CN105823921A - 一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，采集对电压、电流瞬时值，分别进行三相至两相的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号，求取两相瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。采用该方法获得的补偿电流指令中包含着基波负序电流及谐波电流成分，可以同时达到治理谐波及平衡三相负荷的理想效果。

Description

一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法。

背景技术

有源电力滤波技术与装备(APF)为实现电网的谐波治理及无功补偿提供了一种有效的途径，其中补偿指令电流检测的精度和实时性对最终的补偿与滤波性能起着决定性的影响。为实现快速、准确的谐波电流检测，国内外学者已提出多种基于不同理论的谐波检测方法，其中，基于瞬时无功功率理论的p-q法、i_p-i_q法及dq0法最有代表性。

图1中给出了传统p-q法的运算流程，传统p-q法由于运算量大，同时检测结果易受电压波形畸变率影响，从实现精确检测三相电流的绝对畸变量出发，出现了采用锁相环(PLL)定向的传统ip-iq谐波检测法。

图2给出ip-iq法的运算流程，基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测方法具有运算过程简单、检测结果不受电压畸变影响等优点，因而在有源电力滤波器中得到了广泛的应用。据电力系统相关规定，无功补偿必须遵循“分级平衡、分区平衡”的原则，谐波治理应遵循“谁污染、谁治理”的原则。

αβ坐标下的电压、电流矢量如图3所示，在三相三线制系统中，设各相电压和电流的瞬时值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c。通过三相至两相的坐标变换，把它们变换到两相正交的αβ坐标系中，可以得到α、β两相瞬时电压e_α、e_β和瞬时电流i_α、i_β。矢量e_α、e_β和i_α、i_β分别可以合成为旋转的电压矢量e和电流矢量i。三相电路瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q，分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影。根据瞬时无功功率理论推导出传统i_p-i_q谐波检测法原理如图2所示。

在该检测方法中，通过引入锁相环(PLL)，只使用了A相电网电压e_a生成与其同相位的正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，实际的三相电压并未参与整个运算过程，因此传统i_p-i_q法从理论上消除了三相电压波动、畸变等因素对检测结果的影响。但该算法存在两方面的问题。一方面是在高电压畸变率下PLL难以精确锁相的问题；另一方面由此获得的定位信息包含了电压畸变信息，势必导致有源电力滤波器的输出电流增大，对电源电压畸变导致的谐波电流做出补偿，而这对并联型滤波器来讲是没有实际意义的，而且与谁污染、谁治理的基本原则也不相符。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，本发明克服了高电压畸变率下PLL难以精确锁相的问题，且能够获得的定位信息包含了电压畸变信息，可达到分离畸变电压导致的谐波电流的作用，解决了传统方法应用于并联型有源电力滤波器的不足。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，包括以下步骤：

(1)采集三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(2)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(3)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(4)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(5)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。

所述步骤(1)中，三相至两相坐标变换的步骤如下：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中：

进一步的，所述步骤(3)中，具体步骤为：

根据瞬时无功功率理论的基本定义，三相电路瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q分别为两相瞬时电流i_α、i_β在电压矢量e及其法线上的投影，即为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{pq}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，

所述步骤(4)中，利用低通滤波器从瞬时有功电流和瞬时无功电流中分裂出直流分量。

所述步骤(4)中，两相变三相坐标变换的步骤如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{af}\\ i_{bf}\\ i_{cf}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{abc}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}f}\\ i_{\mathrm{\β}f}\end{array}\right]$

其中，

一种应用于单相系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，包括以下步骤：

(1)将单相电压和单相电流视作三相电路中的A相电压和A相电流，按照三相对称的原则构造出B、C相电压及电流；

(2)对三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(3)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(4)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(5)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(6)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。

进一步的，所述步骤(1)的具体方法为：

定义所述单相系统中的单相电压为e_s，单相电流为i_s，则：

e_a＝e_s，将e_a延时120°得e_b，将e_a延时240°得e_c；

i_a＝i_s，将i_a延时120°得i_b，将i_a延时240°得i_c。

一种应用于三相四线制系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，包括以下步骤：

(1)采集三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相与零轴的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(2)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(3)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相与零轴瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(4)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(5)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。

优选的，所述步骤(1)中，坐标变换的方法为：

式中，

所述步骤(3)中，具体方法为：

式中，

一种应用于任意次谐波检测系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，包括以下步骤：

(1)采集三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相与零轴的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(2)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(3)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相与零轴瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(4)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(5)令欲检测的谐波电流为第k次谐波电流，根据第k次谐波电流对应交变频率为k-1倍的基波频率，构建k倍于基波频率的旋转坐标系，即可求得k次谐波电流分量；

(6)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。

本发明的有益效果为：

(1)由于本发明基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法通过三相电压瞬时值e_a、e_b、e_c计算相位数据sinθ_e、cosθ_e，代替传统i_p-i_q谐波检测法所使用的PLL锁相方式，克服了高电压畸变率下PLL难以精确锁相的问题；

(2)获得的定向信息包含了电压畸变信息，可达到分离畸变电压导致的谐波电流的作用。另外，由于采用该方法获得的补偿电流指令中包含着基波负序电流及谐波电流成分，按此结果进行补偿控制，可以同时达到治理谐波及平衡三相负荷的理想效果，解决了传统方法应用于并联型有源电力滤波器的不足。

附图说明

图1是背景技术中传统p-q补偿电流检测法的原理图；

图2是背景技术中传统i^p-i^q补偿电流检测法的原理图；

图3是αβ坐标下的电压、电流矢量图；

图4是本发明i_p-i_q补偿电流检测法应用于三相三线系统中的流程图；

图5是本发明i_p-i_q补偿电流检测法应用于单相系统中的流程图；

图6是本发明i_p-i_q补偿电流检测法应用于三相四线系统中的流程图；

图7是本发明i_p-i_q补偿电流检测法应用于任意次谐波检测中的流程图；

图8是电源电压无畸变、三相负载平衡时本发明i_p-i_q补偿电流检测法的仿真主电路原理图；

图9是电源电压无畸变、三相负载平衡时本发明i_p-i_q补偿电流检测法的仿真结果图，其中：(a)、a相电网电压，(b)、a相负载电流，(c)、a相负载基波电流，(d)、a相负载谐波电流；

图10是电源电压有畸变、三相负载平衡时本发明i_p-i_q补偿电流检测法的仿真主电路原理图；

图11是电源电压有畸变、三相负载平衡时本发明i_p-i_q补偿电流检测法的仿真结果图，其中：(a)、a相电网电压，(b)、a相负载电流，(c)、a相负载基波电流，(d)、a相负载谐波电流；

图12是电网电压有畸变、三相负载平衡时背景技术中传统i_p-i_q补偿电流检测法的仿真结果图，其中：(a)、a相电网电压，(b)、a相负载电流，(c)、a相负载基波电流，(d)、a相负载谐波电流；

图13是电网电压有畸变时谐波电流有效值检测结果图，其中：(a)、本发明i_p-i_q补偿电流检测法a相负载谐波电流的有效值，(b)背景技术中传统i_p-i_q补偿电流检测法a相负载谐波电流的有效值；

图14是电压逆相序、三相负载平衡时本发明i_p-i_q补偿电流检测法的仿真结果图，其中：(a)、a相电网电压，(b)、a相负载电流，(c)、a相负载基波电流，(d)、a相负载谐波电流；

图15是电压逆相序、三相负载平衡时背景技术中传统i_p-i_q补偿电流检测法的仿真结果图，其中：(a)、a相电网电压，(b)、a相负载电流，(c)、a相负载基波电流，(d)、a相负载谐波电流。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

如图4所示，一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法在三相三线制系统中的应用。

设三相电路中三相电压和电流的瞬时值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c。首先对三相瞬时电压e_a、e_b、e_c进行三相至二相坐标变换得到e_α、e_β，在αβ坐标系内通过e_α、e_β计算出三相合成旋转电压矢量e的相位角θ_e对应的正弦信号sinθ_e和余弦信号cosθ_e，并以此作为同步旋转坐标系定向依据进行三相电流坐标变换得到i_α、i_β。

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中，

在αβ平面上，矢量e_α、e_β和i_α、i_β分别可以合成为旋转的电压矢量e和电流矢量i。

e＝e_α+e_β＝E_m∠θ_e

i＝i_α+i_β＝I_m∠θ_i

式中E_m、I_m分别为矢量e、i的模，θ_e、θ_i分别为矢量e、i的相角，i_α、i_β分别为矢量，i_α、i_β的模，e_α、e_β分别为矢量e_α、e_β的模。

采用e_α、e_β瞬时电压矢量可以确定正弦信号sinθ_e和余弦信号cosθ_e，计算公式为：

${\mathrm{sin\θ}}_e=\frac{e_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{e_{\mathrm{\α}}^2+e_{\mathrm{\β}}^2}},{\mathrm{cos\θ}}_e=\frac{e_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{e_{\mathrm{\α}}^2+e_{\mathrm{\β}}^2}}.$

根据瞬时无功功率理论的基本定义，三相电路瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q，分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影。即为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{pq}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，

这时，三相电流中基波分量所对应的瞬时有功电流和瞬时无功电流为常数，而高次谐波所对应的瞬时有功电流和瞬时无功电流则为交变量，可以通过一个低通滤波器从i_p、i_q中分离出直流分量

根据上式的逆变换求得基波正序电流分量为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}f}\\ i_{\mathrm{\β}f}\end{array}\right]=C_{pq}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{i_p}\\ \stackrel{\‾}{i_q}\end{array}\right]$

然后再通过二相至三相变换得出三相电流的基波电流分量为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{af}\\ i_{bf}\\ i_{cf}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{abc}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}f}\\ i_{\mathrm{\β}f}\end{array}\right]$

其中，

将三相电流瞬时值i_a、i_b、i_c分别减去基波电流分量i_af、i_bf、i_cf即得出三相补偿电流i_ah、i_bh、i_ch，公式为

$\left[\begin{array}{c}{i}_{ah}\\ i_{bh}\\ i_{ch}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{i}_{af}\\ i_{bf}\\ i_{cf}\end{array}\right].$

与传统i_p-i_q补偿指令电流检测法相比，本实施例基于瞬时电压矢量定向的i_p-i_q补偿电流检测法采用三相电压瞬时值e_a、e_b、e_c计算相位数据正弦信号sinθ_e和余弦信号cosθ_e，代替传统i_p-i_q检测法使用PLL锁相方式，一方面克服了高电压畸变率下PLL难以精确锁相的问题；另一方面由此获得的定向信息包含了电压畸变信息，可达到分离畸变电压导致的谐波电流的作用。另外，由于采用该方法获得的补偿电流指令中包含着基波负序电流及谐波电流成分，按此结果进行补偿控制，可以同时达到治理谐波及平衡三相负荷的理想效果。如果将图4中计算i_q的通道断开，那么检测结果中将包含基波无功电流分量，按此进行补偿控制，将可以同时达到治理谐波、平衡三相负荷及补偿基波相移无功的理想效果。

实施例二：

如图5所示，实施例一所述的方法在单相系统中的应用：

对于单相系统，可以将单相电压和单相电流看作三相电路中的A相电压和A相电流，为满足本发明i_p-i_q补偿电流检测法的使用条件，按照三相对称的原则构造B、C相电压及电流，然后按常规算法对A、B、C三相电压和三相电流进行处理，计算得到的A相电流检测结果即为单相电路对应的检测结果。

记e_s和i_s分别为单相电路的电压和电流瞬时值，由e_s和i_s构造三相系统，并设e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c分别为所构造的三相电压、电流的瞬时值。令e_a＝e_s，将e_a延时120°得e_b，延时240°得e_c，即为：

e_a＝e_s

e_b＝e_a(k-N)

e_c＝e_a(k-2N)

其中N为延时120°时对应的采样点数，2N为延时240°时对应的采样点数。同理，令i_a＝i_s，将i_a延时120°得i_b，延时240°得i_c，即为：

i_a＝i_s

i_b＝i_a(k-N)

i_c＝i_a(k-2N)

基于以上方法取得的e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c为严格对称的三相系统瞬时电压、电流，此后套用实施例一所述的基于瞬时电压矢量定向的i_p-i_q补偿电流检测方法，可以求取单相电路的基波电流分量i_af和谐波电流分量i_ah。

从前面的推导过程可以看出，由于在根据单相电流、电压构造虚拟三相系统的过程中虚构的B、C两相电压、电流严格与A相电流、电压对称，因此在此系统中没有零序和负序的成分，检出的电流中全部成分都为谐波电流信息，按此信号进行补偿控制可以达到谐波治理的效果。如果将图中计算i_q的通道断开，检测结果中将同时包含谐波电流及基波无功电流成分，按此信号进行补偿控制将可以同时起到谐波治理、补偿无功的理想效果。

实施例三：

如图6所示，实施例一所述的方法在三相四线制系统中的应用：

与三相三线制相比，三相四线制系统的指令电流检测中要对零序电流分量做出相应处理。参照传统dq0法的处理思路，分别在αβ坐标系及dq坐标系中增加垂直于坐标平面的零轴，坐标变换运算过程做出相应调整。

abc坐标系向αβ0坐标系变换的运算方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_0\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中，

同样，在二相同步旋转dq坐标系中也增加一个对应于零序的坐标轴，该轴垂直于dq平面。具体的运算过程相应调整如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}^{pq0}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_0\end{array}\right]$

式中，

综合以上可以推出：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]=C_{abc}^{pq0}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{i_p}+{\tilde{i}}_p\\ \stackrel{\‾}{i_q}+{\tilde{i}}_q\\ i_0\end{array}\right]$

式中，

经低通滤波后可得到基波正序有功分量和基波正序无功分量通过反变换可得到三相电流基波正序电流分量：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{af}\\ i_{bf}\\ i_{cf}\end{array}\right]=C_{pq0}^{abc}\left[\begin{array}{c}\stackrel{-}{i_p}\\ \stackrel{-}{i_q}\\ i_0\end{array}\right]$

式中，

从以上推导过程可以看出，按图6计算得出的结果中包含有各次谐波及基波负序电流成分，按此进行补偿控制时，可以达到谐波治理、平衡负载的作用，但并不能起到补偿基波相移无功及零序电流的作用。如果将图6中计算i_q和i₀的通道断开，在检测结果中将包含进基波无功电流分量及零序电流信息，以此为指令进行补偿控制时，将同时起到治理谐波、平衡三相负载、补偿相移无功、消除零序电流的理想效果。

实施例四：

如图7所示，实施例一所述的方法在任意次谐波检测系统中的应用：

在αβ坐标系中，合成矢量i中与基波正序电流对应的分量及合成矢量e中与基波正序电压对应的分量是同步旋转的，两者处于相对静止的状态。而其它的电流分量相对于e均是交变的，如基波负序电流对应交变频率为2倍的基波频率，第k次谐波电流对应交变频率为k-1倍的基波频率。按照这种思路，若欲检测第k次谐波电流，只需构建k倍于基波频率的旋转坐标系，在此坐标系内k次谐波电流正序分量将变为直流量，通过低通滤波器很容易将其分离。

记三相三线制系统的瞬时电压和瞬时电流分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c，经三相至二相变换可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中， $C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right].$

采用e_α、e_β瞬时电压矢量确定的旋转坐标系定向信息为：

${\mathrm{sin\θ}}_e=\frac{e_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{e_{\mathrm{\α}}^2+e_{\mathrm{\β}}^2}},{\mathrm{cos\θ}}_e=\frac{e_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{e_{\mathrm{\α}}^2+e_{\mathrm{\β}}^2}}.$

对于基波电流分量检测，采用基波频率的旋转坐标系变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{p1}\\ i_{q1}\end{array}\right]=C{1}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{pq}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，

对于k次谐波电流分量检测，采用k倍于基波频率的旋转坐标系变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{pk}\\ i_{qk}\end{array}\right]={\mathrm{Ck}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{pq}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，

i_pk和i_qk经过低通滤波器LPF滤波可得相应直流分量和经过逆变换可得到相应次谐波分量为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{ak}\\ i_{bk}\\ i_{ck}\end{array}\right]={\mathrm{Ck}}_{pq}^{abc}\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{i_{pk}}\\ \stackrel{\‾}{i_{qk}}\end{array}\right]$

式中,

由于本发明基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法通过三相电压瞬时值e_a、e^b、e_c计算相位数据sinθ_e、cosθ_e，代替传统i_p-i_q谐波检测法所使用的PLL锁相方式，一方面克服了高电压畸变率下PLL难以精确锁相的问题；另一方面由此获得的定向信息包含了电压畸变信息，可达到分离畸变电压导致的谐波电流的作用。另外，由于采用该方法获得的补偿电流指令中包含着基波负序电流及谐波电流成分，按此结果进行补偿控制，可以同时达到治理谐波及平衡三相负荷的理想效果。

其所取得的理想效果可以通下述仿真实验得到充分的验证：

实验一：

主电路图如图8所示，对电网电压对称无畸变且三相负载平衡的稳态情况下的检测效果进行了仿真，仿真结果如图9所示，由图9可知本发明基于瞬时电压矢量定向的i_p-i_q补偿电流检测方法能够快速、准确地检测出负载基波电流和谐波电流分量。

实验二：

主电路图如图10所示，实验时在电源侧增加三相可控整流桥带阻容性负载，其中R_x＝0.1Ω，C_x＝0.1F，模拟因外部大型谐波源导致电网电压发生畸变的情况。分别对本发明基于瞬时电压矢量定向的i_p-i_q补偿电流检测法与传统i_p-i_q法进行了仿真，仿真结果如图11、图12和图13共同所示。

通过两者的对比可以看出，在电网电压发生畸变的情况下，采用传统的i_p-i_q法得出的基波电流为纯正弦波波形，而采用本发明i_p-i_q补偿电流检测法得出的基波电流为具有一定畸变率的且波形变化与畸变电压相似度较高的非纯正弦波波形；从检测的谐波电流的有效值来看，采用传统i_p-i_q法得出的结果远大于采用本发明i_p-i_q补偿电流检测法得出的结果(大于20％)，这一点正体现了本发明i_p-i_q补偿电流检测法的优势。在电网并联补偿与滤波应用中，理想的效果应该是以电网电压波形和相位为依据，使实际的电流波形向电压波形逼近，使实际的电流相位向电压相位靠近，而不应该把补偿与滤波的目标定为纯正正弦波。

实验三：

试验条件为三相电源电压改为逆相序。分别对本发明i_p-i_q补偿电流检测法与传统i_p-i_q法进行了仿真，仿真结果如图14和图15共同所示。由图14可知本发明i_p-i_q补偿电流检测法在电网电压相序错位时仍能够准确地检测出负载基波电流和谐波电流分量，即本发明i_p-i_q补偿电流检测法具有电压相序自动识别与适应能力；由图15可知传统i_p-i_q法在电网电压相序错位时负载基波电流和谐波电流检测均异常，即该方法在电源电压相序错位时不能够正常工作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)采集三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(2)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(3)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(4)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(5)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。

2.如权利要求1所述的一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：所述步骤(1)中，三相至两相坐标变换的步骤如下：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中：

3.如权利要求1所述的一种基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，具体步骤为：

根据瞬时无功功率理论的基本定义，三相电路瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q分别为两相瞬时电流i_α、i_β在电压矢量e及其法线上的投影，即为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{pq}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，

4.所述步骤(4)中，利用低通滤波器从瞬时有功电流和瞬时无功电流中分裂出直流分量；两相变三相坐标变换的步骤如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{af}\\ i_{bf}\\ i_{cf}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{abc}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}f}\\ i_{\mathrm{\β}f}\end{array}\right]$

其中，

5.一种应用于单相系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)将单相电压和单相电流视作三相电路中的A相电压和A相电流，按照三相对称的原则构造出B、C相电压及电流；

(2)对三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(3)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(4)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(5)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(6)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。

6.如权利要求5所述的一种应用于单相系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：所述步骤(1)的具体方法为：

定义所述单相系统中的单相电压为e_s，单相电流为i_s，则：

e_a＝e_s，将e_a延时120°得e_b，将e_a延时240°得e_c；

i_a＝i_s，将i_a延时120°得i_b，将i_a延时240°得i_c。

7.一种应用于三相四线制系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)采集三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相与零轴的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(2)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(3)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相与零轴瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(4)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(5)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。

8.如权利要求7中所述的一种应用于三相四线制系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：所述步骤(1)中，坐标变换的方法为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_0\end{array}\right]=C_{abc}^{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中，

9.如权利要求7中所述的一种应用于三相四线制系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，具体方法为：

式中，

10.一种应用于任意次谐波检测系统中的基于瞬时空间电压矢量定向的补偿电流检测方法，包括以下步骤：

(1)采集三相电压和三相电流的瞬时值，分别进行三相至两相与零轴的坐标变换，得到两相瞬时电压和两相瞬时电流；

(2)通过两相瞬时电压计算三相合成旋转电压矢量的相位角所对应的正弦信号与余弦信号；

(3)根据两相瞬时电流值和电压矢量，求取两相与零轴瞬时电流值在电压矢量上的投影，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(4)分离瞬时有功电流和瞬时无功电流的直流分量，求取基波正序电流分量，对基波正序电流分量进行两相至三相的坐标转换，得到三相电流中的基波电流分量；

(5)令欲检测的谐波电流为第k次谐波电流，根据第k次谐波电流对应交变频率为k-1倍的基波频率，构建k倍于基波频率的旋转坐标系，即可求得k次谐波电流分量；

(6)利用三相电流瞬时值分别减去基波电流分量得到三相补偿电流。