一种谐波和无功电流检测的新算法

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0    引言

    随着电力电子技术的发展,电力电子装置的应用越来越广,但是其产生的谐波对电网的污染,以及电磁干扰等,也带来了危害。另一方面,现代用电设备对电能质量更加敏感,对供电质量提出了更高的要求。而有源滤波器可以消除谐波,提高电力系统运行的稳定性,其研究和应用越来越受到人们的重视。

    有源滤波器消除谐波的基本原理主要有两种:一种是向电网注入与负载的无功和谐波电流大小相等、方向相反的电流来补偿无功和抑制谐波,称为并联型有源滤波器;另一种是向串联变压器副边注入基波补偿电流,使串联变压器对电网基波电流呈低阻抗,对谐波电流呈高阻抗[1],从而抑制谐波,这种方法称为串联型有源滤波器。另外,还有串并联型、混合型等。但是,无论采用哪一种,首先都必须将谐波和无功电流的值检测出来。目前比较成熟的电流检测方法主要有基于瞬时无功功率理论[2]的pq检测法[3]和ip-iq检测法[4]。但这两种方法须进行两次坐标变换,计算量较大,其中ip-iq检测法需要采用锁相环,而锁相环存在实现复杂,检测精确不高的问题。

    本文研究了一种谐波和无功电流检测的新算法,并给出仿真结果和实验结果。

1    谐波和无功电流检测方法的原理

    图1是并联型有源滤波器的系统框图,其基本原理是:通过检测环节计算出负载的谐波和无功电流,然后控制逆变电路输出,向电网注入与负载的无功和谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流,从而使电网电流中只含有基波有功分量。这样,该装置既可以实现对谐波的滤波作用,又可以提供电力系统所需的无功电流,便可大大提高电能利用率,提高经济效益。

图1    并联型有源滤波器的系统框图

    本文提出一种新的谐波和无功电流检测算法,图2为负载谐波和无功电流的检测原理图,图中虚线框内为直流侧电压控制部分。如图2所示,首先检测出实际负载电流和电网电压,对这6个量进行计算即可得到所需的三相负载谐波和无功电流。

图2    谐波和无功电流检测算法原理图

    为简单起见,假定电网电压三相对称、无畸变,则

    uA=UMsinωt

    uB=UMsin(ωt-2π/3)(1)

    uC=UMsin(ωt+2π/3)

    负载电流iAiBiC可以表示为基波与谐波之和,即

    iA=iA1iAk

    iB=iB1iBk(2)

    iC=iC1iCk

考虑到负载不对称,将电流分为正序、负序、零序,则基波电流为

    iA1=i1+sin(ωtφ)+i1-sin(ωtθ1-)+i10

    iB1=i1+sin(ωtφ-2π/3)+

    i1-sin(ωtθ1-+2π/3)+i10

    iC1=i1+sin(ωtφ+2π/3)+

    i1-sin(ωtθ1--2π/3)+i10(3)

式中:i1+i1-i10为基波正序、负序、零序分量的幅值;

            φ为功率因数角;

            θ1-为基波负序的初始相位。

    谐波电流也分为正序、负序、零序,k次谐波电流可表示为

    iAk=ik+sin(kωtθk)+ik-sin(kωtθk)+ik0

    iBk=ik+sin(kωtθk-2π/3)+iksin(kωtθk+2π/3)+ik0

    iCk=ik+sin(kωtθk+2π/3)+iksin(kωtθk-2π/3)+ik0(4)

式中:ikikik0k次谐波正序、负序、零序分量的幅值;

            θkθk为谐波正序、负序的初始相位。

 

    三相有功功率的瞬时值p可由式(5)得到。

    p=uAiAuBiBuCiC=uA(iA1iAk)+uB(iB1iBk)+uC(iC1iCk)=(uAiA1uBiB1uCiC1)+(uAiAkuBiBkuCiCk)={3UMi1+cosφ/2-3UMi1-cos(2ωtθ1-)/2}+{3UMik+cos〔(k-1)ωtθk〕/2}-{3UMikcos〔(k+1)ωtθk〕/2}(5)

    式(5)包含直流和一系列谐波分量。谐波频率最低可达100Hz,经过低通滤波,功率中的谐波分量可以滤去,只剩下稳态值p(3UMi1+cosφ/2),其中i1+cosφ就是基波正序电流有功分量的幅值。对于A相,基波正序电流有功分量iA1=i1+cosφsinωt。由式(6)可以得到

    iA1有=i1+cosφsinωt==(6)

    同理可以得到其他两相基波正序电流的有功分量iB1有=i1+cosφsin(ωt-2π/3),iC1有=i1+cosφsin(ωt+2π/3)。