一種適用于有源電力濾波器的補償電流檢測新方法

一種適用于有源電力濾波器的補償電流檢測新方法

近年來，能源電子技術快速發(fā)展。非線性負荷是由能源電子裝置組成的，在能源系統(tǒng)、工業(yè)、交通和建筑物中的應用越來越廣泛。大量噪音電流被注入電網(wǎng)。諧波電流給供用電設備及電網(wǎng)造成危害,嚴重時會引發(fā)事故,因此抑制諧波是改善電能質量的重要措施。有源電力濾波器(activepowerfilter,APF)是抑制諧波的一個重要手段,它不僅可以對頻率和幅值都變化的諧波進行實時跟蹤補償,而且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。對APF而言,諧波檢測算法是決定濾波性能好壞的關鍵因素之一。目前已有多種諧波檢測方法,包括基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法、快速傅里葉變換(fastfouriertransform,FFT)算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波檢測方法和基于小波分析的諧波檢測方法等。其中,基于瞬時無功功率理論的諧波無功電流檢測方法是目前為止最為成熟的一個,就其控制算法而言,p-q檢測法和ip-iq檢測法簡潔明了,實際應用廣泛,但是,p-q檢測法在電源電壓畸變或三相不對稱時,諧波的檢測精度會受到影響;ip-iq檢測法雖然能克服諧波檢測精度受電源電壓畸變的影響,但是需要鎖相環(huán)電路,增加了系統(tǒng)的復雜程度,降低了可靠性。FFT算法雖然檢測精度高,但需要一個工頻周期才能得到補償信號,其動態(tài)性能較差。其他諸如神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析等檢測方法,雖然具有較高的穩(wěn)態(tài)檢測精度和動態(tài)響應速度,但是算法過于復雜,很難應用于實際。本文提出一種諧波無功電流檢測方法,從負載電流中分離出基波正序有功電流幅值I1p,再乘以單位幅值的電壓波形,得到基波正序有功電流的瞬時值,進而從負載電流中分離出諧波和無功電流分量。1基波正序、負序和零序的基波有限態(tài)式諧波與無功電流分量的檢測原理如圖1所示。設電網(wǎng)三相電壓ua、ub和uc正弦對稱,即ua=Umsinωtub=Umsin(ωt?120°)uc=Umsin(ωt+120°)(1)ua=Umsinωtub=Umsin(ωt-120°)uc=Umsin(ωt+120°)(1)將負載電流ia、ib和ic表示為基波與諧波電流的分量和ia=ia1+∑k≥2iakib=ib1+∑k≥2ibkic=ic1+∑k≥2ick(2)ia=ia1+∑k≥2iakib=ib1+∑k≥2ibkic=ic1+∑k≥2ick(2)如果三相負載不平衡,可將負載電流分解為正序、負序和零序分量,則基波電流表示為ia1=I1+sin(ωt?φ1+)+I1?sin(ωt+φ1?)+I10sin(ωt?φ10)ib1=I1+sin(ωt?φ1+?120°)+I1?sin(ωt+φ1?+120°)+I10sin(ωt?φ10)ic1=I1+sin(ωt?φ1++120°)+I1?sin(ωt+φ1??120°)+I10sin(ωt?φ10)(3)ia1=Ι1+sin(ωt-φ1+)+Ι1-sin(ωt+φ1-)+Ι10sin(ωt-φ10)ib1=Ι1+sin(ωt-φ1+-120°)+Ι1-sin(ωt+φ1-+120°)+Ι10sin(ωt-φ10)ic1=Ι1+sin(ωt-φ1++120°)+Ι1-sin(ωt+φ1--120°)+Ι10sin(ωt-φ10)(3)式中I1+、I1-、I10分別是基波正序、負序、零序分量的幅值;φ1+是基波正序的初始相位;φ1-是基波負序的初始相位;φ10是基波零序的初始相位。諧波電流也分解為正序、負序和零序,k次諧波電流可表示為iak=Ik+sin(kωt?θk+)+Ik?sin(kωt+θk?)+Ik0sin(kωt?θk0)ibk=Ik+sin(kωt?θk+?120°)+Ik?sin(kωt+θk?+120°)+Ik0sin(kωt?θk0)ick=Ik+sin(kωt?θk++120°)+Ik?sin(kωt+θk??120°)+Ik0sin(kωt?θk0)(4)iak=Ιk+sin(kωt-θk+)+Ιk-sin(kωt+θk-)+Ιk0sin(kωt-θk0)ibk=Ιk+sin(kωt-θk+-120°)+Ιk-sin(kωt+θk-+120°)+Ιk0sin(kωt-θk0)ick=Ιk+sin(kωt-θk++120°)+Ιk-sin(kωt+θk--120°)+Ιk0sin(kωt-θk0)(4)式中Ik+、Ik-、Ik0分別是k次諧波正序、負序和零序分量的幅值,θk+、θk-、θk0分別是k次諧波正序、負序和零序的初始相位。三相瞬時有功功率p=uaia+ubib+ucic=32UmI1+cosφ?32UmI1?cos(2ωt+φ1?)?∑k≥2{32UmI1+cos[(k?1)ωt+θk+]?32UmI1?cos[(k+1)ωt+θk?]}(5)p=uaia+ubib+ucic=32UmΙ1+cosφ-32UmΙ1-cos(2ωt+φ1-)?∑k≥2{32UmΙ1+cos[(k-1)ωt+θk+]-32UmΙ1-cos[(k+1)ωt+θk-]}(5)式中:p包含一個直流分量和一系列交流分量,直流分量由基波正序分量構成,其值為pˉ=32UmI1+cosφ1+(6)pˉ=32UmΙ1+cosφ1+(6)交流分量由基波負序分量和諧波分量構成,其中,最低頻率為50Hz。因此,瞬時有功功率通過一個低通濾波器(lowpassfilter,LPF)后,可以提取出基波正序有功功率。負載電流的基波正序有功分量的幅值I1p=I1+cosφ1+=2pˉ3Um(7)Ι1p=Ι1+cosφ1+=2pˉ3Um(7)通常情況下,電源電壓的波形正弦度良好,可由式(8)求出三相電壓的單位同步信號。如果電源電壓存在畸變,則可先利用帶通濾波器加以解決。u?a=uaUmu?b=ubUmu?c=ucUm(8)ua*=uaUmub*=ubUmuc*=ucUm(8)于是,進一步得到三相負載電流的諧波與無功分量,再與負載電流與基波有功電流做差,即得到APF的補償指令i?c.a=ia?i?a1=ia?I1pu?ai?c.b=ib?i?b1=ib?I1pu?bi?c.c=ic?i?c1=ic?I1pu?c(9)ic.a*=ia-ia1*=ia-Ι1pua*ic.b*=ib-ib1*=ib-Ι1pub*ic.c*=ic-ic1*=ic-Ι1puc*(9)2檢測算法的模擬2.1負載諧波檢測算法仿真PSIM(powersim)是專門用于電力電子系統(tǒng)的仿真軟件。利用該軟件可以快速地對電力電子裝置的模型進行準確、直觀、高效的仿真。在仿真模型中,系統(tǒng)電源采用正弦波電壓源,線電壓幅值為380V,設非線性負載電流波形為方波。仿真模型如圖2所示。諧波檢測算法的好壞,有兩個關鍵的性能指標。一個是穩(wěn)態(tài)的檢測精度,另一個是諧波源負載變化時諧波檢測的跟蹤速度。為了檢驗這種諧波檢測算法的性能,用PSIM軟件對其穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應速度進行仿真。根據(jù)上述,負載諧波與無功電流分量檢測的關鍵在于負載基波正序有功電流i1p的檢測性能。因此,下列仿真中主要論述基波正序有功電流分量的穩(wěn)態(tài)檢測精度和動態(tài)響應速度。2.2i1p和i型酸奶檢測方法對諧波電流檢測的仿真結果如圖3所示,ua為電源A相電壓,存在一定畸變;il為負載電流,其初始幅值為100A。為了檢驗算法的跟蹤速度,讓負載電流60ms時突變?yōu)?00A;i1p為負載電流理論上的基波正序有功分量;i*1p為檢測出的基波正序有功電流,i*H為檢測得到的總諧波電流。因為i*H=il-i*1p,所以i*1p精度的高低直接決定著諧波電流的檢測精度。圖3中(i*1p-i1p)曲線反映了諧波檢測的總體誤差,其穩(wěn)態(tài)相對誤差不大于1%,動態(tài)響應時間小于8ms。2.3基波正序無功分量的檢測對無功電流的檢測仿真結果如圖4所示,負載為純感性無功負載,在0.04s時刻投入。圖中ua為A相的相電壓,il為滯后ua90°的純無功負載電流,幅值為200A;i*1p為檢測出的的基波正序有功電流;負載電流理論上的基波正序有功分量i1p為0A。圖4中(i*1p-i1p)曲線反映了無功檢測的總體誤差,動態(tài)響應過程中最大相對誤差不超過1%。2.4酸奶dp的檢測精度諧波與無功電流的綜合檢測仿真結果如圖5所示,ua為電源A相電壓,存在一定畸變;il為負載電流,滯后于相電壓45°,初始幅值為100A,為了檢驗算法的跟蹤速度,讓負載電流60ms時突變?yōu)?00A;i1p為負載電流理論上的基波正序有功分量;i*1p為檢測出的基波正序有功電流,i*H為檢測得到的總諧波電流。因為i*H=il-i*1p,所以i*1p精度的高低直接決定著諧波電流的檢測精度。圖5中(i*1p-i1p))曲線反映了諧波