基于锁相环鉴相部分与包装变换的谐波检测方法

基于锁相环鉴相部分与包装变换的谐波检测方法

0锁相环调节信号输出1983年，赤木泰文提出了三相电路的实时无效率理论。此后，经过不断改进和形成了基于该理论的p-q、ip-q和id-q波检测算法。传统的id-iq法采用单相锁相环得到电压基准信号,克服了p-q法中电压畸变影响检测精度的问题,但为提高单相锁相环的精度和抗扰动能力,通常需要预先构造出两相以完成鉴相,增加了锁相环的运算复杂度,此外,由于单相锁相环对输入信号不能进行对称分量分解,因此,当三相电压不对称时,单相锁相环的输出存在误差。基于广义积分器的基波正序提取器虽然结构简单,但也存在检测精度和快速性不能兼顾的问题。本文在id-iq法和基于同步坐标变换的三相锁相环的基础上,提出了将锁相环的鉴相环节与电流运算中的Park变换相结合,并以Park变换后的d轴输出作为锁相环调节信号输入的新型谐波检测方法。该方法的特点在于锁相环的鉴相部分与电流运算通道的Park变换同时完成,当锁相环完成跟踪时,Park变换后的q轴输出就代表三相电流中的基波正序分量。三相锁相环由于坐标变换的存在使得零序分量被剔除,基波负序分量和高次谐波仍为交流量,通过在Park变换的输出设置低通滤波可以提高整个系统的检测精度,从而使系统不受输入信号不对称的影响。通过理论分析、MATLAB仿真以及实验,验证了该方法的正确性和优越性。1基于积分原理的新型谐波治理算法以三相电压作为输入信号的基于同步坐标变换的三相锁相环原理如图1所示。当锁相环输出信号的频率和相位与eα、eβ同步时ed为零,有偏差时ed则表现为直流偏移量,这里通过PI调节器完成锁相。实际系统中由于电压畸变的存在,使得锁相环的输出信号中含有高频成分,为此可在调节器之前加入低通滤波环节以提高锁相环的精度。本文在保证锁相环精度的同时,为提高系统的反应速度,采用基于积分原理的滑动窗口法来滤除频率为基波频率整数倍的高次谐波,该方法可在电源电压发生突变后最多在一个基波周期内完成跟踪。当以三相电流作为锁相环的输入,并将锁相环与电流运算中的3/2变换和Park变换相结合,得到新型谐波检测算法如图2所示。若图2中三相电流表达式为:式中下标1为正序分量,2为负序分量,0为零序分量。将式(1)进行3/2变换和同步坐标变换可得:由式(2)可知,当φ11=φ,则有:根据式(3)、(4)可知当锁相环输出的sin(ωt+φ)、cos(ωt+φ)与iα、iβ同步时,id中仅含有交流分量,iq中则为直流分量和交流分量的叠加;未完成锁相时,id和iq中均含有直流分量量和交流分量。当φ11=φ不满足时,id为直流分量和交流分量的叠加,若以id作为锁相环的输入,由锁相环锁定输出的sin(ωt+φ)、cos(ωt+φ)作为Park变换的基准信号,当锁相环完成锁定时,iq中的直流分量所代表的则是基波正序分量。式(3)经过低通滤波器和反变换便可得到三相基波正序电流分量,与ia、ib、ic相减可得到谐波分量。2与传统基波正序提取器的比较本文采用MATLAB对上述理论进行仿真验证,非线性负载回路为采用三相桥式不控整流桥带纯电阻负载的典型谐波源。仿真参数为:相电压有效值15V,负载电阻RL=10Ω,突加负载电阻RX=25Ω,不平衡电阻R0=10Ω,整流桥进线电感L=0.1mH。在本文中为提高系统的反应速度并方便编程,在图2中的低通滤波器也采用基于积分原理的滑动窗口法来滤除频率为基波频率整数倍的高次谐波。当相电压频率为50Hz和50.5Hz时仿真得到的负载电流畸变率和基波幅值如表1所示。相电压频率为50Hz时,新型谐波检测算法、传统id-iq法和基于广义积分器的基波正序提取器的检测结果如表2所示。由表2可以看出,在同等条件下,新方法提取的基波正序电流的畸变率以及三相的平衡度,均好于采用广义积分器的基波正序提取结果,检测精度不亚于传统id-iq法。相电压频率为50.5Hz时仿真得到三种方法的谐波检测结果如表3所示。由表3可知,在频率发生波动时新方法提取的基波正序电流的畸变率和三相平衡度依然好于广义积分器和传统id-iq。当相电压频率为50Hz时在0.25s发生负载突变,二者的动态性能仿真结果如图3所示。由图3可以看出,当负载突变后采用积分原理滤波的新方法的调整过程仅需要半个基波周期,运算快速性要好于广义积分器,虽然通过调整广义积分器的K值可以获得较快的运算速度,但同时检测效果会因K值的增大而变差。当传统id-iq法与新型谐波检测算法采用相同的低通滤波器结构时,二者的动态性能相同。本文为充分验证新方法的优越性和实用性,在CCS中分别对新方法和采用相同锁相原理的传统id-iq法以及基于广义积分器的基波正序提取器的谐波检测算法进行编程,并对从3/2变换开始到提取出基波正序电流分量之间的运算时间进行比较,结果如表4所示。根据表4可以看出,基于瞬时无功功率的谐波检测新方法在DSP上的运行周期小于广义积分器和传统id-iq法,与前面理论分析结果相同。综合前面分析可知,基于瞬时无功功率理论的谐波检测新方法,在理论分析和实验上均好于基于广义积分器基波正序提取器的谐波检测算法,其算法的运算量低于传统id-iq法。3基波正序电流的畸变率实验平台参数为,负载电阻16Ω,不对称负载电阻12Ω,DSP系统采样频率为5kHz,整流桥进线电感0.1mH。三相负载电流波形如图4所示,三相相电压、相电流的基波有效值和相电流的畸变率如表5所示。采用新型谐波检测算法、广义积分器和id-iq新方法检测得到的基波正序电流的畸变率如表6所示。可以看出,新型谐波检测算法得到的基波正序电流的畸变率以及三相平衡度都要好于广义积分器,与传统id-iq效果相同,新型谐波检测算法和广义积分器提取出的基波正序电流波形如图5所示。根据以上实验结果可知,采用基于瞬时无功功率理论的新型谐波检测方法可以得到较好的检测效果,其运算量和算法复杂度都要比基于广义积分器的基波正序提取器以及传统id、iq法要小,因此该方法在谐波提取方面具有实用意义。4新型谐波检测算法的特点本文是在基于瞬时无功功率理论的id-iq法的基础之上,提出了一种将谐波检测当中锁相环的鉴相环节与电流运算中的Park变换相结合的新型谐波检测算法,