CN104280593A - 基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法。该方法包括提供一电流扰动系统，该电流扰动系统包括一控制与监控单元，该控制与监控单元种的一用于监测系统中谐波及无功电流的电流检测控制电路的谐波及无功电流监测过程为：首先，采集三相电网中的三相电压及电流瞬时值；其次，采用变换，将三相电压和电流变化到正交静止坐标系中；最后，采用添加虚拟电压向量来代替参与运算的真实电压向量，并由此计算出的瞬时有功、无功功率，由低通滤波器LPF滤波得到直流功率分量；并经逆变换计算出被检测电流中的基波分量；将检测电流减去基波分量即可得到谐波分量。本发明能够实现快速谐波电流与无功电流的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法。
背景技术
传统在20世纪70年代以前，电力电子设备还未广泛应用，谐波带来的危害未受到足够的重视。随着半导体器件的问世与发展以及大型可控硅、逆变器等非线性负载的普及，其造成电网电压和电流波形产生畸变，谐波对电网的污染日趋严重，引起了人们对谐波危害的高度关注。为保证电力设备安全可靠运行、提高电能质量，人们开始研究谐波治理的有效装置，这就需要电流扰动发生装置来检测谐波治理装置的性能。
准确检测出输出电流中的谐波电流、无功电流分量对电流扰动发生装置的性能至关重要，是电流扰动发生装置实现其功能的前提。本申请提出了一种基于瞬时无功功率理论的电流干扰发生装置，可发出所需要的谐波及无功电流量。基于瞬时无功功率理论计算有功、无功功率只用了一个时刻三相电压和电流的数值，而传统的功率计算需要一周期的三相电压和电流的数值，所以这种功率计算的方法大大提高了功率计算的速度。
谐波电流与无功电流检测方法一直是研究的热点。谐波检测有时不需要把各次谐波分量都逐一检测出来，而是检测出谐波电流之和，有时也要检测出无功电流、谐波电流与无功电流之和。传统常见的检测方法包括：模拟带通滤波器、基于Fryze功率定义的有功分离法、基于FFT快速分析的方法、自适应干扰对消的算法、基于小波变换的检测方法等。
瞬时无功功率理论是日本学者Akagi H.提出的，该理论为实现谐波、无功的实时检测提供了理论依据，后来基于此瞬时无功功率理论的思想发展了很多快速检测方法，现包括p-q法、ip-iq法和dq0法。使用该方法只补偿无功时，无功功率不经过低通滤波器直接进行反变换，补偿电流的运算时间很短。当需要检测谐波分量时，该方法中采用了两个低通滤波器，会产生不同的延时。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，实现快速谐波电流与无功电流的检测。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，包括提供一电流扰动系统，该电流扰动系统包括依次连接的启动单元、LCL滤波器、变流单元和控制与监控单元，所述启动单元的输入端连接至三相电网输出端，所述控制与监控单元包括一用于监测系统中谐波及无功电流的电流检测控制电路，该电流检测控制电路的谐波及无功电流监测过程如下：
S1：采集三相电网中的三相电压瞬时值 、、及三相电流瞬时值、、；
S2：采用变换，将三相电压，，和三相电流，，变化到正交静止坐标系中的，和，，其中：
电流瞬时值变换如下：
S3：采用添加虚拟电压向量来代替参与运算的真实电压向量，即由锁相环PLL获得三相电网电压的相位，然后结合正、余弦发生电路产生与电网A相电压同相位的正弦、余弦信号，来代替实际的电压信号：
其中，p、q分别为瞬时有功、无功功率；
S4：根据步骤S3计算出的瞬时有功、无功功率p、q，由低通滤波器LPF滤波得到直流功率分量、；其中，、分别为正弦形式的电网电压与基波有功电流、无功电流计算出的基波有功和无功功率；由、经下式逆变换计算出被检测电流、、中的基波分量、、；
将检测电流减去基波分量即可得到谐波分量、、；
令上式中的，即可同时检测出被负载电流的谐波和无功分量，其中采用的低通滤波器运算会带来延时；若只补偿无功分量时，将q直接进行反变换得到无功电流，此时运算没有延时，得到的无功电流如下式所示：
。
在本发明实施例中，所述启动单元包括串联连接的断路器与接触器、以及与所述接触器并联连接的预充电电阻。
在本发明实施例中，所述LCL滤波器包括两个串联连接的电抗器及一电容，所述电容一端连接至两个电抗器的连接点，该电容的另一端接地。
在本发明实施例中，所述变流电路包括依次连接的IGBT逆变器、DC电容器和电源变换模块；所述IGBT逆变器包括三个单相电路；所述单相电路包括两个串联连接的电抗器、滤波电路和逆变电路，其中一电抗器与所述逆变电路的一端连接，所述滤波电路的一端接至两个电抗器的连接点，且所述滤波电路包括串联连接的一电容器和一电阻；其中，三个单相电路中的滤波电路的另一端两两相互连接，三个单相电路中的逆变电路的另一端两两相互连接。
在本发明实施例中，所述逆变电路包括N个IGBT桥臂电路，且N为大于等于2 的正整数；每个IGBT桥臂电路包括两个端口；其中，第一个IGBT桥臂电路的第一端作为所述逆变电路的前端，第N个IGBT桥臂电路的第二端作为所述逆变电路的后端，且前一个IGBT桥臂电路的第二端接入后一个IGBT桥臂电路的第二端。
在本发明实施例中，所述IGBT桥臂电路包括两个IGBT桥臂以及一电容器，且两个IGBT桥臂和电容器并联连接；所述IGBT桥臂包括两个串联连接的IGBT电路；其中，一个IGBT桥臂中的两个IGBT电路的连接点作为所述IGBT桥臂电路的第一端，另一个IGBT桥臂中两个IGBT电路的连接点作为所述IGBT桥臂电路的第二端。
在本发明实施例中，所述IGBT电路包括一IGBT管和一二极管；所述二极管的阴极与所述IGBT管的集电极相连，所述二极管的阳极与所述IGBT管的发射极相连。
在本发明实施例中，所述控制与监控单元还包括与所述电流检测控制电路连接的人机交互模块和驱动电路，所述电流检测控制电路用于监测三相电网输出端及启动单元输出端的电压及电流信号，所述电流检测控制电路和驱动电路还分别与所述IGBT逆变器连接。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、能够实现快速谐波电流与无功电流的检测；
2、结构简单、设计先进、控制灵活；
3、适应性好，可灵活应用于各种需要谐波电流、无功电流源的并网型测试应用。
附图说明
图1为本发明采用的电流扰动系统框图。
图2为本发明IGBT逆变器的电路原理图。
图3为本发明逆变电路的电路原理图。
图4为本发明基于瞬时无功功率理论的电流检测方法图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1及图4所示，本发明一种基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，包括提供一电流扰动系统，该电流扰动系统包括依次连接的启动单元、LCL滤波器、变流单元和控制与监控单元，所述启动单元的输入端连接至三相电网输出端，所述控制与监控单元包括一用于监测系统中谐波及无功电流的电流检测控制电路，该电流检测控制电路的谐波及无功电流监测过程如下：
S1：采集三相电网中的三相电压瞬时值、、及三相电流瞬时值、、；
S2：采用变换，将三相电压，，和三相电流，，变化到正交静止坐标系中的，和，，其中：
电流瞬时值变换如下：
S3：采用添加虚拟电压向量来代替参与运算的真实电压向量，即由锁相环PLL获得三相电网电压的相位，然后结合正、余弦发生电路产生与电网A相电压同相位的正弦、余弦信号，来代替实际的电压信号：
其中，p、q分别为瞬时有功、无功功率；
S4：根据步骤S3计算出的瞬时有功、无功功率p、q，由低通滤波器LPF滤波得到直流功率分量、；其中，、分别为正弦形式的电网电压与基波有功电流、无功电流计算出的基波有功和无功功率；由、经下式逆变换计算出被检测电流、、中的基波分量、、；
将检测电流减去基波分量即可得到谐波分量、、；
令上式中的，即可同时检测出被负载电流的谐波和无功分量，其中采用的低通滤波器运算会带来延时；若只补偿无功分量时，将q直接进行反变换得到无功电流，此时运算没有延时，得到的无功电流如下式所示：
。
所述启动单元包括串联连接的断路器与接触器、以及与所述接触器并联连接的预充电电阻。所述LCL滤波器包括两个串联连接的电抗器及一电容，所述电容一端连接至两个电抗器的连接点，该电容的另一端接地。所述控制与监控单元还包括与所述电流检测控制电路连接的人机交互模块和驱动电路，所述电流检测控制电路用于监测三相电网输出端及启动单元输出端的电压及电流信号，所述电流检测控制电路和驱动电路还分别与所述IGBT逆变器连接。
如图2至图3所示，所述变流电路包括依次连接的IGBT逆变器、DC电容器和电源变换模块；所述IGBT逆变器包括三个单相电路；所述单相电路包括两个串联连接的电抗器、滤波电路和逆变电路，其中一电抗器与所述逆变电路的一端连接，所述滤波电路的一端接至两个电抗器的连接点，且所述滤波电路包括串联连接的一电容器和一电阻；其中，三个单相电路中的滤波电路的另一端两两相互连接，三个单相电路中的逆变电路的另一端两两相互连接。所述逆变电路包括N个IGBT桥臂电路，且N为大于等于2 的正整数；每个IGBT桥臂电路包括两个端口；其中，第一个IGBT桥臂电路的第一端作为所述逆变电路的前端，第N个IGBT桥臂电路的第二端作为所述逆变电路的后端，且前一个IGBT桥臂电路的第二端接入后一个IGBT桥臂电路的第二端。所述IGBT桥臂电路包括两个IGBT桥臂以及一电容器，且两个IGBT桥臂和电容器并联连接；所述IGBT桥臂包括两个串联连接的IGBT电路；其中，一个IGBT桥臂中的两个IGBT电路的连接点作为所述IGBT桥臂电路的第一端，另一个IGBT桥臂中两个IGBT电路的连接点作为所述IGBT桥臂电路的第二端。所述IGBT电路包括一IGBT管和一二极管；所述二极管的阴极与所述IGBT管的集电极相连，所述二极管的阳极与所述IGBT管的发射极相连。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：包括提供一电流扰动系统，该电流扰动系统包括依次连接的启动单元、LCL滤波器、变流单元和控制与监控单元，所述启动单元的输入端连接至三相电网输出端，所述控制与监控单元包括一用于监测系统中谐波及无功电流的电流检测控制电路，该电流检测控制电路的谐波及无功电流监测过程如下：
S1：采集三相电网中的三相电压瞬时值 、、及三相电流瞬时值、、；
S2：采用变换，将三相电压，，和三相电流，，变化到正交静止坐标系中的，和，，其中：
电流瞬时值变换如下：
S3：采用添加虚拟电压向量来代替参与运算的真实电压向量，即由锁相环PLL获得三相电网电压的相位，然后结合正、余弦发生电路产生与电网A相电压同相位的正弦、余弦信号，来代替实际的电压信号：
其中，p、q分别为瞬时有功、无功功率；
S4：根据步骤S3计算出的瞬时有功、无功功率p、q，由低通滤波器LPF滤波得到直流功率分量、；其中，、分别为正弦形式的电网电压与基波有功电流、无功电流计算出的基波有功和无功功率；由、经下式逆变换计算出被检测电流、、中的基波分量、、；
将检测电流减去基波分量即可得到谐波分量、、；
令上式中的，即可同时检测出被负载电流的谐波和无功分量，其中采用的低通滤波器运算会带来延时；若只补偿无功分量时，将q直接进行反变换得到无功电流，此时运算没有延时，得到的无功电流如下式所示：
。
2.根据权利要求1所述的基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：所述启动单元包括串联连接的断路器与接触器、以及与所述接触器并联连接的预充电电阻。
3.根据权利要求2所述的基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：所述LCL滤波器包括两个串联连接的电抗器及一电容，所述电容一端连接至两个电抗器的连接点，该电容的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：所述变流电路包括依次连接的IGBT逆变器、DC电容器和电源变换模块；所述IGBT逆变器包括三个单相电路；所述单相电路包括两个串联连接的电抗器、滤波电路和逆变电路，其中一电抗器与所述逆变电路的一端连接，所述滤波电路的一端接至两个电抗器的连接点，且所述滤波电路包括串联连接的一电容器和一电阻；其中，三个单相电路中的滤波电路的另一端两两相互连接，三个单相电路中的逆变电路的另一端两两相互连接。
5.根据权利要求4所述的基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：所述逆变电路包括N个IGBT桥臂电路，且N为大于等于2 的正整数；每个IGBT桥臂电路包括两个端口；其中，第一个IGBT桥臂电路的第一端作为所述逆变电路的前端，第N个IGBT桥臂电路的第二端作为所述逆变电路的后端，且前一个IGBT桥臂电路的第二端接入后一个IGBT桥臂电路的第二端。
6.根据权利要求5所述的基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：所述IGBT桥臂电路包括两个IGBT桥臂以及一电容器，且两个IGBT桥臂和电容器并联连接；所述IGBT桥臂包括两个串联连接的IGBT电路；其中，一个IGBT桥臂中的两个IGBT电路的连接点作为所述IGBT桥臂电路的第一端，另一个IGBT桥臂中两个IGBT电路的连接点作为所述IGBT桥臂电路的第二端。
7.根据权利要求6所述的基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：所述IGBT电路包括一IGBT管和一二极管；所述二极管的阴极与所述IGBT管的集电极相连，所述二极管的阳极与所述IGBT管的发射极相连。
8.根据权利要求4所述的基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流快速检测方法，其特征在于：所述控制与监控单元还包括与所述电流检测控制电路连接的人机交互模块和驱动电路，所述电流检测控制电路用于监测三相电网输出端及启动单元输出端的电压及电流信号，所述电流检测控制电路和驱动电路还分别与所述IGBT逆变器连接。
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