CN105140922A - 一种基于cpc功率理论的三相有源滤波器电流检测算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电流物理分量功率理论的三相有源电力滤波器电流检测算法，对物理电流分量进行了深入的理论研究和推导，提出了基于物理电流分量有功电流、无功电流、不平衡电流、谐波电流的三相三线制电流检测算法。具体为：检测有源电力滤波器在电网安装位置的三相电压，三相电流值，根据等效电导计算出负载所需有功功率的最小有功电流，然后分别计算出三相不平衡电流分量、谐波分量等电流分量。由于分解得到的电流分量相互正交，可以将单独的电流分量或者组合作为有源电力滤波器的参考电流，实现不同的补偿目标。本发明解决了以往有源电力滤波器参考电流计算方法中多目标补偿策略不能同时实现的弊端，针对电网存在的实际问题可以形成灵活、可靠的多目标补偿策略。

Description

一种基于CPC功率理论的三相有源滤波器电流检测算法

技术领域

本发明涉及电力检测技术领域，具体涉及一种基于电流物理分量功率理论的三相有源电力滤波器电流检测算法。

背景技术

在配电网中，为了降低电网能耗损失，提高配电网质量，通常在电网供电侧和负载策安装滤波装置。有源电力滤波器(Activepowerfilter，简称APF)是一种快速响应的动态滤波装置。APF运行时要求能够实时有效检测配电网中的有功电流、无功电流、不平衡电流、谐波电流，这取决于APF的电流检测算法。

APF电流检测算法可以从时域、频域和时-频域的角度进行分析。CPC功率理论分析方法采用时-频域的分析方法，能够结合时域分析方法与频域分析方法的优点电流进行全面精确的分析。CPC功率理论的基本思想是将电流分解为一系列具有清晰物理意义的电流分量，其中有功电流分量与Fryze有功电流定义一致，是保证负载获得所需功率下有效值最小的有功电流，此时，电网损耗可以降至最小。分解后的电流分量相互正交，且各自对应一个功率量，对应着电网中的物理现象，因此，可以根据这些正交的电流分量灵活的完成不同的补偿目标，尤其在三相不平衡、波形畸变的情况下具有很好的补偿效果。其工作原理为：首先采集有源电力滤波器安装位置处的三相电压和三相电流值，根据采样得到的三相电压、三相电流值计算出有功功率P，根据采样得到的三相电压值计算电压的有效值，根据有功功率P和电压有效值计算出负载的等效电导G_e，根据得到的等效电导G_e和电压值可以得到有功电流i_a；计算负载导纳，根据负载导纳和等效电导计算无功电流i_r；根据分解得到正序电压、负序电压，计算三相不平衡电流i_u；通过负载电流减去有功电流、无功电流、不平衡电流得到产生电流i_h，得到的各电流物理分量相互正交，因此可以将单独或者组合的电流分量作为有源电力滤波器的参考电流，实现不同的补偿目标。

发明内容

本发明的目的在于解决以往有源电力滤波器参考电流计算方法中多目标补偿策略不能同时实现的弊端，提供一种基于电流物理分量功率理论的三相有源电力滤波器电流检测算法，实现灵活、可靠的多目标补偿策略。

本发明实现其目的所采用的技术方案是：

(1)采样当前时刻有源电力滤波器在电网安装位置处，即补偿点处的三相电压、三相电流值；

(2)首先计算负载所需有功功率，根据采样得到的三相电压、三相电流值可计算出有功功率P；

(3)计算采样三相电压的有效值，根据有功功率P和三相电压有效值计算出负载所需有功功率最小时的等效电导G_e；

(4)根据得到的等效电导G_e和电压值可以得到有功电流i_a，i_a为负载所需最小的电流；计算负载导纳，根据负载导纳和等效电导计算无功电流i_r；根据分解得到正序电压、负序电压，计算三相不平衡电流i_u；通过负载电流减去有功电流、无功电流、不平衡电流得到产生电流i_h；

(5)分解得到的各个电流分量相互正交，且各自对应电网中独立的物理现象，因此可以根据电网补偿目标将分解得到的电流分量单独或者组合作为有源电力滤波器的参考电流i_c，实现不同的补偿目标。

本发明的有益效果：本发明基于电流物理分量功率理论的三相有源电力滤波器电流检测算法突破了传统电流检测算法不能实现多目标补偿策略的弊端，根据分解得到的各电流分量可实现灵活、可靠的多目标补偿策略，实时性好，动态响应快；同时，本发明方法不受系统电压畸变的影响，当系统电压发生畸变时，仍然具有准确的检测结果以及补偿效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为有源电力滤波器系统原理图；

图2为补偿目标为无功电流时A相的电压、电流波形图；

图3为补偿目标为不平衡电流时三相电流波形图；

图4为补偿目标为谐波电流时A相的电压、电流波形图；

图5为补偿目标为有功电流最小电流时三相电流波形图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图和仿真图，仅以示意图和仿真图方式来说明本发明的基本结构和原理，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示为有源电力滤波器系统原理图，主要包括功率理论、DC控制、驱动电路以及主电路等几个模块。首先检测电压电压u和电源电流i_s，通过CPC功率理论分解计算出所需补偿的电流i^* _cc，u_DC为开关补偿设备直流侧电容电压的实时值，u^* _DC为直流侧电容电压参考值，通过直流侧电压控制电路可以得到稳压电流值i^* _cu，补偿电流i^* _cc与直流侧稳压电流i^* _cu之和为计算的参考电流i^* _c，参考电流i^* _c与实时的补偿电流i_c进行比较形成补偿电流到驱动电路，然后输入到主电路最后补偿到电网。图中的主电路一般为PWM逆变器，以闭环的方式运行。在可靠的控制算法下，PWM逆变器可以看作为一个理想的线性功率放大器，实时的精确跟随参考电流i^* _c产生补偿电流i_c，其行为类似一个受控的非正弦电流源。

本发明首先采集有源电力滤波器安装位置处的三相电压和三相电流值，根据采样得到的三相电压、三相电流值计算出有功功率P，根据采样得到的三相电压值计算电压的有效值，根据有功功率P和电压有效值计算出负载的等效电导G_e，根据得到的等效电导G_e和电压值可以得到有功电流i_a；计算负载导纳，根据负载导纳和等效电导计算无功电流i_r；根据分解得到正序电压、负序电压，计算三相不平衡电流i_u；通过负载电流减去有功电流、无功电流、不平衡电流得到产生电流i_h，得到的各电流物理分量相互正交，因此可以将单独或者组合的电流分量作为有源电力滤波器的参考电流，实现不同的补偿目标。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

在整个过程中，需要对有源电力滤波器安装位置处的三相电压、三相电流进行采样，得到当前时刻电压和电流的瞬时值。

1、根据采样得到的三相电压、三相电流值可计算出有功功率P和等效电导G_e，在电源电压存在谐波畸变时，电压可以以向量的形式表示：

同时，负载若为不平衡负载时，负载电流可以表示为：

式中，G_en，B_en，A_n分别为各个频率下负载的等效电导、等效电纳以及等效不平衡导纳。

计算得出电源电压的有效值后，可以计算出等效导纳P为负载有功功率。

2、定义i_a为与供电电压成比例的电流分量，该电流是满足负载电能需要所传送的恒定能量的最小值。

3、根据电流物理分量原理，可以推出负载电流除去有功电流后的残余电流包括三部分：相对于电压各频次分量相移90°的电流分量，定义为无功电流i_r；由于各频次下的负载电导不同于负载等效电导而出现的电流分量，定义为分散电流i_s；由负载不平衡而产生的电量分量，定义为不平衡电流i_u；当负载为非线性负载时，还存在谐波电流i_h。各电流分量的计算方法为：

i_h＝i-i_r-i_a-i_u-i_s(7)

4、针对电网出现的不同问题，需要不同的参考电流，以满足不同的补偿目标策略，将单独或者组合的电流分量作为有源电力滤波器的参考电流i_c。

补偿目标为无功电流时：参考电流i_c＝i_r；

补偿目标为不平衡电流时：参考电流i_c＝i_u；

补偿目标为谐波电流时：参考电流i_c＝i_h；

补偿目标为多个电流分量时，参考电流为所需补偿目标电流分量之和。

下面为说明基于电流物理分量功率理论的三相有源电力滤波器电流检测算法的正确性以及控制效果，建立仿真模型，模型示意图如附图所示，模型基本参数说明如下：

电网线的电压有效值：V_s＝380V

电源及系统阻抗系数：R_s＝0.12Ω，电感L_S＝3.2mH

负载有两个，一负载为线性负载，负载A相：电阻R_a＝4Ω，电感L_a＝8mH，B相、C相：电阻R_b＝2Ω，电感L_b＝8mH，另一负载为三相整流装置：电阻R_l＝5Ω，电感L_l＝2mH

阻尼电阻r＝6.8/5Ω，滤波电容c＝10uf，母线电压值U＝400V，母线电容C＝2400uf，

开关频率和采样频率为10.8KHZ。

首先对APF安装位置处的电压电流进行采样，经过计算得到A相电压的有效值为184V，同时，计算得到有功功率P、无功功率Q分别为19.44KW和5.62KW，由电压的有效值和功率值可以得到A相等效电导G_e＝0.5738，电纳B_e＝0.1669，由此可以得到A相的电导为Y＝0.5738+j0.1669。同样可以获得B相、C相的电导，再根据CPC功率理论的不平衡电纳计算方法、不同频率下的等效电导计算方法，可以得到各个电流分量指令。

如图2所示为补偿目标为无功电流时A相的电压、电流波形图，在补偿前电压波形和电流波形存在着明显的相位差，经过无功补偿后，电压波形和电流波形相位保持一致。

如图3所示为补偿目标为不平衡电流时三相电流波形图，在补偿前由于电网存在不平衡电流使观察到的波形不对称，经过补偿后，如图三可清晰的观察到三相电流幅值相等，相位相差120°，波形保持对称。

如图4所示为补偿目标为谐波电流时A相的电压、电流波形图，在补偿前电压与电流存在明显的畸变，但是经过补偿后，如图四可清晰的观察到电压与电流波形畸变改变效果明显，波形曲线变得平滑。

如图5所示为补偿目标为有功电流最小电流时三相电流波形图，负载维持自身功率需要的有效值最小的电流分量为最小的有功电流，若电网只供给最小的有功电流，电网的损耗最小。在补偿前电压波形、电流波形都有畸变，且电压波形和电流波形的相位不一致，同时存在着三相电流不平衡现象，经过电流补偿后，如图五可清醒的观察到三相电流没有畸变且相位保持一致。

Claims (2)

1.一种基于电流物理分量理论的三相有源电力滤波装置电流检测方法,具体为：

(1)采集当前时刻有源电力滤波器安装位置的三相相电压u和三相电流i；

(2)对负载侧三相电压的采样值进行傅里叶变换，

$u=\underset{n\∈N}{\Σ}{U}_n=\sqrt{2}\mathrm{Re}\underset{n\∈N}{\Σ}{U}_n{e}^{{\mathrm{jnw}}_{1}t}$

$u={\left[\begin{array}{ccc}{u}_A& u_B& u_C\end{array}\right]}^T=\sqrt{2}\mathrm{Re}\left\{{\left[\begin{array}{ccc}{U}_A& U_B& U_C\end{array}\right]}^T{e}^{{\mathrm{jw}}_{1}t}\right\}=\sqrt{2}\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{Ue}}^{{\mathrm{jw}}_{1}t}\right\}$

其中uA、uB、uC为三相电压，UA、UB、UC为三相电压的有效值，w1为傅里叶分解后的基波频率；

(3)计算出三相电路等效导纳Y_e＝G_e+jB_e；

(4)根据等效电导计算出负载最小有功电流i_a，无功电流i_r以及三相不平衡电流分量i_u、谐波分量电流i_c等电流分量；

$i_a=\sqrt{2}\mathrm{Re}\left\{G_e{\mathrm{Ue}}^{{\mathrm{jw}}_{1}t}\right\}$

$i_r=\sqrt{2}\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{jB}}_e{\mathrm{Ue}}^{{\mathrm{jw}}_{1}t}\right\}$

$i_u=\sqrt{2}\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{AU}}^{\#}{e}^{{\mathrm{jw}}_{1}t}\right\}$

i_c＝i-i_a-i_r-i_u

其中A为负载的不对称导纳，U与U^#分别为三相电压分解后得到的正序电压与负序电压。

2.根据权利要求1所述的基于电流物理分量理论的三相有源电力滤波装置电流检测方法,其特征在于，分解得到的电流分量相互正交，根据补偿目标的不同，选择单独的电流分量或者组合作为有源电力滤波器的参考电流，对电网进行补偿；

(1)补偿目标为无功电流时，补偿参考电流i_cc＝i_r；

(2)补偿目标为获得最小有功电流时，补偿参考电流i_cc＝i-i_a；

(3)补偿目标为三相不平衡电流时，补偿参考电流i_cc＝i_u；

(4)补偿目标为谐波分量电流时，补偿参考电流i_cc＝i_c。