基于瞬时功率理论的宽带电力系统误差补偿研究

基于瞬时功率理论的宽带电力系统误差补偿研究

0波补偿的常用方法到目前为止，许多专家和科学家在非线性条件下讨论了系统的各种功率定义，非正波形和不平衡负载。但建立一个概念清晰,对功率计算、谐波补偿和谐波源判定等普遍适用的功率理论仍然令人关注。应用于谐波补偿的有源电力滤波器(APF)的电流检测方法很多,并且一些方法(特别是基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法)得到了实际应用。考虑到APF工作实时性与准确性的要求和电力系统实际运行的特点,期望能全面深入分析现有的功率理论并归纳总结各自的特点,以适应APF在实际应用中的需要。本文详细归纳与总结了三相四线制系统中的传统与改进瞬时功率理论,分析了在零序电压e0和零序电流i0存在与否的多种情况下有功、无功、正序、负序、零序等功率的物理意义及特点,引出了最新的功率定义——基于p-q-r坐标轴的旋转矢量功率,并详尽比较了其与前述两种理论的功率定义,用表格的形式列举出了它们的适用范围及优缺点。1三相四线制系统的瞬时功率理论特性1.1因三相四线制系统含有零线电流,故要在α-β-0坐标下对电压和电流变量进行变换。日本学者赤木泰文等将三相四线制系统中的功率分为3部分,即两个实功率p0、pαβ和虚功率qαβ,其矩阵为[p0pαβqαβ]=[e0000eαeβ0-eβeα][i0iαiβ]‚⎡⎣⎢p0pαβqαβ⎤⎦⎥=⎡⎣⎢e0000eα−eβ0eβeα⎤⎦⎥⎡⎣⎢i0iαiβ⎤⎦⎥‚其中p0=e0i0,为零序电路的瞬时实功率;因eαiα和eβiβ表示一相的瞬时电压与瞬时电流之积生成的瞬时实功率,故pαβ为αβ相的瞬时实功率,单位为W;因eαiβ和eβiα是一相电压与另一相电流之积,故qαβ被定义为αβ相的瞬时虚功率,单位为VA。1.2功率q0、q和q文提出了改进三相四线制系统瞬时功率理论,增加了零相虚功率q0,定义了瞬时实功率p以及瞬时虚功率q0、qα和qβ,如下:[pq0qαqβ]=[e0eαeβ0-eβeαeβ0-e0-eαe00][i0iαiβ]。⎡⎣⎢⎢⎢⎢pq0qαqβ⎤⎦⎥⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎢e00eβ−eαeα−eβ0e0eβeα−e00⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎡⎣⎢i0iαiβ⎤⎦⎥。1.3基础旋转p-q-r坐标系韩国学者HyosungKim等提出了一种新的基于p-q-r坐标系的瞬时功率理论,以α-β-0坐标为基础旋转得到p-q-r坐标系。新坐标系的p轴与空间电压矢量方向重合,其他定义基本与三相四线系统瞬时功率定义相似,当通过补偿瞬时虚功率qr和qq消除电流空间矢量iq和ir时,瞬时视在功率就与瞬时实功率epip相等,从而简化有功电流和无功电流的计算。2在三相四线制系统中，三个瞬时功率理论的分析和比较2.1无储能元件补偿p0、p传统瞬时功率理论中瞬时有功功率和瞬时无功功率定义在时间域,这些定义已应用于三相四线制系统中的谐波/无功电流控制。由该理论可得p0、pαβ、qαβ能独立补偿,但p0和pαβ会互相影响。当补偿电路中无储能元件,欲通过补偿p0消除中性线电流时,调整pαβ使p0+pαβ值保持常量。由于这个原因,pαβ的改变会导致三相线电流发生畸变。无储能元件时中性线电流不可能消除。故电流的控制自由度为2(+),未达到理想的3。2.2瞬时功率补偿改进瞬时功率理论不一定要求α-β-0转换,在a-b-c坐标系中可直接计算瞬时功率。瞬时实功率p和瞬时虚功率qa、qb、qc由电压和电流空间矢量的点乘积和叉乘积形成的瞬时有功/无功功率分别定义,且视在功率s守恒。由uaqa+ubqb+ucqc=0可得,qa、qb、qc线性相关,说明这3个瞬时虚功率中存在着冗余,必须减少到2个线性无关才能控制2个无功电流。当三相四线制系统中存在零序电压分量时,应用改进瞬时功率理论来补偿瞬时虚功率。虽然该理论中存在着4个瞬时功率分量,但电流的控制自由度只有2,原因在于只有p和qabc能独立补偿。2.3p-q-r瞬时功率补偿p-q-r坐标下,电压、电流空间矢量的点乘积和叉乘积分别构成瞬时实功率p和q轴瞬时虚功率qq、r轴瞬时虚功率qr,且s守恒。p-q-r坐标系的瞬时功率理论有明显的物理意义:p轴仅有电流分量(产生p);q轴仅有虚电流分量(产生qr);r轴仅有虚电流分量(产生qq)。故通过补偿qq、qr能分别控制qr电路电流ir、iq。p、qq、qr线性无关,电流的控制自由度达到3。p-q-r瞬时功率理论与改进瞬时功率理论的相同点在于:瞬时实功率都为p=p0+pαβ,而瞬时虚功率都为qabc=√q2a+q2b+q2c=√q2q+q2r=qpqr。qabc=q2a+q2b+q2c−−−−−−−−−−√=q2q+q2r−−−−−−√=qpqr。综上,3种瞬时功率理论的特性见表1。3主电路组成利用MATLAB/SIMULINK对不对称三相四线系统进行仿真。主电路(见图1)负载由一些带阻感负载的三相全桥整流电路和一单相整流桥组成。电源为工频50Hz且含有多次谐波,负载不对称。3种瞬时功率理论的各瞬时功率分量的仿真结果分别见图2、3、4。4瞬时功率补偿通过上述分析与仿真研究,三相四线制系统下的瞬时功率理论有各自的特点,可适用于不同的实际场合,所得结论如下:a)三相四线制系统中,传统瞬时功率理论表明瞬时实功率和虚功率与瞬时有功电流和无功电流相关,但瞬时功率的数学表达式并不满足能量守恒原理。该理论在全局补偿中有优势。b)改进瞬时功率理论定义了1个瞬时实功率和3个瞬时虚功率,它满足能量守恒原理以及通常功率的定义,但这3个虚功率线性