CN104795822A - 兼具无功补偿的指定次谐波检测及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种兼具无功补偿的指定次谐波检测及补偿方法，仅通过abc-dq、dq-abc旋转坐标变换矩阵对电网中负载产生的谐波电流的任意次谐波进行分离检测和补偿,而不需分别在正、负序下的坐标变换下进行运算检测。本发明提供的指定次谐波电流检测方法能够有针对性的对谐波进行检测和补偿且可兼具补偿无功；检测方法更简单，更明了。并能够对补偿电流进行较好的控制，实现起来较容易。且能增强***稳定性和可靠性。

Description

兼具无功补偿的指定次谐波检测及其补偿方法

技术领域

本发明涉及兼具无功补偿的一种指定次谐波检测及其补偿方法，属于谐波检测及谐波治理领域。

背景技术

随着经济的飞速发展，电力电子变换装置已经在工业领域得到了广泛的应用，使得电网的谐波污染变得越来越严重，有源电力滤波器(active power filter,APF)被公认为是一种动态抑制电网谐波污染的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率都实时变化的谐波电流以及无功电流进行动态补偿。

为了很好对谐波电流进行补偿，必然要求谐波电流的检测同时具有快速性和准确性，即实时性和动态性能良好的谐波检测技术是有源电力滤波器高效工作的重要前提，故谐波检测方法和电流控制技术是有源电力滤波器实现工业应用的一个主要的环节，已经成为有源电力滤波器的研究热点。

目前已有的谐波检测技术主要是基于瞬时功率理论下的同步旋转坐标变换技术。该技术依据在三相平衡***中存在的在6k±1次谐波。将6k+1次谐波定义为正序谐波量，6k-1次谐波定义为负序谐波分量，并由此分别提出了正序abc-dq、dq-abc变换矩阵和负序dq-abc、dq-abc变换矩阵，这样即增加了算法复杂性。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供的一种指定次谐波检测方法，仅通过abc-dq、dq-abc旋转坐标变换矩阵对电网中负载产生的谐波电流的任意次谐波进行分离检测和补偿,而不需分别在正、负序下的坐标变换下进行运算检测。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

兼具无功补偿的指定次谐波检测及补偿方法，对电网中负载产生 的谐波电流的任意次谐波进行分离检测和补偿，包含如下处理步骤：

1)三相锁相环对电压基波相位和频率进行锁定，通过n倍频方法得到第n次谐波的参考相位和频率；

2)以1)所得到的第n次谐波的相位和频率为参考对畸变负载电流进行谐波电流检测和无功电流检测；

3)同以上1)和2)过程对变换器输出电流进行谐波电流检测和无功电流检测；

4)利用2)、3)得到的谐波电流，基于瞬时功率的基本原理，进行pq解耦控制，得到所需补偿谐波电流分量，经过低通滤波，比例积分调节，将谐波电流分量和无功电流指令从电流空间变换到电压空间；

5)将4)所得的电压指令经过n倍频下的逆变换，得到所需补偿n次谐波和无功的电压指令，通过SVPWM调制方法，得到变换器的控制信号。

所述步骤2)畸变负载电流进行n倍频下的坐标变换，其坐标变换矩阵为：

$P_n=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos n\left(\mathrm{\ωt}\right)& \cos n(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos n(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin n\left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin n(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin n(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(2\right)$

本发明提供的指定次谐波电流检测方法能够有针对性的对谐波进行检测和补偿；检测方法更简单，更明了。并能够对补偿电流进行较好的控制，实现起来较容易。且能增强***稳定性和可靠性。

与现有技术相比，本发明的显著增益效果是：

1、能够有针对性的对谐波进行检测和补偿且可兼具补偿无功；

2、检测方法更简单；

3、能够对补偿电流进行较好的控制，实现起来较容易；

4、能增强***稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明施用的***框图。

图2是有功无功解耦控制及谐波检测控制的算法框图。

图3是本算法的仿真验证图，其中a图为负载电流波形，b图为负载的5次谐波检测量，c图为只补偿5次谐波后的电流波形，d图为按照同时补偿5、7、11、13、17次谐波后的电流波形。

具体实施方式

图1中Vs是电源侧电网电压，R+jX是线路阻抗，U_abc和I_abc分别是负载侧三相网压和三相电流；主电路包括级联逆变器和直流侧电容C，U_dc是直流侧电容上的电压；控制***包括锁相环部分、谐波无功检测部分和无功有功解耦控制、谐波检测控制部分，I_c是整流器侧补偿电流；

图2中包括无功与直流电压控制模块、谐波检测补偿模块和调制模块；无功与直流电压控制模块中i_cabc是整流器侧三相补偿电流，i_Labc是三相负载电流，w是电网基波频率，P代表旋转坐标变换，i_refd是控制整流器直流侧电压稳定的电流参考值,i_Cd和i_Cq是整流器侧补偿电流经过旋转坐标变换和低通滤波后代表补偿电流基波分量的直轴d分量和交轴q分量，同理，i_Lq代表负载电流基波分量的交轴q分量，V_d和V_q分别代表整流器侧基波网压经过旋转坐标变换后的直轴电压分量和交轴电压分量，U_d是电源侧基波网压经过旋转坐标变换后的直轴电压分量，P-1是对V_d和V_q进行旋转坐标逆变换，生成只含基波的整流器侧三相网压，V_5abc、V_7abc、V_11abc、V_nabc分别表示5次、7次、11次、n次整流器侧三相网压；同理，谐波检测补偿模块中i_5pr和i_5qr分别表示负载电流5次分量的直轴分量和交轴分量，i_5p和i_5q代表补偿电流5次分量的直轴分量和交轴分量，V_5p和V_5q表示整流器侧5次网压分量经过旋转坐标变换后的5次直轴分量和交轴分量。

具体实施方式 

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

步骤一：三相锁相环对电压基波相位和频率进行锁定，得到三相电压的频率和相位，通过n倍频方法得到第n次谐波的参考相位和频率；

步骤二：以步骤一所得的第n次谐波的相位和频率为参考，对畸变负载电流i_Labc进行n倍频下的旋转坐标变换，其坐标变换矩阵为

$P_n=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos n\left(\mathrm{\ωt}\right)& \cos n(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos n(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin n\left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin n(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin n(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(3\right)$

若设第n次谐波电流分量

$i_{\mathrm{Lnabc}}=\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{Lna}}\\ i_{\mathrm{Lnb}}\\ i_{\mathrm{Lnc}}\end{array}\right)=i_{\max }\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{nwt}\\ \cos (\mathrm{nwt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \cos (\mathrm{nwt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right)---\left(4\right)$

i_max是n次谐波电流的幅值，w是电网基波电压，则经过旋转坐标变换，i_ndq＝P_n·i_nabc，所得的量经过低通滤波，得到所需补偿n次谐波参考电流直流分量i_npr，i_nqr，

$i_{\mathrm{ndq}}=P_n\·i_{\mathrm{nabc}}=\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{npr}}\\ i_{\mathrm{nqr}}\end{array}\right)---\left(5\right)$

步骤三：同理可得补偿电流中的p分量i_np和q分量i_nq；

步骤四：利用电流分量与电压分量的旋转关系与pq解耦的基本原理，将指令从电流空间变换到电压空间，由电流空间指令变换到电压空间指令是基于如下数学模型的建立：

$V_{\mathrm{dq}}=\left(\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}-L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+\mathrm{wL}{i}_q-{\mathrm{Ri}}_d+u_d\\ -L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-w{\mathrm{Li}}_d-{\mathrm{Ri}}_q+u_q\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中L是变流器主电路的支撑电感，w是电网基波频率，V_d、V_q是变换到电压空间的谐波或无功补偿指令；

步骤五：经过n倍频下的逆变换，得到补偿第n次谐波的电压指令V_nabc，其中逆变换矩阵为

${P^{-1}}_n=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{n\ωt}& -\sin \mathrm{n\ωt}\\ \cos n(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin n(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos n(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)& -\sin n(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(7\right)$

结合附图1和附图2可看出该实施例的具体运行过程

a、三相锁相环(1)对电压基波相位和频率进行锁定，通过n倍频方法得到第n次谐波的参考相位和频率；进行n倍频操作时，是在正弦量基频下总相角的n倍频操作，形成既可用于进行正序谐波电流检测，又可用于负序谐波 电流检测的单一坐标变换矩阵；

b、以(a)所得到的第n次谐波的相位和频率为参考，对畸变负载电流及变换器输出电流分别进行谐波电流检测(2)和无功电流检测(3)；

c、将(b)得到的谐波电流，通过pq坐标变换，得到所需补偿谐波在pq坐标下的电流分量，再经过低通滤波滤去其中交流分量后，通过比例微分控制器(PI)调节，将谐波电流分量和无功电流指令从电流空间变换到电压空间(4)；

d、将(c)所得的电压指令经过n倍频下的逆变换，得到所需补偿n次谐波和无功的电压指令，通过SVPWM调制方法(5)，得到变换器的控制信号。

结合附图1，附图2还可看到补偿的具体过程，对上述步骤四的具体过程详述如下：

将变流器直流侧电压给定以及直流侧电压V_dc通过比例积分调节，得到直流侧电流参考值i_refd，将变流器电流i_cabc经过旋转坐标变换和低通滤波，得到其直流分量i_cd和i_cq，同理将负载电流经过旋转坐标变换和低通滤波，得到其无功直流分量i_Lq，将以上得到的各分量i_refd，i_cd，i_cq和i_Lq经过比例积分调节，就将电流指令由电流空间变换到电压空间，得到直流电压分量V_d与V_q，再将V_d，V_q通过dq逆变换，得到控制直流侧电容电压平衡和补偿无功的三相交流电压信号V_abc；谐波检测及补偿方法如下所述：

将变流器电流i_cabc经过旋转坐标变换和低通滤波，得到其直流分量i_5p和i_5q，同理将负载电流i_Labc经过旋转坐标变换和低通滤波，得到所需补偿五次谐波参考电流直流分量i_5pr，i_5qr；将以上得到的各分量i_5p，i_5q，i_5pr和i_5qr经过比例积分调节，就将电流指令由电流空间变换到电压空间，得到直流电压分量V_5p与V_5q，再将V_5p，V_5q通过dq逆变换，得到补偿五次谐波的电压信号V_5abc；其它次谐波的补偿原理与上述相同。

Claims (2)

1.兼具无功补偿的指定次谐波检测及补偿方法，对电网中负载产生的谐波电流的任意次谐波进行分离检测和补偿，包含如下处理步骤：

1)三相锁相环对电压基波相位和频率进行锁定，通过n倍频方法得到第n次谐波的参考相位和频率；

2)以1)所得到的第n次谐波的相位和频率为参考对畸变负载电流进行谐波电流检测和无功电流检测；

3)同以上1)和2)过程对变换器输出电流进行谐波电流检测和无功电流检测；

4)利用2)、3)得到的谐波电流，基于瞬时功率的基本原理，进行pq解耦控制，得到所需补偿谐波电流分量，经过低通滤波，比例积分调节，将谐波电流分量和无功电流指令从电流空间变换到电压空间；

5)将4)所得的电压指令经过n倍频下的逆变换，得到所需补偿n次谐波和无功的电压指令，通过SVPWM调制方法，得到变换器的控制信号。

2.根据权利要求1所述之兼具无功补偿的指定次谐波检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤2)畸变负载电流进行n倍频下的坐标变换，其坐标变换矩阵为：

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