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

關(guān)鍵字：瞬時無功功率；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)，實現(xiàn)并網(wǎng)。對于光伏發(fā)電裝置的電能測量，由于是新型模式的供電方式，因此為了能夠更好的測量光伏發(fā)電的總量，根據(jù)電能的流動特點需要在電網(wǎng)側(cè)安裝雙向計量電能表，同時在用戶側(cè)安裝家用計量電表，通過雙向計量電表和用戶側(cè)計量電表的數(shù)據(jù)可以得出光伏發(fā)電總量，雙向計量電表和用戶側(cè)計量電表的安裝位置圖如圖1所示。

圖1 雙向計量電表位置框圖

目前對于實現(xiàn)雙向計量的技術(shù)發(fā)展主要是通過模擬多路分離器實現(xiàn)對模擬信號的控制，再采用集成電路完成電能的雙向計量，然而設(shè)計精度不高[1]。另外是通過專用電能計量芯片加微處理器進行處理，它的測量精度比較高，功能擴展也更容易，但是受限于專用電能計量芯片的性能，對于專用雙向電能計量芯片不能夠同時顯示正向電能和反向電能[1]。針對這一問題本文提出改進的瞬時無功功率的雙向電能測量方法，利用改進的瞬時無功功率理論對相角和電流進行整體測量，進行獨立的雙向電能計算，同時也具有很好的實時性。

1 雙向電能計量原理

在單相電路中，根據(jù)電壓、電流的相位差進行功率正反的判斷，對電流進行二階廣義積分變換產(chǎn)生兩個正交信號即iα、iβ。利用鎖相環(huán)產(chǎn)生同步的正弦信號和余弦信號，同時能夠計算出電壓有效值。將電流的虛擬正交信號與鎖相環(huán)產(chǎn)生的正、余弦信號進行PARK運算，可以得出瞬時有功電流和瞬時無功電流，將瞬時有功電流和瞬時無功電流與所計算出來的電壓有效值進行乘法運算，計算出有功功率和無功功率，對功率進行積分求出用戶所消耗的有功電能和無功電能。

1.1 雙向電能計算推導(dǎo)

對于功率流動方向的確定，可以從電網(wǎng)進入用戶側(cè)的電壓和電流之間的相角差關(guān)系來進行判斷電能的方向。電網(wǎng)、電能計量、用戶負載和光伏發(fā)電的電能流動方框圖如圖2所示。當(dāng)光照充足時光伏發(fā)電作為供電端對用戶進行供電和多余電能回饋電網(wǎng)，其光伏發(fā)電、用戶負載和電網(wǎng)之間的電能流動關(guān)系為W1=W2+W3；如果光照不充足時，光伏發(fā)電不充足時，電網(wǎng)作為供電端向用戶負載供電，其光伏發(fā)電、用戶負載和電網(wǎng)之間的電能流動關(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載所消耗的電能時，電網(wǎng)與用戶負載之間沒有能量流動，電網(wǎng)不提供電能，其光伏發(fā)電、用戶負載和電網(wǎng)之間的電能流動關(guān)系為W1=W2、W3=0。

圖2 電能流動

由于并網(wǎng)時，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)改進的瞬時無功功率原理對雙向計量電能測量進行推導(dǎo)，電力系統(tǒng)中電壓信號、電流信號分別如下公式：

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

瞬時有功電流表達式為：

瞬時無功電流表達式為：

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

即將U分別于式(9)和式(10)分別相乘可得。

有功功率為：

無功功率為：

在雙向電能計量中設(shè)以電流從電網(wǎng)流向負載為電能傳輸?shù)恼较?，電力系統(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)流向負載為正的條件下，當(dāng)電壓、電流相角差小于900時，電流方向是從電網(wǎng)流向負載電能為輸入；當(dāng)電壓、電流相角差大于900時，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，進行光伏并網(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，計量表所測出為輸出電能。

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

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

1.2 雙向計量電能的實現(xiàn)

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

圖3 雙向功率計量原理圖

2 仿真分析

為了驗證構(gòu)建的雙向計量電能模型的準確性，搭建單相雙向計量電能仿真模型，采用了能夠進行數(shù)字化處理的PSIM仿真軟件，通過PSIM進行數(shù)字電路的仿真能夠?qū)㈦娐分性砟Ｐ瓦M行代碼生成。對PSIM中的電路參數(shù)進行設(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載，根據(jù)改進的瞬時無功功率的流動可知。當(dāng)電網(wǎng)電能正向流動時，相角差0≤≤90°，當(dāng)電網(wǎng)電能反向時，相角差將會超過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行雙向功率測量的模擬。仿真如圖4所示。

通過仿真實驗可以知道在供電狀態(tài)發(fā)生變化時，所測量的功率會有正負的變換，為了能夠單獨顯示正向功率或負向功率。在計算出有功功率和無功功率之后設(shè)置比較器與零進行比較，當(dāng)功率為負時比較器會產(chǎn)生高電平，當(dāng)功率是負值時比較器會產(chǎn)生低電平，通過比較器的高低電平作為控制信號進行控制多路選擇器。多路選擇器在不同的控制信號下導(dǎo)通的信號通道不一樣。根據(jù)這個特性可以將正負兩個功率與多路選擇器進行輸入連接，通過控制信號的改變可以將一路的正負功率進行兩路獨立輸出，實現(xiàn)了正向功率和反向功率獨立顯示的功能，將分別顯示的功率進行積分能夠得出正反的電能。

對電感設(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)值和理論計算數(shù)值進行對比，得出的有功電能和無功電能進行正確性和準確性的判斷。其仿真圖如圖5所示。

3 結(jié)果分析

1）正向有功/無功功率分析如表1所示。

表1 正向有功/無功功率

圖4 雙向計量功率模型

圖5 正反有功功率/無功功率仿真結(jié)果圖

2）反向有功/無功功率分析如表2所示。

表2 反向有功/無功功率

對正反兩個方向有功功率和無功功率進行誤差分析得出誤差都是0.01%之內(nèi)，對于市場上的計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功功率的誤差范圍要求，而且能夠方向的有功功率和無功功率分別顯示。

3）雙向電能的動態(tài)變化

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

圖6 時間、功率和電能的三維圖

4 結(jié)論

本文以PSIM為仿真基礎(chǔ)，提出改進的瞬時無功功率雙向電能算法研究，通過功率因數(shù)角的正負判斷電路中能量流動的方向，對光伏發(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，提高了計算的速度和效率。通過改進的瞬時無功功率原理的雙向電能測量同快速傅里葉的運算進行對比，不僅廣義二積分的虛擬正交能夠提高對功率的檢測速度，還能通過鎖相環(huán)實時的跟蹤電網(wǎng)頻率提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。實現(xiàn)了雙向有功電能和無功電能獨立顯示的功能，由于廣義二積分的無延時信號輸出使得電路計算簡單準確，而且對于電路的實時性有很好的體現(xiàn)。通過PSIM的仿真和得出的數(shù)據(jù)分析，改進的瞬時無功功率雙向電能計量方法是可行的。