一种适用于有源电力滤波器的补偿电流检测新方法

一种适用于有源电力滤波器的补偿电流检测新方法

近年来，能源电子技术快速发展。非线性负荷是由能源电子装置组成的，在能源系统、工业、交通和建筑物中的应用越来越广泛。大量噪音电流被注入电网。谐波电流给供用电设备及电网造成危害,严重时会引发事故,因此抑制谐波是改善电能质量的重要措施。有源电力滤波器(activepowerfilter,APF)是抑制谐波的一个重要手段,它不仅可以对频率和幅值都变化的谐波进行实时跟踪补偿,而且补偿特性不受电网阻抗的影响。对APF而言,谐波检测算法是决定滤波性能好坏的关键因素之一。目前已有多种谐波检测方法,包括基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法、快速傅里叶变换(fastfouriertransform,FFT)算法、基于神经网络的谐波检测方法和基于小波分析的谐波检测方法等。其中,基于瞬时无功功率理论的谐波无功电流检测方法是目前为止最为成熟的一个,就其控制算法而言,p-q检测法和ip-iq检测法简洁明了,实际应用广泛,但是,p-q检测法在电源电压畸变或三相不对称时,谐波的检测精度会受到影响;ip-iq检测法虽然能克服谐波检测精度受电源电压畸变的影响,但是需要锁相环电路,增加了系统的复杂程度,降低了可靠性。FFT算法虽然检测精度高,但需要一个工频周期才能得到补偿信号,其动态性能较差。其他诸如神经网络、小波分析等检测方法,虽然具有较高的稳态检测精度和动态响应速度,但是算法过于复杂,很难应用于实际。本文提出一种谐波无功电流检测方法,从负载电流中分离出基波正序有功电流幅值I1p,再乘以单位幅值的电压波形,得到基波正序有功电流的瞬时值,进而从负载电流中分离出谐波和无功电流分量。1基波正序、负序和零序的基波有限态式谐波与无功电流分量的检测原理如图1所示。设电网三相电压ua、ub和uc正弦对称,即ua=Umsinωtub=Umsin(ωt−120°)uc=Umsin(ωt+120°)(1)ua=Umsinωtub=Umsin(ωt-120°)uc=Umsin(ωt+120°)(1)将负载电流ia、ib和ic表示为基波与谐波电流的分量和ia=ia1+∑k≥2iakib=ib1+∑k≥2ibkic=ic1+∑k≥2ick(2)ia=ia1+∑k≥2iakib=ib1+∑k≥2ibkic=ic1+∑k≥2ick(2)如果三相负载不平衡,可将负载电流分解为正序、负序和零序分量,则基波电流表示为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分别是基波正序、负序、零序分量的幅值;φ1+是基波正序的初始相位;φ1-是基波负序的初始相位;φ10是基波零序的初始相位。谐波电流也分解为正序、负序和零序,k次谐波电流可表示为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分别是k次谐波正序、负序和零序分量的幅值,θk+、θk-、θk0分别是k次谐波正序、负序和零序的初始相位。三相瞬时有功功率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包含一个直流分量和一系列交流分量,直流分量由基波正序分量构成,其值为p¯=32UmI1+cosφ1+(6)p¯=32UmΙ1+cosφ1+(6)交流分量由基波负序分量和谐波分量构成,其中,最低频率为50Hz。因此,瞬时有功功率通过一个低通滤波器(lowpassfilter,LPF)后,可以提取出基波正序有功功率。负载电流的基波正序有功分量的幅值I1p=I1+cosφ1+=2p¯3Um(7)Ι1p=Ι1+cosφ1+=2p¯3Um(7)通常情况下,电源电压的波形正弦度良好,可由式(8)求出三相电压的单位同步信号。如果电源电压存在畸变,则可先利用带通滤波器加以解决。u∗a=uaUmu∗b=ubUmu∗c=ucUm(8)ua*=uaUmub*=ubUmuc*=ucUm(8)于是,进一步得到三相负载电流的谐波与无功分量,再与负载电流与基波有功电流做差,即得到APF的补偿指令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检测算法的模拟2.1负载谐波检测算法仿真PSIM(powersim)是专门用于电力电子系统的仿真软件。利用该软件可以快速地对电力电子装置的模型进行准确、直观、高效的仿真。在仿真模型中,系统电源采用正弦波电压源,线电压幅值为380V,设非线性负载电流波形为方波。仿真模型如图2所示。谐波检测算法的好坏,有两个关键的性能指标。一个是稳态的检测精度,另一个是谐波源负载变化时谐波检测的跟踪速度。为了检验这种谐波检测算法的性能,用PSIM软件对其稳态精度和动态响应速度进行仿真。根据上述,负载谐波与无功电流分量检测的关键在于负载基波正序有功电流i1p的检测性能。因此,下列仿真中主要论述基波正序有功电流分量的稳态检测精度和动态响应速度。2.2i1p和i型酸奶检测方法对谐波电流检测的仿真结果如图3所示,ua为电源A相电压,存在一定畸变;il为负载电流,其初始幅值为100A。为了检验算法的跟踪速度,让负载电流60ms时突变为200A;i1p为负载电流理论上的基波正序有功分量;i*1p为检测出的基波正序有功电流,i*H为检测得到的总谐波电流。因为i*H=il-i*1p,所以i*1p精度的高低直接决定着谐波电流的检测精度。图3中(i*1p-i1p)曲线反映了谐波检测的总体误差,其稳态相对误差不大于1%,动态响应时间小于8ms。2.3基波正序无功分量的检测对无功电流的检测仿真结果如图4所示,负载为纯感性无功负载,在0.04s时刻投入。图中ua为A相的相电压,il为滞后ua90°的纯无功负载电流,幅值为200A;i*1p为检测出的的基波正序有功电流;负载电流理论上的基波正序有功分量i1p为0A。图4中(i*1p-i1p)曲线反映了无功检测的总体误差,动态响应过程中最大相对误差不超过1%。2.4酸奶dp的检测精度谐波与无功电流的综合检测仿真结果如图5所示,ua为电源A相电压,存在一定畸变;il为负载电流,滞后于相电压45°,初始幅值为100A,为了检验算法的跟踪速度,让负载电流60ms时突变为200A;i1p为负载电流理论上的基波正序有功分量;i*1p为检测出的基波正序有功电流,i*H为检测得到的总谐波电流。因为i*H=il-i*1p,所以i*1p精度的高低直接决定着谐波电流的检测精度。图5中(i*1p-i1p))曲线反映了谐波