Подход по районам в оценке качества электроэнергии

Аннотация

Surajit Chattopadhyay, Samarjit Sengupta, Madhuchhanda Mitra Подход по зонам в оценке качества электроэнергии В настоящем документе представлен подход для оценки параметров качества электроэнергии с использованием анализа основных и гармонических сигналов напряжения и тока. Метод трансформации был использован для анализа в трехфазной системе, что в значительной степени уменьшило вычислительные усилия. Вклад фундаментальных и гармонических составляющих в сигналы питания и напряжения силовой системы оценивался отдельно. Был разработан алгоритм для расчета параметров качества электроэнергии из онлайн-сигналов. Этот алгоритм был имитирован для радиальной системы, и результаты сравнивались с результатами, полученными из стандартной системы на основе БПФ. Результаты, как видно, хорошо согласуются с результатами стандартной системы.

Введение

Качество электроэнергии относится к поддержанию близкой синусоидальной формы сигналов напряжений и токов шины распределения питания при номинальной величине и частоте. Причины низкого качества электроэнергии в настоящее время широко определены следующим образом: (i) фактические нагрузки, оборудование, линейные и нелинейные компоненты и (ii) подсистемы систем передачи и распределения, вызывающие импульсы, вырезы, провисание напряжения и затухание, напряжение и текущие дисбалансы, мгновенное прерывание и гармонические искажения. Другими важными факторами низкого качества электроэнергии являются гармоники и реактивная мощность, которые циркулируют контроллерами силовых цепей в энергосистеме.

Исследования продолжаются долго, чтобы изучить влияние дисбаланса и гармоник на качество электроэнергии в энергосистеме [1 – 3]. В несинусоидальной и несбалансированной среде также были предложены некоторые практические определения [4 – 6]. Предложен новый подход к проектированию кривой приемлемости мощности [7]. В таких условиях измерение и мониторинг качества электроэнергии в отношении его дисбаланса и гармоник были представлены в разных публикациях [8 – 13], а также используются различные современные математические инструменты для оценки дисбаланса мощности в системе [8, 15]. Существует несколько существующих методов обнаружения текущих гармоник, таких как быстрое преобразование Фурье (БПФ), теория мгновенной теории, синхронно-эталонная теория, аналоговые или цифровые фильтры и т.д. [16]. В некоторых случаях также используются пассивные фильтры, но они имеют недостатки громоздких компонентов, фиксированные компенсированные характеристики, чувствительность к импедансу линии и последовательный и параллельный резонанс с системой.

В этой статье был предложен подход, основанный на площади, для оценки качества электроэнергии в трехфазной энергосистеме. Неисправности или токи системы без гармоник образуют замкнутый контур вольтамперной или токовой. В этом цикле расщепления появляются с наличием гармоник, порядок которых прямо пропорционален числу расщеплений. Алгоритм был разработан с использованием наземного подхода для расчета активной мощности, реактивной мощности и общих коэффициентов гармонических искажений. Метод трансформации парка использовался для трехфазного измерения коэффициента искажения мощности, что в значительной степени уменьшило вычислительные усилия. Разработанная методика была смоделирована, что хорошо согласуется с результатами стандартных методов.

Оценка преимущественной гармоники

В трехфазной системе напряжение и форма тока могут быть выражены как:

Эти фазные напряжения и линейные токи преобразуются в систему координат с использованием хорошо известной матрицы преобразования Парка [16, 17] следующим образом:

В плоскости, напряжения и токи образуют замкнутые контуры, в которых наличие гармоник приносит расщепления (минимумы), как показано на рисунке 1. Цикл, показанный на этом рисунке, создается волнами, имеющими 5-й порядок гармоник и имеет 4 расщепления. В таблице 1 приведена связь между числом расщеплений и высшим порядком преобладающей гармоники. Число расщеплений (минимумов) увеличивается с увеличением порядка наивысшей гармоники [17]. В заключении, высший порядок n_H равен числу расщеплений плюс один, то есть:

Таблица 1: Таблица для числа расщеплений (C) и порядка наивысших гармоник (n_H).

Принцип территориального подхода

Реальные и мнимые части:

Если график напряжения и тока нанесен на плоскость, то площадь, охватываемая одним циклом, определяется как:

Точно так же в плоскости область, покрытая напряжениями и токами в одном цикле, определяется как:

Уравнения (4) и (5) указывают, что содержит информацию о реальной части мощности и содержит информацию о мнимой или реактивной части мощности. Также отмечается, что только гармонические составляющие одного порядка имеют вклады в областях.

Введение опорного сигнала

Если какой-либо один из сигнала напряжения или тока от системы питания доступно, то, что это реальные и мнимые части могут быть разделены путем построения графика сигнала с известным опорным сигналом. Общая форма такого сигнала определяется как:

Здесь есть основная частота опорного сигнала, она должна быть равна основной частоте сигналов напряжения и тока, собранных от энергосистемы, которая изначально является неизвестной величиной. принимается равным 50 Гц, стандартной частоте питания. Затем опорный сигнал отображается с любым из сигналов напряжения и тока. Если петля, сформированная на этом графике, является замкнутой, то основная частота подтверждается как 50 Гц. В противном случае цикл будет разомкнут, то есть между конечной и конечной точкой будет конечный зазор, как показано на рисунке 2. Затем задается как, где - небольшое добавочное значение. должен быть отрегулирован так, чтобы начальная и конечная точка встречались друг с другом. Частота, соответствующая этому контуру, принимается за основную частоту сигнала напряжения и тока, получаемого от энергосистемы. Затем опорный сигнал модифицируется как:

Оценка гармонической составляющей

Приведенный выше эталонный сигнал наносится на график соответственно с сигналами напряжения и тока, чтобы найти действительные и мнимые части, как обсуждалось в разделе 3.1. Вклад фундаментальной составляющей оценивается по эталонному сигналу. Для оценки гармоник максимальный предел берется так, как это видно из (4). Вдоль оси амплитуды и фазовые углы для гармонического компонента напряжения и тока определяются как:

Как и в случае активной и реактивной мощности, компоненты гармоник одного и того же порядка вносят свой вклад, как описано выше, используя (8), реактивная и активная мощность, вносимая гармониками напряжения и тока, записываются как:

Точно так же вдоль оси, амплитуды и фазовые углы для компонента напряжения и тока получены как:

Используя (10), реактивная и активная мощность, вносимые в порядок гармоник напряжения и тока, записываются как:

Коэффициент искажения активной мощности

Коэффициент искажения активной мощности определяется как отношение активной мощности, вносимой гармоническими составляющими, к величине, вносимой фундаментальной составляющей, и определяется как:

Коэффициент искажения реактивной мощности

Коэффициент искажения реактивной мощности определяется как отношение реактивной мощности, вносимой гармоническими составляющими, к величине, вносимой фундаментальной составляющей, и определяется как:

Суммарная мощность

Общая мощность определяется:

Факторы полного гармонического искажения

Общее гармоническое искажение напряжения по оси определяется как:

Общее гармоническое искажение напряжения по оси определяется как:

Общее гармоническое искажение тока по оси определяется как:

Общее гармоническое искажение тока по оси определяется как:

Имитация сети

Трехфазная радиальная система питания, имеющая двигатель и статическую нагрузку, была смоделирована в MATLAB, как показано на рисунке 3. Напряжение на шине 1 и ток, потребляемый от генератора, наблюдаются в шине генератора. Сигнал напряжения понижается с помощью трансформатора напряжения, а сигнал тока понижается с помощью трансформатора тока. Эти сигналы затем дискретизируются с использованием единицы выборки. Выборочные данные оцифровываются и учитываются для формирования петель.

Результаты

Различные коэффициенты искажения рассчитываются с использованием вышеуказанного алгоритма. Результат обозначен как расчетное значение. Те же данные оцениваются с использованием анализа Фурье, и результат обозначается как истинное значение. Истинное значение сравнивается с расчетным значением. Ошибка была рассчитана, и были достигнуты удовлетворительные результаты, содержащие низкую ошибку. Результаты выборки при измерении искажения активной мощности, искажения реактивной мощности и общего гармонического искажения представлены в таблицах 2, 3 и 4. Ошибка уменьшается с увеличением частоты дискретизации сэмплера.

Таблица 2:Результаты выборки при измерении искажения активной мощности, искажения реактивной мощности и общего гармонического искажения.

Таблица 3:Результаты выборки при измерении искажения активной мощности, искажения реактивной мощности и общего гармонического искажения.

Таблица 4:Результаты выборки при измерении искажения активной мощности, искажения реактивной мощности и общего гармонического искажения.

Выводы

Параметры качества электроэнергии были оценены с использованием анализа основных и гармонических сигналов напряжения и тока. Вместо использования трех линейных токов и трехфазных напряжений, использование d- и q-осных токов и напряжений уменьшает число переменных до четырех (V_d, V_q, I_d и I_q) с шести (V_R, V_Y, V_B, I_R, I_Y и I_B). Следовательно, это уменьшает время выполнения и пространство памяти, необходимое для анализа. Таким образом, техника преобразования Парка в трехфазной системе значительно сократила вычислительные затраты. Тот же самый подход может быть применен для оценки качества каждого отдельного этапа. В таких случаях преобразование Park не потребуется и снова уменьшит вычислительные затраты. Разработан алгоритм для расчета параметров качества мощности по сигналам в режиме онлайн для оценки вклада основных и гармонических компонентов в сигналы напряжения и тока энергосистемы по отдельности. Результаты, полученные на моделируемой сети с использованием алгоритма, были сопоставлены с результатами, полученными с использованием стандартной методики на основе БПФ. Результаты находятся в хорошем согласии с результатами стандартного способа. Небольшая ошибка говорит о приемлемости вышеуказанного подхода на основе области.

Условные обозначения

Список использованной литературы

1. A. Domijan, J. T. Heydt, A. P. S. Meliopoulos, M. S. S. Venkata, and S. West, Directions of research on electric power quality, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 8, no. 1, pp. 429–436, 1993.
2. P. P. Barker, J. J. Burke, R. T. Mancao et al., Power quality monitoring of a distribution system, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 9, no. 2, pp. 1136–1142, 1994.
3. D. D. Sabin, D. L. Brooks, and A. Sundaram, Indices for assessing harmonics distortion from power quality measurement: definitions and benchmark data, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 14, no. 2, pp. 489–496, 1999.
4. S. H. Jaramillo, G. T. Heydt, and E. Neill-Carrillo, Power quality indices for aperidic voltages and currents, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 15, no. 2, pp. 784–790, 2000.
5. A. M. Gaouda, M. M. A. Salama, M. R. Sultan, and A. Y. Chikhani, Power quality detection and classification using wavelet-multiresolution signal decomposition, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 14, no. 4, pp. 1469–1476, 1999.
6. S. Santoso, E. J. Powers, W. M. Grady, and A. C. Parsons, Power quality disturbance waveform recognition using wavelet-based neural classifier. I. Theoretical foundation, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 15, no. 1, pp. 222–228, 2000.
7. S. Santoso, E. J. Powers, W. M. Grady, and A. C. Parsons, Power quality disturbance waveform recognition using wavelet-based neural classifier. II. Application, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 15, no. 1, pp. 229–235, 2000.
8. S. Santoso, W. M. Grady, E. J. Powers, J. Lamoree, and S. C. Bhatt, Characterization of distribution power quality events with Fourier and wavelet transforms, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 15, no. 1, pp. 247–254, 2000.
9. A. Cavallini, G. C. Montanari, and M. Cacciari, Stochastic evaluation of harmonics at network buses, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 10, no. 3, pp. 1606–1613, 1995.
10. S. Leva, A. P. Moronado, and D. Zaninelli, Evaluation of the line voltage drops in presence of unbalance, harmonics and inter-harmonics: theory and applications, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 20, no. 1, pp. 390–396, 2005.
11. M. Karimi-Ghartemani and M. R. Iravani, Measurement of harmonic/inter-harmonics of time varying frequencies, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 20, no. 1, pp. 23–31, 2005.
12. R. Carbone, F. De Rosa, R. Langella, and A. Testa, A new approach for the computation of harmonics and interharmonics produced by line-commutated AC/DC/AC converters, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 20, no. 3, pp. 2227–2234, 2005.
13. A. Ferrero and G. Superti-Furga, A new approach to the definition of power components in three-phase systems under nonsinusoidal conditions, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 40, no. 3, pp. 568–577, 1991.
14. H. Akagi and A. Nabae, The p-q theory in three-phase systems under non-sinusoidal conditions, European Transactions on Electrical Power Engineering, vol. 3, no. 1, pp. 27–31, 1993.
15. S. Leva and A. Paolo Morando, Waves and complex power in transmission lines, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 18, no. 4, pp. 1320–1327, 2003.
16. A. Ferrero, A. P. Morando, R. Ottoboni, G. Superti-Furga, and J. L. Willems, On the meaning of the park power components in three-phase systems under non-sinusoidal conditions, European Transactions on Electrical Power Engineering, vol. 3, no. 1, pp. 33–43, 1993.
17. S. Chattopadhyay, M. Mitra, and S. Sengupta, Power quality analysis in park plane, in Best of Book Volume on Modeling and Simulation, pp. 8–16, AMSE, Lyon, France, 2006. № 4. С. 72-78.