CN104022510A - 快速准确检测指令信号的电能质量调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明的快速准确检测指令信号的电能质量调节方法，一是利用串联侧APF所得到的三相基波电压分量一方面实现加载到负载上的电源电压为标准正弦波的目的，改善电压质量，另一方面还为并联侧APF提供电源电流指令信号i_Lp的相位信息，二是基于检测电源电流波形偏差Δi的并联侧APF的控制方案，输出补偿电流Δi_c和电网电流中的无功分量将谐波分量相互抵消后可以改善电网电流的波形。串联侧有源滤波器得到的三相基波电压分量不受电网电压波动的影响，因而该方法消除了电网电压波动的干扰，避免了使用传感器对检测精度造成的不利影响，从而改善并联侧APF指令信号检测的准确性和实时性，也减少了并联侧传感器的用量，降低了设备的成本。

Description

快速准确检测指令信号的电能质量调节方法

技术领域

本发明涉及电网，具体是电网电力电子设备和装置及方法，更具体是快速准确检测指令信号的电能质量调节方法。

背景技术

随着科学技术的发展进步，社会的电气化、信息化程度不断提高，一方面，现代电力电子技术快速发展，各种非线性负荷和具有非线性特征的电力电子设备和装置在电力***和电力用户中大量应用，如变频调速器、晶闸管变流设备、开关电源、家用电器等的广泛应用，向电网中引入严重的谐波污染，以及电力机车、轧钢设备等大型用电设备的使用，还会使电力***产生电压下跌或上升、电压波动的现象，这些问题导致电能质量恶化；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备的不断普及，如精密实验仪器、高精度生产过程的自动控制设备、高性能的家用电器和办公设备等，对电能质量提出的要求越来越高。因此，改善电网电能质量，解决电力***和电力用户供需双方矛盾的要求日益迫切。

电流谐波和各种电压瞬时扰动是电网中最常出现的两类问题，通常针对电流谐波使用并联有源滤波器对其进行抑制，而对于电压质量问题，包括电网电压谐波及电压瞬时波动，则常常需要依靠串联有源滤波器解决，然而两种有源滤波器(APF)都存在功能单一的缺点，而电力***中的电能质量问题往往呈现出多样性和复杂性，当各种电压电流质量问题同时存在并且加上其他形式的干扰时，功能单一的有源滤波器就不能很好地改善电能质量了，例如，对于同一配电母线上既有电压敏感负荷，又有非线性负荷，还有冲击负荷的情况下，就需要同时安装电压补偿器和电流补偿器。若针对每一种电能质量问题都分别采取一种类型的调节器，这样多种装置同时使用将会大大增加治理措施的成本，还会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合的问题，影响联合运行的可靠性，既不经济，也不现实。于是，对能够同时解决多种电能质量问题的装置的研究便由此产生，即多功能电能质量调节器。在这种***中，并联侧有源滤波器(PAPF)和串联侧有源滤波器(SAPF)，通过公共的直流母线组合到一起，既能补偿负载引起的谐波、无功电流等问题，又能补偿电源电压骤升、骤降、不对称、闪变、波动等电能质量问题，是一种具有综合功能的电能质量调节器。

多功能电能质量调节器是串、并联型APF的组合，调节器采用三相三线制左串右并的形式连接，串联侧APF通过变压器与主线路连接，滤除电网电压谐波和抑制电源电压的波动；并联侧APF滤除负载电流谐波和改善功率因数。然后目前多功能电能质量调节器的研究还处在实验阶段，制约其发展的一个关键因素是如何能够准确快速地检测出电压电流指令信号。由于对指令信号的检测是多功能电能质量调节器可靠工作的先决条件，检测方法的快速性和准确性直接关系到补偿效果的好坏，而现有的指令信号检测方法大多需要进行复杂的坐标变换，存在运算量较大、实时性不好和难以实现的问题，并且当供电电压存在波动时检测精度容易受到影响，同时，需要使用大量的传感器对电压电流进行检测，导致调节器的补偿精度受到影响，这些因素都制约了电能质量的调节效果。

一些常见的应用在多功能电能质量调节器并联侧指令信号检测方法主要包括基于Fryze功率定义的分析方法、傅立叶变换分析法、瞬时无功功率法、自适应干扰对消方法和小波变换法。基于Fryze功率定义的分析方法，计算较简单，但无法适用于供电电压存在波动的场合；DFT和FFT等傅立叶变换分析法，可以对电压电流中存在的谐波分量进行分离，但运算量大、实时性差；自适应干扰对消方法在电压存在波动和干扰时也具有较好的能力，缺点是动态响应速度较慢；小波变换分析法特别适用于电压电流信号受瞬时扰动影响发生突变的情况，但其对谐波检测实时性和准确性均有待改善；传统的基于瞬时无功功率理论的α-β变换方法，具有易于实现的特点，但是需要进行复杂的坐标变换，存在运算量较大、实时性不好的问题，并且当供电电压存在波动时精度容易受影响，制约了其发展。

发明内容

针对目前多功能电能质量调节器所使用指令信号检测算法普遍存在运算量较大、实时性不好，以及在供电电压存在波动时精度容易受影响的问题，本方面的目的是对多功能电能质量调节器并联侧指令信号检测方法进行优化，提出一种快速准确检测指令信号的电能质量调节方法。

本发明的快速准确检测指令信号的电能质量调节方法，首先按照下述方法改进多功能电能质量调节器：

在串联侧APF中，电压指令信号运算模块连接电压跟踪控制模块，电压跟踪控制模块接入串联侧三相电压源逆变器D1；

电压指令信号运算模块中，锁相环连接标准正弦发生器，标准正弦发生器接入运算芯片，运算芯片连接低通滤波器，低通滤波器的输出再接入运算芯片，运算芯片的一路输出接入并联侧APF中的电流谐波补偿信号产生模块，另一路输出接入电压跟踪控制模块；

在并联侧APF中，电流谐波补偿信号产生模块连接电流跟踪控制模块，电流跟踪控制模块中的滞环比较器接入并联侧三相电压源逆变器D2；

串联侧三相电压源逆变器D1的直流侧与并联侧三相电压源逆变器D2的直流侧均接入储能电容C，储能电容C接入并联侧APF中的电流谐波补偿信号产生模块中的PID控制器；

然后，使用上述改造好的多功能电能质量调节器进行电能质量调节。

本发明中，当运算芯片不是能直接通过硬件来进行运算的运算芯片时，需要编写并安装用于电压指令信号运算的运算程序。

串联侧APF中的电压指令信号运算模块中的运算包括：对三相电源电压信号先进行C₃₂矩阵坐标变换及之后的矩阵C运算，和经过低通滤波后的矩阵C^-1运算及之后矩阵运算，

其中， $\begin{array}{cc}{C}_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)& \end{array}C=\left(\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right)$

矩阵C^-1为C的逆阵，矩阵为C₃₂的转置矩阵。

在进行电能质量调节时，上述改造好的多功能电能质量调节器与电网连接的方式是：串联侧三相电压源逆变器D1的交流输出分别经过三相滤波电感l₁后，接在星型连接的三相耦合变压器Tr的原边，三相耦合变压器Tr的三个副边分别串联在三相***中的电源和负载之间的线路上，并联侧三相电压源逆变器D2的交流输出分别经过三相滤波电感l₂后，直接连接到电网上。

本发明的电能质量调节方法，有两个关键点，一是利用串联侧APF所得到的三相基波电压分量为并联侧APF提供电源电流指令信号i_Lp的相位信息，二是基于检测电源电流波形偏差Δi的并联侧APF的控制方案。

本发明中的串联侧APF的功能主要作用有两个：1、抑制电网电压谐波和补偿电网电压波动；2、为并联侧提供电网基波电压分量的相位信息。

对需要安装运算程序才能进行运算的芯片，首先在串联侧APF中的电压指令信号运算模块中安装运算程序，运算芯片就可以按照程序进行运算。如果是不需要安装运算程序而直接通过硬件来进行运算的芯片，则省去这一步。串联侧APF将检测到的三相电源电压信号(u_sa，u_sb，u_sc)输入电压指令信号运算模块，经过处理和运算后得到三相基波电压信号u_afu_bfu_cf，这三个基波电压分量一方面输入并联侧APF中的电流谐波补偿信号产生模块，为并联侧指令信号检测提供相位信息，另一方面可由此得到指令信号；电压跟踪控制模块接收该指令信号后控制串联侧三相电压源逆变器D1，使之产生与谐波电压及电压瞬时扰动信号幅值相等、方向相反的补偿信号。补偿信号与电网侧的电压信号中所含的谐波电压及电压瞬时扰动信号相抵消，从而实现了加载到负载上的电源电压为标准正弦波的目的，改善电压质量。

并联侧APF将检测到的负载电流i_la，i_lb，i_lc送入到电流谐波补偿信号产生模块；电流谐波补偿信号产生模块根据串联侧APF送来的三相基波电压信号u_afu_bfu_cf提取标准基波分量i_Lp相位信息S，利用直流侧电容(储能电容C)实际电压U_dc的稳定调节目标电流的幅值I^*，将相位信息S与幅值I^*作乘法运算后，得到所需的电源电流标准基波有功分量i_Lp，并得到与补偿后的电网电流i_s的误差Δi。将这个波形偏差Δi直接送入电流跟踪控制模块，产生控制信号控制并联侧逆变电路D2工作，输出补偿电流Δi_c，这个补偿电流Δi_c和电网电流中的无功分量将谐波分量相互抵消后可以改善电网电流的波形。

本发明基于检测电源电流波形偏差Δi(即补偿误差Δi)的并联侧APF的控制方案，不需要对逆变电路输出的补偿电流进行检测，因而不需要使用传感器采集逆变电路输出的补偿电流i_c，只需要将检测到的电源电流的补偿误差Δi作为电流跟踪控制模块中的滞环比较控制器的输入，这种检测控制方式不需要对并联侧滞环比较控制器控制下的逆变电路的输出进行检测，从而避免了使用传感器对检测精度造成的不利影响。

本发明的电源电流指令信号i_Lp的相位由串联侧APF在计算指令信号时提取到的三相基波电压信号u_nf(即u_af、u_bf和u_cf)提供，因为串联侧有源滤波器得到的三相基波电压分量u_af、u_bf和u_cf不受电网电压波动的影响，所以，这种为并联侧APF提供相位信息的方法消除了因电网电压波动造成的干扰，从而改善并联侧APF指令信号检测的准确性和实时性。同时，减少了并联侧检测电压信号使用的传感器数量，降低了设备的成本。

附图说明

图1是本发明改进的多功能质量调节器结构图。

图2是串联侧APF指令信号检测原理图。

图3是并联侧APF标准基波分量i_Lp相位信息提取原理图。

图4是并联侧APF指令信号幅值计算原理图。

图5是检测电源电流方式下的滞环比较控制原理图。

图6是传统检测方式下的滞环比较控制原理图。

具体实施方式

见图1。

本发明的快速准确检测指令信号的电能质量调节方法中，改进的多功能电能质量调节器结构如下：

在串联侧APF中，电压指令信号运算模块连接电压跟踪控制模块，电压跟踪控制模块接入串联侧三相电压源逆变器D1；

电压指令信号运算模块中，锁相环连接标准正弦发生器，标准正弦发生器接入运算芯片，运算芯片连接低通滤波器，低通滤波器的输出再接入运算芯片，运算芯片的一路输出接入并联侧APF中的电流谐波补偿信号产生模块，另一路输出接入电压跟踪控制模块；

在并联侧APF中，电流谐波补偿信号产生模块连接电流跟踪控制模块，电流跟踪控制模块中的滞环比较器接入并联侧三相电压源逆变器D2；

串联侧三相电压源逆变器D1的直流侧与并联侧三相电压源逆变器D2的直流侧均接入储能电容C，储能电容C接入并联侧APF中的电流谐波补偿信号产生模块中的PID控制器；

考虑到价格问题，本具体实施方案中的运算芯片还是采用需要安装运算程序才能进行运算的芯片。因而需要编写并安装用于电压指令信号运算的运算程序。

串联侧APF中的电压指令信号运算模块中的运算包括：对三相电源电压信号先进行C₃₂矩阵坐标变换及之后的矩阵C运算，和经过低通滤波后的矩阵C^-1运算及之后矩阵运算，

其中， $\begin{array}{cc}{C}_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)& \end{array}C=\left(\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right)$

矩阵C^-1为C的逆阵，矩阵为C₃₂的转置矩阵。

所以，运算程序包括了上述内容。

然后，使用上述改进的多功能电能质量调节器进行电能质量调节。

进行电能质量调节时，串联侧三相电压源逆变器D1的交流输出分别经过三相滤波电感l₁后，接在星型连接的三相耦合变压器Tr的原边，三相耦合变压器Tr的三个副边分别串联在三相***中的电源和负载之间的线路上，并联侧三相电压源逆变器D2的交流输出分别经过三相滤波电感l₂后，直接连接到电网上。

改进的多功能电能质量调节器首先检测电源电压u_sa，u_sb，u_sc和负载电流i_la，i_lb，i_lc，将检测到的电源电压和电流分别送入到串联侧APF和并联侧APF中。串联侧APF依据瞬时无功功率理论计算出指令信号，然后通过电压跟踪控制模块控制串联侧逆变电路D1工作，输出补偿电压，改善电压质量问题；具体见下面依照图2所做的说明。在串联侧APF工作过程中，将提取到的基波电压信号u_af、u_bf和u_cf送入到并联侧为提供并联侧所需的相位信息，并联侧APF依据所采用的指令信号检测方法得到指令信号，通过电流跟踪控制模块控制并联侧逆变电路D2工作，输出补偿电流，改善电流质量，具体见下面依照图3～图5所做的说明。

见图2。

首先在串联侧APF中的电压指令信号运算模块中安装运算程序，运算芯片就可以按照程序进行运算。串联侧APF将检测到的三相电源电压信号(u_sa，u_sb，u_sc)进行C₃₂矩阵坐标变换，将三相电源电压信号转换到α-β坐标系，然后与经过锁相环(PLL)和标准正弦发生器生成的单位正弦信号作矩阵运算，得到瞬时有功电压信号u_p和瞬时无功电压信号u_q，将这两个信号送入到低通滤波器(LPF)中，经过低通滤波后，得到有功直流量和无功直流量经过反变换还原为a,b,c三相基波电压信号u_afu_bfu_cf，(这三个基波电压分量将为并联侧指令信号检测提供相位信息)，再与输入的三相电源电压信号作差，就可以提取出其中所含有的谐波电压信号(u_ah，u_bh，u_ch)。将电源电压中检测出谐波和负载所需电压的偏差作为指令信号，控制逆变器，使之产生与谐波电压及电压瞬时扰动信号幅值相等、方向相反的补偿信号。补偿信号与电网侧的电压信号中所含的谐波电压及电压瞬时扰动信号相抵消，从而实现了加载到负载上的电源电压为标准正弦波的目的，改善电压质量

见图3。并联侧APF标准基波有功分量i_Lp的相位提取。

图3中：u_nf是三相电源电压基波分量(即图1中的u_af，u_bf，u_cf)，U_s是交流电源基波幅值，S是与三相基波电压同相位的单位正弦信号(这里只是一相的情况，实际是由三相基波电压信号同时产生)。

传统的多功能电能质量调节器通常采用信号发生器和锁相环等方法获得电网电压基波相位，这种方法通常受到电网电压波动的影响，使基波相位检测的准确性和实时性受到影响。本发明的电源电流指令信号i_Lp的相位由串联侧APF在计算指令信号时提取到的三相基波电压信号u_nf(即图1中的u_af、u_bf和u_cf)提供，因为串联侧有源滤波器得到的三相基波电压分量u_af、u_bf和u_cf不受电网电压波动的影响，所以，这种为并联侧APF提供相位信息的方法消除了因电网电压波动造成的干扰，从而改善并联侧APF指令信号检测的准确性和实时性。同时，减少了并联侧检测电压信号使用的传感器的数量，降低了设备的成本。

见图4。并联侧APF标准基波有功分量i_Lp的幅值计算。

图4中U_dc是直流侧电容实际电压，U_d*_c是直流侧电容电压标准值，I^*是基波电流幅值，利用U_dc的稳定调节目标电流的幅值I^*，与图3中得到的指令信号相位信息S作乘法运算后，得到所需的电源电流标准基波有功分量i_Lp。

见图5和图6。基于检测电源电流波形偏差Δi的并联侧APF控制方案。

在并联有源滤波器中，当谐波源负载中含有基波电流i_Lf及谐波电流i_Lh，基波电流i_Lf又包括基波有功电流i_Lp和基波无功电流i_Lq时，并联侧APF输出一个与谐波电流i_Lh和无功电流i_Lq之和相反的补偿电流i_c时，则电网电流i_s就仅包含负载电流中的基波有功分量i_Lp，可用如下的一组公式描述:

i_s＝i_L+i_c          (1)

i_L＝i_Lp+i_Lq+i_Lh     (2)

令i_c＝-(i_Lq+i_Lh)    (3)

则i_s＝i_Lp          (4)

即补偿后的电源电流i_s是标准基波有功分量i_Lp，然而在实际中输出的补偿电流i_c由于各种高频干扰的存在使得i_c不可能完全抵偿电网电流中的谐波电流i_Lh和无功电流i_Lq，同样经过补偿后的电网电流i_s与标准基波有功分量i_Lp存在一定的误差Δi。将上面(2)～(4)式代入到(1)式中，得到

i_s＝i_Lp+Δi        (5)

式中Δi是电网电流经过补偿装置补偿后得到的补偿误差，电源电流的补偿误差Δi是谐波电流i_Lh、无功电流i_Lq和并联有源滤波器输出的补偿电流i_c三者之和

Δi＝i_Lh+i_Lq+i_c     (6)

其中i_c＝-(i_Lh+i_Lq)，在(6)式中，由于补偿电流i_c的存在，使电源电流的波形偏差Δi的值较小。本发明将这个波形偏差Δi直接送入到滞环比较器中，控制逆变电路输出补偿电流Δi_c，这个补偿电流的Δi_c和电网电流中的无功分量和有功分量相互抵消后可以改善电网电流的波形。

要实现上述目的，首先我们需要得到电网电流的标准基波有功分量i_Lp。i_Lp包含相位信息S和幅值信息I^*，相位信息S由多功能电能质量调节器的串联侧APF提供，幅值信息I^*由直流侧PID控制器输出。

通常并联侧APF通过采用跟踪控制的方法控制逆变电路输出补偿电流i_c，典型的跟踪控制方法是电流滞环比较控制，这种比较控制方法具有反映速度快，控制精度较高，容易实现和不需要了解负载的特性而得到广泛的应用，然而，在这种控制方法中，需要使用传感器采集逆变电路输出的补偿电流i_c，将采集到的补偿电流i_c反馈到滞环比较控制器中与经过矩阵计算得到的指令电流的差值作为滞环比较控制器的输入，如图6所示。这样导致了补偿精度的下降，对电源电流的补偿效果造成了不利影响，同时也增加了补偿设备的成本。

本发明基于检测电源电流波形偏差Δi的并联侧APF的控制方案，不需要对逆变电路输出的补偿电流进行检测，只需要将检测到的电源电流的补偿误差Δi作为滞环比较控制器的输入，如图5所示。这种检测控制方式不需要对并联侧滞环比较控制器控制下的逆变电路的输出进行检测，从而避免了使用传感器对检测精度造成的不利影响。

由上可以明确地看出，本发明的电能质量调节方法具有如下优点。

1、由于串联侧APF可以为并联侧APF提供准确的电网电压基波分量的相位信息，避免了电网电压波动对并联侧APF相位信息检测的干扰，提高了指令信号检测的准确性，同时减少了为检测电网电压信号而使用的传感器，节约了设备成本；优化***结构，减少指令信号检测时传感器对检测精度的影响。

2、并联侧波形偏差Δi不需要进行复杂的运算，省去并联部分复杂的指令信号计算部分，克服传统多功能电能质量调节器实时性不好的缺点，使得并联侧APF的实时性得到提高，从而改善整个***的实时性。

3、减少并联侧指令信号检测和滞环比较控制器所使用的传感器数量，省掉了逆变电路为检测输出的补偿电流而是用的传感器，提高了***的实时性和准确性，同时降低了设备成本

4、并联侧检测波形偏差的方法具有易于实现的特点。

5、本发明将串联侧瞬时无功功率理论和并联侧的标准基波分量i_Lp相位信息提取方法结合，使调节器的串联部分和并联部分不再是两个独立工作的模块，有利于对整个调节器进行有效地协调控制，使得多功能电能质量调节器能够更好地发挥补偿作用。

Claims (4)

1.快速准确检测指令信号的电能质量调节方法，包括多功能电能质量调节器，其特征在于：按照下述方法改进多功能电能质量调节器：

在串联侧APF中，电压指令信号运算模块连接电压跟踪控制模块，电压跟踪控制模块接入串联侧三相电压源逆变器D1；

电压指令信号运算模块中，锁相环连接标准正弦发生器，标准正弦发生器接入运算芯片，运算芯片连接低通滤波器，低通滤波器的输出再接入运算芯片，运算芯片的一路输出接入并联侧APF中的电流谐波补偿信号产生模块，另一路输出接入电压跟踪控制模块；

在并联侧APF中，电流谐波补偿信号产生模块连接电流跟踪控制模块，电流跟踪控制模块中的滞环比较器接入并联侧三相电压源逆变器D2；

串联侧三相电压源逆变器D1的直流侧与并联侧三相电压源逆变器D2的直流侧均接入储能电容C，储能电容C接入并联侧APF中的电流谐波补偿信号产生模块中的PID控制器；

然后，使用上述改进的多功能电能质量调节器进行电能质量调节。

2.根据权利要求1所述的电能质量调节方法，其特征在于：当运算芯片不是能直接通过硬件来进行运算的运算芯片时，需要编写并安装用于电压指令信号运算的运算程序。

3.根据权利要求1所述的电能质量调节方法，其特征在于：串联侧APF中的电压指令信号运算模块中的运算包括：对三相电源电压信号先进行C₃₂矩阵坐标变换及之后的矩阵C运算，和经过低通滤波后的矩阵C^-1运算及之后矩阵运算，

其中， $\begin{array}{cc}{C}_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right),& \end{array}C=\left(\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right),$

矩阵C^-1为C的逆阵，矩阵为C₃₂的转置矩阵。

4.根据权利要求1所述的电能质量调节方法，其特征在于：进行电能质量调节时，串联侧三相电压源逆变器D1的交流输出分别经过三相滤波电感l₁后，接在星型连接的三相耦合变压器Tr的原边，三相耦合变压器Tr的三个副边分别串联在三相***中的电源和负载之间的线路上，并联侧三相电压源逆变器D2的交流输出分别经过三相滤波电感l₂后，直接连接到电网上。