一种考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法与流程

1.本发明涉及电网谐波阻抗测定研究技术领域，特别涉及一种考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法。


背景技术：

2.电弧炉、大容量调速电机、电气化牵引机车等谐波源负荷急剧增长，产生大量谐波注入电网，污染供电系统电能质量环境。在电力系统中，系统的谐波响应特性造成谐波污染或者破坏设备引起的问题严重，系统阻抗在某一频率下可能与并联补偿电容器发生谐振，从而引起谐波源注入系统和电容器组谐波电流的放大，对系统和电容器组产生严重影响，由于电力谐波存在的普遍性、复杂性和随机性，以及电容器补偿装置所在电力系统结构与特性的差异，使得电容器补偿装置的谐波响应以及其连接的电抗器合理投切方案选择成为亟待解决的技术难点。


技术实现要素：

3.本发明公开的考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法判定方法，针对配电网中突出存在的不同串抗率并联电容器组投切顺序只能依靠经验，无法根据实际情况灵活配置的问题，可有效提高并联电容器组利用率、投切成功率、谐波抑制有效率。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法：
6.步骤1：采集公共母线电压、电流实时数据，通过prony算法滤除电压、电流中的稳态分量，得到其暂态分量；
7.步骤2：基于步骤1得到的暂态分量，采用小波分析对信号进行重构以消除噪声干扰；
8.步骤3：对步骤2得到的数据进行快速傅里叶变换，实时计算电网谐波阻抗；
9.步骤4：基于步骤3的计算结果，分析不同串抗率并联电容器组投切方案的合理性，确定最佳投切顺序。
10.可选的，所述步骤1：采集公共母线电压、电流实时数据，通过prony算法滤除电压、电流中的稳态分量，得到其暂态分量；
11.具体包括：
12.可选的，步骤1：采集电容器组投切后公共母线上的电压电流数据，采用prony算法提取电压电流中的稳态分量的幅值相角，用电压电流数据减去算法计算得到的稳态分量值得到暂态数据，电容器组投切后电压包含暂态和稳态分量：
13.uc＝u
cs
+u
ct (15)
14.u
cs
为稳态分量；u
ct
为暂态分量；
15.稳态分量可用向量法求解，如式(16)所示
[0016][0017]
式中u
cs
、u
t
、分别为u
cs
、u
t
的向量形式。
[0018]
将式(16)写成时域形式为
[0019][0020]
求暂态分量u
ct
时，需求得电容器组第(n+1)个电容器c未投入时的电压uc(0-)和电感l
t
的0-时刻电流i
lt
(0-):
[0021][0022][0023]
由于能量不能突变，即电感磁链、电容电荷量不能突变，进而求得电容器组两端初始电压uc(0+)和电感l
t
初始电流i
lt
(0
+
)：
[0024][0025][0026]
暂态分量u
ct
经过式(20)求得
[0027][0028]
计算得到暂态分量u
ct
可表示为
[0029][0030]
p1、p2分别是式(22)的特征根
[0031]
同理电容器组注入系统的电流暂态分量为
[0032][0033]
采用prony算法对信号uc、i进行参数辨识，提取出基波稳态分量u
cs
、is，则暂态分
量u
ct
＝u
c-u
cs
，i
t
＝i-is,prony算法能直接根据等间距采样信号辨识出原信号x的参数：频率fr、衰减因子ar、幅值ar、相位θr，根据这些参数可以进行原信号x的重构，即表示成式(11)的指数函数的线性组合
[0034][0035]
可选的，所述步骤2：基于步骤1得到的暂态分量，采用小波分析对信号进行重构以消除噪声干扰，具体包括：
[0036]
在实际测量中总是避免不了噪声的影响,本文采用小波分析对采集的信号进行消噪处理。说明小波消噪的原理：一个含噪声的信号模型可以表示成如下形:x(i)＝s(i)+δe(i)；i＝0,
…
,n-1。式中,s(i)为真实信号；e(i)为噪声信号；x(i)为含噪声信号；δ为噪声的标准偏差。将信号通过小波变换(采用mallat算法)后，信号产生的小波系数含有信号的重要信息，将信号经小波分解后小波系数较大，噪声的小波系数较小，并且噪声的小波系数要小于信号的小波系数，通过选取一个合适的阈值，大于阈值的小波系数被认为是有信号产生的，应予以保留，小于阈值的则认为是噪声产生的，置为零从而达到去噪的目的。其实质为抑制信号中无用的部分、增强有用部分。选定一种层数为n的小波基对信号进行小波分解，分解后通过选取一合适的阀值，用阈值函数对各层系数进行量化，然后用处理后的系数重构信号得到去噪后的信号。
[0037]
小波变换通过将小波基函数作位移τ，再在不同尺度α下，与待分析信号x(t)作内积，即
[0038][0039]
通过小波基函数和阈值函数的选择来对信号去噪，本实验采用软阈值去噪方式，当小波系数的绝对值小于给定的阈值时，令其为零；大于零时，令其都减去阈值，即
[0040][0041]
可选的，所述步骤3：步骤2得到的暂态电压电流信号进行快速傅里叶分解，计算得到电网的谐波阻抗数据。
[0042][0043]
可选的，所述步骤4：基于步骤3的计算结果，分析不同串抗率并联电容器组投切方案的合理性，确定最佳投切顺序。
[0044][0045][0046]
式中：n—谐波次数；in—谐波源的第次谐波电流；xs—系统等值基波阻抗；xc—电容器组基波电抗；x
l
—电抗器基波电抗(x
l
＝kxc，k为串抗率)；i
cn
—电容器支路谐波电流；i
sn
—系统支路谐波电流；
[0047]
发生并联谐波谐振的条件是nxs+nx
l
＝xc/n，即nxs+nkxc＝xc/n，k＝1/n
2-xs/xc。并联电容器装置串联电抗器的电抗率及容量选择设并联电容器组装置安装处的母线短路容量为sd，则sd＝u2/xs，又因电容器组的容量qc＝u2/xc,故由k》1/n
2-xs/xc可以推导出电容器装置的谐振容量qc为qc》sd(1/n
2-k)这就是并联电容器装置设计规范所给出的校验避开并联谐振的电容器组容量，根据系统谐波阻抗的计算来选取电容器组的投切方案。
[0048]
该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0049]
本发明提供基于电容器投切电网谐波阻抗特性的不同串抗率并联电容器组投切的方法，包括电容器投切后公共母线电压电流的采集；通过prony算法计算得到电压电流中的稳态信号，将电压电流数据减去稳态信号得到暂态电压电流信号；考虑到电网存在的噪声信号，采用小波分析重构对噪声信号进行去除，对电压电流信号进行快速傅里叶分解得到系统的谐波阻抗，通过谐波阻抗的计算结果来进行电容器组投切方案的选择。与现有技术相比，本发明提出的模型考虑实际电网存在的背景谐波源以及噪声干扰对电压电流信号的干扰来进行电网谐波阻抗的计算，通过电网谐波阻抗的计算结果进一步分析不同串抗率并联电容器组投切方案的合理性，确定最佳投切顺序。本发明针对配电网中突出存在的不同串抗率并联电容器组投切顺序只能依靠经验，无法根据实际情况灵活配置的问题，可有效提高并联电容器组利用率、投切成功率、谐波抑制有效率。
附图说明
[0050]
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。
[0051]
图1为考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法的总流程图；
[0052]
图2为本发明实施例简单电力系统等效图；
[0053]
图3为本发明实施例小波去噪及分解重构原理图；
[0054]
图4为本发明实施仿真案例小波去噪图；
[0055]
图5为本发明实施例谐波放大原理分析系统简化图。
具体实施方式
[0056]
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。
[0057]
本发明公开的考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法判定方法，针对配电网中突出存在的不同串抗率并联电容器组投切顺序只能依靠经验，无法根据实际情况灵活配置的问题，可有效提高并联电容器组利用率、投切成功率、谐波抑制有效率。
[0058]
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。
[0059]
图1为本发明实施例配电网电压暂降扰动治理效果评估模型的总流程图，如图1所示，考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法判定方法，包含以下步骤：
[0060]
步骤1：采集公共母线电压、电流实时数据，通过prony算法滤除电压、电流中的稳
态分量，得到其暂态分量；
[0061]
考虑到电网中电弧炉、电动机车等的谐波源的存在，在仿真模型中加入三次和五次谐波模拟电网背景谐波，采用prony算法处理电容器组投切后的电压电流数据得到其暂态分量用于北京谐波阻抗下一步的计算。
[0062]
步骤2：基于步骤1得到的暂态分量，采用小波分析对信号进行重构以消除噪声干扰；
[0063]
小波阈值去噪的基本问题包括三个方面：小波基的选择，阀值的选择，阈值函数的选择。小波基选择正交性、高消失矩、紧支性、对称性或反对称性的小波。不同的阈值选取将有不同的去噪效果，目前主要有通用阀值visushrink、sureshrink阈值、minimax阈值、bayesshrink阈值等。阈值函数是修正小波系数的规则，不同的反之函数体现了不同的处理小波系数的策略，本发明采用软阈值函数。
[0064]
以白噪声模型加以说明，在实际测量中,有用信号表现为低频信号或者比较平稳的信号,而噪声信号则通常表现为高频信号。所以消噪过程可按如下方法进行处理:首先对信号进行小波分解(如进行3层分解,分解过程如图3所示),则噪声部分通常包含在cd1、cd2、cd3中,因而,可以以门限阈值等形式对小波系数进行处理从而在x(i)中恢复出真实信号s(i)。
[0065]
步骤3：对步骤2得到的数据进行快速傅里叶变换，实时计算电网谐波阻抗；；
[0066]
本发明基于背景谐波和噪声扰动的干扰计算电网谐波阻抗，基于计算结果来分析不同串抗率并联电容器投切方案的合理性，确定最佳投切顺序。
[0067]
步骤4：基于步骤3的计算结果，分析不同串抗率并联电容器组投切方案的合理性，确定最佳投切顺序。
[0068]
评估不同串抗率并联电容器方案的合理性，以注入到系统的背景谐波是否放大，电网谐波畸变率的大小为判定依，电网系统侧谐波畸变率越小治理效果越优。
[0069]
图2为本发明实施例简单电力系统等效图；如图2所示，如图所示，其中包括发电机模型、变压器模型、输电线路模型和负荷模型，以及考虑系统背景谐波源。投入电容器后,用采样频率为20khz的示波器记录电容器的电压电流波形,对采样的数据进行分析，采用prony算法提取稳态分量，通过快速傅里叶变换对谐波阻抗值求取。
[0070]
电容器组投切后，电压电流表达式如下
[0071]
[0072][0073]
电压电流暂态分量表达式如下式：
[0074][0075][0076]
图3为本发明实施例小波去噪及分解重构原理图；
[0077]
图4为本发明实施例谐波放大原理分析系统简化图；
[0078]
所述步骤4：基于步骤3的计算结果，分析不同串抗率并联电容器组投切方案的合理性，确定最佳投切顺序下面就电容器组投切进行理论分析说明。
[0079]
根据图4由电路知识可知，电容器支路和系统支路的谐波电流分别为
[0080][0081][0082]
式中：n—谐波次数；in—谐波源的第次谐波电流；xs—系统等值基波阻抗；xc—电容器组基波电抗；x
l
—电抗器基波电抗(x
l
＝kxc，k为串抗率)；i
cn
—电容器支路谐波电流；i
sn
—系统支路谐波电流；
[0083][0084][0085]
当1+t＝0时，即t＝-1时，电容器支路与系统发生并联谐振，在in》0时，i
cn
＝∞，i
sn
＝∞，此时谐振点的谐波次数为
[0086][0087]
可通过串入电抗器的电感量大小控制并联谐振点位置，从而达到避开谐波源中的各次谐波。
[0088]
当t＝-2时，i
cn
/in＝-1，i
sn
/in＝2,其谐波次数n1为
[0089][0090]
当t＝-0.5时，i
cn
/in＝2，i
sn
/in＝-1,其谐波次数n2为
[0091][0092]
当n1≤n≤n2时为谐波严重放大区，n1和n2分别为谐波严重放大区的临界点，串联
电抗器x
l
值越大，n1和n2越接近，严重放大区就越小。在n《n2时，电容器支路仍呈容性，流入系统的谐波电流虽比谐波电流大，但放大不多。
[0093]
t＝0时,i
cn
＝in，i
sn
＝0，电容器与串联电抗器发生串联谐振，谐振点的谐波次数n3为
[0094][0095]
此时谐波电流完全流入电容器支路。由式(11)、式(12)看出，当n2＜n＜n3时，电容器支路仍呈容性。谐波源的谐波电流仅有部分流入系统，大部分流入电容器支路，电容器支路仍起到滤波的作用。
[0096]
t＝1时,i
cn
＝in＝i
sn
/2，谐波次数n4为
[0097][0098]
由式(11)、式(12)看出，当n3＜n时，电容器对谐波电流不起放大作用。
[0099]
如前所述,发生并联谐波谐振的条件是nxs+nx
l
＝xc/n，即nxs+nkxc＝xc/n，k＝1/n2-xs/xc。并联电容器组装置安装处的母线短路容量为图4串并联谐振原理图(a)系统(b)等值回路,并联电容器装置串联电抗器的电抗率及容量选择设并联电容器组装置安装处的母线短路容量为sd，则sd＝u2/xs，又因电容器组的容量qc＝u2/xc,故由k》1/n
2-xs/xc可以推导出电容器装置的谐振容量qc为，qc》sd(1/n
2-k)这就是并联电容器装置设计规范所给出的校验避开并联谐振的电容器组容量。
[0100][0101]
电抗率是电抗器的一个重要的参数，电抗率的大小直接影响它的作用和系统的安全。
[0102]
1)由前面的分析可知，电容器装置工作在严重放大区时，谐波电流将会放大几倍甚至数十倍(发生并联谐振时)，首先需要避开谐波放大区。
[0103]
2)选择非放大区，由式(11)推出电容器装置谐波非放大表达式
[0104][0105]
满足上式的条件时，电容支路的谐波阻抗呈感性，谐波放大现象得到了抑制。
[0106]
目前，变电站中一般配置：《0.5％、4.5％、6％、12％四种串抗率的电容器组，当接入电网处的背景谐波为3次及以上时，一般为12％；也可采用4.5％～6％与2％两种电抗率。根据三次谐波的含量可以分为两种情况：
[0107]
1)3次谐波含量较小，可选择0.1％～1％的串联电抗器，对投入电容器后的三次谐波进行验证其是否超过限值。
[0108]
2)3次谐波含量较大，选择12％或12％与4.5％～6％的串联电抗器混合装设。
[0109]
当电容器装置接入处的背景谐波含有三次和五次
[0110]
1)3次谐波含量很小，5次谐波含量较大，选择4.5％～6％的串联电抗器。2)3次谐波含量略大，5次谐波含量较小，选择0.1％～1％的串联电抗器，对投入电容器后的三次谐波进行验证其是否超过限值，或者选择12％或12％与4.5％～6％的串联电抗器混合装设。
[0111]
电容器装置接入处的背景谐波为5次及以上
[0112]
1)5次谐波含量较小，应选择4.5％～6％的串联电抗器。
[0113]
2)5次谐波含量较大，应选择4.5％的串联电抗器。
[0114]
仿真时设定一种算例，算例基本参数如表1所示。
[0115]
表1系统及原件参数
[0116][0117]
(1)可否配置电抗率为6％串联电抗器
[0118]
计算3次、5次谐波谐振容量为：q
cx3
＝sd(1/n
2-1/k)＝3.923mvar》2500kvar，q
cx5
＝-1.535mvar，并根据式(9)-式(11)得n0＝3.29，n1＝2.83，n2＝3.62，从n0，n1，n2的谐波次数可知，3次谐波处于谐波严重放大区，仿真结果电流谐波畸变率达到27.4％，解决办法可以是增加电容器组的容量，或者是改变电容器组的串抗率。
[0119]
(2)可否配置电抗率为12％串联电抗器
[0120]
避开谐波严重放大区验算，根据式(9)式(10)得n0＝2.56，n1＝2.32，n2＝2.71，此时电容器支路呈感性，电容器对谐波不起放大作用,仿真验算此时谐波畸变率为7.5％
[0121]
(3)配置电抗率为12％+6％串联电抗器
[0122]
搭配混装串联改变系统的谐振点,此时谐波畸变率为1.7％能更好的抑制谐波电流的放大。
[0123]
本发明公开的考虑谐波阻抗变化的并联电容器组投切方法判定方法，该方法包括采集公共母线电压、电流实时数据，通过prony算法滤除电压、电流中的稳态分量，得到其暂态分量；算法得到的暂态分量，采用小波分析对信号进行重构以消除噪声干扰；对得到的数据进行快速傅里叶变换，实时计算电网谐波阻抗；基于系统谐波阻抗的计算结果，选择合理的电容器组的容量，分析不同串抗率并联电容器组投切方案的合理性，确定最佳投切顺序。本发明针对配电网中突出存在的不同串抗率并联电容器组投切顺序只能依靠经验，无法根据实际情况灵活配置的问题，可有效提高并联电容器组利用率、投切成功率、谐波抑制有效率，为配电网电容器组的投切抑制谐波放大提供了一个全新的模型和解决思路。
[0124]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，本文中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。