CN104020341A - 一种新型的基波正序有功电流检测方法 - Google Patents

Abstract

一种新型的基波正序有功电流检测方法，涉及电能质量控制领域。本发明是为了解决现有的检测方法应用在不对称系统中，导致检测误差大，同时现有检测方法中采用的低通滤波器进行检测使得动态检测速度低，并且现有检测方法采用αβ和dq坐标进行变换，导致计算复杂的问题。本发明对电网中的三相不对称电流和三相不对称电压分别做扇合矢量变换，得到扇合电流和扇合电压，根据幅值积分信号的选频特性，从扇合电流和扇合电压中分别提取基波正序电流和基波正序电压，根据基波正序电压和基波正序电流在abc坐标系中向量关系，计算扇合电流的基波正序有功电流，然后做扇开变换，得到电网的三相基波正序有功电流。它可用于电力系统中。

Description

一种新型的基波正序有功电流检测方法

技术领域

本发明涉及新型的基波正序有功电流检测方法。属于电能质量控制领域。

背景技术

随着电力电子技术的迅速发展，非线性冲击性负载在电力系统中使用日益广泛，所产生的无功电流、负序电流和谐波电流对电力系统稳定运行造成严重影响。使用电能质量控制装置快速地进行无功补偿和有源滤波，对提高电力系统的稳定性具有重要的现实意义。

因此，如何快速准确的从无功电流、负序电流和谐波电流当中检测基波正序有功电流，成为电能质量控制领域的一个关键性问题。

根据不同的理论，常用的检测方法主要分为以下3类：时域检测方法，频域检测方法和自适应检测方法。时域检测方法主要有：基于瞬时无功功率理论的p-q算法、i_p-i_q法、加强锁相环法、统一功率因数法、d-q法、p-q-0法、正弦信号合成法和dq坐标系傅里叶分析法。频域检测方法主要有：模拟滤波器法、模拟陷波器法、加窗插值傅里叶变换法、小波变换法、卡尔曼滤波器法。自适应检测方法主要有：人工神经网络法、自适应基波提取和频率跟踪法、自适应干扰消除法。

然而，上述方法都存在一定的局限性，如瞬时无功功率理论法要求电网电压是三相对称的；i_p-i_q法、p-q-0和d-q法需要使用锁相环锁定电网相角；人工神经网络法和自适应干扰消除法需要大量的训练样本；加窗插值傅里叶变换法、小波变换法和卡尔曼滤波器法实现起来非常的复杂；此外，上述一些方法在不对称系统中会产生较大的检测误差，同时低通滤波器会降低动态检测速度。

发明内容

本发明是为了解决现有的检测方法应用在不对称系统中，导致检测误差大，同时现有检测方法中采用低通滤波器进行检测使得动态检测速度低，并且现有检测方法采用αβ和dq坐标进行变换，导致计算复杂的问题。现提供一种新型的基波正序有功电流检测方法。

一种新型的基波正序有功电流检测方法，它包括以下步骤：

步骤一、在三相不平衡电力系统中，采集获得的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c和三相不对称电压值u_a，u_b，u_c，并将采集的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c用三相电流向量表示，将三相不对称电压值u_a，u_b，u_c用三相电压向量表示；

步骤二、将步骤一获得的三相电流向量和三相电压向量分别作做扇合矢量变换，获得扇合电流i_abc和扇合电压u_abc；

步骤三、根据幅值积分信号的选频特性，将步骤二中获得的扇合电流i_abc和扇合电压u_abc分别延时90°构造出一个辅助信号，之后将扇合电流和扇合电压分别与辅助信号进行拉普拉斯变换，最后分别经过微分环节的调节，根据传递函数分别获得基波正序电流ⁱ1+和基波正序电压u₁₊；

步骤四、将基波正序电压u₁₊和基波正序电流i₁₊变换到abc坐标系中，获得abc坐标系下的扇合电流的基波正序有功电流为：

式中，I₁₊表示基波正序电流的幅值φ₁₊表示基波的正序分量的初相角；

步骤五、对步骤五中的扇合电流的基波正序有功电流做扇开变换，得到电网的三相基波正序有功电流为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{1\mathrm{ap}+}\\ i_{1\mathrm{bp}+}\\ i_{1\mathrm{cp}+}\end{array}\right]=C_1{i}_{1p+}$     (公式6)，

式中，C₁＝[1 a² a]^T，为扇开变换向量。

本发明的有益效果为：本发明首先采集电网中的三相不对称电流的瞬时值和三相不对称电压的瞬时值分别用三相电流向量和三相电压向量表示，然后分别做扇合矢量变换，得到扇合电流和扇合电压，再根据幅值积分信号的选频特性，从扇合电流和扇合电压中分别提取基波正序电流和基波正序电压，根据基波正序电压和基波正序电流在abc坐标系中的向量关系，计算扇合电流的基波正序有功电流，最后对扇合电流的基波正序有功电流做扇开变换，得到电网的三相基波正序有功电流。该发明能够从含有无功电流、负序电流和谐波电流的三相不平衡系统中快速、准确地检测三相基波正序有功电流，动态检测速度同比现有检测方法的检测速度提高两倍以上，并且检测误差同比现有技术采用的检测误差小一倍以上，本发明采用abc坐标系进行变换，同比现有的采用αβ和dq坐标进行变换在计算方式上简单两倍以上。

附图说明

图1是本发明中从扇合电流中提取基波正序电流图，

图2是本发明中从扇合电压中提取基波正序电压图，

图3是本发明中基波正序电压和电流在abc坐标系中的向量表示图，

图4是本发明中基波正序有功电流检测原理图，

图5是本发明中三相不平衡电压值波形图，

图6是本发明中三相不平衡电流值波形图，

图7是本发明中三相扇合电压和基波正序电压波形图，

图8是本发明中三相扇合电流和基波正序电流波形图，

图9是本发明中基波正序电压、基波正序电流和基波正序有功电流波形图，

图10是本发明中经过扇开变换后的三相基波正序有功电流波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图10具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法，它包括以下步骤：

步骤一、在三相不平衡电力系统中，采集获得的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c和三相不对称电压值u_a，u_b，u_c，并将采集的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c用三相电流向量表示，将三相不对称电压值u_a，u_b，u_c用三相电压向量表示；

步骤二、将步骤一获得的三相电流向量和三相电压向量分别作做扇合矢量变换，获得扇合电流i_abc和扇合电压u_abc；

步骤三、根据幅值积分信号的选频特性，将步骤二中获得的扇合电流i_abc和扇合电压u_abc分别延时90°构造出一个辅助信号，之后将扇合电流和扇合电压分别与辅助信号进行拉普拉斯变换，最后分别经过微分环节的调节，根据传递函数分别获得基波正序电流i₁₊和基波正序电压u₁₊；

步骤四、将基波正序电压u₁₊和基波正序电流i₁₊变换到abc坐标系中，获得abc坐标系下的扇合电流的基波正序有功电流为：

式中，I₁₊表示基波正序电流的幅值，φ₁₊表示基波的正序分量的初相角；

步骤五、对步骤五中的扇合电流的基波正序有功电流做扇开变换，得到电网的三相基波正序有功电流为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{1\mathrm{ap}+}\\ i_{1\mathrm{bp}+}\\ i_{1\mathrm{cp}+}\end{array}\right]=C_1{i}_{1p+}$     (公式6)，

式中，C₁＝[1 a² a]^T，为扇开变换向量。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法的不同点在于，步骤一中将采集获得的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c用三相电流向量表示的过程为：

首先将采集获得的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c进行分解获得公式1：

式中，I_n+、I_n-和I_n0分别为第n次谐波的正序、负序和零序分量的幅值；和分别为第n次谐波的正序、负序和零序分量的初相角，ω为角频率，t为时间；

然后，将上述公式1用三相电流向量表示获得公式3：

$\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}-2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}+2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}+2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}-2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\end{array}\right]=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^{-1}\\ a^1\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^1\\ a^{-1}\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right]$ ，式中，e表示自然对数的底，j表示虚数单位。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法的不同点在于，步骤一中将采集获得的三相不对称电压值u_a，u_b，u_c进行分解获得公式2：

式中，U_n+、U_n-和U_n0分别为第n次谐波的正序、负序和零序电压的幅值，n表示谐波次数，n＝1为基波，ω为角频率，t为时间；

然后，将上述公式2用三相电压向量表示为公式4：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}-2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}+2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}+2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}-2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\end{array}\right]=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^{-1}\\ a^1\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^1\\ a^{-1}\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right]$ ，式中，e表示自然对数的底，j表示虚数单位。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法的不同点在于，步骤二中获得的扇合电流i_abc的表达式为公式5：

步骤二中获得的扇合电压u_abc的表达式为公式6：

式中，C₀＝[1 aⁿ a²ⁿ]，U₁₊表示基波正序电压的幅值，I₁₊表示基波正序电流的幅值。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法的不同点在于，步骤三中所述的传递函数均为：

$G\left(s\right)=\mathrm{\τs}\·\frac{k^2{s}^2+k^2{\mathrm{\ω}}^2}{s^4+2{\mathrm{ks}}^3+({2\mathrm{\ω}}^2+k^2)s^2+2k{\mathrm{\ω}}^{2}s+{\mathrm{\ω}}^4+k^2{\mathrm{\ω}}^2}$     (公式7)，

式中，τs表示微分环节，其中τ为系数，k为调节系数；s表示复数变量。

采用本发明对实际的基波正序有功电流检测方法的效果进行仿真验证。在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型。三相基波正序有功电压和电流的频率为50Hz，三相基波正序有功电压和电流的幅值分别为2PU和1PU(PU为标么值)。为了创造三相不平衡仿真环境，基波负序电压(0.2PU)和五次谐波负序电压(0.3PU)被添加到三相基波正序电压中。同时，基波负序电流(0.2PU)、三次谐波零序电流(0.2PU)、五次谐波负序电流(0.3PU)、七次谐波正序电流(0.3PU)和无功电流(1PU)被添加到三相基波正序有功电流中。仿真结果如图5-图10所示。从图9和图10中可以看出，检测到的三相基波正序有功电压和电流的频率及幅值分别为50Hz、50Hz、2PU和1PU，这和前文设定的值是一样的。仿真结果表明，本发明能够从含有无功电流、负序电流和谐波电流的三相不平衡系统中快速、准确地检测三相基波正序有功电流。

Claims (5)

1.一种新型的基波正序有功电流检测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、在三相不平衡电力系统中，采集获得的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c和三相不对称电压值u_a，u_b，u_c，并将采集的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c用三相电流向量表示，将三相不对称电压值u_a，u_b，u_c用三相电压向量表示；

步骤二、将步骤一获得的三相电流向量和三相电压向量分别作做扇合矢量变换，获得扇合电流i_abc和扇合电压u_abc；

步骤三、根据幅值积分信号的选频特性，将步骤二中获得的扇合电流i_abc和扇合电压u_abc分别延时90°构造出一个辅助信号，之后将扇合电流和扇合电压分别与辅助信号进行拉普拉斯变换，最后分别经过微分环节的调节，根据传递函数分别获得基波正序电流i₁₊和基波正序电压u₁₊；

步骤四、将基波正序电压u₁₊和基波正序电流i₁₊变换到abc坐标系中，获得abc坐标系下的扇合电流的基波正序有功电流为：

式中，I₁₊表示基波正序电流的幅值，φ₁₊表示基波的正序分量的初相角；

步骤五、对步骤五中的扇合电流的基波正序有功电流做扇开变换，得到电网的三相基波正序有功电流为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{1\mathrm{ap}+}\\ i_{1\mathrm{bp}+}\\ i_{1\mathrm{cp}+}\end{array}\right]=C_1{i}_{1p+}$     (公式6)，

式中，C₁＝[1 a² a]^T，为扇开变换向量。

2.根据权利要求1所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法，其特征在于，步骤一中将采集获得的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c用三相电流向量表示的过程为：

首先将采集获得的三相不对称电流值i_a，i_b，i_c进行分解获得公式1：

式中，I_n+、I_n-和I_n0分别为第n次谐波的正序、负序和零序分量的幅值；和分别为第n次谐波的正序、负序和零序分量的初相角，ω为角频率，t为时间；

然后，将上述公式1用三相电流向量表示获得公式3：

$\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}-2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}+2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}+2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}-2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\end{array}\right]=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^{-1}\\ a^1\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^1\\ a^{-1}\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right]$ 式中，e表示自然对数的底，j表示虚数单位。

3.根据权利要求1所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法，其特征在于，步骤一中将采集获得的三相不对称电压值u_a，u_b，u_c进行分解获得公式2：

式中，U_n+、U_n-和U_n0分别为第n次谐波的正序、负序和零序电压的幅值，n表示谐波次数，n＝1为基波，ω为角频率，t为时间；

然后，将上述公式2用三相电压向量表示为公式4：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}-2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n+}+2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}+2\mathrm{\π}/3)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j({\mathrm{\φ}}_{n-}-2\mathrm{\π}/3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\\ \underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j\left({\mathrm{\φ}}_{n0}\right)}\end{array}\right]=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n+}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n+}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^{-1}\\ a^1\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n-}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n-}}\left[\begin{array}{c}1\\ a^1\\ a^{-1}\end{array}\right]+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{n0}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{n0}}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right]$ 式中，e表示自然对数的底，j表示虚数单位。

4.根据权利要求1所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法，其特征在于，步骤二中获得的扇合电流i_abc的表达式为公式5：

步骤二中获得的扇合电压u_abc的表达式为公式6：

式中，C₀＝[1 aⁿ a²ⁿ]，U₁₊表示基波正序电压的幅值，I₁₊表示基波正序电流的幅值。

5.根据权利要求1所述的一种新型的基波正序有功电流检测方法，其特征在于，步骤三中所述的传递函数均为：

$G\left(s\right)=\mathrm{\τs}\·\frac{k^2{s}^2+k^2{\mathrm{\ω}}^2}{s^4+2{\mathrm{ks}}^3+({2\mathrm{\ω}}^2+k^2)s^2+2k{\mathrm{\ω}}^{2}s+{\mathrm{\ω}}^4+k^2{\mathrm{\ω}}^2}$     (公式7)，

式中，τs表示微分环节，其中τ为系数，k为调节系数；s表示复数变量。