CN112670993B - 基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法。本发明先将电压向量由三相坐标系进行Clark变换到两相旋转坐标系；再经低通滤波器，滤除二次及以上谐波；引入时间微增量，并进行分解，得到关于α、β坐标系下电压的共轭向量；共轭向量与原向量进行数学变换，得到电压正序基波向量；进行Clark反变换到三相坐标系。通过设计时间微增量分解法中低通滤波器，调节电网电压与负载电流正序基波分量的相位，从而调节有源滤波器输出补偿谐波电流与无功电流的相位，使有源滤波器直接对电网进行补偿，而无需锁相环。本发明不需要锁相环，无需微分等复杂运算，延时小，精度高，可以得到需要补偿的电网电流无功分量与谐波分量。

Description

基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法

技术领域

本发明涉及一种电压电流不平衡且畸变的正序基波分量的提取方法与有源滤波器对电力系统的无功及谐波补偿。

背景技术

目前，电力电子装置在电力系统中的应用越来越广泛，引发了许多电能质量问题，其中最显著的是无功和谐波问题。针对这些电能质量问题，现有的补偿设备有源型电力滤波器(Active power filter，APF)及统一电能质量调节器(Unified power qualityconditioner，UPQC)都需要利用逆变器对电网电压电流正序基波分量进行检测，才能实时有效的补偿谐波、无功。因此，电网电压电流正序基波分量的快速准确的提取对这些电能质量补偿设备是至关重要的。

在无功补偿方面，现有的有源滤波器对电力系统的无功补偿及谐波补偿都需要锁相环来锁定电网电压的相位，使有源滤波器补偿的电网无功电流与电网电压相位相差90°，进行电网电流无功补偿达到单位因数的效果。由于锁相环的引进，使得系统结构和控制法法复杂。

同时，传统同步旋转坐标变换法的具体步骤是将三相电压通过Park变换到同步旋转坐标系下，正序及正序谐波分量会变换为比原分量低一次的分量，负序及负序谐波分量会变换为比原分量高一次的分量，原正序负序基波分量将被分别变换为直流分量及二次谐波分量；再经低通滤波器(LPF)可得到只含正序基波分量的直流分量。该方法不仅需要用到锁相环(PLL)，在系统频率波动和电网电压波形畸变时会产生误差，还需要使用截止频率很低的低通滤波器，具有很高的延时。

现有的二阶广义积分器，用以构建α、β轴90°滞后的向量，再通过变换矩阵直接求得α、β轴下的正序基波分量。二阶广义积分器构建90°滞后的向量时，其滤波器模型是二阶带通滤波器，滤波效果不理想，且当开环增益一定时，其品质因数会随输入信号频率的波动而波动。有方法利用正序基波提取器提取正序基波分量，虽然能够平滑的提取出正序基波分量，但动态响应速度和滤波效果综合性能不佳。

因此，需要改进善上述方法的不足，以解决正序基波分量提取时及有源滤波器控制方法复杂的问题。

发明内容

为了解决正序基波电压提取时，延时高，误差大，提取的波形含谐波等问题，本发明提出了一种无需锁相环、仅需截止频率较高的低通滤波器就可以达到误差小且提取的波形含谐波少的目的。

本发明一种基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法，具体步骤如下：

S1、电压向量由三相坐标系进行Clark变换到两相旋转坐标系；

S2、通过低通滤波器，滤除二次及以上谐波，保留电压正序负序基波分量；

S3、引入时间微增量，并进行分解，得到关于α、β坐标系下电压的共轭向量；

引入时间微增量形式为：

入极小的时间微增量；U_α、U_β分别为经过低通滤波器后此刻α、β轴下的电压向量；U₊、U_-分别为正序、负序基波电压的幅值；

分别为正序负序电压的初相。

分解后得到的α、β坐标系下电压的共轭向量的形式为：

其中，U_α(t-Δt)、U_β(t-Δt)分别为t-Δt时刻电压在α、β轴上投影的值。

S4、由步骤S3所得α、β坐标系下电压的共轭向量与原向量进行一次数学变换，得到电压正序基波向量；

变换方程为：

S5、电压向量由两相旋转坐标系进行Clark反变换到三相坐标系。

S6、负载电流正序基波分量与实际负载电流作差得出负载电流谐波分量，通过低通滤波器一，调节负载电流正序基波分量的相位，从而调节有源滤波器输出的补偿谐波电流的相位与实际负载电流谐波的相位相同；

S7、通过设计电网电压的时间微增量分解低通滤波器二，调节电网电压正序基波分量的相位，从而调节有源滤波器输出补偿无功电流的相位与实际电网无功电流相位相同，并利用瞬时无功功率理论求得负载电流无功分量；

S8、有源滤波器直流侧电压通过PI控制，PI控制的输出加入到电网有功电流上，使直流侧电容与电网发生能量互换，稳定直流侧电压。

作为本发明进一步的改进，所述步骤S4中，作为本发明进一步的改进，所述步骤S6中，通过中低通滤波器一，使滤波器输入量与输出量的相位差为360°，即所得负载电流正序基波分量与实际负载电流相位相差360°，在旋转α、β坐标系下，负载电流向量与负载电流正序基波分量重合。

作为本发明进一步的改进，所述步骤S7中，通过设计低通滤波器二，使滤波器输入量与输出量的相位差为90°，即所得电网电压正序基波分量与实际电网电压相位相差90°，在旋转α、β坐标系下，电网电压向量超前电网电压正序基波分量90°。

作为本发明进一步的改进，所述步骤S7中，有源滤波器输出无功电流在α、β坐标系下的分量为：

其中，i_qα、i_qβ为有源滤波器实际补偿无功电流在α、β坐标系下的分量，i_α+、i_β+分别为负载电流在α、β轴上正序基波分量。

作为本发明进一步的改进，所述步骤S8中，有源滤波器直流侧电压通过PI控制，得到一个电流调节信号Δi_p，将Δi_p以电网有功电流的相位在旋转α、β坐标系下分解，其表达式为：

再经过反Clark变换到三相坐标系下，作为有源滤波器输出电流的有功电流参考值。

本发明的正序基波分量提取的方法，不需要锁相环，且所使用的低通滤波器截止频率较高，无需微分等复杂运算，延时小，精度高。在有源滤波器的对电网电流的无功补偿及谐波补偿上，无需锁相环且仅需要简单的计算就可以得到需要补偿的电网电流无功分量与谐波分量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1为电网电压不平衡且畸变时，正序基波分量提取方法的算法流程图。

图2为电网电压、电网电压正序基波分量、负载电流与负载电流正序基波分量在α、β坐标系下向量图。其中U_S、I_L分别为电网电压和负载电流；U_S1、I_L1分别为电网电压正序基波分量和负载电流正序基波分量；i_p1、i_q1分别为电网电压正序基波分量和负载电流正序基波分量根据瞬时无功功率理论计算得出的电网有功电流与无功电流。

图3为有源滤波器补偿电网电流无功分量和谐波的结构框图。其中，i_ha、i_hb、i_hc为需要补偿的谐波电流，i_ca、i_cb、i_cc为有源滤波器输出参考电流；U_dc为有源滤波器直流侧电容电压，U_{dc_ref}为直流侧参考电压值，ΔU_dc为直流侧电压实际值与参考值的差值；Δi_p为PI输出的电流调节信号，Δi_pα、Δi_pβ为电流调节信号在α、β坐标系下的分量，Δi_pa、Δi_pb、Δi_pc为有源滤波器输出补偿电网有功电流参考信号。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细解释说明。

本发明适用于对不平衡且畸变的电网电压和电流的正序基波提取，根据附图结构的流程图，其具体步骤如下：

S1、电压向量由三相坐标系进行Clark变换到两相旋转坐标系；

S2、通过低通滤波器一，滤除二次及以上谐波，保留电压正序负序基波分量；

S3、引入时间微增量，并进行分解，得到关于α、β坐标系下电压的共轭向量；

S4、由步骤S3所得α、β坐标系下电压的共轭向量与原向量进行一次数学变换，得到电压正序基波向量；

S5、电压向量由两相旋转坐标系进行Clark反变换到三相坐标系。

系统为三相三线制，且含有不平衡且畸变，三相电压可以表示为：

其中，U₊、U_-、U_h分别为正序、负序及h次谐波电压的幅值；

分别为正序、负序及h次谐波电压的初；ω为电网典雅且角频率。经过Clark变换到两相静止α、β坐标系下：

步骤S2中经过低通滤波器滤除2次及以上的高次谐波，得到含有正序和负序的基波分量：

步骤S3引入极小的时间微增量Δt：

通过三角函数分解，式(4)中α轴分量可以表示为：

其中，U_α(t-Δt)为t-Δt时刻电压在α轴上的投影的值；

步骤S4得到的β轴电压共轭向量为：

式(4)中，β轴分量可以表示为：

其中，U_β(t-Δt)为t-Δt时刻电压在α轴上的投影的值；

步骤S4得到的α轴电压共轭向量为：

结合式(8)和式(11)，做如下变换：

步骤S4分离出α、β轴上基波正序分量为：

再经过Clark反变换即可得到三相坐标系下正序基波分量。

三相电压分量经过截止频率较高的低通滤波器后，再经过式(3)-(11)的变换分解可得到电压在α、β轴上的共轭向量U^＊ _α、U^＊ _β，再经过式(12)的数学变换即可得到式(13)α、β轴上的电压正序基波分量。其算法流程图如图1所示。

负载电流正序基波分量同电网电压正序基波分量提取方法相同。由于低通滤波器的延时作用，所得到的负载电流正序基波分量与电网电压正序基波分量和负载电流与电网电压的实际相位不同，经过瞬时无功功率理论计算出的电网电流无功分量与实际电网电流无功分量的相位也不同。为了在无锁相环的条件下，有源滤波器能准确输出补偿的电网电流无功分量，需要准确计算电网电流无功分量的相位。

为了简化系统结构与计算方便，在负载电流正序基波分量同电网电压正序基波分量提取的低通滤波器上，可以设计的更加方便计算。即在负载电流正序基波分量提取的低通滤波器的设计上，在电网频率50Hz的前提下，使滤波器输入量与输出量的相位差为360°，即所得负载电流正序基波分量与实际负载电流相位相差360°，在旋转α、β坐标系下，负载电流向量与负载电流正序基波分量重合。在电网电压正序基波分量提取的低通滤波器二上，使滤波器输入量与输出量的相位差为90°，即所得电网电压正序基波分量与实际电网电压相位相差90°，在旋转α、β坐标系下，电网电压向量超前电网电压正序基波分量90°。其向量图如图2所示。

此时，在有源滤波器的输出的补偿谐波上，只需要实际负载电流减去负载正序基波分量即可得到，无需额外的计算与锁相环的参与。

在有源滤波器的输出的电网电流无功补偿分量上，由瞬时无功功率理论得出以负载电流正序基波分量与电网电压正序基波分量为参考的有功电流i_p1、与无功电流i_q1。由图二向量图所示，实际电网电流无功分量是以实际电网电压正序基波分量与实际负载电流正序基波分量为参考的，实际电网电流无功分量i_q与i_p1大小相同、相位相同。

在旋转α、β坐标系下，由瞬时无功理论可得：

经过瞬时无功功率理论得出的以电网电压正序基波分量和负载电流为参考的无功电流和有功电流分量分别为：

由于实际电网电流无功分量i_q与i_p1大小相同、相位相同，那么：

再计算电网电流无功分量在α、β坐标系的分量：

再经过Clark反变换即可得到三相坐标系下有源滤波器需要补偿的电网电流无功分量。对于有源滤波器的直流电容电压，采用PI控制。将直流电压与参考电压差值通过PI控制，加入到电网电流有功分量上，使直流电容与电网能量互换来平衡直流电容电压。直流电压与参考电压差值通过PI控制得到的电流调节分量为Δi_p，以实际电网电压正序基波分量为参考(超前电网电压正序基波分量90°)，其在旋转α、β坐标系下的分量为：

再经过C1ark反变换即可得到三相坐标系下有源滤波器补偿电网电流有功分量参考值。

因此只需要简单的计算就可以得出有源滤波器的输出的电网电流无功补偿分量，而不需要使用锁相环，使系统结构简单、计算方便。

本发明的正序基波分量提取的方法，不需要锁相环，且所使用的低通滤波器截止频率较高，无需微分等复杂运算，延时小，精度高。在有源滤波器的对电网电流的无功补偿及谐波补偿上，无需锁相环且仅需要简单的计算就可以得到需要补偿的电网电流无功分量与谐波分量。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、电压向量由三相坐标系进行Clark变换到两相旋转坐标系；

S2、通过低通滤波器，滤除二次及以上谐波，保留电压正序负序基波分量；

S3、引入时间微增量，并进行分解，得到关于α、β坐标系下电压的共轭向量；引入时间微增量到α、β坐标系下的形式为：

其中，U_α、U_β分别为电压向量在α、β坐标系下滤除二次及以上的谐波后在t时刻α、β轴上的电压向量；Δt为引入极小的时间微增量；ω为电网旋转角频率；U+、U-分别为正序、负序基波电压的幅值；

分别为正序、负序电压的初相；

S4、由步骤S3所得α、β坐标系下电压的共轭向量与原向量进行变换，得到电压正序基波向量，变换方程为：

其中U_α+、U_β+分别为电压在α、β轴上正序基波分量，分解后得到的α、β坐标系下电压的共轭向量的形式为：

其中，U_α*、U_β* 分别为α、β坐标系下电压的共轭向量，U_α(t-Δt)、U_β(t-Δt)分别为t-Δt时刻电压在α、β轴上的电压向量；

S5、电压向量由两相旋转坐标系进行Clark反变换到三相坐标系；

S6、负载电流正序基波分量与实际负载电流作差得出负载电流谐波分量，通过低通滤波器一，调节负载电流正序基波分量的相位，从而调节有源滤波器输出的补偿谐波电流的相位与实际负载电流谐波的相位相同；

S7、通过设计电网电压的时间微增量分解低通滤波器二，调节电网电压正序基波分量的相位，从而调节有源滤波器输出补偿无功电流的相位与实际电网无功电流相位相同，并利用瞬时无功功率理论求得负载电流无功分量；

S8、有源滤波器直流侧电压通过PI控制，PI控制的输出加入到电网有功电流上，使直流侧电容与电网发生能量互换，稳定直流侧电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法，其特征在于：所述步骤S6中，设计的低通滤波器一，使低通滤波器输入量与输出量的相位差为360°，即所得负载电流正序基波分量与实际负载电流相位相差360°，在旋转α、β坐标系下，负载电流向量与负载电流正序基波分量重合。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法，其特征在于：所述步骤S7中，通过低通滤波器二，使低通滤波器输入量与输出量的相位差为90°，即所得电网电压正序基波分量与实际电网电压相位相差90°，在旋转α、β坐标系下，电网电压向量超前电网电压正序基波分量90°。

4.根据权利要求1所述的一种基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法，其特征在于：所述步骤S7中，有源滤波器输出无功电流在α、β坐标系下的分量为：

其中，i_qα、i_qβ为有源滤波器实际补偿无功电流在α、β坐标系下的分量，i_α+、i_β+分别为负载电流在α、β轴上正序基波分量。

5.根据权利要求1所述的一种基于时间微增量分解的有源滤波器无功与谐波补偿方法，其特征在于：所述步骤S8中，有源滤波器直流侧电压通过PI控制，得到电流调节信号Δi_p，将Δi_p以电网有功电流的相位在旋转α、β坐标系下分解，其表达式为：

再经过反Clark变换到三相坐标系下，作为有源滤波器输出电流的有功电流参考值。

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