CN108226607A - 一种应用于apf的静止坐标系下谐波电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于有源电力滤波器(active power filter，APF)的静止坐标系下谐波电流检测方法，属于谐波检测和治理技术领域。为了提高谐波检测的精度和谐波补偿的灵活性，本发明提供了一种具有相位超前校正功能的复数带通滤波器，详细给出了该滤波器的设计方法和执行过程。本发明公开的谐波检测方法不需要锁相环、旋转坐标变换和反变换，可在静止坐标系下直接执行，原理简单、易于实现，可实现指定相序和指定次谐波的精确检测。

Description

一种应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法

技术领域

本发明涉及一种应用于有源电力滤波器(active power filter，APF)的静止坐标系下谐波电流检测方法，属于谐波检测和治理技术领域。

背景技术

随着非线性负载的大量应用，配电网中的谐波问题变得日益突出。相较于无源滤波器，有源电力滤波器(APF)具有体积小、补偿效果好、不易引起系统谐振等优点，已被公认为谐波治理的有效手段。

谐波检测是APF进行谐波治理的基础和前提，谐波检测方法的优劣直接影响APF的谐波补偿效果，其重要性不言而喻。工程上常用的谐波检测方法为基于锁相环和旋转坐标变换的指定次谐波检测方法。该方法虽然能较为准确地检测出电网电流中的各次谐波分量，但需要旋转坐标变换和反变换，执行过程复杂，并且检测精确受锁相环性能的影响。另外，APF控制系统不可避免地存在AD采样延时、DSP计算延时、控制延时等，这些延时会影响APF的谐波补偿效果。在谐波检测环节需要考虑这些延时，对指令电流进行相位超前校正，消除延时的影响。而传统的谐波检测方法在设计时通常没有考虑对指令电流进行相位超前校正。

发明内容

针对现有检测方法存在的问题，本发明提供了一种静止坐标系下谐波电流检测方法，该方法不需要锁相环和旋转坐标变换、易于实现，能够实现指令电流的相位超前校正，能够有效区分正序和负序分量。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案：

一种应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)：电流传感器采集三相负载电流，其输出经过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器的输出信号经过调理电路输入到数字信号处理器(digital signal processor，DSP)的内置AD，DSP的内置AD将模拟量转化为相应的数字量，数字量再变换为相应的三相负载电流的实际值i_la(k)、i_lb(k)、i_lc(k)；k表示kT_s时刻即当前时刻的采样值；

步骤(2)：三相负载电流i_la(k)、i_lb(k)、i_lc(k)经过克拉克变换，得到i_lα(k)、i_lβ(k)；

步骤(3)：i_lα(k)、i_lβ(k)经过若干个具有相位超前校正功能的复数带通滤波器，得到若干组输出信号，可分为α分量和β分量；

步骤(4)：所有复数带通滤波器输出信号的α分量相加得到i_{lα_har}(k)，所有复数带通滤波器输出信号的β分量相加得到i_{lβ_har}(k)；

步骤(5)：i_{lα_har}(k)、i_{lβ_har}(k)经过克拉克反变换得到三相静止坐标系下的APF谐波指令电流i_{la_har}(k)、i_{lb_har}(k)、i_{lc_har}(k)。

与现有检测方法相比，本发明提供的检测方法具有如下优势：

1、不需要锁相环和同步旋转坐标变换，结构简单，易于执行；

2、能够区分正序和负序分量；

3、能适应电网频率的变化；

4、具有相位超前校正功能，有助于提高谐波补偿效果。

附图说明

图1为静止坐标系下谐波电流检测方法原理图；

图2为具有相位超前校正功能的复数带通滤波器设计流程图；

图3为具有相位超前校正功能的复数带通滤波器实现方法框图；

图4为采用本专利提供的谐波检测算法得到的实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作更进一步的说明。

一种应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)：如图1，电流传感器采集三相负载电流，其输出经过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器的输出信号经过调理电路输入到数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)的内置AD，DSP的内置AD将模拟量转化为相应的数字量，数字量再变换为相应的三相负载电流的实际值i_la(k)、i_lb(k)、i_lc(k)；k表示kT_s时刻即当前时刻的采样值；

步骤(2)：如图1，三相负载电流i_la(k)、i_lb(k)、i_lc(k)经过克拉克变换，得到i_lα(k)、i_lβ(k)；克拉克变换如公式(1)：

步骤(3)：如图1，i_lα(k)、i_lβ(k)经过若干个具有相位超前校正功能的复数带通滤波器，得到若干组输出信号，可分为α分量和β分量；具有相位超前校正功能的复数带通滤波器s域表达式如公式(2)所示：

式中，ω_r为谐振角频率，单位rad/s；ω_c为带宽,单位rad/s；T_s为采样周期；m为指令电流相位超前校正的采样周期数；k_n为谐波补偿系数。

公式(2)无法在DSP中直接执行，需要对复数带通滤波器的参数进行设计并离散化。如图2，具有相位超前校正功能的复数带通滤波器的设计包括如下步骤：

步骤(3-1)：确定谐振角频率ω_r；ω_r＝nω₁，ω₁为电网角频率，314rad/s；若需要检测的序分量为正序分量，n＞0；若需要检测的序分量为负序分量，n＜0；假设需要检测7次正序分量，则n＝7；

步骤(3-2)：确定带宽ω_c；ω_c越大对电网频率变化的适应性越好，响应速度越快，但选择性越差；ω_c可在区间[2π，40π]内根据对响应速度和稳态性能的要求确定一个合适的数值；

步骤(3-3)：根据DSP计算、控制延时等确定m；例如，采用无差拍控制时，无差拍控制存在一个控制周期(假设控制周期等于采样周期)的延时，AD采样延时、DSP数字计算延时使得本周期计算得到的占空比会在下个控制周期使用，占空比的更新延时一个周期。因此，共有两个采样周期的延时，m取2；

步骤(3-4)：根据各次谐波的补偿需求，确定谐波补偿系数k_n；k_n表示谐波补偿的程度，0＜k_n＜1。若k_n＝0，表示不需要补偿该次谐波；若k_n＝1，表示需要完全补偿该次谐波；k_n的存在提高了谐波补偿的灵活性；

步骤(3-5)：采用预畸变的双线性变换将式(2)离散化，得到复数带通滤波器的差分方程；该差分方程可在DSP中直接执行；预畸变的双线性变换公式如式(3)所示：

将公式(3)代入到公式(2)，得到相应的差分方程：

式中，x_α和x_β表示输入信号；y_α和y_β表示输出信号；k表示当前时刻kT_s的值，k-1表示上一时刻(k-1)T_s的值。

公式(4)中各系数的表达式如下：

公式(5)中各系数表达式如下：

根据公式(4)可得到具有相位校正功能的复数带通滤波器的实现方法框图，如图3所示。

步骤(4)：如图1，所有复数带通滤波器输出信号的α分量相加得到i_{lα_har}(k)，所有复数带通滤波器输出信号的β分量相加得到i_{lβ_har}(k)；

步骤(5)：如图1，i_{lα_har}(k)、i_{lβ_har}(k)经过克拉克反变换得到三相静止坐标系下的APF谐波指令电流i_{la_har}(k)、i_{lb_har}(k)、i_{lc_har}(k)；克拉克反变换如公式(7)所示：

图4给出了采用本专利提出的谐波检测方法得到的实验波形图。从图中可以看出，采用基于本专利所提谐波检测方法的APF可以有效消除负载电流中的谐波分量，使电网电流接近理想正弦波，验证了本专利所提谐波检测方法的正确性和有效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和宗旨的的前提下，还可以做出若干改进、替换、变型和润饰，这些改进、替换、变型和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：电流传感器采集三相负载电流，其输出经过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器的输出信号经过调理电路输入到数字信号处理器(digital signal processor，DSP)的内置AD芯片，DSP的内置AD将模拟量转化为相应的数字量，数字量再变换为相应的三相负载电流的实际值i_la(k)、i_lb(k)、i_lc(k)；k表示kT_s时刻即当前时刻的采样值；

步骤(2)：三相负载电流i_la(k)、i_lb(k)、i_lc(k)经过克拉克变换，得到i_lα(k)、i_lβ(k)；

步骤(3)：i_lα(k)、i_lβ(k)经过若干个具有相位超前校正功能的复数带通滤波器，得到若干组输出信号，可分为α分量和β分量；

步骤(4)：所有复数带通滤波器输出信号的α分量相加得到i_{lα_har}(k)，所有复数带通滤波器输出信号的β分量相加得到i_{lβ_har}(k)；

步骤(5)：i_{lα_har}(k)、i_{lβ_har}(k)经过克拉克反变换得到三相静止坐标系下的APF谐波指令电流i_{la_har}(k)、i_{lb_har}(k)、i_{lc_har}(k)。

2.根据权利要求1所述的应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法，其特征在于：步骤(3)中所述具有相位超前校正功能的复数带通滤波器的传递函数表达式为：

式中，ω_r为谐振角频率，单位rad/s；ω_c为带宽,单位rad/s；T_s为采样周期；m为指令电流相位超前校正的采样周期数；k_n为谐波补偿系数。

3.根据权利要求2所述的应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法，其特征在于：具有相位超前校正功能的复数带通滤波器包括如下设计步骤：

步骤(1-1)：确定谐振角频率ω_r；ω_r＝nω₁，ω₁为电网角频率，314rad/s；若需要检测的序分量为正序分量，n＞0；若需要检测的序分量为负序分量，n＜0；假设需要检测7次正序分量，则n＝7；

步骤(1-2)：确定带宽ω_c；ω_c越大对电网频率变化的适应性越好，响应速度越快，但选择性越差；ω_c可在区间[2π，40π]内根据对响应速度和稳态性能的要求确定一个合适的数值；

步骤(1-3)：根据DSP计算、控制延时等确定m；

步骤(1-4)：根据各次谐波的补偿需求，确定谐波补偿系数k_n；k_n表示谐波补偿的程度，0＜k_n＜1。若k_n＝0，表示不需要补偿该次谐波；若k_n＝1，表示需要完全补偿该次谐波；

步骤(1-5)：采用预畸变的双线性变换将式(2)离散化，得到复数带通滤波器的差分方程；该差分方程可在DSP中直接执行。

4.根据权利要求3所述的应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法，其特征在于：所述步骤(1-5)中预畸变的双线性变换为：

。

5.根据权利要求3所述的应用于APF的静止坐标系下谐波电流检测方法，其特征在于：所述步骤(1-5)中复数带通滤波器的差分方程为：

式中，x_α和x_β表示输入信号；y_α和y_β表示输出信号；k表示当前时刻kT_s的值，k-1表示上一时刻(k-1)T_s的值。