改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率雙向電能算法的研究

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作 454000）

關(guān)鍵字：瞬時(shí)無(wú)功功率；PSIM仿真；二階廣義積分器；ip-iq法

0 引言

隨著新能源發(fā)電形式快速發(fā)展，新能源發(fā)電裝置不斷接入家庭用戶。光伏發(fā)電的小規(guī)模供電裝置不僅能夠解決用戶用電問題，而且還可以將產(chǎn)生多余的電能回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。對(duì)于光伏發(fā)電裝置的電能測(cè)量，由于是新型模式的供電方式，因此為了能夠更好的測(cè)量光伏發(fā)電的總量，根據(jù)電能的流動(dòng)特點(diǎn)需要在電網(wǎng)側(cè)安裝雙向計(jì)量電能表，同時(shí)在用戶側(cè)安裝家用計(jì)量電表，通過雙向計(jì)量電表和用戶側(cè)計(jì)量電表的數(shù)據(jù)可以得出光伏發(fā)電總量，雙向計(jì)量電表和用戶側(cè)計(jì)量電表的安裝位置圖如圖1所示。

圖1 雙向計(jì)量電表位置框圖

目前對(duì)于實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)量的技術(shù)發(fā)展主要是通過模擬多路分離器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的控制，再采用集成電路完成電能的雙向計(jì)量，然而設(shè)計(jì)精度不高[1]。另外是通過專用電能計(jì)量芯片加微處理器進(jìn)行處理，它的測(cè)量精度比較高，功能擴(kuò)展也更容易，但是受限于專用電能計(jì)量芯片的性能，對(duì)于專用雙向電能計(jì)量芯片不能夠同時(shí)顯示正向電能和反向電能[1]。針對(duì)這一問題本文提出改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率的雙向電能測(cè)量方法，利用改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論對(duì)相角和電流進(jìn)行整體測(cè)量，進(jìn)行獨(dú)立的雙向電能計(jì)算，同時(shí)也具有很好的實(shí)時(shí)性。

1 雙向電能計(jì)量原理

在單相電路中，根據(jù)電壓、電流的相位差進(jìn)行功率正反的判斷，對(duì)電流進(jìn)行二階廣義積分變換產(chǎn)生兩個(gè)正交信號(hào)即iα、iβ。利用鎖相環(huán)產(chǎn)生同步的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，同時(shí)能夠計(jì)算出電壓有效值。將電流的虛擬正交信號(hào)與鎖相環(huán)產(chǎn)生的正、余弦信號(hào)進(jìn)行PARK運(yùn)算，可以得出瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流，將瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流與所計(jì)算出來的電壓有效值進(jìn)行乘法運(yùn)算，計(jì)算出有功功率和無(wú)功功率，對(duì)功率進(jìn)行積分求出用戶所消耗的有功電能和無(wú)功電能。

1.1 雙向電能計(jì)算推導(dǎo)

對(duì)于功率流動(dòng)方向的確定，可以從電網(wǎng)進(jìn)入用戶側(cè)的電壓和電流之間的相角差關(guān)系來進(jìn)行判斷電能的方向。電網(wǎng)、電能計(jì)量、用戶負(fù)載和光伏發(fā)電的電能流動(dòng)方框圖如圖2所示。當(dāng)光照充足時(shí)光伏發(fā)電作為供電端對(duì)用戶進(jìn)行供電和多余電能回饋電網(wǎng)，其光伏發(fā)電、用戶負(fù)載和電網(wǎng)之間的電能流動(dòng)關(guān)系為W1=W2+W3；如果光照不充足時(shí)，光伏發(fā)電不充足時(shí)，電網(wǎng)作為供電端向用戶負(fù)載供電，其光伏發(fā)電、用戶負(fù)載和電網(wǎng)之間的電能流動(dòng)關(guān)系為W2=W1+W3；如果光照在光伏發(fā)電中所提供的能量等于用戶負(fù)載所消耗的電能時(shí)，電網(wǎng)與用戶負(fù)載之間沒有能量流動(dòng)，電網(wǎng)不提供電能，其光伏發(fā)電、用戶負(fù)載和電網(wǎng)之間的電能流動(dòng)關(guān)系為W1=W2、W3=0。

圖2 電能流動(dòng)

由于并網(wǎng)時(shí)，需要將逆變產(chǎn)生的電壓與電網(wǎng)電壓等幅等頻同相位，因此以電壓作為參考量，依據(jù)改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率原理對(duì)雙向計(jì)量電能測(cè)量進(jìn)行推導(dǎo)，電力系統(tǒng)中電壓信號(hào)、電流信號(hào)分別如下公式：

在單相電路中利用改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論進(jìn)行功率檢測(cè)，其方法為將電流信號(hào)輸入二階廣義積分器的正交信號(hào)發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的90°相角偏移，獲得兩個(gè)正交量v'、qv'完成了對(duì)輸入信號(hào)的移相。而且將虛擬正交信號(hào)發(fā)生器的頻率設(shè)定為電網(wǎng)電壓基波頻率，輸出信號(hào)能夠無(wú)靜差地跟隨輸入信號(hào)的基波信號(hào)。

瞬時(shí)有功電流表達(dá)式為：

瞬時(shí)無(wú)功電流表達(dá)式為：

將變換后的信號(hào)ip、iq經(jīng)過低通濾波器之后所得到的是基波分量，然后改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率原理能夠在二階廣義積分器的信號(hào)輸出環(huán)節(jié)進(jìn)行電壓有效值的計(jì)算，通過計(jì)算出的電壓有效值U與求出的基波瞬時(shí)有功、無(wú)功電流進(jìn)行乘積計(jì)算出基波有功、無(wú)功功率。

即將U分別于式(9)和式(10)分別相乘可得。

有功功率為：

無(wú)功功率為：

在雙向電能計(jì)量中設(shè)以電流從電網(wǎng)流向負(fù)載為電能傳輸?shù)恼较颍娏ο到y(tǒng)中電路所呈現(xiàn)的是感性特性，電壓、電流的相角差為相角差為900是電能傳輸方向的分界線。在電流由電網(wǎng)流向負(fù)載為正的條件下，當(dāng)電壓、電流相角差小于900時(shí)，電流方向是從電網(wǎng)流向負(fù)載電能為輸入；當(dāng)電壓、電流相角差大于900時(shí)，電流是流向電網(wǎng)電能為輸出。

通過分析可以知道當(dāng)光伏發(fā)電充足時(shí)，進(jìn)行光伏并網(wǎng)其電流方向是光伏電站流向電網(wǎng)，電壓、電流相角差大于900，計(jì)量表所測(cè)出為輸出電能。

當(dāng)光伏發(fā)電電能等于用戶負(fù)載消耗時(shí)，電網(wǎng)不向用戶負(fù)載提供電能，計(jì)量表所測(cè)量的為零。

當(dāng)光伏發(fā)電不足時(shí)，電網(wǎng)向負(fù)載進(jìn)行供電，其電流方向是從電網(wǎng)流向負(fù)載，電壓電力相角差小于900，計(jì)量表所測(cè)量出來電能為輸入。

1.2 雙向計(jì)量電能的實(shí)現(xiàn)

在上述分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)廣義二積分的系統(tǒng)特點(diǎn)，本文采用基于單相電流廣義二積分虛擬正交坐標(biāo)變換進(jìn)行電能測(cè)量。系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 雙向功率計(jì)量原理圖

2 仿真分析

為了驗(yàn)證構(gòu)建的雙向計(jì)量電能模型的準(zhǔn)確性，搭建單相雙向計(jì)量電能仿真模型，采用了能夠進(jìn)行數(shù)字化處理的PSIM仿真軟件，通過PSIM進(jìn)行數(shù)字電路的仿真能夠?qū)㈦娐分性砟Ｐ瓦M(jìn)行代碼生成。對(duì)PSIM中的電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置如下：交流電壓為311V，頻率為50Hz，電阻為220?，使用的AD采樣采集是DSP28335的AD采樣端口。由于電力系統(tǒng)中是表現(xiàn)為感性，因此主電路采用電感模擬用戶負(fù)載，根據(jù)改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率的流動(dòng)可知。當(dāng)電網(wǎng)電能正向流動(dòng)時(shí)，相角差0≤≤90°，當(dāng)電網(wǎng)電能反向時(shí)，相角差將會(huì)超過90°。因此電感設(shè)置分別為0mL、0.01mL零階保持采樣設(shè)置為30K，通過改變電源正反向供電進(jìn)行雙向功率測(cè)量的模擬。仿真如圖4所示。

通過仿真實(shí)驗(yàn)可以知道在供電狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，所測(cè)量的功率會(huì)有正負(fù)的變換，為了能夠單獨(dú)顯示正向功率或負(fù)向功率。在計(jì)算出有功功率和無(wú)功功率之后設(shè)置比較器與零進(jìn)行比較，當(dāng)功率為負(fù)時(shí)比較器會(huì)產(chǎn)生高電平，當(dāng)功率是負(fù)值時(shí)比較器會(huì)產(chǎn)生低電平，通過比較器的高低電平作為控制信號(hào)進(jìn)行控制多路選擇器。多路選擇器在不同的控制信號(hào)下導(dǎo)通的信號(hào)通道不一樣。根據(jù)這個(gè)特性可以將正負(fù)兩個(gè)功率與多路選擇器進(jìn)行輸入連接，通過控制信號(hào)的改變可以將一路的正負(fù)功率進(jìn)行兩路獨(dú)立輸出，實(shí)現(xiàn)了正向功率和反向功率獨(dú)立顯示的功能，將分別顯示的功率進(jìn)行積分能夠得出正反的電能。

對(duì)電感設(shè)置分別為0L、0.01L。通過調(diào)節(jié)電感值的變化能夠改變電路中無(wú)功功率和有功功率的比例，通過PSIM輸出的仿真數(shù)值和理論計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，得出的有功電能和無(wú)功電能進(jìn)行正確性和準(zhǔn)確性的判斷。其仿真圖如圖5所示。

3 結(jié)果分析

1）正向有功/無(wú)功功率分析如表1所示。

表1 正向有功/無(wú)功功率

圖4 雙向計(jì)量功率模型

圖5 正反有功功率/無(wú)功功率仿真結(jié)果圖

2）反向有功/無(wú)功功率分析如表2所示。

表2 反向有功/無(wú)功功率

對(duì)正反兩個(gè)方向有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行誤差分析得出誤差都是0.01%之內(nèi)，對(duì)于市場(chǎng)上的計(jì)量芯片的誤差值他們的誤差范圍也都是在0.1%之內(nèi)，因此該方法能夠滿足有功功率和無(wú)功功率的誤差范圍要求，而且能夠方向的有功功率和無(wú)功功率分別顯示。

3）雙向電能的動(dòng)態(tài)變化

通過對(duì)功率和電能的數(shù)據(jù)采集，利用MATAB軟件對(duì)時(shí)間、功率和電能進(jìn)行三維圖的建立，能夠更好的反映功率和電能隨著時(shí)間的變換所呈現(xiàn)的趨勢(shì)，其變化圖如圖6所示。

圖6 時(shí)間、功率和電能的三維圖

4 結(jié)論

本文以PSIM為仿真基礎(chǔ)，提出改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率雙向電能算法研究，通過功率因數(shù)角的正負(fù)判斷電路中能量流動(dòng)的方向，對(duì)光伏發(fā)電的電能傳輸方向作出判斷。采用該方法能夠有效地減少在采樣過程中計(jì)算電壓有效值、電流有效值等環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差，提高了計(jì)算的速度和效率。通過改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率原理的雙向電能測(cè)量同快速傅里葉的運(yùn)算進(jìn)行對(duì)比，不僅廣義二積分的虛擬正交能夠提高對(duì)功率的檢測(cè)速度，還能通過鎖相環(huán)實(shí)時(shí)的跟蹤電網(wǎng)頻率提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。實(shí)現(xiàn)了雙向有功電能和無(wú)功電能獨(dú)立顯示的功能，由于廣義二積分的無(wú)延時(shí)信號(hào)輸出使得電路計(jì)算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，而且對(duì)于電路的實(shí)時(shí)性有很好的體現(xiàn)。通過PSIM的仿真和得出的數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率雙向電能計(jì)量方法是可行的。