一種諧波及無功電流檢測的有源電力濾波器及檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統領域，確切地說是指應用于三相四線制有源電力濾波器中的 一種避免因為坐標變換而產生零序諧波泄露誤差的諧波電流檢測方法。
【背景技術】
[0002] 近30年來，隨著電力電子裝置在工業中的廣泛應用，電網的諧波污染問題日趨嚴 重，嚴重影響電能質量。諧波不僅影響電氣設備的正常工作，還給電網的安全經濟運行帶來 了隱患。
[0003] 自從有源電力濾波器原理被提出以來，諧波電流的檢測便引起了廣泛的研究至今 已發展出多種方法，諧波和無功電流檢測方法一般有:模擬濾波器檢測法，基于FFT的檢測 法，基于瞬時無功功率理論的檢測法，基于神經網絡的自適應檢測法等等，其中基于瞬時無 功功率理論的瞬時空間矢量法是目前有源電力濾波器中應用最廣的一種檢測方法，最早是 由日本學者Akagi .H于1984年提出的，經過不斷改進，現包括p-q法和ip-iq法。其中，p-q法適 用于電網電壓對稱且無畸變情況下諧波電流的檢測；i P_iq法在電網電壓畸變時和在電網電 壓不對稱時有效。然而對于三相不平衡負載以上的2種方法均忽略了零序電流，從而產生零 序諧波泄露誤差。
【發明內容】
[0004] 本發明針對傳統ρ-q法和ip_iq法由于要進行坐標變換而產生的零序泄露誤差的問 題，提出了一種應用于三相四線制有源電力濾波器的改進的諧波電流檢測新方案，該方法 不需要鎖相環，不需要進行矩陣變換，有效的避免了零序諧波泄露誤差。
[0005] 本發明的技術方案為：
[0006] -種諧波及無功電流檢測的有源電力濾波器，包括在電網電流一側依次串聯的諧 波和無功電流檢測電路以及補償電流發生電路;所述補償電流發生電路包括依次串聯的電 流跟蹤控制模塊、驅動電路模塊和主電路模塊，所述主電路模塊的拓撲結構為一個三相四 橋臂的PWM變換器;所述諧波和無功電流檢測電路包括霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、 信號調理電路、AD7656模塊、DSP控制器;所述霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器分別通過信 號調理電路、AD7656模塊和DSP控制器相連;DSP控制器用來執行改進的諧波及無功電流檢 測算法，并且根據檢測信號，產生驅動信號，最后輸出的信號控制大功率IGBT。
[0007] 進一步，所述主電路模塊是一個四橋臂結構，由8個IGBT開關管組成，每相橋臂有 上下兩個IGBT開關管，直流側是由一個直流電容構成。
[0008] 進一步，在電網電流和所述主電路模塊之間還設有RCL組成的高通濾波器。
[0009] 本發明的方法的技術方案為：
[0010] -種諧波及無功電流檢測的有源電力濾波器的檢測方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟1，首先通過霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器分別獲得電網的電壓ea，eb，ec 和負載電流^1。的值；
[0012] 步驟2，根據所測的的ea，eb，ec和ia，ib，ic求取有功功率p = eaia+ebib+ecic;
[0013] 步驟3根據步驟2所求得的有功功率P，經過低通濾波濾去P中的諧波分量，只剩下 穩態值* = Y&Ai cosf.5其中Ιι+cos Φ就是基波正序電流有功分量的幅值；
[0014] 步驟4,根據步驟1測出的電網的電壓，求出表達式ea2+eb2+e。 2的數值；
[0015] 步驟5,根據步驟1測得的電網電壓和步驟3求得的有功功率的穩態值J以及步驟4 求出的ej+ef+ec2的數值，進而獲取基波正序電流的有功分
[0016 ]步驟6，根據步驟1測的負載電流ia、i b、i。，從中減去步驟5的基波正序電流的有功 分量1咖、1_、1。1[)，即可得到包括基波無功電流、零序電流、負序電流及諧波電流在內的所 有有害電流，并將其反極性后作為補償電流指令ic/、ic^、i。。％
[0017] 步驟7,根據步驟6求出的補償電流指令選擇合適的控制算法進行控制，產生控制 信號驅動三相四橋臂電路產生PWM波來補償電網中的諧波;從而達到使電網諧波滿足電能 質量指標的目的。
[0018] 本發明具有以下技術效果：
[0019] 1)所述這種基于改進算法的諧波及無功電流實時檢測的三相四線制有源電力濾 波器的由兩大部分組成，即諧波和無功電流檢測電路和補償電流發生電路，其中補償電流 發生電路又分為電流跟蹤控制模塊、驅動電路模塊和主電路模塊，其中主電路的拓撲結構 為一個三相四橋臂的PWM變換器。另外，RCL組成的高通濾波器主要用來濾除開關噪聲附近 的開關紋波電流。在諧波和無功電流檢測電路中這里提出了一種新型的諧波檢測的算法， 該方法不需要鎖相環，不需要進行矩陣變換，有效的避免了因為坐標變換而產生零序諧波 泄露誤差，使所測的基波有功相電流更為準確，效果更好。
[0020] 2)補償電流發生電路的主電路的拓撲結構為一個三相四橋臂的HVM變換器，作為 一種三相四線變換器拓撲形式，三相四橋臂變換器通過附加的第四橋臂提供了零序電流通 路，可應對不平衡負載或不平衡電網的需要。與傳統的三相四線變換器，尤其是工頻變壓器 隔離的三相四線變換器相比，三相四橋臂變換器具有結構簡單、體積小、成本低等突出優 點。
[0021 ] 3)在實際應用中大多數都是三相不平衡系統，而傳統的p-q，ip-iq，d-q檢測法忽 略了零序電流，從而產生零序諧波泄露誤差。本文基于瞬時無功功率理論的基本原理介紹 一種改進的諧波及無功電流實時檢測方法，提出了一種新型的諧波檢測的算法，該方法不 需要鎖相環，不需要進行矩陣變換，有效的避免了因為坐標變換而產生零序諧波泄露誤差。 [0022] 4)由于增加了一個橋臂，并且輸出的負載可能不對稱，不再滿足Xa+Xb+Xc = 0,與 傳統的二維空間矢量條件不符，空間矢量不在一個平面內，需將二維空間矢量擴展為三維 空間矢量就可解決問題，參考電壓矢量的軌跡由二維空間增加到三維空間，及三維空間矢 量PWM控制，該控制方法容易實現變換器實時控制、直流利用率高，同時這種控制思想也便 于數字化實現，且通過對零矢量的合理控制可以降低諧波含量或降低開關損耗。
[0023] 5)在基于改進檢測算法的基礎上，采用三維空間矢量控制補償電流發生電路的三 相四橋臂逆變器，該方法不但檢測更加精確，補償效果好，而且還利于數字化實現。
[0024] 采用MATLAB7.0在Simulink環境中搭建了三相四線制有源電力濾波器的仿真系 統，并且把該檢測方法應用于整個有源電力濾波器系統的模型，由仿真結果可以看出這種 改進的檢測方法可以取得了很好的效果。
【附圖說明】
[0025]圖1本發明提出的一個三相四線制有源電力濾波器的結構框圖；
[0026]圖2為傳統iP_iq檢測算法的原理框圖；
[0027]圖3本發明提出的諧波和無功電流檢測電路圖；
[0028]圖4本發明提出的一個三相四橋臂的P麗變換器拓撲結構；
[0029] 圖5本發明提出的改進算法的檢測原理圖；
[0030] 圖6本發明提出的改進算法下的電網相電壓和基波相電流圖；
[0031]圖7本發明提出的改進算法下的檢測的a、b、c相諧波電流圖；
[0032]圖8本發明提出的改進算法下的補償電流前后對比圖；其中（a)為改進前的補償電 流;（b)為改進后的補償電流。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：
[0034]傳統的iP_iq檢測方法的原理如圖2所示。圖中該方法中，需要 -cos 砂 -sm 蝕 用到與a相電網電壓ea同相位的正弦信號sin ω t和對應的余弦信號cos ω t，它們由一個鎖 相環(PLL)和一個正、余弦信號發生電路得到。根據定義可以計算出iP、iq，經LPF濾波得出 ip、iq的直流分量V (;，4是由ial、ibl、icl產生的，因此由&、t即可計算出ial、ibl、 乜1，進而計算出1311、：[他、1此。
[0035]然而在三相四線制系統中，三相不平衡將導致三相電流之和不為零。按對稱分量 法，三相負載電流可分解為正序、負序和零序三種對稱分量之和，即
[0036] i = i++i-+i〇 (1)
[0037] 正序分量三相幅值相等，相位按A、B、C依次滯后120° ;負序分量三相幅值相等，相 位按A、B、C依次超前120° ;零序分量在幅值和相位上均相同。
[0038] ia〇 = ib〇=ic〇 (2)
[0039] 三相/兩相變換可以表示為
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 可見，米用瞬時無功功率檢測法時，零序分量并不反映到正交的α-β坐標中，由此 產生了零序諧波泄露誤差。
[0044]我國低壓電網采用三相四線制，由于單相負荷的不平衡分配，零序電流必然存在， 加之低壓電網低次諧波含量大，用該方法檢測電網中的諧波電流必將產生零序泄露誤差。 這就需要對檢測算法做必要的改進。
[0045]如圖1和圖3所示，本發明的一種諧波及無功電流檢測的三相四線制有源電力濾波 器，包括在電網電流一側依次串聯的諧波和無功電流檢測電路以及補償電流發生電路;所 述補償電流發生電路包括依次串聯的電流跟蹤控制模塊、驅動電路模塊和主電路模塊，所 述主電路模塊的拓撲結構為一個三相四橋臂的PWM變換器;所述諧波和無功電流檢測電路 包括霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、信號調理電路、AD7656模塊、DSP控制器;所述霍爾 電流傳感器、霍爾電壓傳感器分別通過信號調理電路、AD7656模塊和DSP控制器相連;DSP控 制器用來執行改進的諧波及無功電流檢測算法，并且根據檢測信號，產生驅動信號，最后輸 出的信號控制大功率IGBT。所述主電路模塊是一個四橋臂結構，由8個IGBT開關管組成，每 相橋臂有上下兩個IGBT開關管，直流側是由一個直流電容構成。在電網電流和所述主電路 模塊之間還設有RCL組成的高通濾波器。
[0046]上述DSP控制器中將完成以下改進的諧波及無功電流檢測的三相四線制有源電力 濾波器的檢測方法，包括以下步驟：
[0047] 步驟1，首先通過霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器分別獲得電網的電壓ea，eb，ec 和負載電流1"，1。的值；
[0048] 步驟2，根據所測的的ea，eb，ec和ia，ib，ic求取有功功率p = eaia+ebib+ecic;
[0049] 步驟3根據步驟2所求得的有功功率P，經過低通濾波濾去P中的諧波分量，只剩下 穩態值ρ 尼A. ，其中i1+cos φ就是基波正序電流有功分量的幅值；