CN105162137A

CN105162137A - 复杂电网下无功及谐波电流检测算法

Info

Publication number: CN105162137A
Application number: CN201510576803.6A
Authority: CN
Inventors: 肖慧荣; 邓加南; 刘建魁; 张巍巍
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2015-09-12
Filing date: 2015-09-12
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-09-12
Also published as: CN105162137B

Abstract

本发明涉及一种复杂电网下无功及谐波电流检测算法；先将三相电压和电流分别进行Clarke变换，得到和。然后分别将它们送入各自解耦网络提取坐标系下正序电压和正序电流。再将送入Park变换网络，得到的经PID得到频率估计值？，经过积分1/s得到相位。将同时反馈至两个解耦网络，经正余弦发生器后送入C和D矩阵。将经过C矩阵变换得到基波有功和无功，再经D矩阵反变换得到三相基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流。断开Ip，仅将Iq送入D矩阵可得到基波无功电流。当仅需检测谐波电流时，去掉旋转坐标变换,直接将进行Clarke反变换即可得基波电流。本发明适用于复杂电网下的电流检测。

Description

复杂电网下无功及谐波电流检测算法

技术领域

本发明涉及一种复杂电网下无功及谐波电流检测算法，是一种基于自反馈复系数滤波解耦网络的自适应电流检测算法。

背景技术

近年来，由于非线性负载的增加，产生大量谐波和无功污染危害电网。要想保证电网安全稳定运行，需要快速、准确检测出谐波和无功电流，使用补偿装置对电网进行补偿。现有的谐波和无功电流检测方法主要有基于瞬时无功功率理论的电流检测法、快速傅里叶变换电流检测法、基于小波变换电流检测法等。目前，基于瞬时无功功率理论的电流检测法应用最为广泛。

基于瞬时无功功率理论的电流检测算法主要有：p-q法，ip-iq法。这些算法在三相电网对称无畸变时均能准确检测出基波电流分量，但在三相电压不平衡、频率突变、含谐波等复杂电网情况下，检测结果就会出现较大偏差。

发明内容

本发明目的是针对上述已有技术存在的缺陷提供一种复杂电网下无功及谐波电流检测算法；此算法是一种基于复系数滤波器正负序解耦网络的自适应电流检测法，由于锁相环采用了自反馈复系数滤波正负序解耦网络、频率反馈及相位反馈，可在复杂电网情况下准确跟踪电压基波正序分量相序，实现精确锁相；由于电流滤波也采用了自反馈复系数滤波正负序解耦网络，滤波后的电流可以更精确的实现电流正负序分离。此电流检测法可在电网电压不对称、有谐波畸变及频率突变等情况下实现电流信号的准确检测。

本发明所采用的技术解决方案是：一种复杂电网下无功及谐波电流检测算法，包括以下步骤：

步骤1：首先将三相电压和三相负载电流进行Clarke坐标变换，得到坐标系下的电压信号、和电流信号、；

步骤2:将坐标系下的电压信号、送入电压正负序解耦网络得到电压正序分量、和负序分量、；

步骤3：将电压正序分量、送入Park变换得到dq坐标系下的分量、，通过PID调节得到频率估计值，经过积分1/s得到相位信息，消除了负序分量对锁相的影响；将锁相得到的电网电压频率分别反馈至电压和电流解耦网络，实现电压锁相和电流检测频率自适应；锁相得到的反馈至Park变换，实现相位的精确锁相，将锁相得到的送入正余弦发生器；

步骤4：将坐标系下的电流信号、送入解耦网络提取电流正序分量、，然后送入C矩阵，与正余弦发生器所产生的信号进行计算得到基波电流有功分量和无功分量，再将、送入反变换矩阵D即可得到基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流；断开Ip，仅将Iq送入矩阵D可得到基波无功电流；断开Iq，仅将Ip进行反变换即可得到基波有功电流，再将负载电流与基波有功电流相减可得到谐波和基波无功电流之和；

步骤5：当系统仅要求检查谐波电流时，可去掉旋转坐标变换，直接将经解耦滤波网络提取出的、进行Clarke反变换即可获得基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流，使检测网络结构大大简化，提高系统的响应速度。

步骤2和步骤4中的电压与电流的解耦网络结构相同，以电压解耦网络为例，采用的复系数正序滤波器的传递函数为：

式中为电网电压的基波角频率，为正序滤波器的截止频率；

复系数负序滤波器的传递函数为：

式中为电网电压的基波角频率，为负序滤波器的截止频率。

坐标系下的电压信号、经过正负序复系数滤波器解耦之后，所得输出之和反馈至电压信号处相减，同时两个输出分别自反馈至正负序滤波器的输入端，实现电压信号正负序解耦。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明提出了一种基于复系数正负序滤波器的自反馈正负序解耦网络，将电压和电流信号分别进行正负序解耦，以消除负序分量对电压锁相及电流检测的影响；由于锁相环采用了自反馈复系数滤波正负序解耦网络、频率反馈及相位反馈，可在复杂电网情况下准确跟踪电压基波正序分量相序，实现精确锁相；由于电流滤波正负序解耦网络中的基波角频率是电压锁相环提供的自适应频率，可消除电网电压频率变化所产生的测量误差；当系统仅要求检测谐波电流时，可去掉旋转坐标C矩阵变换，直接将经解耦网络提取出的、进行Clarke反变换即可获得基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流。从而使检测网络结构大大简化，提高系统的响应速度。本发明可以在电网电压不平衡、含谐波、频率突变等复杂情况下快速准确检测出负载电流信息。

附图说明

图1为复杂电网下无功及谐波电流检测方法原理框图。

图2为简化后的复杂电网下谐波电流检测方法原理框图。

图3为基于复系数滤波器的自反馈正负序解耦网络。

图4为三相电压不平衡且含谐波情况下检测出的基波电流波形。

图5为三相电压不平衡且含谐波情况下检测出的基波电流频谱图。

图6为三相电压频率突变且含谐波情况下检测出的基波波形。

图7为三相电压频率突变且含谐波情况下检测出的基波频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细具体的说明。

本发明的核心思想是：电压锁相环和电流滤波均采用了一种基于复系数正负序滤波器的自反馈正负序解耦网络，以消除电网电压不平衡时产生的负序分量；电流滤波正负序解耦网络中的基波角频率是电压锁相环提供的自适应频率，可消除电网电压频率变化所产生的电流信号测量误差。

图1为复杂电网下无功及谐波电流检测方法原理框图，其步骤如下：

步骤1：设三相负载电流检测电路检测得到的三相负载电流、、可以表示为：

(1)

上述式中包含基波正序电流、基波负序电流、n次谐波正序电流、n次谐波负序电流。式中为基波电流角频率，和分别为各次电流正序和负序有效值及初相角。将三相负载电流经过Clarke变换得到坐标系下的电流信号、;

(2)

、送入正负序解耦网络完全提取出正序分量、。

步骤2：设三相电网电压不平衡且含谐波输入信号、、可以表示为：

(3)

其中，、、分别为正序电压幅值、频率和相位。、、分别为负序电压幅值、频率和相位。、、分别为谐波电压。将三相电压经过Clarke变换得到坐标系下的电压信号、;

（4）

将坐标系下的电压信号、送入电压正负序解耦网络得到电压正序分量、和负序分量、。

步骤3：将电压正序分量、送入Park变换网络得到dq坐标系下的分量、，通过PI调节得到频率估计值，经过积分1/s得到相位信息，消除了负序分量对锁相的影响。将锁相得到的电网电压频率分别反馈至电压和电流解耦网络，实现电压锁相和电流检测频率自适应；锁相得到的反馈至Park变换网络，实现相位精确锁相，锁相得到的送入正余弦发生器。

步骤4：将坐标系下的电流信号、送入解耦网络提取电流正序分量、，然后送入C矩阵，与正余弦发生器所产生的信号进行计算得到基波电流有功分量

和无功分量，再将、送入反变换矩阵D即可得到基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流；断开Ip通道，仅将Iq送入反变换矩阵D可以得到基波无功电流；断开Iq通道，仅将Ip进行反变换即可得到基波有功电流，再将负载电流与基波有功电流相减，即可得到谐波和基波无功电流之和。图1中C、D矩阵为：

（5）

(6)

图2为简化后复杂电网下谐波电流检测方法原理框图，工作原理如下：

当系统仅要求检查谐波电流时，可去掉旋转坐标变换，将图1结构简化成图2，直接将经解耦滤波网络提取出的、进行Clarke反变换即可获得基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流，使检测网络结构大大简化，提高系统的响应速度。

图3为基于复系数滤波器的自反馈正负序解耦网络;电压与电流的解耦网络结构相同，以电压解耦网络为例，工作原理如下：

复系数正序滤波器的传递函数为：

(7)

式中为电网电压的基波角频率，为正序滤波器的截止频率;

复系数负序滤波器的传递函数为：

(8)

式中为电网电压的基波角频率，为负序滤波器的截止频率。

以正序滤波器为例，分析其滤波特性。正序滤波器幅频特性和相频特性为：

(9)

（10）

由（9）、（10）可以看出当时，,,信号可以不衰减无相移通过，而当或为高次谐波，信号将大大衰减。可见滤波器能将正序分量提取出来。上述滤波器虽然可以提取出正序分量，但由于当时，幅值衰减为且相移，负序分量虽大大减弱，但并未完全滤除，即提取出的正序分量仍然耦合了少量的负序分量。图2所示解耦网络可以利用自反馈的方法完全分离出正负序分量，解耦网络数

学表示如下：

(11)

由正负序分量之间的关系：，可以推出：

(12)

可以由此关系搭建解耦网络时域数学模型。

在三相电压中加入0.15pu的三次谐波、0.1pu的五次谐波，且a相幅值跌落50%。图4为检测出的基波电流波形，图5为检测出的基波电流频谱图;由图5可知检测出的基波电流畸变率为1.76%。由此可知，在电网电压不对称且含谐波畸变时，所提出的电流检测网络可实现准确测量。

在三相电压中加入0.15pu的三次谐波、0.1pu的五次谐波，且在0.1s-0.2s内电压频率增加10hz。图6为三相电压频率突变、含谐波情况下检测出的基波电流波形，图7为三相电压频率突变、含谐波情况下检测出的基波电流频谱图，由图7可以看出检测出的基波畸变率为1.64%。由此可知，在电网电压频率突变且含谐波畸变时，所提出的电流检测网络可实现准确测量，具有频率自适应功能。

Claims

1.一种复杂电网下无功及谐波电流检测算法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤2:将坐标系下的电压信号、送入正负序解耦网络得到电压正序分量、和负序分量、；

步骤3：将电压正序分量、送入Park变换网络得到dq坐标系下的分量、，通过PID调节得到频率估计值，经过积分1/s得到相位信息；将锁相得到的电网电压频率分别反馈至电压和电流解耦网络，锁相得到的反馈至Park变换网络，实现精确锁相，将锁相得到的送入正余弦发生器；

步骤4：将坐标系下的电流信号、送入解耦网络提取电流正序分量、，然后送入C矩阵，与正余弦发生器所产生的信号进行计算得到基波电流有功分量和无功分量，再将、送入反变换矩阵D即可得到基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流；断开Ip通道，仅将Iq送入反变换矩阵D可以得到基波无功电流；断开Iq通道，仅将Ip进行反变换即可得到基波有功电流，再将负载电流与基波有功电流相减，即可得到谐波和基波无功电流之和；

步骤5：当系统仅要求检查谐波电流时，去掉旋转坐标变换，直接将经解耦滤波网络提取出的、进行Clarke反变换即可获得基波电流，将负载电流与基波电流相减可得谐波电流。

2.根据权利要求1所述的复杂电网下无功及谐波电流检测算法，其特征在于；所述步骤2和步骤4中的电压与电流的解耦网络结构相同，以电压解耦网络为例：采用的复系数正序滤波器的传递函数为：

式中为电网电压的基波角频率，为正序滤波器的截止频率;

复系数负序滤波器的传递函数为：

式中为电网电压的基波角频率，为负序滤波器的截止频率；

坐标系下的电压信号、经过正负序复系数滤波器解耦之后，所得输出之和反馈至电压信号处相减，同时两个输出分别自反馈至正负序滤波器的输入端。