一种谐波及无功电流检测的有源电力滤波器及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统领域，确切地说是指应用于三相四线制有源电力滤波器中的 一种避免因为坐标变换而产生零序谐波泄露误差的谐波电流检测方法。
【背景技术】
[0002] 近30年来，随着电力电子装置在工业中的广泛应用，电网的谐波污染问题日趋严 重，严重影响电能质量。谐波不仅影响电气设备的正常工作，还给电网的安全经济运行带来 了隐患。
[0003] 自从有源电力滤波器原理被提出以来，谐波电流的检测便引起了广泛的研究至今 已发展出多种方法，谐波和无功电流检测方法一般有:模拟滤波器检测法，基于FFT的检测 法，基于瞬时无功功率理论的检测法，基于神经网络的自适应检测法等等，其中基于瞬时无 功功率理论的瞬时空间矢量法是目前有源电力滤波器中应用最广的一种检测方法，最早是 由日本学者Akagi .H于1984年提出的，经过不断改进，现包括p-q法和ip-iq法。其中，p-q法适 用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；i P_iq法在电网电压畸变时和在电网电 压不对称时有效。然而对于三相不平衡负载以上的2种方法均忽略了零序电流，从而产生零 序谐波泄露误差。
【发明内容】
[0004] 本发明针对传统ρ-q法和ip_iq法由于要进行坐标变换而产生的零序泄露误差的问 题，提出了一种应用于三相四线制有源电力滤波器的改进的谐波电流检测新方案，该方法 不需要锁相环，不需要进行矩阵变换，有效的避免了零序谐波泄露误差。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] -种谐波及无功电流检测的有源电力滤波器，包括在电网电流一侧依次串联的谐 波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路;所述补偿电流发生电路包括依次串联的电 流跟踪控制模块、驱动电路模块和主电路模块，所述主电路模块的拓扑结构为一个三相四 桥臂的PWM变换器;所述谐波和无功电流检测电路包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、 信号调理电路、AD7656模块、DSP控制器;所述霍尔电流传感器、霍尔电压传感器分别通过信 号调理电路、AD7656模块和DSP控制器相连;DSP控制器用来执行改进的谐波及无功电流检 测算法，并且根据检测信号，产生驱动信号，最后输出的信号控制大功率IGBT。
[0007] 进一步，所述主电路模块是一个四桥臂结构，由8个IGBT开关管组成，每相桥臂有 上下两个IGBT开关管，直流侧是由一个直流电容构成。
[0008] 进一步，在电网电流和所述主电路模块之间还设有RCL组成的高通滤波器。
[0009] 本发明的方法的技术方案为：
[0010] -种谐波及无功电流检测的有源电力滤波器的检测方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1，首先通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器分别获得电网的电压ea，eb，ec 和负载电流^1。的值；
[0012] 步骤2，根据所测的的ea，eb，ec和ia，ib，ic求取有功功率p = eaia+ebib+ecic;
[0013] 步骤3根据步骤2所求得的有功功率P，经过低通滤波滤去P中的谐波分量，只剩下 稳态值* = Y&Ai cosf.5其中Ιι+cos Φ就是基波正序电流有功分量的幅值；
[0014] 步骤4,根据步骤1测出的电网的电压，求出表达式ea2+eb2+e。 2的数值；
[0015] 步骤5,根据步骤1测得的电网电压和步骤3求得的有功功率的稳态值J以及步骤4 求出的ej+ef+ec2的数值，进而获取基波正序电流的有功分
[0016 ]步骤6，根据步骤1测的负载电流ia、i b、i。，从中减去步骤5的基波正序电流的有功 分量1咖、1_、1。1[)，即可得到包括基波无功电流、零序电流、负序电流及谐波电流在内的所 有有害电流，并将其反极性后作为补偿电流指令ic/、ic^、i。。％
[0017] 步骤7,根据步骤6求出的补偿电流指令选择合适的控制算法进行控制，产生控制 信号驱动三相四桥臂电路产生PWM波来补偿电网中的谐波;从而达到使电网谐波满足电能 质量指标的目的。
[0018] 本发明具有以下技术效果：
[0019] 1)所述这种基于改进算法的谐波及无功电流实时检测的三相四线制有源电力滤 波器的由两大部分组成，即谐波和无功电流检测电路和补偿电流发生电路，其中补偿电流 发生电路又分为电流跟踪控制模块、驱动电路模块和主电路模块，其中主电路的拓扑结构 为一个三相四桥臂的PWM变换器。另外，RCL组成的高通滤波器主要用来滤除开关噪声附近 的开关纹波电流。在谐波和无功电流检测电路中这里提出了一种新型的谐波检测的算法， 该方法不需要锁相环，不需要进行矩阵变换，有效的避免了因为坐标变换而产生零序谐波 泄露误差，使所测的基波有功相电流更为准确，效果更好。
[0020] 2)补偿电流发生电路的主电路的拓扑结构为一个三相四桥臂的HVM变换器，作为 一种三相四线变换器拓扑形式，三相四桥臂变换器通过附加的第四桥臂提供了零序电流通 路，可应对不平衡负载或不平衡电网的需要。与传统的三相四线变换器，尤其是工频变压器 隔离的三相四线变换器相比，三相四桥臂变换器具有结构简单、体积小、成本低等突出优 点。
[0021 ] 3)在实际应用中大多数都是三相不平衡系统，而传统的p-q，ip-iq，d-q检测法忽 略了零序电流，从而产生零序谐波泄露误差。本文基于瞬时无功功率理论的基本原理介绍 一种改进的谐波及无功电流实时检测方法，提出了一种新型的谐波检测的算法，该方法不 需要锁相环，不需要进行矩阵变换，有效的避免了因为坐标变换而产生零序谐波泄露误差。 [0022] 4)由于增加了一个桥臂，并且输出的负载可能不对称，不再满足Xa+Xb+Xc = 0,与 传统的二维空间矢量条件不符，空间矢量不在一个平面内，需将二维空间矢量扩展为三维 空间矢量就可解决问题，参考电压矢量的轨迹由二维空间增加到三维空间，及三维空间矢 量PWM控制，该控制方法容易实现变换器实时控制、直流利用率高，同时这种控制思想也便 于数字化实现，且通过对零矢量的合理控制可以降低谐波含量或降低开关损耗。
[0023] 5)在基于改进检测算法的基础上，采用三维空间矢量控制补偿电流发生电路的三 相四桥臂逆变器，该方法不但检测更加精确，补偿效果好，而且还利于数字化实现。
[0024] 采用MATLAB7.0在Simulink环境中搭建了三相四线制有源电力滤波器的仿真系 统，并且把该检测方法应用于整个有源电力滤波器系统的模型，由仿真结果可以看出这种 改进的检测方法可以取得了很好的效果。
【附图说明】
[0025]图1本发明提出的一个三相四线制有源电力滤波器的结构框图；
[0026]图2为传统iP_iq检测算法的原理框图；
[0027]图3本发明提出的谐波和无功电流检测电路图；
[0028]图4本发明提出的一个三相四桥臂的P丽变换器拓扑结构；
[0029] 图5本发明提出的改进算法的检测原理图；
[0030] 图6本发明提出的改进算法下的电网相电压和基波相电流图；
[0031]图7本发明提出的改进算法下的检测的a、b、c相谐波电流图；
[0032]图8本发明提出的改进算法下的补偿电流前后对比图；其中（a)为改进前的补偿电 流;（b)为改进后的补偿电流。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0034]传统的iP_iq检测方法的原理如图2所示。图中该方法中，需要 -cos 砂 -sm 蚀 用到与a相电网电压ea同相位的正弦信号sin ω t和对应的余弦信号cos ω t，它们由一个锁 相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算出iP、iq，经LPF滤波得出 ip、iq的直流分量V (;，4是由ial、ibl、icl产生的，因此由&、t即可计算出ial、ibl、 乜1，进而计算出1311、：[他、1此。
[0035]然而在三相四线制系统中，三相不平衡将导致三相电流之和不为零。按对称分量 法，三相负载电流可分解为正序、负序和零序三种对称分量之和，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依次滞后120° ;负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/两相变换可以表示为
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 可见，米用瞬时无功功率检测法时，零序分量并不反映到正交的α-β坐标中，由此 产生了零序谐波泄露误差。
[0044]我国低压电网采用三相四线制，由于单相负荷的不平衡分配，零序电流必然存在， 加之低压电网低次谐波含量大，用该方法检测电网中的谐波电流必将产生零序泄露误差。 这就需要对检测算法做必要的改进。
[0045]如图1和图3所示，本发明的一种谐波及无功电流检测的三相四线制有源电力滤波 器，包括在电网电流一侧依次串联的谐波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路;所 述补偿电流发生电路包括依次串联的电流跟踪控制模块、驱动电路模块和主电路模块，所 述主电路模块的拓扑结构为一个三相四桥臂的PWM变换器;所述谐波和无功电流检测电路 包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、信号调理电路、AD7656模块、DSP控制器;所述霍尔 电流传感器、霍尔电压传感器分别通过信号调理电路、AD7656模块和DSP控制器相连;DSP控 制器用来执行改进的谐波及无功电流检测算法，并且根据检测信号，产生驱动信号，最后输 出的信号控制大功率IGBT。所述主电路模块是一个四桥臂结构，由8个IGBT开关管组成，每 相桥臂有上下两个IGBT开关管，直流侧是由一个直流电容构成。在电网电流和所述主电路 模块之间还设有RCL组成的高通滤波器。
[0046]上述DSP控制器中将完成以下改进的谐波及无功电流检测的三相四线制有源电力 滤波器的检测方法，包括以下步骤：
[0047] 步骤1，首先通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器分别获得电网的电压ea，eb，ec 和负载电流1"，1。的值；
[0048] 步骤2，根据所测的的ea，eb，ec和ia，ib，ic求取有功功率p = eaia+ebib+ecic;
[0049] 步骤3根据步骤2所求得的有功功率P，经过低通滤波滤去P中的谐波分量，只剩下 稳态值ρ 尼A. ，其中i1+cos φ就是基波正序电流有功分量的幅值；