目的，首先获取电压基波角频率构建广义park变换矩阵 将电压变换到坐标系Ck+(或Ck)，计算电压正序（或负序）各谐波分量的初相位，重新构建 广义park变换矩阵将负载电流变换到坐标系C￡+ (或)，并在坐标系(或)中 实现负载电流各分量有功成分和无功成分的精确检测。
[0014] 其中，上述的广义park变换及其广义park变换的反变换方程如下：
[0015]
(24)
[0016] 其中，fab。为三相电网电压或电流，fdq为在dq坐标系下的d轴成分和q轴成分，T 为三相电网电压或电流变换到dq坐标系下的变换矩阵，T'为dq坐标系下的电气量变换到 abc坐标系下的变换矩阵。
[0017] -种电网电压畸变不对称状态下电流各分量有功成分和无功成分的检测方法，包 括以下步骤：
[0018] (1)由于电力系统中存在不平衡负载，负载电流和电网电压都可能三相不对称，根 据对称分量法的基本原理，可将电网电压分为三个分量，即正序分量，负序分量，零序分量， 本发明基于的三相三线制系统不存在零序分量。
[0019] 由于系统中可能存在非线性负载，负载电流可能并非标准的正弦波形，非正弦的 电流与系统阻抗形成非正弦的电网电压降，即监测点电网电压亦为非正弦，根据傅里叶基 数理论，将负载电流划分为若干谐波的叠加。
[0020] 记abc静止坐标系下的电网电压uabc为：
[0021]
[0022] 式中，《为电网电压基波的角频率；
[0023] t为时间；
[0024] n多2时，n为电网电压谐波含量中所包含的谐波次数，n= 1时为基波；
[0025] 冗为电网电压正序n次谐波分量有效值；
[0026] :为电网电压负序n次谐波分量有效值；
[0027] 尤，为电网电压正序n次谐波分量的初相位；
[0028] '为电网电压负序n次谐波分量的初相位。
[0029] 1-1-1、利用锁相环（PLL)对三相电网电压锁相，得到基波的角频率
[0030] 1-1-2、对于电压正序k次谐波分量初相位的提取方法为：构建旋转频率为k?的 广义park变换矩阵，记对应的广义dq坐标系为坐标系Ck+，根据坐标系Ck+的d轴和q轴角 度关系计算电网电压正序k次谐波的初相位；利用基波角频率分别经广义park变换变换 到广义dq坐标系Ck，根据坐标系Ck的d轴和q轴关系计算电网电压负序k次谐波的初相 位；
[0031] 下面详述计算方法。
[0032] 1-1-1、为了实现电网电压正序k次谐波矢量初相位的提取，构建如下广义park变 换： 「nrml
[0034] 将（25)式（abc静止坐标系下的电网电压即）与（26)式（广义park变换矩阵） 代入（24)式，得到坐标系Ck+中得到d轴和q轴分量分别为ud，k+、uq，k+，如下所示：
[0035]
[0036] 由（27)式可见，当n=k时，ud,k+、uq,k+均为直流；当n乒k时，ud,k+、uq,k+均含有 正弦或余弦。因此经低通滤波对直流进行提取，可实现电网电压正序k次谐波分量的精确 提取。
[0037] 1-1-2、将上（27)式中的1!0+、1!0+进行低通滤波得到直流成分即为电网电压正序 k次谐波的d轴成分和q轴成分，如下式：
[0038]
(28)
[0039] 由该式得到电网电压正序k次谐波矢量初相位为：
[0040]
(29)
[0041] 1-2-1、为了实现电网电压负序k次谐波矢量初相位的提取，构建如下广义park变 换：
[0042]
(30)
[0043] 将（25)式（abc静止坐标系下的电网电压即）与（30)式（广义park变换矩阵） 代入（24)式，得到坐标系Ck中得到d轴和q轴分量分别为udiek、ivk，如下所示：
[0044] abc静止坐标系下的电网电压，SP(25)式的uab。经矩阵为（8)的广义park变换 后，得到坐标系Ck中的电网电压Udik、Uq，k如下所示：
[0045]
(31)
[0046] 由该式可见，当n=k时，ud,k、uq,k均为直流；当n乒k时，ud,k、uq,k均包含正弦 和余弦成分，因此经低通滤波对直流进行提取，可实现电网电压负序k次谐波分量的精确 提取
[0047] 1-2-2、将（31)的ud，k、uq，k进行低通滤波得到直流成分即为电网电压负序k次谐 波的d轴成分和q轴成分为：
[0048]
(32)
[0049] 由该式得到电网电压负序k次谐波矢量初相位为：
[0050]
(33)
[0051] (2)重新构建广义park变换矩阵使新的dq坐标系的d轴与电网电压正序k次谐 波矢量重合，得到坐标系巧+，重新构建的广义park变换矩阵为：
[0052]
[0055] 2-2、步骤（2)中，重新构建广义park变换矩阵使新的dq坐标系的d轴与电网电 压负序k次谐波矢量重合，得到坐标系C[_s重新构建的广义park变换矩阵为：
[0056]
[0059] (3)将abc静