一种基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法
技术领域
本发明涉及电能质量优化
技术领域
，尤其是涉及一种基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法。背景技术
大量电力电子装置接入电网，使得需要考虑谐波污染问题，谐波含量过高会使电气设备发生损坏甚至会造成严重经济损失。而谐波检测是谐波抑制的前提，只有准确的检测到谐波，才能根据检测到的谐波进行有效的谐波抑制，当检测到的谐波电压发生偏差，使系统不能进行准确谐波抑制，会影响系统安全稳定运行。因此如何选择合适的谐波检测方法就显得尤为重要。
目前，常见的谐波检测法有傅里叶变换法、小波变换法、神经网络法和基于瞬时无功功率的谐波检测法。傅里叶变换法分为离散傅里叶变换法和快速傅里叶变换法，可以对平稳信号进行检测。小波变换法可以检测波动的、非平稳的谐波信号，适用于时域和频域，分辨率较高。神经网络是当前比较前沿的信号处理方法，该方法目前的应用有自适应谐波检测和多层前馈法。前三种谐波检测方法存在各种问题，应用场景有限。其中，傅里叶变换法适用于对平稳信号进行检测，无法检测非平稳信号，同时傅里叶变换法计算量大，耗费大量检测时间，其适用范围小。小波变换法在谐波检测过程中需要确定一个最佳小波基选值，其选取过程复杂，所需时间长且不易实现。神经网络是当前比较前沿的信号处理方法，主要的发展瓶颈在于神经网络的构造方面还没有统一的标准，随意性强、计算量大、实时性差，因而未得到广泛应用。
当对非平稳信号进行检测及当电网电压发生畸变时主要应用基于瞬时无功功率的谐波检测方法。基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法分为基于瞬时无功功率的p-q检测法、基于瞬时无功功率的ip-iq检测法。然而基于瞬时无功功率的p-q检测法在电网电压发生畸变时易受电压畸变的影响，准确性低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法，该方法预先将基于SOGI原理的频率自适应滤波器嵌入SOGI-FLL的控制系统中形成ESOGI-FLL；将三相电流经过坐标变换为两相电流ip、iq，对ip、iq通过低通滤波器串联平均值滤波得到直流分量；随后采用ESOGI-FLL锁频环代替锁相环采用锁频环代替锁相环，再由正余弦发生器输出与电网电压信号同频率的旋转信号。
对ip、iq通过低通滤波器串联平均值滤波得到直流分量的具体内容为：
将低通滤波器LPF串联电流平均值滤波模块构成改进型滤波器，并利用积分延时和增益环节代理LPF，令瞬时有功和无功电流经过电流平均值滤波模块进行滤波后，以一个周期T为节点，在其周期内将电流平均值法中的延迟模块取T/6个周期，即经过T/6个周期后获取交流分量为零且只剩基波正序电流对应的直流分量。
所述直流分量的表达式为：
式中，I1、分别为基波正序分量的电流和对应的相位。
单相ESOGI-FLL的相位闭环传函分别为：
式中，ω0、Ug与θ0分别为电网电压的频率、幅值与相位，Kp4为前级SOGI的比例系数，Kp3和Ki3分别为后级SOGI-FLL的比例与积分系数，ωg为SOGI的输入信号。
进一步地，所述低通滤波器采用二阶Butterworth滤波器。
本发明提供的基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
1)本发明首先对三相负载有功、无功电流ip、iq通过低通滤波器串联平均值滤波得到直流分量，既保留传统滤波器检测精度的同时又缩短了动态响应速度；随后采用锁频环代替锁相环，再由正余弦发生器输出与电网电压信号同频率的旋转信号，解决了锁相环在电网电压畸变的情况下得到的相位精度差的问题，同时由于锁频环容易实现且稳定可靠，提高后续有源电力滤波器的谐波抑制效率，并电网电压谐波和直流分量扰动的能力。
2)采用ESOGI-FLL锁频环代替锁相环既加快了响应速度又提高了精度，而且相较于SOGI-FLL，ESOGI-FLL在抑制电网电压中的直流分量扰动和间谐波分量干扰方面明显优于SOGI-FLL；同时，采用Butterworth低通滤波器和电流平均值滤波器串联的方法，使三相电压不对称且畸变的情况下也能准确地到基波正序有功电流，且初始相位为零，与正序电压一致。
3)采用二阶Butterworth滤波器会使基波正序电流含高次谐波，谐波检测结果产生误差。所以在改进型低通滤波器的设计中增加平均值滤波，将谐波电流检测延时减小，在电压不对称且畸变的情况下，准确得到基波正序有功电流。
4)本发明不同于锁相环在电网电压畸变的情况下得到的相位精度差的问题，锁频环容易实现且稳定可靠，提高了整个谐波检测系统的鲁棒性和可靠性；增加积分、延时和增益环节，算法容易实现，并将谐波电流检测延时减小到T/6，平均值滤波算法具有较快的动态响应速度；仿真分析表明本发明方法在三相不平衡系统中能有效降低基波正序电流的谐波畸变率；有源电力滤波器是抑制谐波污染的有效途径，对系统产生的谐波进行准确快速的检测，对抑制谐波具有重要的意义。
5)增加的平均值滤波设备电路容易实现，ESOGI-FLL相较于锁频环容易实现且稳定可靠，提高谐波检测系统的鲁棒性和可靠性；谐波检测结果不准确可能会导致直流侧欠压、过压，对有源电力滤波器的安危造成不必要的危害，本发明对电力系统接入大量电力电子设备产生的谐波问题进行有效检测，预防因谐波检测出现偏差导致的谐波治理效率低下，在准确快速提高谐波检测能力有效性的同时增加其经济性。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为实施例中电流平均值法获得直流分量的原理框图；
图3为实施例中本发明方法优化的滤波器原理图；
图4为实施例中单相SOGI-FLL的相位小信号模型；
图5为实施例中单相ESOGI-FLL的相位小信号模型；
图6为实施例中基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明提供一种基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法，该方法针对传统的ip-iq谐波电流检测方法进行两个方面的改进。一方面将基于二阶广义积分器(SOGI)原理的频率自适应滤波器嵌入二阶广义积分器-锁频环(SOGI-FLL)的控制系统中，形成嵌入型二阶广义积分器锁频环(ESOGI-FLL)，来代替传统锁相环(PLL)，输出与电压相位同频率的旋转信号。
另一方面采用平均值滤波器和Butterworth滤波器相串联的形式改进低通滤波器。不同于传统低通滤波器的时延与滤波效果互相矛盾，本发明用积分、延时和增益环节代替低通滤波器，谐波电流检测延时减小，在三相电压不对称且畸变的情况下得到准确基波有功电流。
图1为传统ip-iq谐波电流检测方法原理图。即首先将待检测的三相负载电流的有功电流ip和无功电流iq均通过低通滤波器，得到有功功率电流和无功功率电流的直流分量；再通过矩阵转换得到电流ia，ib，ic的基波分量iaf，ibd，icd；最后将电流ia，ib，ic与基波含量iaf，ibd，icd相减即获得谐波电流iah，ibh，ich。PLL和电网电压同相位的正余弦信号发生电路来消除电压波形的畸变，变换矩阵C为：
经过LPF低通滤波器滤波后，便可得到ip和iq的直流分量：
最后，三相负载的电流ia，ib，ic与基波分量iaf，ibd，icd相减便可得到负载电流的谐波电流iah，ibh，ich：
本发明将基于SOGI(二阶广义积分器)原理的频率自适应滤波器嵌入SOGI-FLL的控制系统中形成ESOGI-FLL，采用ESOGI-FLL锁频环代替锁相环输出与电压同相位同频率的旋转信号。ESOGI-FLL通过将基于SOGI原理的频率自适应滤波器嵌入至SOGI-FLL的控制回路中构成，SOGI的输入信号ωg由后级SOGI-FLL直接给出，得出单相ESOGI-FLL的相位小信号模型，如图5所示。图4中Kp、Ki分别为SOGI-FLL的比例-积分调节器的比例与积分参数。ω0、Ug与θ0分别为电网电压的频率、幅值与相位。图5中Kp4为前级SOGI的比例系数，Kp3和Ki3分别为后级SOGI-FLL的比例与积分系数。同理，由于ESOGI-FLL通过将基于SOGI原理的频率自适应滤波器嵌入至SOGI-FLL的控制回路中构成，且SOGI的输入信号ωg由后级SOGI-FLL直接给出，故可得到图4所示的单相ESOGI-FLL的相位小信号模型。
单相SOGI-FLL的相位闭环传函Gp1(s)为：
单相ESOGI-FLL的相位闭环传函分别为：
ESOGI-FLL在抑制电网电压中的直流分量扰动方面明显优于SOGI-FLL，即SOGI-FLL易受直流分量的影响，其评估的频率微分信号中包含较大脉动分量；可排除直流分量的干扰，能够准确评估频率微分信号。
图6为本发明基于瞬时无功功率的ip-iq谐波电流检测方法的原理示意图。即利用锁频环FLL代替锁相环输出和电压相位同频率的旋转信号，其中变换矩阵C′可写成如下形式：
同时，三相电流ia，ib，ic经过Clarke和Park变换后得到得到瞬时有功和无功电流，再经过LPF滤除其中的奇次谐波后，通过平均值滤波将滤波时间减小到T/6。得到的基波分量被减去后即得到谐波电流。
具体地，将三相电流经过abc-αβ坐标变换为两相，基波电流变成了直流量，5次、7次谐波电流变成了6次，而11次、13次谐波电流变成了12次，即(6n+1)次与(6n+5)次谐波经过变换后，次数分别变为6n次和(6n+6)次，它们均是6的倍数。所以，对ip、iq进行积分，经过1/6基波周期后，得到的非零平均值分量就是与基波分量对应的直流量，具体原理如图2、3所示：采用平均值滤波器和Butterworth LPF滤波器相串联的形式改进低通滤波器，即将两相电流ip、iq输入Butterworth滤波器，因采用二阶Butterworth滤波器会使基波正序电流含高次谐波，可能会导致谐波检测结果产生误差。因此在改进型低通滤波器的设计中增加了平均值滤波，将谐波电流检测延时减小，在电压不对称且畸变的情况下，准确得到基波正序有功电流。即将两相电流ip、iq输入Butterworth滤波器后进行积分，然后用两相电流ip、iq分别减去得到的对应平均值，就得到要检测的谐波和无功电流分量。
图2中平均值滤波是以一个计算电流ip、iq平均值的模块代替传统算法中的LPF。二极管整流带阻感负载构成的三相桥式整流电路中，电流主要含5次、7次、11次、13次、17次等(6k±1)次谐波。瞬时有功和无功电流ip、iq中的谐波电流对应的交流分量均是以6的整数倍形式存在，若将电流平均值法中的延迟模块取T/6个周期，即T/6个周期后可以得到交流分量为0且只剩基波正序电流对应的直流分量，这样相较于延迟周期取T而言，大大提高了检测的动态响应速度。根据电流平均值法的原理可知，电流平均值的计算方式如下式所示：
瞬时有功和无功电流经过电流平均值模块滤波后，以一个周期时间T为节点，在其周期内谐波分量的交流分量值都0，而基波正序分量的直流分量不受影响，依然存在并传输给下一个环节，将此结果带入下式中得：
式中，I1、分别为基波正序分量的电流和对应的相位。
图3中当三相电路不对称时，平均值滤波检测性能较差。将低通滤波器LPF与电流平均值模块串联，其中串联的LPF起到对奇次谐波成分进行衰减的作用，而电流平均值模块则起到滤除低频谐波的作用。改进后的滤波器谐波电流对应的交流分量几乎被滤除完毕，只剩下基波正序电流对应的直流分量。
本专利的技术改进点主要有两个方面。第一是将传统低通滤波器LPF串联平均值滤波构成改进型滤波器。用积分延时和增益环节代替LPF，算法容易实现，若将电流平均值法中的延迟模块取T/6个周期，将谐波电流检测延时减小，同时使滤波算法具有较快的动态响应速度。第二是将锁频环代替锁相环。三相SOGI-FLL可消除其积分调节器输入信号中所包含的2倍频分量，即通过其调节器的输入信号可直接评估频率微分信号且能避免频率微分运算所带来的谐波放大的问题。SOGI-FLL抑制电网电压扰动的能力有限。ESOGI-FLL在抑制电网电压中的直流分量扰动方面明显优于SOGI-FLL，即SOGI-FLL易受直流分量的影响，其评估的频率微分信号中包含较大脉动分量；可排除直流分量的干扰，能够准确评估频率微分信号。
利用MATLAB对所提的改进谐波电流检测算法进行仿真验证。仿真结果表明改进后的谐波检测方法较传统的ip-iq谐波检测方法不论是响应速度还是最终检测谐波的精确性都有改善。
本发明首先对三相负载有功、无功电流ip、iq通过低通滤波器串联平均值滤波得到直流分量，既保留传统滤波器检测精度的同时又缩短了动态响应速度。然后采用锁频环代替锁相环，再由正余弦发生器输出与电网电压信号同频率的旋转信号，解决了锁相环在电网电压畸变的情况下得到的相位精度差的问题，同时由于锁频环容易实现且稳定可靠，提高后续有源电力滤波器的谐波抑制效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
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