CN111999558A - 一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法，对现有技术的谐波检测电路作了改进，利用软件实现基于PI闭环控制的锁相环PLL产生与电网电压同频同相的正、余弦信号sinωt和cosωt，在LPF后增加PI调节器，形成一个闭环系统，如图2所示。改进后．系统的稳定性和控制精度得到提高，成本降低。此外，经三相‑两相变换后得到的既有谐波信号又有基波信号，经LPF滤波后送到PI调节器的主要是基波电流信号．它经比例积分作用后参与系统后续其它计算，因此系统的主要参数对谐波检测的灵敏度得以下降。
Description
技术领域
本发明涉及电气检测技术领域，具体为一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法。
背景技术
20世纪8O年代初，有学者提出了瞬时无功功率理论，为APF(有源滤波装置)谐波电流实时检测奠定了理论基础。APF装置作为一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置，凭借其实时性好、动态响应速度快、体积小、重量轻受到广泛关注。APF性能的好坏与它采用的检测方法有关。检测方式可归纳为：基于傅里叶级数的实时检测法、基于补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法、峰值采样保持检测方法及基于瞬时无功功率理论的电流检测方法、自适应谐波电流检测方法。APF可分为并联型、串联型和混合型3类。并联型具有能够补偿多次谐波。能够对位移因数进行补偿且补偿效果不随负载率的大小而变化的优点，因此得到广泛应用。
现有技术申请号201710306729.5，发明名称为一种dq旋转坐标系下谐波电流计算方法，如图1所示，以计算出dq旋转坐标系下谐波电流的分量，从而为APF提供控制算法，其中，包括以下步骤：A、获取电网电压和非线性负载电流，将其进行变换到静止坐标系相应电压分量和负载电流分量；B、通过等矢量变换下有功功率和无功功率计算公式计算非线性负载的瞬时功率；C、根据功率守恒和等矢量变换得到包含谐波分量的非线性负载电流的dq旋转坐标系分量；D、将步骤C中得到的电流滤波后得到基波电流分量，非线性负载电流的dq旋转坐标系分量减去基波电流分量即得到dq旋转坐标系下谐波电流分量。但是本方法存在以下的问题：(1)对硬件精度要求高，要求PLL产生的sinωt和cosωt(其中
)准确无误；(2)要求主要部件的参数对三相基波电流峰值的灵敏度均大于1。而这些要求实际上是难以达到的。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述技术问题，本发明提供一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法，对上述检测电路作了改进，利用软件实现基于PI闭环控制的锁相环(PLL)产生与电网电压同频同相的正、余弦信号sinωt和cosωt，在LPF后增加PI调节器，形成一个闭环系统，如图2所示。改进后.系统的稳定性和控制精度得到提高，成本降低。此外，经三相-两相变换后得到的既有谐波信号又有基波信号，经LPF滤波后送到PI调节器的主要是基波电流信号.它经比例积分作用后参与系统后续其它计算，因此系统的主要参数对谐波检测的灵敏度得以下降。
2.技术方案：
一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法，包括以下步骤：
步骤一：获取电网电压ua、ub、uc和非线性负载电流i1a、i1b、i1c；利用软件将电网电压ua、ub、uc经由锁相环PLL计算得到PI闭环控制需要的电网电压同频同相的正、余弦信号sinωt和cosωt；将电网电压ua、ub、uc与非线性负载电流i1a、i1b、i1c分别进行对应的三相-二相变换，得到αβ静止坐标系下相应的电压分量uα、uβ和负载电流分量i1α、i1β；并根据αβ静止坐标系下相应的电压分量uα和uβ计算出在dq旋转坐标系下相应电压分量ud和uq；具体的计算公式如下：
步骤二：通过等矢量变换下有功功率p和无功功率q计算公式计算非线性负载的瞬时功率；计算公式为：
步骤三：根据功率守恒和等矢量变换得到包含谐波分量的非线性负载电流的dq旋转坐标系分量i1d、i1q；计算公式为：
步骤四：将步骤三中得到的电流滤波后得到基波电流分量i1db、i1qb，再经过PI调节器形成一个闭环系统，非线性负载电流的dq旋转坐标系分量减去基波电流分量即得到dq旋转坐标系下谐波电流分量i1dh、i1qh；其计算公式为：
步骤五：步骤四中的所述PI调节器的参数KP、KI通过Matlab仿真得到；具体包括以下步骤：
S51:在Matlab的Simulink仿真软件中建立PI调节器等效模型和APF模型，其中比例常数KP、积分常数KI就是PI调节器的参数；PI调节器等效模型包括比例常数KP、积分常数KI、Integrator积分模型；PI调节器等效模型与APF模型构成闭环结构。
S52：对S51建立的等效模型通过仿真测试，即改变PI调节器的参数KP、KI，如果示波器SCOPE中的波形稳定且精度满足要求时，对应的KP、KI就是所求的值。
进一步地，所述软件为在单片机C51或者DSP TMS320F2812中利用C语言实现。
3.有益效果：
(1)本发明中电网电压与负载电流经三相-两相变换后得到的既有谐波信号又有基波信号，经LPF滤波后送到PI调节器的主要是基波电流信号.它经比例积分作用后参与系统后续其它计算，因此系统的主要参数对谐波检测的灵敏度得以下降。
(2)本发明相较于现有技术的谐波检测系统，其稳定性和控制精度得到提高，成本降低。
附图说明
图1为现有技术的三相系统改进前dq轴谐波电流的计算方法流程示意图；
图2为本发明三相系统改进型dq轴谐波电流的计算方法流程示意图；
图3为本发明中PI调节器在MATLAB中仿真图；
图4为本发明改进前方法MATLAB仿真结果图；
图5为本发明改进后方法MATLAB仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
如附图2所示；一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法，包括以下步骤：
步骤一：获取电网电压ua、ub、uc和非线性负载电流i1a、i1b、i1c；利用软件将电网电压ua、ub、uc经由锁相环PLL计算得到PI闭环控制需要的电网电压同频同相的正、余弦信号sinωt和cosωt；将电网电压ua、ub、uc与非线性负载电流i1a、i1b、i1c分别进行对应的三相-二相变换，得到αβ静止坐标系下相应的电压分量uα、uβ和负载电流分量i1α、i1β；并根据αβ静止坐标系下相应的电压分量uα和uβ计算出在dq旋转坐标系下相应电压分量ud和uq；具体的计算公式如下：
步骤二：通过等矢量变换下有功功率p和无功功率q计算公式计算非线性负载的瞬时功率；计算公式为：
步骤三：根据功率守恒和等矢量变换得到包含谐波分量的非线性负载电流的dq旋转坐标系分量i1d、i1q；计算公式为：
步骤四：将步骤三中得到的电流滤波后得到基波电流分量i1db、i1qb，再经过PI调节器形成一个闭环系统，非线性负载电流的dq旋转坐标系分量减去基波电流分量即得到dq旋转坐标系下谐波电流分量i1dh、i1qh；其计算公式为：
步骤五：步骤四中的所述PI调节器的参数KP、KI可以通过Matlab仿真得到；具体包括以下步骤：
S51:在Matlab的Simulink仿真软件中建立PI调节器等效模型和APF模型，其中比例常数KP、积分常数KI就是PI调节器的参数；PI调节器等效模型包括比例常数KP、积分常数KI、Integrator积分模型；PI调节器等效模型与APF模型构成闭环结构。如附图3所示。
S52：对S51建立的等效模型通过仿真测试，即改变PI调节器的参数KP、KI，如果示波器SCOPE中的波形稳定且精度满足要求时，对应的KP、KI就是所求的值。
进一步地，所述软件为在单片机C51或者DSP TMS320F2812中利用C语言实现。
为了验证所提改进方法的有效性，借助Matlab的Simulink仿真软件，建立了APF的仿真模型。对改进前dq旋转坐标系下谐波检测方法和改进型旋转坐标系下谐波dq检测方法分别进行仿真，得到仿真结果分别如图4和图5所示，图中的中ia整流装置即非线性负载的输出电流，iab为基波电流，iah为谐波电流。通过仿真得出，改进前的谐波检测方法和改进型谐波检测方法中电流谐波含量与基波含量之比分别为6.3％和3.7％。这充分验证了本发明方法的有效性。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (2)
1.一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：获取电网电压ua、ub、uc和非线性负载电流i1a、i1b、i1c；利用软件将电网电压ua、ub、uc经由锁相环PLL计算得到PI闭环控制需要的电网电压同频同相的正、余弦信号sinωt和cosωt；将电网电压ua、ub、uc与非线性负载电流i1a、i1b、i1c分别进行对应的三相-二相变换，得到αβ静止坐标系下相应的电压分量uα、uβ和负载电流分量i1α、i1β；并根据αβ静止坐标系下相应的电压分量uα和uβ计算出在dq旋转坐标系下相应电压分量ud和uq；具体的计算公式如下：
步骤二：通过等矢量变换下有功功率p和无功功率q计算公式计算非线性负载的瞬时功率；计算公式为：
步骤三：根据功率守恒和等矢量变换得到包含谐波分量的非线性负载电流的dq旋转坐标系分量i1d、i1q；计算公式为：
步骤四：将步骤三中得到的电流滤波后得到基波电流分量i1db、i1qb，再经过PI调节器形成一个闭环系统，非线性负载电流的dq旋转坐标系分量减去基波电流分量即得到dq旋转坐标系下谐波电流分量i1dh、i1qh；其计算公式为：
步骤五：步骤四中的所述PI调节器的参数KP、KI通过Matlab仿真得到；具体包括以下步骤：
S51:在Matlab的Simulink仿真软件中建立PI调节器等效模型和APF模型，其中比例常数KP、积分常数KI就是PI调节器的参数；PI调节器等效模型包括比例常数KP、积分常数KI、Integrator积分模型；PI调节器等效模型与APF模型构成闭环结构；
S52：对S51建立的等效模型通过仿真测试，即改变PI调节器的参数KP、KI，如果示波器SCOPE中的波形稳定且精度满足要求时，对应的KP、KI就是所求的值。
2.根据权利要求1所述的一种改进型dq旋转坐标系下谐波检测方法，其特征在于：所述软件为在单片机C51或者DSP TMS320F2812中利用C语言实现。
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