CN105552911B - 一种谐波电流补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波电流补偿器，其包括测量单元、锁相环、三次谐波基准电流产生器、三次以上谐波电流检测器、第一加法器、直流电压控制单元以及谐波电流产生单元，所述测量单元的输入端作为谐波电流补偿器的输入端，谐波电流产生单元的输出端作为谐波电流补偿器的输出端，所述谐波电流补偿器跨接在三相电网的a相和b相之间。测量单元检测电路中各个参数，加法器将三次谐波基准电流产生器产生的三次谐波的基准电流和三次以上谐波电流检测器产生的三次谐波以外的谐波基准电流相加，输入到直流电压控制单元，直流电压控制电源产生相应的电压，控制谐波电流产生电源产生谐波补偿电流，输入到电网中。本方案适用于三相电网。

Description

一种谐波电流补偿器

技术领域

本发明涉及谐波补偿领域，尤其是涉及一种配电网不对称工业负荷的谐波电流补偿器。

背景技术

单个工业负荷产生的谐波电流非常小；但是，多个工业负荷的总谐波电流是不可忽略的。如果工业负荷的数量增加时，电力系统中的谐波污染会更加严重。因此，抑制由单相工业负荷产生的谐波电流是非常重要的。最近几年，由于可再生能源利用技术领域的进步，使用谐波补偿变流器进行谐波补偿已经成为大家感兴趣的领域。此外，一些论文讨论了谐波补偿变流器，例如住宅光伏(PV)系统。如果住宅光伏系统可以补偿因住宅负荷产生的谐波电流，光伏系统将显著改善电能质量。

传统的谐波补偿变流器不对称接入电网存在使电网中三次谐波电流增大的风险。

图1中每一个工业整流负荷都用含平滑直流电容器的全桥整流二极管代替，谐波补偿变流器用一个包含单相全桥逆变器和直流电容单元代替。结合图1可以得到图2-图4所示的三相三线制系统中三次谐波电流流向图，图中每一相的工业整流负载由谐波电流源表示，则该系统的线电流为，

式中ω为基波角频率，下标数值表示谐波次数。

一般而言，三次谐波电流为零序电流，其相角几乎为零，因此，电网接入对称负载时可以得到，

I_ab3＝I_bc3＝I_ca3

θ_ab3＝θ_bc3＝θ_ca3 (2)

由式(1)-(2)可知，对称负荷下，三次谐波电流仅在由负荷组成的三角形环内流动，其环路如图2中箭头所示，即对称三相三线制系统中三次谐波电流可以自然抑制。

S1：图3所示为传统谐波补偿方式下三次谐波电流回路，图中谐波补偿变流器接入线a-b间。由于谐波补偿变流器可当作常规有源滤波器，其可按图3中虚线箭头吸收i_Lab3。因此，谐波补偿变流器电流为，

i₁₃＝i_Lab3＝I_Lab3cos(3ωt+θ_Lab3) (3)

由此，i_ab3＝0，式(1)中线电流为，

对称负载下，根据式(2)，上式可以化为，

由式(5)可知，谐波补偿变流器不对称接入将导致电网部分相的三次谐波电流增加。

当电网负载不对称时，i_sc3中含有三次谐波电流分量，然而由于该分量为i_sa3与i_sc3之差，其大小相较于i_sa3和i_sb3较小。

S2：图4所示为谐波补偿变流器接入线a-b和b-c间时三次谐波电流流动回路，电流i_Lab3和i_Lbc3按照图4中虚线所示环路分别被两台谐波补偿变流器吸收。则此时电网线电流为，

此时，在不考虑负载的情况下i_sb3＝0，然而，与S1节类似，采用两相补偿时电网部分相的三次谐波电流同样被加大。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的谐波补偿变流器不对称接入电网会使电网中三次谐波电流增大的技术问题，提供一种在不对称接入情况下可以平衡三次谐波电流的谐波电流补偿器。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种谐波电流补偿器，包括测量单元、锁相环、三次谐波基准电流产生器、三次以上谐波电流检测器、第一加法器、直流电压控制单元以及谐波电流产生单元，所述测量单元的输入端作为谐波电流补偿器的输入端，锁相环的输入端连接测量单元，锁相环的输出端连接三次谐波基准电流产生器和三次以上谐波电流检测器；所述三次谐波基准电流产生器的输入端和三次以上谐波电流检测器的输入端都连接到测量单元，所述三次谐波基准电流产生器的输出端和三次以上谐波电流检测器的输出端分别连接到第一加法器的两个输入端，第一加法器的输出端通过直流电压控制单元连接谐波电流产生单元，谐波电流产生单元的输出端作为谐波电流补偿器的输出端，所述谐波电流补偿器跨接在三相电网的a相和b相之间。

测量单元检测电路中各个参数，锁相环获得相位信号传递给三次谐波基准电流产生器和三次以上谐波电流检测器，三次谐波基准电流产生器产生三次谐波的基准电流，三次以上谐波电流检测器产生除三次谐波以外的谐波基准电流，加法器将三次谐波的基准电流和三次谐波以外的谐波基准电流相加，输入到直流电压控制单元，直流电压控制电源产生相应的电压，控制谐波电流产生电源产生谐波补偿电流，输入到电网中。

作为优选，所述三次以上谐波电流检测器包括第一延迟元件、第二延迟元件、第一d-q转换器、第二d-q转换器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第一反相器、第二反相器、第二加法器和第三加法器，测量单元通过v’_ab信号端连接锁相环的输入端，锁相环输出ωt信号到第一d-q转换器和第一反相器，锁相环输出3ωt信号到第二d-q转换器、第二反相器和三次谐波基准电流产生器，；第一d-q转换器的第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第二输入端通过第一延迟元件连接第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端；第一d-q转换器的第一输出端通过第一低通滤波器连接第一反相器的第一输入端，第一d-q转换器的第二输出端通过第二低通滤波器连接第一反相器的第二输入端；第二d-q转换器的第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第二输入端通过第二延迟元件连接第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端；第二d-q转换器的第一输出端通过第三低通滤波器连接第二反相器的第一输入端，第一d-q转换器的第二输出端通过第四低通滤波器连接第二反相器的第二输入端；第一反相器的输出端和第二反相器的输出端分别连接第二加法器的两个输入端，第二加法器的输出端连接第三加法器的第一输入端，第三加法器的第二输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第三加法器的输出端连接第一加法器的第一输入端。

作为优选，所述三次谐波基准电流产生器包括第四加法器、第三延迟单元、第三d-q转换器、第五低通滤波器、第六低通滤波器和第三反相器；所述第四加法器的第一输入端连接测量单元的i_sb信号端，第二输入端连接测量单元的i₁信号端；第三d-q转换器的第一输入端连接第四加法器的输出端，第二输入端通过第三延迟元件连接第四加法器的输出端；第三d-q转换器的第一输出端通过第五低通滤波器连接第三反相器的第一输入端，第三d-q转换器的第二输出端通过第六低通滤波器连接第三反相器的第二输入端；第三反相器的输出端连接第一加法器的第二输入端；第三d-q转换器和第三反相器都连接到锁相环的3ωt信号端。

作为优选，所述直流电压控制单元包括第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、增益模块、积分模块和乘法器，所述第一加法器的输出端连接第五加法器的第一输入端，乘法器的输出端连接第五加法器的第二输入端，第五加法器的输出端连接第六加法器的第一输入端，第六加法器的第二输入端连接测量单元的i₁信号端，第六加法器的输出端通过增益模块连接第七加法器的第一输入端，第七加法器的第二输入端连接测量单元的v_s信号端，第七加法器的输出端连接谐波电流产生单元；第八加法器的第一输入端和第二输入端分别连接测量单元的v^* _dc信号端和v_dc信号端，输出端通过积分模块连接乘法器的第一输入端，乘法器的第二输入端连接测量单元的sinωt信号端。

作为优选，三次谐波基准电流产生器输出到第一加法器的三次谐波电流基准i^* ₁₃为：

三次以上谐波电流检测器输出到第一加法器的除三次谐波电流的谐波电流基准i^* _1h为：

i_Lab3为a相和b相之间的流过负载的三次谐波电流，i_Lbc3为b相和c相之间的流过负载的三次谐波电流，i_Lab为a相和b相之间的负载电流；i_Lab5为a相和b相之间的五次负载电流，i_Lab7为a相和b相之间的七次负载电流，i_Lab9为a相和b相之间的九次负载电流。

本发明带来的实质性效果是，可以降低额定功率，从而补偿谐波电流，不对称接入也不会引起三次谐波增大。

附图说明

图1为谐波补偿变流器接入电网的原理图；

图2为没有谐波补偿变流器接入电网的三次谐波电流流向图；

图3为一个传统谐波补偿变流器不对称接入电网的三次谐波电流流向图；

图4为两个传统谐波补偿变流器不对称接入电网的三次谐波电流流向图；

图5为本发明的一个谐波补偿变流器不对称接入电网的三次谐波电流流向图；

图6为本发明的两个谐波补偿变流器不对称接入电网的三次谐波电流流向图；

图7为当有源滤波器接入ab两相之间的传统单相有源滤波器的部分结构框图；

图8为当谐波补偿变流器接入ab两相之间时的平衡三次谐波的部分结构框图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种谐波电流补偿器，包括测量单元、锁相环、三次谐波基准电流产生器、三次以上谐波电流检测器、第一加法器、直流电压控制单元以及谐波电流产生单元，所述测量单元的输入端作为谐波电流补偿器的输入端，锁相环的输入端连接测量单元，锁相环的输出端连接三次谐波基准电流产生器和三次以上谐波电流检测器；所述三次谐波基准电流产生器的输入端和三次以上谐波电流检测器的输入端都连接到测量单元，所述三次谐波基准电流产生器的输出端和三次以上谐波电流检测器的输出端分别连接到第一加法器的两个输入端，第一加法器的输出端通过直流电压控制单元连接谐波电流产生单元，谐波电流产生单元的输出端作为谐波电流补偿器的输出端，所述谐波电流补偿器跨接在三相电网的a相和b相之间。

三次以上谐波电流检测器包括第一延迟元件、第二延迟元件、第一d-q转换器、第二d-q转换器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第一反相器、第二反相器、第二加法器和第三加法器，测量单元通过v’_ab信号连接锁相环的输入端，锁相环输出ωt信号到第一d-q转换器和第一反相器，锁相环输出3ωt信号到第二d-q转换器、第二反相器和三次谐波基准电流产生器，；第一d-q转换器的第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第二输入端通过第一延迟元件连接第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端；第一d-q转换器的第一输出端通过第一低通滤波器连接第一反相器的第一输入端，第一d-q转换器的第二输出端通过第二低通滤波器连接第一反相器的第二输入端；第二d-q转换器的第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第二输入端通过第二延迟元件连接第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端；第二d-q转换器的第一输出端通过第三低通滤波器连接第二反相器的第一输入端，第一d-q转换器的第二输出端通过第四低通滤波器连接第二反相器的第二输入端；第一反相器的输出端和第二反相器的输出端分别连接第二加法器的两个输入端，第二加法器的输出端连接第三加法器的第一输入端，第三加法器的第二输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第三加法器的输出端连接第一加法器的第一输入端。

三次谐波基准电流产生器包括第四加法器、第三延迟单元、第三d-q转换器、第五低通滤波器、第六低通滤波器和第三反相器；所述第四加法器的第一输入端连接测量单元的i_sb信号端，第二输入端连接测量单元的i₁信号端；第三d-q转换器的第一输入端连接第四加法器的输出端，第二输入端通过第三延迟元件连接第四加法器的输出端；第三d-q转换器的第一输出端通过第五低通滤波器连接第三反相器的第一输入端，第三d-q转换器的第二输出端通过第六低通滤波器连接第三反相器的第二输入端；第三反相器的输出端连接第一加法器的第二输入端；第三d-q转换器和第三反相器都连接到锁相环的3ωt信号端。

直流电压控制单元包括第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、增益模块、积分模块和乘法器，所述第一加法器的输出端连接第五加法器的第一输入端，乘法器的输出端连接第五加法器的第二输入端，第五加法器的输出端连接第六加法器的第一输入端，第六加法器的第二输入端连接测量单元的i₁信号端，第六加法器的输出端通过增益模块连接第七加法器的第一输入端，第七加法器的第二输入端连接测量单元的v_s信号端，第七加法器的输出端连接谐波电流产生单元；第八加法器的第一输入端和第二输入端分别连接测量单元的v^* _dc信号端和v_dc信号端，输出端通过积分模块连接乘法器的第一输入端，乘法器的第二输入端连接测量单元的sinωt信号端。

PPL为锁相环，用来获取电压或者电流的频率、相位和幅值；

d-q转换器将定子坐标系下的电流转化成d-q坐标系下的电流；

INV.d-q(反相器)将定子坐标系的电流转换成定子坐标系下的电流；

K表示增益模块；

∫表示积分模块；

i_sb为b相线电流；

i_Lab为a相和b相之间的负载电流；

i_Lab3为a相和b相之间的流过负载的三次谐波电流；

i₁为谐波补偿变流器1的补偿电流；

v_ab，为中压网a相和b相之间的电压；

i₁₃ ^*为谐波补偿变流器1的三次谐波电流基准值；

i_1h ^*为谐波补偿变流器1的除三次谐波之外的电流基准值；

i₁ ^*为谐波补偿变流器1的补偿电流基准值；

v_dc ^*表示直流电压基准值；

v_dc表示直流电压，测量得到；

v_1NV ^*表示谐波补偿变流器1的触发电压值；

v_s表示线电压；

i_sa3、i_sb3、i_sc3分别表示a、b、c三相的相电流；

iab3表示流过ab相的三次谐波电流，ica3表示流过ca相的三次谐波电流、ibc3表示流过bc相的三次谐波电流；

θ_ab3表示ab相的三次谐波电流相角；θ_bc3表示bc相的三次谐波电流相角；θ_ca3表示ca相的三次谐波电流相角；

i₂₃为谐波补偿变流器2的三次谐波补偿电流；

i_Lab1、i_Lab3、i_Lab5、i_Lab7…：i_Lab1为a相和b相之间的流过负载的基波电流，i_Lab3为a相和b相之间的流过负载的三次谐波电流，其余类似；

i′_sb3＝i_ab3；

如图5所示，假设带有平衡三次谐波的谐波补偿变流器接入线a-b间，通过谐波补偿变流器可以实现i₁₃对电流i_sb3的吸收作用，即i₁₃可以表示为，

i₁₃＝I_Lab3cos(3ωt+θ_Lab3)-I_Lbc3cos(3ωt+θ_Lbc3) (7)

结合式(1)-(7)，电网线电流的三次谐波分量为，

若i_Lbc3＝i_Lca3，电网中所有三次谐波电流均按照图5中箭头所示环路被DG吸收。如果i_Lbc3≠i_Lca3，i_Lca3将在由负荷和谐波补偿变流器组成的三角形环内循环流动，仅i_Lbc3与i_Lca3之差流入高压电网。

S2：图6所示为带有平衡三次谐波的谐波补偿变流器接入线a-b和b-c间时的示意图。其中1号谐波补偿变流器的输出电流如式(7)所示，2号谐波补偿变流器则控制i₂₃吸收i_sc3，即i₂₃可以表示为，

i₂₃＝I_Lbc3cos(3ωt+θ_Lbc3)-I_ca3cos(3ωt+θ_ca3) (9)

因此，电流i_ab3和i_bc3收敛于i_ca3，同时由图6可知，电网中的三次谐波电流均被抑制。此外，本文所提谐波补偿方法与负载情况无关。

图7显示了作为传统有源滤波器的1号谐波补偿变流器的框图。作为延迟元件的延迟模块1，提供了四分之一基波的延迟，延迟模块3提供了1/12基波延迟，其中由PLL模块检测基波波长。因为传统的谐波抑制完全补偿了相邻的负载产生的所有的谐波电流，电流基准仅由i_Lab计算。

另一方面，由于三次谐波电流基准值取决于其它负载所产生的谐波电流，带有平衡三次谐波的谐波补偿变流器的电流参考值不能仅由负载电流计算出来。图8显示了谐波补偿变流器的三次谐波平衡方法的控制框图。由于所提出的控制要求中压电网线电流的信息，需要无线传感器网络技术实现这种控制。如图8所示，该控制器分别计算出了三次谐波电流基准值和其他谐波电流基准值。

除了三次谐波电流的谐波电流参考值，由i_Lab计算。假设负载电流i_Lab为：

i_Lab＝i_Lab1+i_Lab3+i_Lab5+i_Lab7+… (11)

如图8所示，三次谐波电流检测器与基波电流检测器并联连接。由于i_Lab1和i_Lab3可以由i_Lab计算，除了三次谐波电流(i_1h)的谐波电流被表示为：

三次谐波电流基准值根据三相变压器的二次侧(i_ab)和补偿电流(i₁)计算。所提出的控制的目的是实现i_sb＝0。此时，下面的公式也成立：

i_Lbc＝i_ab3＝i_Lab3-i₁₃＝i_Lab5+i_Lab7+i_Lab9+… (13)

因此，三次谐波电流基准i^* ₁₃为：

i_Lab3-i_Lbc3＝i_Lab3-(i_sb3+i_ab3)

＝i_Lab3-(i_sb3+i_Lab3-i_DGI3)

＝i₁₃-i_sb3 (15)

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了谐波、延迟元件等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (2)

1.一种谐波电流补偿器，其特征在于，包括测量单元、锁相环、三次谐波基准电流产生器、三次以上谐波电流检测器、第一加法器、直流电压控制单元以及谐波电流产生单元，所述测量单元的输入端作为谐波电流补偿器的输入端，锁相环的输入端连接测量单元，锁相环的输出端连接三次谐波基准电流产生器和三次以上谐波电流检测器；所述三次谐波基准电流产生器的输入端和三次以上谐波电流检测器的输入端都连接到测量单元，所述三次谐波基准电流产生器的输出端和三次以上谐波电流检测器的输出端分别连接到第一加法器的两个输入端，第一加法器的输出端通过直流电压控制单元连接谐波电流产生单元，谐波电流产生单元的输出端作为谐波电流补偿器的输出端，所述谐波电流补偿器跨接在三相电网的a相和b相之间；

所述三次以上谐波电流检测器包括第一延迟元件、第二延迟元件、第一d-q转换器、第二d-q转换器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第一反相器、第二反相器、第二加法器和第三加法器，测量单元通过v’_ab信号端连接锁相环的输入端，锁相环输出ωt信号到第一d-q转换器和第一反相器，锁相环输出3ωt信号到第二d-q转换器、第二反相器和三次谐波基准电流产生器；第一d-q转换器的第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第二输入端通过第一延迟元件连接第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端；第一d-q转换器的第一输出端通过第一低通滤波器连接第一反相器的第一输入端，第一d-q转换器的第二输出端通过第二低通滤波器连接第一反相器的第二输入端；第二d-q转换器的第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第二输入端通过第二延迟元件连接第一输入端连接测量单元的i_Lab信号端；第二d-q转换器的第一输出端通过第三低通滤波器连接第二反相器的第一输入端，第一d-q转换器的第二输出端通过第四低通滤波器连接第二反相器的第二输入端；第一反相器的输出端和第二反相器的输出端分别连接第二加法器的两个输入端，第二加法器的输出端连接第三加法器的第一输入端，第三加法器的第二输入端连接测量单元的i_Lab信号端，第三加法器的输出端连接第一加法器的第一输入端；

所述三次谐波基准电流产生器包括第四加法器、第三延迟单元、第三d-q转换器、第五低通滤波器、第六低通滤波器和第三反相器；所述第四加法器的第一输入端连接测量单元的i_sb信号端，第二输入端连接测量单元的i₁信号端；第三d-q转换器的第一输入端连接第四加法器的输出端，第二输入端通过第三延迟元件连接第四加法器的输出端；第三d-q转换器的第一输出端通过第五低通滤波器连接第三反相器的第一输入端，第三d-q转换器的第二输出端通过第六低通滤波器连接第三反相器的第二输入端；第三反相器的输出端连接第一加法器的第二输入端；第三d-q转换器和第三反相器都连接到锁相环的3ωt信号端；

所述直流电压控制单元包括第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、增益模块、积分模块和乘法器，所述第一加法器的输出端连接第五加法器的第一输入端，乘法器的输出端连接第五加法器的第二输入端，第五加法器的输出端连接第六加法器的第一输入端，第六加法器的第二输入端连接测量单元的i₁信号端，第六加法器的输出端通过增益模块连接第七加法器的第一输入端，第七加法器的第二输入端连接测量单元的v_s信号端，第七加法器的输出端连接谐波电流产生单元；第八加法器的第一输入端和第二输入端分别连接测量单元的v^* _dc信号端和v_dc信号端，输出端通过积分模块连接乘法器的第一输入端，乘法器的第二输入端连接测量单元的sinωt信号端。

2.根据权利要求1所述的一种谐波电流补偿器，其特征在于，三次谐波基准电流产生器输出到第一加法器的三次谐波电流基准i^* ₁₃为：

三次以上谐波电流检测器输出到第一加法器的除三次谐波电流的谐波电流基准i^* _1h为：

i_Lab3为a相和b相之间的流过负载的三次谐波电流，i_Lbc3为b相和c相之间的流过负载的三次谐波电流，i_Lab为a相和b相之间的负载电流；i_Lab5为a相和b相之间的五次负载电流，i_Lab7为a相和b相之间的七次负载电流，i_Lab9为a相和b相之间的九次负载电流。