CN105977980B

CN105977980B - 功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法

Info

Publication number: CN105977980B
Application number: CN201610447479.2A
Authority: CN
Inventors: 吕广强; 段海军; 顾伟; 耿严岩; 禹龙基
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: CN105977980A

Abstract

本发明涉及一种功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，包括：采集三相系统电压，进行锁相计算，得到系统的相位；采集三相系统电流，利用系统相位对三相电流进行CLARK‑PARK变换，得到d轴分量及q轴分量；将上一步得到的d轴、q轴分量经低通滤波器得到基波有功分量和基波无功分量；确定网侧系统需要保留的d轴分量及q轴分量；对保留的d轴分量及q轴分量进行CLARK‑PARK逆变换，逆变换所得分量与系统电流相减得到指令电流。本发明使得有源滤波器在补偿谐波电流的同时补偿指定容量的无功功率，提高了系统的补偿性能以及利用率。

Description

功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法

技术领域

本发明涉及电力系统电能质量监测技术，具体涉及一种功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法。

背景技术

有源滤波器(Active Power Filter，APF)能够对频率和大小同时变化的谐波进行补偿，并且能够补偿一定容量的无功功率，是当前国内外学者研究的热点。有源滤波器主要应用于补偿谐波电流，无功功率的补偿仅作为附加功能，并且受系统参数的影响，有源滤波器的最佳工作条件为额定容量。若系统中谐波含量较其补偿容量低，其补偿性能明显降低，若利用有源滤波器补偿一定容量的无功功率，能够将补偿容量提高到额定容量，从而提高补偿特性，提高系统的利用率，此外，无功补偿装置的应用场合相对广泛，从而能够拓宽有源滤波器的应用市场。

目前有源滤波器对无功功率进行全补偿或者不补偿。若谐波、无功容量均低于有源滤波器补偿的额定容量，其需补偿总量高于额定容量，对无功进行全补偿或者不补偿，有源滤波器均不能工作在最佳状态；若进行全补偿，利用有源滤波器补偿上限对无功功率进行限制，同样可以使系统工作在额定容量附近，但是，这种补偿方式相对被动，即不能主动控制补偿无功功率的大小。此外，在电力系统中的某些节点处，需要保留一定容量的无功功率，以提高电力系统的输电特性等，因此，有源滤波器对无功功率的补偿方式有待改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，具体步骤为：

步骤1，采集三相系统电压，进行锁相计算，得到系统的相位；

步骤2，采集三相系统电流，利用步骤1得到的相位对三相电流进行CLARK-PARK变换，得到d轴分量及q轴分量；

步骤3，将步骤2得到的d轴、q轴分量经低通滤波器得到基波有功分量和基波无功分量；

步骤4，根据补偿要求以及步骤3所得基波有功分量和基波无功分量，确定网侧系统需要保留的d轴分量及q轴分量；所述补偿要求包括仅补偿谐波、仅补偿无功功率或者同时补偿谐波和无功功率；

步骤5，对步骤4得到的d轴分量及q轴分量进行CLARK-PARK逆变换，逆变换所得分量与系统电流相减得到指令电流。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明使得有源滤波器在补偿谐波电流的同时能够补偿指定容量的无功功率，提高系统的补偿性能以及利用率；

(2)本发明提高了有源滤波器的补偿性能：当谐波容量低于额定容量时，通过补偿一定的无功容量，使补偿总容量达到额定容量，从而使系统工作在最佳状态。

附图说明

图1为本发明的有源滤波器原理图。

图2为未补偿时的网侧电压电流波形图。

图3为仅补偿谐波时的网侧电压电流波形图。

图4为仅补偿无功功率时的网侧电压电流波形图。

图5为补偿到指定功率因数时的网侧电压电流波形图。

具体实施方式

有源滤波器具有多种不同拓扑结构，主电路结构上的主要差别在于直流侧并联电容还是电感，在并网方式上的主要差别在于是串联还是并联。本发明中主要涉及到对系统无功功率的补偿，采用的是三相并联电压源型结构，其电路原理图如图1所示，图1中i₁为网侧电流，i₂为负载电流，i₃为有源滤波器输出电流，L₃为并网电感。

本发明的功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，包括以下步骤：

步骤1，采集三相系统电压，进行锁相计算，得到系统的相位；具体为：

采集有源滤波器并网点的三相系统电压，进行三相锁相运算，三相锁相运算频率为50Hz，得到A相电压的相位以及相位对应的正弦和余弦

步骤2，采集三相系统电流，利用步骤1得到的相位对三相电流进行CLARK-PARK变换，得到d轴分量及q轴分量；具体为：

利用步骤1所得相位对采集的三相负载电流i_a，i_b，i_c进行CLARK-PARK变换：

式中，i_α，i_β为两相静止坐标系的α轴分量和β轴分量，i_d1，i_q1为两相旋转坐标系的d轴分量和q轴分量；

步骤3，将步骤2得到的d轴、q轴分量经低通滤波器得到基波有功分量i_p和基波无功分量i_q；所述低通滤波器为二阶Butterworth低通滤波器，其截止频率为50Hz；

步骤4，根据补偿要求以及步骤3所得基波有功分量和基波无功分量，确定网侧系统需要保留的d轴分量及q轴分量；所述补偿要求包括仅补偿谐波、仅补偿无功功率或者同时补偿谐波和无功功率；具体为：

若网侧系统需要保留基波，即有源滤波器仅补偿谐波，则令

式中，i_p和i_q分别为基波有功分量和基波无功分量，i_d’和i_q’分别为网侧系统需要保留的d轴分量及q轴分量，即步骤5中CLARK-PARK逆变换d轴、q轴分量的输入；

若有源滤波器仅补偿无功功率，使系统中保留基波有功分量和谐波分量，则令

若有源滤波器同时补偿谐波和无功功率到指定功率因数，设指定功率因数为i_q和i_p满足关系则系统中需要保留的无功功率为则令

在CLARK-PARK变换中，根据功率守恒，U、I分别为电网系统电压、电流的有效值；上述式(3)～式(5)中，若sqrt(i_d’²+i_q’²)<3*(I_l-I_e)，则i_d’＝sqrt(9*(I_l-I_e)²-i_q’²)，I_l为负载电流有效值，I_e为额定电流。

步骤5，对步骤4得到的d轴分量及q轴分量进行CLARK-PARK逆变换，逆变换所得分量与系统电流相减得到指令电流；具体为：

对步骤4所得i_d’，i_q’进行CLARK-PARK逆变换，如下：

式中，i_af，i_bf，i_cf分别为三相负载电流对应的基波电流；

有源滤波器补偿的电流为谐波电流的反相，则指令电流为：

式中，i_aref，i_bref，i_cref分别为三相指令电流。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

工业电网中的电流谐波通常是由电力电子设备引起的，负载通常呈感性，因此，有源滤波器待补偿的系统设计为：220V三相供电系统中，负载1为三相不控整流器，其负载为RL回路，R₁＝10Ω，L₁＝40mH；负载2为“Y”型连接的RL回路，R₂＝10Ω，L₂＝40mH；负载1与负载2并联。

在理想条件下分析，负载1中基波电流电流总畸变率THDi约为31％，则谐波电流I_h约为12.4A；负载2中电流I₂为I₂＝220/(R₂+j*2πfL₂)，则负载2中有功电流约为8.5A，无功电流约为10.8A。则设计有源滤波器的额定容量为20A，其他系统参数为：开关频率为20kHz；直流侧电容电压为900V，电容为2000μF；并网电感L₃为1mH。

为了验证有源滤波器在额定功率附近工作时效率优于其他状态，设计有源滤波器的补偿实验：仅补偿谐波，仅补偿无功功率，同时补偿谐波和无功功率到指定功率因数。

图2为未补偿时的网侧电压电流波形图，电压的纵坐标单位为V，电流的纵坐标单位为A。从图中可以看出，若对负载电流不进行处理，负载产生的大量谐波将进入电网，对电网的安全、传输效率等有一定的影响，对负载电流进行FFT分析，其电流总畸变率THDi约为24.54％。

图3为仅补偿谐波电流时的网侧电压电流波形，从图中可以看出补偿后网侧电压、电流均含有高次谐波，对补偿后网侧电流进行FFT分析，其THDi约为4.71％。

图4为仅补偿无功功率时的网侧电压电流波形，从图中可以看出补偿后网侧电流畸变较为严重，其THDi约为41％。

图5为同时补偿谐波和无功功率到功率因数为0.98时的网侧电压电流波形，从图中可以补偿后网侧电压电流含有的高次谐波较图3明显减少。对补偿后网侧电流进行FFT分析，其THDi约为3.81％。

以上波形均为利用MATLAB仿真得到。从图中可以看出有源滤波器在额定功率附近工作时效率优于其他时刻，当待补偿系统的谐波含量低于额定容量时，可以通过补偿一定容量的无功功率以提高系统补偿效率。

Claims

1.一种功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，其特征在于，具体步骤为：

若网侧系统需要保留基波，即有源滤波器仅补偿谐波，则

式中，i_p和i_q分别为基波有功分量和基波无功分量，i_d'和i_q'分别为网侧系统需要保留的d轴分量及q轴分量；

若有源滤波器仅补偿无功功率，网侧系统中保留基波有功分量和谐波分量，则

若有源滤波器同时补偿谐波和无功功率到指定功率因数，设指定功率因数为i_q和i_p满足则系统中需要保留的无功功率为则

在CLARK-PARK变换中，根据功率守恒，分别为电网系统电压、电流的有效值；上述式(1)～式(3)中，若则I_l为负载电流有效值，I_e为额定电流；

2.根据权利要求1所述的功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，其特征在于，步骤1具体为：采集有源滤波器并网点的三相系统电压，进行三相锁相运算，三相锁相运算频率为50Hz，得到A相电压的相位以及相位对应的正弦和余弦

3.根据权利要求2所述的功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，其特征在于，步骤2具体为：

式中，i_α，i_β为两相静止坐标系的α轴分量和β轴分量，i_d1，i_q1为两相旋转坐标系的d轴分量和q轴分量。

4.根据权利要求1所述的功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，其特征在于，步骤3中所述低通滤波器为二阶Butterworth低通滤波器，其截止频率为50Hz。

5.根据权利要求1所述的功率因数可调的有源滤波器指令电流提取方法，其特征在于，步骤5具体为：

对步骤4所得i_d'、i_q'进行CLARK-PARK逆变换：

式中，i_af，i_bf，i_cf分别为三相负载电流对应的基波电流；

有源滤波器补偿的电流为谐波电流的反相，则指令电流为：

式中，i_aref，i_bref，i_cref分别为三相指令电流。