CN104578070A - 双电压闭环控制谐波电流检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电压闭环控制谐波电流检测方法和系统，在i_p-i_q检测法中加入了双电压闭环控制，以消除负载电流突变时产生的畸变；并采用一种新颖的基于低通滤波的a相正序电压提取单元代替i_p-i_q检测法的PLL锁相环，在三相电压畸变情况下仍能正确提取a相正序电压，以精确检测出谐波和无功电流。经仿真与研究结果证明，该方法不仅可消除负载电流突变时电流的畸变，同时在电压有畸变的情况下仍可以正确检测到谐波分量和无功电流；而且在指令电流有很大突变的情况下，由于加入了直流侧电压闭环控制和上下电容均压闭环控制，避免了在负载电流突变时产生电网电流锯齿形畸变，跟踪补偿特性得到完善；法具有广泛的适用性。

Description

双电压闭环控制谐波电流检测方法和系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统谐波电流检测方法，具体是一种双电压闭环控制谐波电流检测方法和系统。

背景技术

随着电力电子装置更加广泛地投入使用，电能得到了更加充分的应用，但伴随而来的是越来越多的非线性、冲击性负载的投入使用，电网中谐波污染日益严重，引起了人们的关注。在针对此类谐波抑制和无功补偿装置的研究中，电力有源滤波器(APF)得到了广泛应用。与无源滤波器比较，有源滤波器具有动态响应特性好，滤波特性不受系统阻抗影响等优势。而APF所采用的谐波电流检测方法，直接决定了谐波的检测精度和跟踪速度，是决定谐波补偿特性的关键。

目前，在众多有源滤波器的谐波及无功电流检测算法中，基于三相瞬时无功功率理论的应用最为广泛，其中i_p-i_q检测法计算简单，具有实时性较好、适合电流快速检测的优点，但同时也存在很多局限性。该方法在电压有畸变时对基波有功、无功电流的检测存在误差；其次，负载电流有较大突变时补偿后电流波形会产生较大畸变，影响补偿效果。

发明内容

本发明在分析i_p-i_q检测法误差和跟踪误差的基础上，针对在负载电流有较大突变时补偿电路会产生较大畸变，以及三相电压畸变时i_p-i_q检测法存在的误差等问题，提出了一种改进的i_p-i_q检测法，即双电压闭环控制谐波电流检测方法和系统。本发明不仅可消除负载电流突变时电流的畸变，同时在电压有畸变的情况下仍可以正确检测到谐波分量和无功电流。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双电压闭环控制谐波电流检测方法，在i_p-i_q检测法中加入了双电压闭环控制，以消除负载电流突变时产生的畸变；并采用一种基于低通滤波的a相正序电压提取单元代替i_p-i_q检测法的PLL锁相环，在三相电压畸变情况下仍能正确提取a相正序电压，以精确检测出谐波和无功电流。

作为本发明进一步的方案：所述i_p-i_q检测法是由PLL锁相环控制其后的正弦、余弦信号发生电路产生与A相电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt，以此消除电压畸变对检测精度的影响。

作为本发明进一步的方案：所述基于低通滤波的a相正序电压提取单元的其提取过程如下：

设电源电压畸变，即含有高次谐波和负序电压；经过对称分量变换单元T，提取A相正序电压信号e_an：

将e_an与任意初相角α的正弦、余弦信号矩阵相乘，即

$\left[\begin{array}{c}{e}_s\\ e_c\end{array}\right]=e_{\mathrm{an}}\left[\begin{array}{c}2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})\\ 2\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中e_s，和e_c分别为:

经LPF后即得到它们的直流分量E_s,E_c为：

A相正序基波电压e_a1为：

最后，由e_a1控制正弦、余弦产生电路，为i_p-i_q检测系统提供与A相正序基波电压同相位的正弦、余弦信号。

作为本发明进一步的方案：所述双电压闭环控制采用逆变器直流侧电压的闭环控制，为维持直流电容电压的恒定并补偿电力系统存在的损耗，增加了直流电压的反馈控制环，并在APF的直流侧增加上下电容构成三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器。

作为本发明进一步的方案：对于三相四线制中点式拓扑来说，直流侧上下电容的电压都必须大于电网相电压峰值方能实现电流可控，因此必须将变流器直流侧两电容的总电压控制为一个适当的值，该值大于电网相电压峰值的2倍为好，为此对直流侧电容电压施加闭环控制。

作为本发明进一步的方案：在上下电容的电容值相同的情况下，只要APF的零线电流平均值为零，即没有直流分量，则上下电容平均电压值将保持平衡，但由于D/A电路中存在零偏，当A PF的三相补偿电流存在直流或低频分量时，电荷会在上下两电容中的一个电容上一直积累而使上下电容的平均电压失去均衡，导致中点电压漂移产生；即使总电压始终控制为大于电网相电压峰值的2倍，上下电容之一的电压也可能低于相电压的峰值，因此必须加均压控制，保证上下两电容的电压都大于相电压峰值。

作为本发明进一步的方案：使有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量，使电网向有源滤波器的直流侧补充能量，将直流侧电压V_c维持在给定值。

一种采用所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法的系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了改进的i_p-i_q检测法，经仿真与研究结果证明，该方法不仅可消除负载电流突变时电流的畸变，同时在电压有畸变的情况下仍可以正确检测到谐波分量和无功电流；而且在指令电流有很大突变的情况下，由于加入了直流侧电压闭环控制和上下电容均压闭环控制，避免了在负载电流突变时产生电网电流锯齿形畸变，跟踪补偿特性得到完善；法具有广泛的适用性。

附图说明

图1为i_p-i_q检测法原理图。

图2为基于LPF的A相正序电压提取单元框图。

图3为控制系统框图。

图4为引入双闭环控制的i_p-i_q检测法运算原理图。

图5为补偿前三相电流波。

图6a为三相电流中所含有的基波有功电流。

图6b为三相电流中所含有的基波无功电流。

图7a为两种方法检测到的基波有功电流比较图。

图7b为两种方法检测到的基波无功电流比较图。

图8a为补偿前的电网电压波形图。

图8b为补偿后的电网电压波形图。

图9为应用原始i_p-i_q检测法仿真的电流波形图。

图10为加入双电压闭环控制后的仿真电流波形。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

i_p-i_q检测法如图1所示，其中e_a为A相电压信号，PLL为锁相环，由锁相环控制其后的正弦、余弦信号发生电路产生与A相电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt，以此消除电压畸变对检测精度的影响。根据定义可计算出i_p、i_q，经LPF滤波可得出i_p、i_q的直流分量这里是对应于电流基波分量i_af、i_bf、i_cf的，因此由可以计算出i_af、i_bf、i_cf，进而可以计算出i_ah、i_bh、i_ch。

当三相电压畸变时，A相电压的初相角与A相正序电压的初相角间存在相位差。i_p-i_q检测法中的锁相环只能提取出A相电压，而不是A相正序电压。现设A相电压的初相角与A相正序电压的初相角的相位差为θ，进行误差分析。由于存在相位差θ矩阵C变为：

$C=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})& \sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\θ})\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\θ})\\ -\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})& -\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\θ})-\cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\θ})\end{array}\right]---\left(1\right);$

由i_p-i_q检测法原理可得：

可看出三相基波有功电流、无功电流的幅值和相位都因相位差θ产生了误差，说明原始i_p-i_q检测法受电压畸变影响较大，不能适用。所以应在此基础上进一步优化设计，使其可以正确提取A相正序基波电压e_an，经过研究分析，采用了基于低通滤波器的A相正序基波电压提取单元代替原始检测法中的PLL锁相环单元。基于低通滤波的A相正序基波电压提取单元如图2所示。设电源电压畸变，即含有高次谐波和负序电压。即式(4)中下标1n表示正序，2n表示负序，当n＝1时，表示基波。经过对称分量变换单元T，可提取A相正序电压信号e_an。

其过程如下所述。

将e_an与任意初相角α的正弦、余弦信号矩阵相乘，即

$\left[\begin{array}{c}{e}_s\\ e_c\end{array}\right]=e_{\mathrm{an}}\left[\begin{array}{c}2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})\\ 2\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中e_s，和e_c分别为:

经LPF后即可得到它们的直流分量E_s,E_c为：

A相正序基波电压e_a1为：

最后，由e_a1控制正弦、余弦产生电路，为i_p-i_q检测系统提供与A相正序基波电压同相位的正弦、余弦信号。

所述双电压闭环控制采用逆变器直流侧电压的闭环控制。

APF是否有好的补偿效果的前提是谐波电流的快速检测，其中补偿电流能否很好地跟踪指令电流是关键问题。但在实际情况中，当负载电流有大突变时补偿电流会产生很大的跟踪误差，补偿后电流有畸变。这是由于实际电路中补偿电流的上升率是由主电路电感的取值、直流侧电压平均值及网侧电压共同决定的。而APF自身损耗将使A PF与电网交换有功能量，导致直流侧电容电压频繁波动，跟踪误差较大。

为维持直流电容电压的恒定并补偿电力系统存在的损耗，增加了直流电压的反馈控制环，并在APF的直流侧增加电容(该系统中采用两个电容)构成三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器，如图3所示。

直流侧总电压闭环控制

对于三相四线制中点式拓扑来说，直流侧上下电容的电压都必须大于电网相电压峰值方能实现电流可控，因此必须将变流器直流侧两电容的总电压控制为一个适当的值，该值大于电网相电压峰值的2倍为好。为此对直流侧电容电压施加闭环控制。

直流侧上下电容电压均压闭环控制

在上下电容电容值相同的情况下，只要APF的零线电流平均值为零，即没有直流分量，则上下电容平均电压值将保持平衡，但由于D/A电路中存在零偏，当A PF的三相补偿电流存在直流或低频分量时，电荷会在上下两电容中的一个电容上一直积累而使上下电容的平均电压失去均衡，导致中点电压漂移产生；即使总电压始终控制为大于电网相电压峰值的2倍，上下电容之一的电压也可能低于相电压的峰值，因此必须加均压控制，保证上下两电容的电压都大于相电压峰值。

图4所示是加入直流侧总电压闭环控制和上下电容电压均压闭环控制的检测运算原理图。图4中V_cr是直流侧总电压的给定值，是V_cf直流侧总电压的反馈值，两者之差经PI调节后再经过限幅处理得到调节信号△i_p，将它叠加到有功电流上。使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量，使电网向有源滤波器的直流侧补充能量，将直流侧电压V_c维持在给定值。当V_cf比V_cr小时，经PI调节器的作用，使△i_p为正。由图可知经过运算最终得到的指令电流中将含有正的有功电流分量，在这个指令电流的作用下，补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时，将从电网吸取相应的有功功率，使变流器的直流侧电容电压上升直至反馈电压与给定值相同。反之，当V_cf比V_cr大时，经PI调节器的作用，使得△i_p为负，经过运算最终得到的指令电流中将含有负的有功电流分量，补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时，将向电网释放相应的有功功率，使得变流器的直流侧电容电压下降直至反馈电压与给定值相同。

仿真结果分析

仿真实验条件：电源电压为380V，工频50Hz；直流侧连接电感为3mH；两个直流侧等值电容为4400μF/450V；电容运行电压为800V。当谐波源为三相桥式整流电路直流侧接容性负荷，三相电压有畸变如图8(a)所示。图5为三相畸变电网电流。分别采用传统的i_p-i_q检测法和基于LPF的A相正序电压提取单元替代传统锁相环的改进检测法，对三相畸变电流进行检测。图6为三相畸变电流所含有的基波有功、无功电流波形。图7为两种系统中，对典型整流桥式负载进行了仿真研究，经对比可看出：应用原始i_p-i_q检测法的仿真电路波形见图9，电网电流波形在负载电流突变处产生了锯齿形畸变，而应用加入双电压闭环控制的改进算法补偿后的电网电流波形(见图10)，消除了锯齿形抖动，降低了电网电流谐波畸变率。

i_p-i_q检测法具有结构简单，快速响应等优点，可使APF有良好的补偿特性，但在三相电压有畸变情况下，或是负载电流发生较大突变时，电流的检测会发生很大误差，针对此类缺点，本发明提出了改进的i_p-i_q检测法，经仿真与研究结果证明，不仅在三相电压畸变情况下，可实时精确的检测出谐波和无功电流；而且在指令电流有很大突变的情况下，由于加入了直流侧电压闭环控制和上下电容均压闭环控制，避免了在负载电流突变时产生电网电流锯齿形畸变，跟踪补偿特性得到完善；法具有广泛的适用性。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种双电压闭环控制谐波电流检测方法，其特征在于，在i_p-i_q检测法中加入了双电压闭环控制，以消除负载电流突变时产生的畸变；并采用一种基于低通滤波的a相正序电压提取单元代替i_p-i_q检测法的PLL锁相环。

2.根据权利要求1所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法，其特征在于，所述i_p-i_q检测法是由PLL锁相环控制其后的正弦、余弦信号发生电路产生与A相电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt。

3.根据权利要求2所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法，其特征在于，所述基于低通滤波的a相正序电压提取单元的其提取过程如下：

设电源电压畸变，即含有高次谐波和负序电压；经过对称分量变换单元T，提取A相正序电压信号e_an：

将e_an与任意初相角α的正弦、余弦信号矩阵相乘，即

$\left[\begin{array}{c}{e}_s\\ e_c\end{array}\right]=e_{\mathrm{an}}\left[\begin{array}{c}2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})\\ 2\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中e_s，和e_c分别为:

经LPF后即得到它们的直流分量E_s,E_c为：

A相正序基波电压e_a1为：

最后，由e_a1控制正弦、余弦产生电路，为i_p-i_q检测系统提供与A相正序基波电压同相位的正弦、余弦信号。

4.根据权利要求1所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法，其特征在于，所述双电压闭环控制采用逆变器直流侧电压的闭环控制，为维持直流电容电压的恒定并补偿电力系统存在的损耗，增加了直流电压的反馈控制环，并在APF的直流侧增加上下电容构成三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器。

5.根据权利要求4所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法，其特征在于，将变流器直流侧两电容的总电压控制为一个适当的值，该值大于电网相电压峰值的2倍，为此对直流侧电容电压施加闭环控制。

6.根据权利要求4所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法，其特征在于，在上下电容的电容值相同的情况下，加均压控制，保证上下两电容的电压都大于相电压峰值。

7.根据权利要求4所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法，其特征在于，使有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量，使电网向有源滤波器的直流侧补充能量，将直流侧电压V_c维持在给定值。

8.一种采用如权利要求1-7之一所述的双电压闭环控制谐波电流检测方法的系统。