基于电压离散傅立叶联合功率谱的非平衡电力系统频率估计技术研究

It has been illustrated in both theory and practice that the unbalanced system voltage causes the estimation bias and oscillation of conventional frequency estimation methods, resulting in the unconvergence of frequency control process. This project is based on the statistical model of the unbalanced system voltage and aims to apply the fast developping complementary second order statistics and maximum likelihood estimation theory to the voltage unbalance analysis and accurate frequency estimation analysis of the unbalanced power systems. The content of this project includes: building up the elliptical characteristics and complementary second order statistics based voltage problem detection method; based on the joint probability density function of complex valued white Gaussian noise, building up the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) to provide a normalized test standard for power quality parameter estimation of unbalanced power systems and studying accurate unbiased frequency estimation problem based on maximizing the combined discrete Fourier power spectrum of the system voltage and its complex conjugate according to the special statistical property of the unbalanced system voltage; implementing a small-scale power system in hardware-in-the-loop simulation based on real-time digital simulator to test the proposed frequency estimation methods within the real-time frequency control process.

理论分析与实际现状均表明了电力系统电压非平衡问题会引发传统频率估计算法的有偏及震荡，造成频率调整过程的不收敛。本项目围绕非平衡系统电压的统计模型开展工作，力图将迅速发展的完备二阶统计理论及最大似然估计理论应用于非平衡电力系统的电压故障分析以及高精度频率估计算法的研究。研究工作包括：建立基于非平衡电压的椭圆分布特征参数与完备二阶统计特性的电压故障判定方法；在复数高斯白噪声的联合概率密度函数的基础上，开展基于Cramer-Rao下界的非平衡电力系统电能质量参数估计的归一化性能测试标准、以及根据非平衡系统电压的特性，提出基于系统电压及其复数共轭的离散傅立叶联合功率谱最大化的高精度频率无偏估计算法的研究；搭建基于实时数字仿真器的小型电网硬件在环仿真环境进行频率估计算法在频率调整机制中的性能测试。

随着具有能量供应与消耗双向性的智能微网以及混合动力汽车的大力发展，当前电力系统内部电能流动变得日益复杂，已不再是传统的“供应——需求”单向模式。同时，智能电网分布端大量单相负荷与三相负荷的混用造成三相电压会出现不同程度的骤降、骤升与相位偏移。三相电压的不平衡问题会引发传统频率估计以及后续电能质量参数估计的有偏及震荡问题，导致电力系统对频率的判断异常，对系统安全运行带来严重的后果。因此，本项目围绕非平衡三相电力系统频率以及电能质量参数的高精度估计问题展开系统深入的研究，分别在非平衡电压故障的统计行为认识、非平衡电力系统的频率及电能质量参数估计的测量标准以及相应的高精度估计算法这三个要点取得了一系列原创性成果，形成较为完整的理论与实际相结合的体系。主要进展包括：.1.发现了三相电网非平衡状态下复数系统电压模型中包含的负序列信号会造成电压二阶统计量的非圆特性，分析了三相电压在不同程度骤升、骤降和相位偏移状态下的非圆度数，为电能质量的下降和对电压骤升、骤降的故障判定提供新的统计学依据；.2. 在非平衡电压统计模型的基础上，建立了针对非平衡电力系统电能质量参数在不同程度压升、压降、相位偏移及信噪比条件下基于克拉美洛界(CRLB)的性能测试标准；.3. 为了实现能够达到克拉美洛性能界的频率及电能质量参数估计的最优算法，建立了给定长度含噪电压观测数据的似然函数，并通过对似然函数关于未知参量的最大化，实现能够达到CRLB界的最优频率及电能质量参数估计算法，以及相应的复杂度较低的时域及频域近似最优算法，并通过实采电压数据与搭建小型电网的硬件环境进行了相关算法的测试。. 本课题已发表SCI论文13篇，EI论文7篇，学术专著2章。已申请国家发明专利7项，已授权发明专利1项。所取得研究成果顺利完成了预设目标，且都围绕电力系统的电压非平衡故障分析、系统频率估计等关键问题的解决，力图为电力系统的发展提供技术支持。