三相电压不对称时谐波与基波有功、无功电流的精确检测方法研究

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xiao_xiao1 发表于 2009/3/18 11:11:14 670 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]

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当三相电压不对称时i_p－i_q检测法会产生误差，本文对i_p－i_q检测法在三相电压不对称时存在的误差进行了分析。之后提出了一种改进的i_p－i_q检测法，在该检测法中用基于低通滤波的A相正序电压提取单元代替原i_p－i_q检测法中的锁相环，以提取A相正序电压。仿真与试验证明在三相电压畸变且不对称时该检测方法仍然能正确地检测出谐波与基波有功、无功电流。
关键词：电力有源滤波器；　谐波；　无功电流

1　前言
　　随着我国经济的不断发展，越来越多的非线性、冲击性负载的投入使用，使得电网的谐波污染日益严重。电网谐波的治理目前主要有LC无源滤波和基于电力电子技术的电力有源滤波器（APF）两种方式。与LC无源滤波器比较，有源滤波器具有反应速度快，能对变化的无功及电网谐波电流实现连续动态的跟踪补偿，滤波特性不受系统阻抗的影响等优势^［1］。为了获得电力有源滤波器控制电路所需的补偿参考电流指令信号，实时检测非线性负载电流中的谐波分量和基波有功、无功分量是技术关键，其准确性将影响到电力有源滤波器的滤波性能。
　　目前，应用于有源滤波器中的补偿参考电流检测方法大致有以下几种。文献［2］提出基于瞬时无功功率理论的p－q法，但该方法只适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测。文献［3］提出基于快速傅立叶变换（FFT）的检测方法，该方法延迟时间长，实时性差。文献［4］提出用小波变换提取基波分量的方法，由于难于构造分频严格、能量集中的小波，其检测精度有待改善^［5］。文献［6］提出自适应电流检测方法，其缺点是动态响应速度慢且不能滤除基波负序电流^［7］。文献［8］提出i_p－i_q检测法，该方法具有较好的实时性，计算量少，更适合电流的快速检测。但当三相电压不对称时，该方法对基波有功、无功电流的检测存在误差。本文在分析i_p－i_q法检测误差的基础上，提出了一种改进的i_p－i_q检测法，该方法在电压三相不对称且畸变的情况下仍能正确检测谐波与基波有功、无功电流。
2　i_p－i_q检测法原理简介

　　i_p－i_q检测法如图1所示。图中e_a为A相电压信号，PPL为锁相环，由锁相环控制其后的正弦、余弦发生电路，产生与A相电压同相位的正弦和余弦信号，以此消除电压畸变对检测精度的影响。对应图1简介i_p－i_q检测法原理。由于在三相电流不对称情况下i_p－i_q法仍然能正确检测到正序基波电流，为了简便起见本文均以三相电流对称为例进行说明。设电网三相瞬时电流i_a、i_b、i_c除基波电流外还包含高次谐波电流，可表示为：

　　式（1）中n＝3 k±1，k为整数，n＝1时为基波，其余为各次谐波。ω为角频率，I_n、φ_n分别为各次电流的有效值及初相角。图1中变换矩阵为：

　　电网三相瞬时电流与矩阵C相乘，得到瞬时有功电流i_p与瞬时无功电流i_q。

i_p、i_q经低通滤波（LPF）后得到

，它们经反变换后得到基波电流i_a1、i_b1、i_c1，

最后，由电网电流减去基波电流i_a1、i_b1、i_c1得到高次谐波电流。

3　三相电压不对称时i_p－i_q检测法误差分析　　
　　当三相电压不对称时，A相电压的初相角与A相正序电压的初相角间存在相位差。i_p－i_q检测法中的锁相环只能提取出A相电压，而不是A相正序电压。现设A相电压的初相角与A相正序电压的初相角间的相位差为θ，进行误差分析。由于存在相位差θ，矩阵C变为：

　　将式（5）与式（12）比较，可见相位差θ的出现，对基波电流的检测没有影响，由于谐波电流由式（6）计算，因此对谐波电流也没有影响。将式（7）、式（8）分别与式（13）、式（14）比较，对于三相基波有功、无功电流，相位差θ的出现使得基波有功、无功电流的幅值和相位都产生了误差。
4　改进的i_p－i_q检测方法
　　由前面误差分析可知，当三相电压不对称时，i_p－i_q检测方法对基波有功、无功电流的检测存在误差。在有源滤波器中，如果要对谐波和无功同时进行补偿，控制电路所需的补偿参考电流由电网电流减去基波有功电流得到，因此，精确检测基波有功电流对有源滤波器具有重要作用。为了精确检测基波有功、无功电流，必须对传统的i_p－i_q检测方法的参考电压提供电路进行改进，使其能够提取出A相正序基波电压e_a1。本文提出了一种改进的i_p－i_q检测方法，其采用了基于低通滤波器的A相正序基波电压提取单元，用以代替传统i_p－i_q检测法中的锁相环单元。基于低通滤波的A相正序基波电压提取单元如图2所示。该单元在三相电压畸变且不对称时，仍然能正确地提取A相正序基波电压e_a1。现分析其工作原理。设电源电压畸变且不对称，即含有高次谐波和负序电压，如式（15）所示。

　　式（15）中下标1 n表示正序，2 n表示负序，当n＝1时表示基波。经过对称分量变换单元T，可提取A相正序电压信号e_an。

式（17）中e_s、e_c分别为：

其中含有直流分量，经低通滤波（LPF）后即可得到它们的直流分量E_s、E_c
最后，由e_a1控制正弦、余弦产生电路，为i_p－i_q检测系统提供与A相正序基波电压同相位的正弦、余弦信号。
　　基于响应速度和滤波效果方面的考虑，A相正序电压提取单元中的LPF采用二阶巴特沃兹（But－terworth）低通滤波器。截止频率为25 Hz，延时为一个工频周期（20 ms）。
5　仿真与试验结果
　　现通过仿真对比研究两种检测方法。在系统仿真中，三相电压畸变且不对称。三相畸变电流如图3所示，其中基波电流幅值为100 A，含20％的5次与7次谐波。分别采用传统的i_p－i_q检测法与本文提出的改进i_p－i_q检测法对三相畸变电流进行检测。仿真结果表明，两种方法检测到的谐波电流相同，如图4所示。图5为三相畸变电流所含有的基波有功、无功电流。图6为两种方法得到的基波有功、无功电流波形，其中虚线为传统的i_p－i_q检测法得到的电流波形，实线为改进的i_p－i_q检测法得到的电流波形。比较图5、图6，可见传统的i_p－i_q检测法检测到的基波有功、无功电流在幅值和相位上都存在误差，而改进的i_p－i_q检测法检测的效果比较理想。仿真结果与理论分析一致。

　　将本文提出的改进i_p－i_q检测法应用于并联型有源滤波器实验系统中。谐波源为三相二极管桥式整流电路。有源滤波器主要由功率电路单元和控制单元构成。功率电路单元是一个PWM逆变器，逆变器中的IGBT采用富士通公司的智能功率模块IPM，该模块额定电压为1200 V，额定电流为50 A。为了调试方便，目前实验系统的控制单元由工控机与研祥公司的818HD工控卡组成。工控机完成检测运算并产生PWM脉冲控制信号，通过工控卡控制IGBT动作。试验的结果如图7所示。图7（a）中为a相和c相电压波形，可见电压不对称且含有高次谐波。

6　结束语
　　i_p－i_q检测法由于其具有电路结构简单，动态响应特性好等优点，在电流有源滤波器中得了一定的应用。但是在三相电压不对称时，基波有功、无功电流的检测存在较大误差。针对这一的缺点，本文提出了改进的i_p－i_q检测方法。仿真和试验结果表明，改进的i_p－i_q检测方法，在电网三相电压畸变且不对称的情况下，仍然能精确地检测谐波和基波有功、无功电流，值得在电力有源滤波系统中推广应用。