CN104330627B - 一种基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法；针对电力***存在非线性负载时的谐波污染，以及接有无功补偿电容器时容易产生谐振的问题，通过并联接入电网的有源电能质量调节装置补偿谐波，同时利用此电能质量调节装置向电网一次性注入特定波形的无功和谐波组合电流以自动检测电网谐振角频率及阻尼系数，对于单相***注入180°方波电流，对于三相***注入120°方波电流；本发明根据电网谐波电压、谐波电流及谐波功率的频谱特性，建立最优权值算法的谐振检测组合模型，可以快速、准确地判定电网谐振角频率及阻尼程度，为电网谐振的阻尼控制提供应用基础，进一步提高电力***的电能质量。

Description

一种基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法

技术领域

本发明属于电能质量控制领域，更具体地，涉及一种基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法。

背景技术

无功补偿并联电容器是一种十分常见的功率因数校正方法，在工业现场无功补偿领域占据着主导地位。在电力***中，通常根据不同的负荷水平，投入相应容量的电容器来改善***的功率因数，提高输电线路的电压水平，同时减少电网损耗、消除过载。

随着各类电力电子装置等非线性负载的广泛应用，电网中的谐波电流日益增加，谐波电流流过线路阻抗上会产生谐波电压压降。谐波电流和谐波电压会使得并联的功率因数校正电容与电网阻抗产生并联或者串联谐振，这种情况在电力***中经常出现，严重危害并联电容器以及电力***稳定性和安全可靠性。

电网谐振频率的检测是抑制电网谐振的先决条件，目前常用的检测电网谐振点方式为：首先利用晶闸管投切电容器、电抗器等方法产生谐波电流，在晶闸管投切电容器/电抗器的瞬间，会向电网注入谐波电流，该谐波电流在不同谐波频率处对电网会产生不同的影响，接着使用电网谐振检测工具对谐波电流和电压进行波形记录，然后通过仪器和波形分析进行频谱分析，计算谐波阻抗，从而确定电网谐振的***参数。

然而，上述使用的方法存在检测精度较差、检测速度较慢及现场适应性不好的缺点；且检测过程需分两个过程由不同的检测设备独立完成，成本较高、实现较复杂、灵活性差、不能满足实现自动检测的需求。首先，晶闸管投切电容器/电抗器方式为无源阻抗投切方式，该方式利用在投切电容器/电抗器瞬间的暂态响应过程中产生的谐波电流去检测电网谐振点，而此方式产生的谐波电流为连续频谱，其中低频谐波含量较大将危害电力***的正常运行，而高频谐波含量较小将影响电力***谐振频率的准确判定，并且受电网电压及投切的电容器/电抗器阻抗大小影响，各次谐波含量不能灵活选择，现场适应性较差。

另外，目前已有的电网谐振检测工具多为使用专门的检测设备，该检测设备成本较高，在获取电网谐波电流和电压波形后需结合上位机软件进行波形频谱分析，整个过程操作复杂，速度较慢，且灵活性较差，不能实现在线自动检测。电力***在同时接有非线性负载和并联电容器，且负荷发生变化致使电力***参数改变的情况下，电网谐振频率也不同，而传统谐振检测方式的无源阻抗投切过程与检测设备算法分析过程独立进行，往往适应性较差，不能实现快速、自动检测的需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法，旨在解决传统检测方法准确度欠佳、不能实现快速地在线自动检测功能的问题。

本发明提供了一种基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法，包括下述步骤：

S1：获取公共耦合点的电网电压、电网电流以及电能质量调节装置输出电流、直流侧电压；并通过数字锁相环节PLL获取电网电压的角频率ω和相位θ；

其中，所述公共耦合点是指电能质量调节装置主电路与电网的连接点，输出电流是指有源电能质量调节装置输出电流；

S2：对所述电网电压和所述电网电流分别进行递归离散傅里叶变换，获得电网各次特征谐波电压有效值V_ph和特征谐波电流有效值I_Sh；并根据所述特征谐波电压有效值V_ph和特征谐波电流有效值I_Sh获得各次谐波第一视在功率S_h；

S3：根据设定的电流波形获得与其对应的参考电流i^* _ref；并对所述参考电流i^* _ref进行递归离散傅里叶变换，获得参考电流的各次特征谐波电流有效值I^* _rh；

S4：对所述输出电流进行无静差双闭环的反馈调节，使得有源电能调节装置向电网注入与所述设定的电流波形相同的输出电流；

S5：当所述输出电流等于所述设定的电流波形时，对该时刻的电网电压和电网电流分别进行递归离散傅里叶变换，获取注入参考电流后电网各次特征谐波电压有效值V’_ph及特征谐波电流有效值I’_Sh，并根据所述特征谐波电压有效值V’_ph及特征谐波电流有效值I’_Sh获得各次谐波第二视在功率S’_h；

S6：根据注入参考电流前、后的电网各次特征谐波电压有效值V_ph与V’_ph，特征谐波电流有效值I_Sh与I’_Sh，特征谐波视在功率S_h与S’_h，参考电流的各次特征谐波电流有效值I^* _rh，获得用于描述电网谐振的***特性参数：电网谐振角频率ω_r和阻尼系数ζ。

其中，步骤S3中，设定的电流波形为180°方波电流或120°方波电流。

其中，步骤S4具体为：

S41：根据输出电流获得反馈电流i_f；对直流侧电压V_dc进行比例积分获得有功电流i^* _dc；

S42：根据所述参考电流i^* _ref、反馈电流i_f和所述有功电流获得误差电流，再将误差电流进行电流调节，获得参考调制信号u^* _r；

其中，电流调节方式与不同坐标系下的控制策略有关，在dq同步旋转坐标下可以采用比例积分加重复(PI+RP)的控制器，而在静止坐标系下可以采用比例谐振(PR)的控制器。

S43：将参考调制信号u^* _r与高频载波信号进行比较获得PWM开关信号；所述PWM开关信号用于控制开关管的通断，从而使有源电能调节装置向电网注入与设定的电流波形相同的输出电流。

其中，步骤S6中，根据公式获得注入第h次谐波电流后的第h次谐波组合判定指标F_h，F_h综合了注入单位指定波形的参考电流后第h次电网谐波电压、谐波电流及谐波功率变化值之和的信息，比采用三者之一的物理指标来检测电网谐振更准确；通过比较各次谐波的综合检测指标F_h值，获得F_h值最大的谐波次数h_r，那么可求得电网谐振角频率为ω_r＝100πh_r，即电网谐振频率为f_r＝50h_r；其中，w_uh为电压检测指标在组合模型中的权重，w_Ih为电流检测指标在组合模型中的权重，w_Sh为功率检测指标模型在组合模型中的权重，为对F_uh进行线性无量纲化处理后的值，为对F_Ih进行线性无量纲化处理后的值，为对F_Sh进行线性无量纲化处理后的值，其计算公式分别为： F_uh为电网谐波电压变化值与注入谐波电流的比值，F_Ih为电网谐波电流变化值与注入谐波电流的比值，F_Sh为电网谐波功率变化值与注入谐波电流的平方的比值，其计算公式为：

本发明由于只需一次性向电网中注入特定波形的参考电流，且注入参考电流功能与谐振点检测算法分析功能都在电能质量调节装置中实现，无需多种检测工具按功能分步骤相互配合进行检测，操作简单，提高了检测速度，且现场适应性较强；电能质量调节装置通常长期接入电网***中进行无功谐波与谐波抑制，当电网谐振频率发生改变时，进入谐振工作模式可实现电网谐振的在线自动检测；同时，注入的参考电流信号中各次特征谐波含量齐全，180°方波电流含有单相***的所有2k+1次特征谐波电流，120°方波电流方式含有单三***的所有6k±1次特征谐波电流(其中，k为正整数)，因此所述两种波形的电流注入电网后，使电网***的电压电流参数在不同谐波频率处都能得到响应，从而能准确的检测出电力***的谐振点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自动检测单相/三相电网谐振的电能质量调节装置主电路结构示意图。

图2为本发明实施例提供的适用于单相/三相电力***的电能质量调节装置有源注入电流式电网谐振自动检测***控制框图。

图3为本发明实施例提供的单相电力***电能质量调节装置有源注入的180°方波参考电流输出波形；其中(a)单相***中注入的180°方波电流输出波形(b)各次特征频率的电流含量。

图4为本发明实施例提供的三相电力***电能质量调装置有源注入的120°方波参考电流输出波形；其中(a)三相***中注入的120°方波电流输出波形(b)各次特征频率的电流含量。

图5为本发明实施例提供的电网谐振特性参数(即谐振角频率ω_r与谐振阻尼系数ξ)的检测方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

鉴于电网谐振的传统检测方法准确度欠佳、不能实现快速地在线自动检测功能，且检测工具成本较高、现场适应性较差等缺点，本发明提供了一种利用有源电能质量调节装置，通过向电网一次性注入特定波形的参考电流，并根据电网***运行参数的频谱特性建立检测模型，实现电网谐振频率与谐振阻尼系数快速准确地自动检测方法。该电能质量调节装置集有源注入电流与谐振分析算法于一体，当电网参数发生变化时，可以实现电网谐振的在线自动检测，从而为电力***的稳定可靠运行提供基础。本发明对于单相、三相电力***均适用。

本发明提供的基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法，包括通过利用接入电力***的有源电能质量调节装置，一方面实时检测电网电压与电网电流等运行参数，再通过RDFT算法计算出电网各次特征谐波电压与电流的有效值，并由此实时计算出电网各次特征谐波视在功率；另一方面，向电网一次性注入特定波形的参考电流，比较注入参考电流前后电网谐波电压、谐波电流以及对应的谐波能量频谱特性的不同，建立最优权值算法的谐振检测组合模型，从而快速、准确地自动检测出电网谐振频率及阻尼系数，为电网谐振的阻尼控制提供应用基础，进一步改善电力***的电能质量，提高电力***稳定性。

电能质量调节装置为有源电力电子开关型补偿装置，通过控制主电路中电力电子开关器件的通断，可无静差地输出特定波形的参考电流。

电能质量调节装置具有电网电压、电网电流以及自身输出电流检测模块，对整个电力***的运行参数进行实时检测。电能质量调节装置中央控制单元具有较高的数据运算及处理能力，同时***电路具备通信和显示模块，可以将电网运行参数及谐振检测结果送入面板进行显示。

电能质量调节装置有两种工作模式，即谐波补偿模式与谐振检测模式。当工作在谐波补偿模式时，通过RDFT算法分别提取各次特征谐波，可以实现指定次谐波的无静差补偿；当工作在谐振检测模式时，一次性向电网中注入特定波形的参考电流，可以快速、准确地实现电网谐振频率及阻尼系数自动检测。

特定波形的参考电流注入方式包括：对于单相***采用注入180°方波电流方式，对于三相***采用注入120°方波电流方式。所述两种不同波形的注入电流中基波为无功电流，从而可以保持电能质量调节装置的直流母线电压稳定，各次特征谐波含量齐全、灵活可控，因此能快速、准确地确定电网谐振点。

参考电流的跟踪控制采用无静差双闭环的反馈控制策略，电压外环控制方式可采用比例积分(PI)调节的反馈控制；电流内环控制方式与不同坐标系下的控制策略有关，在dq同步旋转坐标下可以采用比例积分加重复(PI+RP)的控制器，而在静止坐标系下可以采用比例谐振(PR)的控制器。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于单相及三相电力***的基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法。所述用于单相***的电网谐振自动检测的电能质量调节装置主电路为：以并联方式连接在单相电网与单相非线性负载之间的单相桥式电力电子变换器。所述用于三相***的电网谐振自动检测的电能质量调节装置主电路为：以并联方式连接在三相电网与三相非线性负载之间的三相桥式电力电子变换器。

本发明适用于单相/三相电力***的基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法，包括下述步骤：

S1：获取公共耦合点(即Point of Common Coupling，PPC点)的电网电压、电网电流以及有源电能质量调节装置输出电流、直流侧电压；并通过数字锁相环节PLL获取电网电压的角频率ω和相位θ。

其中，步骤S1具体为：

S11：实时进行AD转换，获取公共耦合点的电网电压瞬时值v_P、电网电流瞬时值i_S以及有源电能质量调节装置输出电流瞬时值i_C、直流侧电压瞬时值V_dc；在本发明实施例中，公共耦合点是指电能质量调节装置主电路与电网的连接点。

S12：通过数字锁相环节PLL获取所述电网电压的角频率ω和相位θ。

S2：对电网电压瞬时值v_P和电网电流瞬时值i_S分别进行递归离散傅里叶变换(Recursive Discrete Fourier Transform，RDFT)，获得电网各次特征谐波电压有效值V_ph和特征谐波电流有效值I_Sh；并根据V_ph及I_Sh获得各次谐波视在功率S_h；其中，h为谐波次数，对于单相***h＝2k+1，对于三相***h＝6k±1，k为正整数，k＝1，2，……。

S3：根据指定的电流波形获得与其对应的参考电流i^* _ref；并对参考电流i^* _ref进行递归离散傅里叶变换，获得参考电流的各次特征谐波电流有效值I^* _rh。其中，对于单相***参考电流i^* _ref以180°方波电流为指定的电流波形，对于三相***参考电流i^* _ref以120°方波电流为指定的电流波形。

S4：对电能质量调节装置输出电流进行无静差双闭环的反馈调节，使有源电能调节装置向电网注入与指定电流波形相同的输出电流。

其中，步骤S4具体为：

S41：由输出电流瞬时值i_C获得反馈电流i_f；对直流侧电压瞬时值V_dc进行比例积分(PI)获得有功电流i^* _dc。

S42：对i^* _ref、-i_f与i^* _dc求和，获得误差电流，再将误差电流进行电流调节，获得参考调制信号u^* _r。

S43：将所述参考调制信号u^* _r与高频载波信号进行比较获得PWM开关信号；由PWM开关信号控制开关管的通断，使有源电能调节装置向电网注入与指定电流波形相同的输出电流。

根据正弦脉宽调制原理，高频载波信号为锯齿波或则三角载波信号，幅值为1；在一个载波周期内，当参考调制信号u^* _r大于高频载波信号时，输出高电平的PWM信号；当参考调制信号u^* _r小于高频载波信号时，输出低电平的PWM信号。

S5：经过步骤S4的反复调节作用，有源电能调节装置将稳定输出与指定的电流波形相同的电流，此时通过RDFT运算，获取注入参考电流后电网各次特征谐波电压有效值V’_ph及特征谐波电流有效值I’_Sh，并计算出各次谐波视在功率S’_h。

S6：将注入参考电流前后的电网各次特征谐波电压有效值V_ph与V’_ph，特征谐波电流有效值I_Sh与I’_Sh，特征谐波视在功率S_h与S’_h，参考电流的各次特征谐波电流有效值I^* _rh，作为输入代入谐振检测组合模型，进行运算处理，从而得出电网谐振角频率ω_r与阻尼系数ζ，ω_r与ζ即为描述电网谐振的***特性参数。

在本发明实施例中，步骤S4中参考电流的跟踪控制采用无静差双闭环的反馈控制策略，电压外环控制方式采用比例积分的反馈控制；电流内环控制方式与不同坐标系下的控制策略有关，在dq同步旋转坐标下可以采用比例积分加重复(PI+RP)的控制方式，而在静止坐标系下可以采用比例谐振(PR)的控制方式。

步骤S6中最优权值算法具体为：首先对谐波电压有效值V_ph与V’_ph，谐波电流有效值I_Sh与I’_Sh进行同步累积滤波，即对连续多次检测到的谐波电压、谐波电流有效值求取平均值；然后，计算谐波视在功率S_h与S’_h，计算注入指定波形的参考电流前后谐波电压变化值ΔV_ph，谐波电流变化值ΔI_Sh，谐波视在功率变化量ΔS_h；接着，计算各次谐波电压、谐波电流及谐波视在功率的输出变化量与注入谐波电流量的比值F_uh、F_Ih与F_Sh。最后根据谐波电压、电流及功率的频谱特性，判断出电网谐振角频率ω_r与阻尼系数ζ。

以上所述步骤对单相、三相***均适用，且对参考电流的跟踪控制所采取的控制策略都为无静差双闭环的反馈控制；不同之处在于所述参考电流的指定电流波形和相数不同，三相***需生成三相120°方波的参考电流i^* _refa、i^* _refb、i^* _refc，其中i^* _refa的相位超前i^* _refb的相位120°，i^* _refb的相位超前i^* _refc的相位120°，而单相***只需生成一相180°方波的参考电流i^* _ref。

本发明提供了一种基于有源注入电流的实现电网谐振频率与谐振阻尼系数的自动检测方法，利用单相、三相电能质量调节装置均可实现所述自动检测功能，因此在单相、三相电力***中均适用。所述方法集有源注入参考电流与谐振分析算法于一体，只需一次性向电网中注入特定波形的参考电流，便可快速、准确地实现电网谐振频率及阻尼系数的在线自动检测功能，从而确保电力***高效稳定可靠运行。由于注入指令谐波电流功能与谐振点检测算法分析功能都在电能质量调节装置中实现，无需多种检测工具按功能分步骤相互配合进行检测，操作简单，提高了检测速度，且现场适应性较强；电能质量调节装置通常长期接入电网***中进行无功谐波与谐波抑制，当电网谐振频率发生改变时，进入谐振工作模式可实现电网谐振的在线自动检测；同时，注入的参考电流中各次特征谐波含量齐全，180°方波电流含有单相***的所有2k+1次特征谐波电流，120°方波电流方式含有单三***的所有6k±1次特征谐波电流(其中，k为正整数)，因此所述两种波形的电流注入电网后，使电网***的电压电流参数在不同谐波频率处都能得到响应，从而能准确的检测出电力***的电网谐振频率及阻尼程度。

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的适用于单相/三相电力***的有源注入式电网谐振自动检测的电能质量调节装置电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

电能质量调装置若用于单相电力***的电网谐振自动检测，主电路包括：以并联方式连接在单相电网与单相非线性负载之间的单相桥式电力电子变换器，第一直流母线电容C₁以及第一交流电抗器L_f；第一直流母线电容C₁并联在单相桥式电力电子变换器的直流端，第一交流电抗器L_f连接在单相电网与单相桥式电力电子变换器交流侧之间。所述电能质量调节装置若用于三相电力***的电网谐振自动检测，主电路为：以并联方式连接在三相电网与三相非线性负载之间的三相桥式电力电子变换器，第一直流母线电容C₁以及第一交流电抗器组L_f；第一直流母线电容C₁并联在三相桥式电力电子变换器的直流端，第一交流电抗器组L_f连接在三相电网与三相桥式电力电子变换器交流侧之间。

如图2所示，为实现上述适用于单相/三相电力***的基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法的***控制框图，电能质量调节装置并联在交流电网PCC点上，虚线框内为电能质量调节装置的控制***，***功能包括谐波电压检测、谐波电流检测、负载谐波检测、输出电流检测以及PWM驱动，分别用于检测电网谐波电压v_P、电网谐波电流i_S、负载谐波电流i_L、输出电流i_C及驱动主电路变换器模块开关管的通断；控制核心实现功能包括电网电压锁相PLL、***各检测信号的RDFT、工作模式选择(包括开关控制信号与S₁两部分)、指定次负载谐波补偿(由指定次谐波补偿控制单元实现)、特定波形的电流生成(由指定波形电流指令生成单元实现)，最优权值算法的谐振检测分析(通过指令运算与谐振检测模式控制、最优权值算法组合模型两部分实现)以及无静差双闭环控制(包括电压外环控制与电流内环无静差控制两部分)。当电能质量调节装置工作在谐振检测模式时，指令运算与谐振检测模式控制模块输出开关信号，通过开关控制使S₁投向参考电流端，开始进行电网谐振点检测。一方面指定波形电流指令生成模块输出参考电流，与电能质量调节装置输出电流比较，并进行无静差双闭环的反馈控制，从而输出PWM信号控制主电路开关管通断；另一方面，指令运算与谐振检测模式控制模块提取出电流指令的谐波成分，与注入电流前后的电网各次特征谐波电压有效值、特征谐波电流有效值及各次谐波视在功率有效值共同作为预处理数据，通过最优权值算法组合模型进行电网谐振点分析，并识别出电网谐振角频率ω_r与阻尼系数ζ。

本发明实施例中对于单相电力***有源注入的参考电流波形采用注入180°方波电流的方式，对于三相电力***有源注入的参考电流波形采用注入120°方波电流的方式；电压外环控制方式采用PI调节器的反馈控制；电流内环控制控制策略采用dq坐标轴下的无静差闭环控制策略，通过对参考电流进行dq坐标变换，在dq坐标抽下采用PI+RP控制策略，可较好地实现指定方波电流的注入。

图5示出了本发明实施例提供的电网谐振特性参数，即电网谐振角频率ω_r与谐振阻尼系数ξ的检测方法实现流程图，具体包括下述步骤：

S1：获取PPC点的电网电压、电网电流以及有源电能质量调节装置输出电流、直流侧电压；并通过数字锁相环节PLL获取电网电压的角频率ω和相位θ。

S11：实时进行AD转换，获取公共耦合点的电网电压瞬时值v_P、电网电流瞬时值i_S以及有源电能质量调节装置输出电流瞬时值i_C、直流侧电压瞬时值V_dc；在本发明实施例中，公共耦合点是指电能质量调节装置主电路与电网的连接点。

S12：通过数字锁相环节PLL获取所述电网电压的角频率ω和相位θ；

S2：对电网电压瞬时值v_P和电网电流瞬时值i_S分别进行递归离散傅里叶变换，获得电网各次特征谐波电压有效值V_ph和特征谐波电流有效值I_Sh；并根据V_ph及I_Sh获得各次谐波视在功率S_h。其中，h为谐波次数，对于单相***h＝2k+1，对于三相***h＝6k±1，k为正整数，k＝1，2，……。

S3：根据指定注入的电流波形及其幅值，生成对应的参考电流i^* _ref。在单相***中，以180°方波作为注入电流波形，生成对应的参考电流i^* _ref，可以经傅里叶分解为：

其中，I_s为电流有效值，n＝2k+1，k为正整数。可见180°方波电流中含有所有奇次谐波分量。

在三相***中，以120°方波作为注入电流波形，生成对应的三相电流指令i^* _refa、i^* _refb、i^* _refc，其中i^* _refa的相位超前i^* _refb120°，i^* _refb的相位超前i^* _refc120°。此时120°方波电流可经傅里叶分解为：

其中，I_s为电流有效值，可见120°方波电流含有所有h＝6k±1次谐波分量。

S4：对电能质量调节装置输出电流进行无静差双闭环的反馈调节，使有源电能调节装置向电网注入与指定电流波形相同的输出电流。

S41：由输出电流瞬时值i_C获得反馈电流i_f；对直流侧电压瞬时值V_dc进行比例积分(PI)获得有功电流i^* _dc。对i^* _ref、-i_f与i^* _dc求和，获得误差电流。在单相***中，单相误差电流为i^* _er；在三相***误差电流中，三相误差电流为i^* _era、i^* _erb、i^* _erc。

S42：对于单相***，将单相误差电流i^* _er变换为αβ静止坐标系中的电流i^* _α、i^* _β，如式(2)所示，再通过第一级dq变换将电流信号流i^* _α、i^* _β中不同频率的谐波信号转化为dq坐标系中的信号i^* _d、i^* _q，如式(3)所示。

对于三相***，将三相误差电流为i^* _era、i^* _erb、i^* _erc通过dq变换，可以转化为dq坐标系中的指令信号i_d ^*、i_q ^*，如式(5)所示。

S43：在dq坐标系中，对信号i_d ^*、i_q ^*进行PI+RP控制，得到参考调制信号u^* _d和u^* _q，并参考调制信号u^* _d和u^* _q进行dq反变换，得到最终参考调制信号u^* _r，它与高频载波信号进行比较，根据正弦脉宽调制原理产生PWM信号以控制开关管的通断，从而使有源电能调节装置向电网注入与参考电流波形相同的输出电流i_C。

作为本发明的一个实施例，在静止坐标系下采用比例谐振的控制方式：首先通过S41获得误差电流(单相***误差电流为i^* _er；三相***误差电流为i^* _era、i^* _erb、i^* _erc。)，再将误差电流进行比例谐振反馈调节，其中，用于反馈调节的准比例谐振控制器的传递函数为：

式中K_p为比例项系数，K_R为谐振项系数，ω_c为控制器的带宽，ω₀为控制器增益最大点的频率。经上述反馈调节后获得最终参考调制信号u^* _r，它与高频载波信号进行比较产生PWM信号以控制开关管的通断，从而使有源电能调节装置向电网注入与参考电流波形相同的输出电流i_C。

如图3所示为生成的适用于单相***的180°方波电流波形，如图4所示为生成的适用于单相***的120°方波电流波形。在向电网注入谐波电流之后，需采用所述基于最优权值算法的谐振检测组合模型进行电网谐振点的判定。

S5：通过RDFT运算，获取注入参考电流后电网各次特征谐波电压有效值V’_ph及特征谐波电流有效值I’_Sh，并计算出各次谐波视在功率S’_h。并对参考电流i^* _ref进行RDFT运算，计算出参考电流的各次特征谐波电流有效值I^* _rh。

S6：对谐波电压V_ph与V’_ph，谐波电流有效值I_Sh与I’_Sh，谐波视在功率S_h与S’_h进行同步累积滤波，即根据连续多次测量到的谐波电压、谐波电流及谐波视在功率有效值对其累加求和再取平均值，计算公式为：

式中：为多次测量的同一信号平均值，X_si为第i次测量的信号有效值。

根据谐波电压、电流及能量的频谱特性，建立谐振检测模型，识别出电网谐振角频率ω_r。计算注入指定波形的参考电流前后***第h次谐波电压变化值与注入的第h次谐波电流的比值F_uh：

计算***第h次谐波电流变化值与注入的第h次谐波电流的比值F_Ih：

计算***第h次谐波视在功率变化值与注入的第h次谐波电流的比值F_Sh：

得到F_uh、F_Ih与F_Sh后，利用归一化处理方法，对F_uh、F_Ih与F_Sh进行线性无量纲化处理，计算公式为：

其中Y表示电压u、电流I或视在功率S，对于单相***h＝2k+1，对于三相***h＝6k±1，k为正整数。将归一化处理后的结果再代入检测模型加权求和，计算公式为：

其中，w_uh为电压检测指标在组合模型中的权重，w_Ih为电流检测指标在组合模型中的权重，w_Sh为功率检测指标模型在组合模型中的权重。F_h为注入第h次谐波电流后的第h次谐波组合判定指标，由此可以判定电网谐振角频率ω_r。F_h为注入第h次谐波电流后的第h次谐波组合判定指标，通过比较各次谐波的组合判定指标F_h值，获得F_h值最大的谐波次数h_r，可以判定电网谐振角频率ω_r为ω_r＝100πh_r，即电网谐振频率f_r为f_r＝50h_r。权重值w_uh、w_Ih、w_Sh的选取跟电网***参数的AD检测精度、负荷及电网的阻抗大小有关。若电网电压AD检测精度比电网电流检测精度高，则w_uh取值比w_Ih大，反之w_Ih取值比w_uh大；当电网电压电流的AD检测精度都较高时，由于功率判定指标为电压判定指标与电流判定指标的乘积，它的频谱曲线更陡峭，用功率判定指标判别电网谐振点更准确，此时w_Sh可取相对更大的值，但AD检测精度较低时，功率判定指标误差最大，此时w_Sh取值应相对较小；当电网负荷较大时，电压判定指标与电流判定指标的频谱曲线较平缓，但此时功率判定指标频谱曲线仍较陡峭，w_Sh可取相对更大的值；当电网阻抗较大时，电压判定指标比电流判定指标的频谱曲线更陡峭，此时权值按递减顺序依次为w_Sh、w_uh、w_Ih，反之权值按递减顺序依次为w_Sh、w_Ih、w_uh。

在接有负载的电力***中，令Z＝L_SLs+R_SL为电网阻抗与负载阻抗的等效阻抗之和，C为电网并联电容器，由于电网***的等效电阻R_SL很小，则电网***的谐振角频率接近其无阻尼的谐振角频率，那么电网谐振角频率为电网电流I_S与负载电流I_L之和为I_SL，那么I_SL与注入电网的电流I_C的传递函数为：

当s＝jω_r时，令I_Cωr为谐振频率处注入电网电流的有效值，I_SLωr为谐振频率处电网与负载电流之和。可得电网谐振频率处的幅频响应：

由此可计算得到谐振阻尼系数为：

本发明实施例中采用注入180°方波电流的方式检测单相电网谐振点，采用注入120°方波电流的方式检测三相电网谐振点。180°方波电流中含有单相电路中可能出现的所有奇次特征谐波，120°方波电流中含有三相三线制***中可能出现的所有(6k±1)次谐波，对电网谐波谐振检测的准确度较高；另外，实现有源注入参考电流与谐振分析算法的功能都集成在电能质量调节装置上，操作简单方便，能够快速、准确地实现电网谐振的在线自动检测功能，从而确保电力***稳定可靠运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于有源注入电流的电网谐振自动检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：获取公共耦合点的电网电压、电网电流以及电能质量调节装置输出电流、直流侧电压；并通过数字锁相环节PLL获取电网电压的角频率ω和相位θ；

其中，所述公共耦合点是指电能质量调节装置主电路与电网的连接点，输出电流是指有源电能质量调节装置输出电流i_C；

S2：对所述电网电压和所述电网电流分别进行递归离散傅里叶变换，获得电网各次特征谐波电压有效值V_ph和特征谐波电流有效值I_Sh；并根据所述特征谐波电压有效值V_ph和特征谐波电流有效值I_Sh获得各次谐波第一视在功率S_h；

S3：根据设定的电流波形获得与其对应的参考电流i^* _ref；并对所述参考电流i^* _ref进行递归离散傅里叶变换，获得参考电流的各次特征谐波电流有效值I^* _rh；

S4：对所述输出电流进行无静差双闭环的反馈调节，使得有源电能调节装置向电网注入与所述设定的电流波形相同的输出电流；

S5：当所述输出电流等于所述设定的电流波形时，对该时刻的电网电压和电网电流分别进行递归离散傅里叶变换，获取注入参考电流后电网各次特征谐波电压有效值V’_ph及特征谐波电流有效值I’_Sh，并根据所述特征谐波电压有效值V’_ph及特征谐波电流有效值I’_Sh获得各次谐波第二视在功率S’_h；

S6：根据注入参考电流前、后的电网各次特征谐波电压有效值V_ph与V’_ph，特征谐波电流有效值I_Sh与I’_Sh，特征谐波谐波视在功率S_h与S’_h，参考电流的各次特征谐波电流有效值I^* _rh，获得用于描述电网谐振的***特性参数：电网谐振角频率ω_r和阻尼系数ζ；

步骤S3中，所述设定的电流波形为180°方波电流或120°方波电流；

步骤S6中，根据公式获得注入第h次谐波电流后的第h次谐波组合判定指标F_h，通过比较各次谐波的综合检测指标F_h值获得F_h值最大的谐波次数h_r，并根据谐波次数h_r获得电网谐振角频率ω_r＝100πh_r，即电网谐振频率为f_r＝50h_r；并根据公式获得阻尼系数ζ，

其中，w_uh为电压检测指标在组合模型中的权重，w_Ih为电流检测指标在组合模型中的权重，w_Sh为功率检测指标模型在组合模型中的权重；F^* _uh为对F_uh进行线性无量纲化处理后的值，F^* _Ih为对F_Ih进行线性无量纲化处理后的值，F^* _Sh为对F_Sh进行线性无量纲化处理后的值，I_Cωr为谐振频率处注入电网电流的有效值，I_SLωr为谐振频率处电网与负载电流之和； n＝2k+1，k为正整数，F_uh为电网第h次谐波电压变化值与注入的第h次谐波电流的比值，F_Ih为电网第h次谐波电流变化值与注入的第h次谐波电流的比值，F_Sh为电网第h次谐波功率变化值与注入的第h次谐波电流的平方的比值，其中，

2.如权利要求1所述电网谐振自动检测方法，其特征在于，步骤S4具体为：

S41：根据输出电流获得反馈电流i_f；对直流侧电压V_dc进行比例积分获得有功电流i^* _dc；

S42：根据所述参考电流i^* _ref、反馈电流i_f和所述有功电流获得误差电流，再将误差电流进行电流调节，获得参考调制信号u^* _r；

S43：将所述参考调制信号u^* _r与高频载波信号进行比较获得PWM开关信号；所述PWM开关信号用于控制开关管的通断，从而使有源电能调节装置向电网注入与设定的电流波形相同的输出电流。