一种新型有源电力滤波器谐波电流检测方法与流程

本发明属于电力电子装置的控制技术领域。具体地说，本发明涉及一种基于电网参数的有源电力滤波器的谐波电流的获取方法。

背景技术：

有源电力滤波器(APF：Active power filter)在配电网中的应用主要有两个方面：提高系统功率因数和调节系统电压。虽然这两个方面都是通过有源电力滤波器向系统中注入无功电流来实现，但补偿的目的不同，其实现的方法也不同，但谐波电流的检测是实现APF控制效果的关键因素。

有源电力滤波器主要包括主回路和控制回路两部分，其工作原理可简单描述如下：首先，谐波电流检测模块对谐波源进行分析检测，根据不同的系统补偿要求得到相应的谐波指令信号；然后，电流跟踪控制电路以谐波指令信号作为参考信号，通过电流控制电路和调制模块得到主电路的驱动信号；最后，在驱动信号的控制下，主电路产生系统所需的补偿电流。流经电网的电流包含谐波源负载电流和有源电力滤波器补偿电流两部分，两种电流叠加后，便得到谐波含量极低的、近似于正弦的电网电流。

谐波指令信号是有源电力滤波器进行补偿的依据，谐波指令信号提取算法的性能好坏关系到有源电力滤波器系统的最终补偿效果。理想的谐波指令信号提取可以实时地跟随谐波源负载的变化，准确地检测出需要补偿的谐波指令信号。

目前，谐波电流检测的防治法主要有以下几种：

(1)基于FFT的数字化分析法

FFT(Fast Fourier Transformation)即快速傅里叶分解法。通过对周期性的谐波电流进行快速傅里叶分解，得到系统补偿所需的谐波指令信号。该方法可以提取出任意次的谐波信号，且不受电网频率变化的影响；但该方法只能对周期性谐波信号进行检测，且检测过程中需要进行大量的数学计算，快速性较差。因此，该方法并不能用于谐波源频繁变化的系统。

(2)自适应谐波检测法

自适应理论最早被应用于信号处理领域，用于从含有加性噪声的信号中提取出原信号。自适应谐波指令信号提取算法是一种基于自适应干扰抵消原理的闭环检测方法，通过学习不断的改变自适应滤波器的参数，使得滤波器的输出值无限接近谐波指令信号。自适应检测法有其优点：不受系统电压频率、波形变化的影响，适用范围广，鲁棒性强。但是，自适应过程是个不断逼近目标的过程，其收敛速度与系统初始状态、选用的数学模型、以及采用的最优准则相关，因此，系统动态响应速度比较慢。

(3)基于瞬时无功功率理论的检测法

瞬时无功功率理论以p-q法和ip-iq法最为典型，两种方法均是通过坐标变换得到预先定义的瞬时实、虚功率。当电压波形同样存在畸变时，使用p-q检测算法计算得到的电流基波中含有与电压相同的谐波分量；而此时使用ip-iq检测法计算得到的电流基波中并不含这些谐波分量。但在该方法的使用过程中需要进行多次的坐标变化，计算量较大；同时，低通滤波器的引入也降低了谐波检测的快速性。

(4)同步检测法

同步谐波指令信号提取算法在谐波指令信号提取过程中以单相负载电流为分析对象，提取出每相中的谐波指令信号后再综合考虑三相负载谐波以及系统补偿要求，从而得到符合系统补偿要求的参考谐波指令信号。对于三相系统整体而言，同步检测法以系统功率平衡为检测目标，不会过多的关注每相电流的分解计算。对于三相不对称系统，同步检测法从三相功率平衡的角度出发，不仅仅可以补偿谐波源负载中的无功以及正序谐波分量，还能很好的改善系统内的不对称程度。传统的同步谐波指令信号提取算法在根据三相平衡功率计算谐波电流指令信号时，需要使用到电压信号的相位和幅值信息；若采用的电压信息检测算法不恰当，则会引入很大的检测延时，影响谐波检测的快速性和准确性。

(5)其他谐波检测方法(包括基于人工神经网络(Neural Network,NN)的谐波指令提取法、FBD谐波指令提取法、基于模拟滤波器的谐波指令提取法等)。

前述几种常用谐波指令提取算法的理论推导和验证都是以三相电网电压平衡且无畸变为前提的。但在实际应用过程中，谐波信号的不断叠加积累会引起电压的畸变，电网发生故障或者某些特定工况下同样会引起三相电压的不平衡；此时，上述谐波指令信号提取策略的准确性和精度均会受到影响。本发明针对传统同步谐波指令提取算法需要测量电压信号的弊端，提出一种改进的同步谐波指令提取算法，避免了传统同步谐波指令信号提取算法需要检测电压幅值的弊端；同时，可根据补偿要求适当调整控制目标，控制方式更灵活，具有很强的实用性。

技术实现要素：

根据现有技术的不足，本发明提供一种新型有源电力滤波器谐波电流检测方法，其目的是在考虑电网存在不平衡状态时，对有源电力滤波器采用传统的方法进行谐波电流检测，可能会导致出现检测结果出现偏差或者不能完全检测出谐波和无功分量，新的检测方法不仅能实现电网电压畸变时谐波电流检测，而且以畸变电压中的平衡分量作为同步电压，改善了三相电流的不对称程度，提高了有源电力滤波器的补偿效果。

本发明按以下技术方案实现：

一种新型有源电力滤波器谐波电流检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：采集公共连接点处的三相电网电压、负载侧的三相相电流以及有源电力滤波器的直流侧电容电压；

步骤二：依据采集到的公共连接点处的三相电网电压，利用坐标变换法获得基波正序电压信号，在对公共连接点三相电网电压和负载侧的三相相电流，进行Clark变换和Park变换，并利用瞬时无功理论，计算出负载从电网侧吸收的平均有功功率p_avg和有源电力滤波器工作的平均损耗p_loss；

步骤三：对采集到的公共连接点三相电网电压送入有效值处理模块处理，构造一个满足电网电流谐波畸变率和电网电压谐波畸变率限制的拉格朗日目标函数，通过求解该目标函数获得有源电力滤波器的视在功率最小值，从而求得电导因子G_n，进而求得目标电网电流；

步骤四：将目标电网电流与三相负载侧电流做差并取反就能够得到补偿电流指令值，经过指令电流跟踪控制电路计算就能获得系统需要补偿的无功功率；

步骤五：电流跟踪控制电路以补偿电流指令值作为参考信号，通过指令电流跟踪控制电路和电压空间矢量调制模块得到主电路的驱动信号；最后在PWM脉冲驱动信号的控制下，使得主电路产生系统所需的补偿电流。

优选的是，步骤三中的目标电网电流的具体实现方式为：所述目标电网电流的检测包括两个部分：其一，采用基于坐标变换和瞬时无功理论的提取方法，满足三相电网电压平衡时控制需求；其二，当在三相电网电压不平衡系统中，通过在网侧电压与补偿后网侧电流之间引入电导因子G_n，根据有源电力滤波器稳定工作时，系统功率守恒原则，来构造一个满足功率守恒及谐波畸变率限制条件的拉格朗日函数；再通过对该函数进行求解，得出目标电网电流。

优选的是，三相电网电压公共连接点的电压表示为：

式中：χ＝a，b，c；h＝最高谐波次数；E_xn—各次谐波电压的有效值；φ_xn—各次谐波电压的初相角；

负载侧三相电流表示为：

式中：θ为锁相环锁相角度，Δθ＝θ-ωt，C₂₃＝C₃₂^-1，I_n、—各次电流的有效值与初相角，i_p为电流有功分量，为i_p的直流分量，

有源电力滤波器的直流侧电容电压为：

U_dc≥3e_sx (c)。

优选的是，对正序电压进行分离，公共连接点处电压的平衡分量可表示为式：

其中：e′_sxn—不平衡电压中提取出的n次电压平衡分量。

优选的是，在有源电力滤波器补偿系统中，完全谐波消除是将负载谐波完全补偿，得到与网侧基波电压同相位的、标准正弦的电网电流；单位功率因数补偿是以高功率因数为目的，得到与实际电网电压同相位的网侧电流，即电压与电流同步，当电网不对称甚至存在畸变时，此时电网电流同样含有相应次数的谐波；

为了表明网侧电压与补偿后网侧电流之间的关系，引入电导因子G_n；

由于提取出的电压分量以及目标电网电流值是三相对称的，因此三相选取相同的电导因子G_n。

优选的是，根据有源电力滤波器功率守恒原则能够得到：

其中，p_avg—负载平均有功功率，根据瞬时功率原理由三相负载电流和电网电压获得；p_loss—有源电力滤波器工作的平均损耗，用于稳定有源电力滤波器直流侧电压；E′_sn—n次谐波电压中平衡分量的有效值，当n＝1，E′_s1表示基波正序电压有效值，E′_sn的计算式为，

优选的是，通过引入电量谐波畸变率限值，用THD_io、THD_ie表示系统实际的电流奇、偶次谐波畸变率，THD_vo、THD_ve表示系统实际的电压奇、偶次谐波畸变率,构造出目标函数，此值为视在功率的平方值：

其中，

优选的是，当带载情况一定时，求出一个系统在满足功率守恒及谐波畸变率限制条件下的最小视在功率，视在功率越小，则功率因数越高；功率最小值的求法通过构建拉格朗日函数求条件极值获得电导因子G_n，

将式(i)带入式(e)中，得出目标电网电流，与负载电流做差并取反就能得到补偿电流指令值。

优选的是，所述THD_iomax和THD_iemax的选取，满足下列条件：

式中THD_iostd和THD_iestd分别为国标限制的电网电流谐波畸变率。

本发明有益效果：

本发明针对传统同步谐波指令提取算法需要测量电压信号的弊端，提出一种改进的谐波指令提取算法，避免了传统同步谐波指令信号提取算法需要检测电压幅值的弊端；在三相电网电压不平衡时仍然能够准确检测谐波，补偿效果优良，同时，可根据补偿要求适当调整控制目标，控制方式更灵活，具有很强的实用性；在电网电压不平衡情况下可以根据不同补偿需求调整控制目标，实现完全谐波消除或者单位功率因数补偿。

在网侧电压与补偿后网侧电流之间引入电导因子G_n，根据有源电力滤波器工作时功率守恒原则，来构造一个满足功率守恒及谐波畸变率限制条件的拉格朗日函数。再通过对该函数进行求解，可得出目标电网电流，能够快速计算出补偿电流指令值。

增加了有源电力滤波器接入点电压控制的动态稳定性能和电压补偿的快速性。

附图说明

图1为ip-iq法谐波检测原理图；

图2为同步参考坐标系锁相环基本原理流程图；

图3为采用坐标变换提取基波正序电压流程图；

图4为改进的有源滤波器谐波电流检测方法原理图；

图5为电网电压不平衡时采用ip-iq法检测出的谐波电流波形；

图6为电网电压不平衡时采用改进检测法检测出的谐波电流波形；

图7选择HF补偿时，补偿前后网侧三相电流波形对比；

图8选择HF补偿时，采用改进检测法检测谐波时，补偿后网侧电流谐波含量值(a)；直流侧电压波形(b)、网侧功率因数(c)；

图9选择UPF补偿时，A相电网电压、电流波形(a)，网侧功率因数(b)。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

现有常用的谐波指令信号提取策略的提出以及理论推导、验证过程都是基于三相电网平衡、对称进行的。当系统中电网电压不平衡时，这些谐波指令信号提取策略是否还能快速、精准的进行谐波检测未知。本发明以在实际工程应用最广泛的ip-iq检测方法为例，分析电网不平衡对谐波检测的影响。

如图1所示，图中，C₃₂、C分别表示Clark变换矩阵和Park变换矩阵。

式中，ω—电网角频率。

假设三相对称，被检测负载电流为：

式中，I_n、—各次电流的有效值与初相角。

电网电压无畸变的情况

当电网电压波形没有发生畸变时，三相电压对称且可表示为如下形式:

式中，E_1m—电网电压单相峰值，即电网基波电压幅值；

将负载电流变换到同步旋转坐标系下：

式中，i_p、i_q—电流有功、无功分量。

式中，n＝3k+1时取上符号，n＝3k-1时取下符号，k＝0,1,2...。

i_p、i_q经低通滤波器LPF(Low Pass Filter,LPF)得到：

式中，—i_p、i_q的直流分量。

再由图2-1可得：

式中，i_af、i_bf、i_cf—分别表示各相负载电流中的基波分量；C₂₃＝C₃₂^-1。当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功分量时，只需断开i_q通道即可，此时：

恰好等于基波有功分量。

电网电压存在畸变的情况

在式(2-2)中，变换矩阵中的ωt为与e_a对应的相位角度，可由锁相环得到。当电网电压发生畸变时，锁相环得出的角度不再是严格的ωt，下面以同步参考坐标系锁相环(Synchronous Reference Frame Phase Locked Loop,SRF-PLL)为例加以分析说明。

如图2所示，当电网电压平衡时，电压表达式同(2-4)，先将其经Clarke变换到ɑ-β坐标系：

再由park变换转换到同步旋转坐标系下：

式中，θ为锁相环锁相角度，令电网电压实际相位ωt＝θ^*，则式(2-11)进一步表示为：

可知，当锁相准确时，即θ^*＝θ，电压q轴分量为零。因此控制电压分量，使e_q^*＝0达到稳态时，即可实现相位锁定。

当电网电压发生畸变后，由对称分量理论分析可知，电压波形中除含有正序网络外，还含有大量的负序以及零序网络。对于三相三线制系统，由于零序没有导通路径，故可仅考虑其中的正序和负序网络。电压信号是由各频率分量线性叠加得到，因此在后续的理论推导过程中，为简化分析过程，仅考虑基波信号中的正序和负序网络。

假设，发生畸变的电网电压用式(2-13)表示。

式中，V₁、V₁分别代表基波正、负序电压的幅值，φ₁、φ₂分别代表基波正、负序电压的初相位。

将其通过式(2-10)、(2-11)相应变换到d-q坐标轴后，表示式如下：

若还按照SRF-PLL的锁相原理，则稳态时锁定的相位角度：

可见，在电网电压含有畸变时，锁相环稳态时得出的角度已不再是基波正序电压的相位。

假设实际锁相角度与ωt之间的偏差为Δθ，即Δθ＝θ-ωt，则：

此时式(2-7)表示为：

再将其反变换到三相a-b-c坐标系下可得：

可见，若只补偿谐波电流，则ip-iq法不受电网畸变影响。

但当需要同时补偿谐波和无功电流时，式(2-9)变为：

检测出的负载电流中的基波有功分量有误，可见ip-iq法不再适用此种情况下的谐波及无功电流检测。

利用坐标变换提取基波正序电压，其原理与ip-iq谐波分量提取方法相同，如图3所示，同步参考坐标系下的n次谐波电压可表示为：

式中，e_dn、e_qn—n次谐波直轴和交轴分量。

e_dn、e_qn又进而可表示为：

式中，—n次谐波对应的直流分量，即n次谐波中的平衡分量；—n次谐波对应的交流分量，即n次谐波中的不平衡分量。

因此，在静止同步参考系下n次谐波中的平衡分量e′_sn可表示为：

显然，当锁相环锁相角度为基波正序电压相位角时，通过图3所示方法可以提取出基波正序电压。但是，当电网电压不对称甚至含有畸变时，由SRF-PLL原理分析可知，锁相角度不再是基波正序电压的相位信息。下面分析锁相角度偏差对基波正序电压提取的影响。

假设，在电网电压不平衡的情况下，SRF-PLL锁相的角度与基波正序电压相角之间的偏差为Δθ，不平衡电网电压表达式同式(2-10)，将其变换到旋转坐标下有：

再将其反变换到a-b-c坐标系下，得：

可见这种基波正序电压提取方法并不受锁相环角度偏差的影响，可以将其应用到电网不平衡时基波正序电压的提取之中，这也是其相对于其他提取方法的优点之一。

电网电压不平衡时，改进的谐波检测方法为：

如图4所示，在三相电网电压不平衡系统中公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)的电压可表示为：

式中，x＝a,b,c；n—谐波次数；h—最高谐波次数；E_xn—各次谐波电压的有效值；φ_xn—各次谐波电压的初相角。

根据对正序电压进行分离，公共连接点处电压的平衡分量可表示为：

式中，e′_sxn—不平衡电压中提取出的n次电压平衡分量。

在有源电力滤波器补偿系统中，补偿的标准有两个：完全谐波消除(HF)和单位功率因数补偿(UPF)。前者的补偿目的是将负载谐波完全补偿，得到与网侧基波电压同相位的、标准正弦的电网电流；后者是以高功率因数为目的，得到与实际电网电压同相位的网侧电流，即电压与电流同步，当电网不对称甚至存在畸变时，此时电网电流同样含有相应次数的谐波。

为了表明网侧电压与补偿后网侧电流之间的关系，引入电导因子G_n。

由于提取出的电压分量以及目标电网电流值是三相对称的，因此三相选取相同的电导因子G_n。

由有源电力滤波器工作原理可知，有源电力滤波器稳定工作时理论上是不消耗有功功率的，根据功率守恒原则可得出：

式中，p_avg—负载平均有功功率，可根据瞬时功率原理由三相负载电流和电网电压获得；p_loss—APF工作的平均损耗，用于稳定APF直流侧电压；E′_sn—n次谐波电压中平衡分量的有效值，当n＝1，E′_s1表示基波正序电压有效值。

E′_sn的计算可参考下式得到：

工程中都会限定电量谐波畸变率在一定范围之内。假设工程限定的奇、偶次谐波电流畸变率上限分别为THD_iomax、THD_iemax。系统实际的奇、偶次谐波畸变率THD_io、THD_ie为：

则应满足：

一般情况下，THD_iomax和THD_iemax的选取，满足下列条件：

式中THD_iostd和THD_iestd分别为国标限制的电网电流谐波畸变率，THD_vo和THD_ve为实际的电压谐波畸变率。

引入THD_iomax和THD_iemax而不是直接定义为零值，是为了满足某些对功率因数要求严格的场合。如果此时电网电压波形是含有畸变的，除了基波还有其他高次谐波，则网侧电流也需含有相应含量的高次谐波来满足单位功率因数。这样做的目的就是在允许的谐波含量范围内尽可能的提高功率因数。

电网电流谐波含量在允许范围内的极限值为：

即：

可构造一个目标函数，此值为视在功率的平方值：

当带载情况一定时，求出一个系统在满足功率守恒及谐波畸变率限制条件下的最小视在功率，视在功率越小，则功率因数越高。功率最小值的求法可通过构建拉格朗日函数求条件极值获得。式(2-46)、(2-53)分别为约束方程：

式中，γ₁、γ₂、γ₃—拉格朗日算子。

上述方程对G₁、G_o、G_e求一阶偏导并与条件方程联立可得：

G₃＝G₅＝...＝G_o (2-57)

G₂＝G₄＝...＝G_e (2-58)

将式(2-57)(2-58)带入(2-56)可得：

式中

解(2-59)～(2-61)即有：

带入式(2-45)即可得出目标电网电流，与负载电流做差并取反就可得到补偿电流指令值。

实施例：

利用Matlab软件，对本发明进行了仿真。系统仿真参数设置如下：三相不可控整流桥带8欧电阻作为谐波源；直流侧母线电压值设为180V；直流侧母线电容为2200uF；负载侧平波电抗器0.45mH；有源电力滤波器交流侧滤波电感1.5mH；开关频率设为12.5kHz；有源电力滤波器系统在0.06s投入。

图5给出了电网电压不平衡时采用ip-iq法和图6给出了改进检测法检测出的谐波电流波形，从图中明显可以看出采用改进方法检测出的谐波电流波形更全面；图7给出了选择HF补偿时，补偿前后网侧三相电流波形对比，系统投入后，在小于一个周波的时间内达到稳定，且补偿后的电网电流为三相对称的工频正弦电流，波形无畸变；图8给出了选择HF补偿时，采用改进检测法检测谐波时，补偿后网侧电流谐波含量值、直流侧电压波形、网侧功率因数，从图中可以看出，电网电流谐波畸变率由补偿前的30.78％降为3.77％，满足电网要求，直流侧稳压效果良好，纹波电压很小。满足APF工作时直流侧母线电压稳定的要求，选择HF补偿时，网侧的功率因数在97％到1之间，基本满足功率因数为1的标准；图9给出了选择UPF补偿时，A相电网电压、电流波形、网侧功率因数的波形，从图中可以看出，补偿前后波形相位基本一致，功率因数保持在0.99到1之间。

效果达到了如下目标：以畸变电压中的平衡分量作为同步电压，改善了三相电流的不对称程度，同时可根据补偿需要选择完全谐波消除(HF)或者单位功率因数控制(UPF)。