本发明涉及电力网络技术领域，特别涉及一种有源电力滤波器。
背景技术：
随着电力电子技术的飞速发展，非线性负载的应用导致了电网的谐波污染问题，危害电力系统和各类电器的正常稳定运行。对于谐波的治理首先要解决谐波的检测方法。
谐波检测是处理谐波问题的前提，也是有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)实现谐波补偿的关键技术之一。
目前，有源电力滤波器采用的谐波检测方法主要有基于瞬时无功功率理论和基于傅里叶变换的谐波检测方法。基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法原理简单、动态响应速度快，但其检测精度受滤波器的影响很大。采用傅里叶变换以及诸多其他改进的傅里叶变换检测电网谐波时容易发生频谱泄漏和栅栏现象等缺陷。三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论，有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点。
当前，有源电力滤波器检测谐波的速度较慢，检测出的谐波的准确性也需进一步提高。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种有源电力滤波器，可以快速、准确地检测出电网中的谐波电流。
本发明实施例提供了一种有源电力滤波器，包括：
锁相环、电流互感器、低通滤波器、数字信号处理器；
所述锁相环、所述电流互感器、所述低通滤波器分别与所述数字信号处理器相连；
所述锁相环确定电网电压的相位角θ，将所述θ发送给所述数字信号处理器；所述电流互感器检测电网的负载电流Ia、Ib、Ic，将所述负载电流Ia、Ib、Ic发送给所述数字信号处理器；所述数字信号处理器将所述负载电流Ia、Ib、Ic从abc坐标系变换到αβ坐标系下的iα、iβ，根据所需提取的N次谐波以及所述θ确定变换矩阵，利用所述变换矩阵将所述iα、iβ从所述αβ坐标系变换到dq坐标系下的id、iq，将所述id和所述iq发送给所述低通滤波器，其中所述id包含直流分量INd和交流分量所述iq包含直流分量INq和交流分量所述N为大于等于1的整数；所述低通滤波器滤除所述id的交流分量得到所述INd，滤除所述iq的交流分量得到所述INq，将所述INd和所述INq发送给所述数字信号处理器；所述数字信号处理器将所述INd和所述INq进行反变换，得到N次谐波电流。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器，具体用于确定所需提取的所述N次谐波，依据所述θ和所述N确定所述变换矩阵，所述变换矩阵为
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器，具体用于将所述iα和所述iβ从所述αβ坐标系变换为所述dq坐标系下的所述id和所述iq，具体公式如下：
其中，
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器，还用于在所述依据所述θ和所述N确定所述变换矩阵之前，获取sin(N-1)θ、sinθ、cos(N-1)θ、cosθ；
计算所述cosNθ和所述sinNθ，具体公式如下：
在一种可选的实现方式中，所述低通滤波器为巴特沃兹二阶低通滤波器；
所述低通滤波器，具体用于滤除所述id的交流分量得到所述INd，所述巴特沃兹二阶低通滤波器的截止频率设置为50Hz。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器，具体用于将所述INd和所述INq从所述dq坐标系下变换到所述αβ坐标系下的iNα和iNβ，具体公式如下：
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器，具体用于将所述iNα和所述iNβ变换到所述abc坐标系下，具体公式如下：
在一种可选的实现方式中，所述有源电力滤波器还包括：
控制器、输入设备；
所述控制器分别与所述数字信号处理器、所述输入设备电性连接；
所述控制器，用于接收用户通过所述输入设备发送的谐波次数选择指令，依据所述谐波次数选择指令向所述数字信号处理器发送控制指令，所述控制指令指定所述数字信号处理器所需提取的谐波次数；
所述数字信号处理器，还用于根据所述控制指令确定所需检测的谐波次数。
在一种可选的实现方式中，所述有源电力滤波器还包括：
补偿电流发生电路；
所述补偿电流发生电路与所述数字信号处理器电性连接；
所述数字信号处理器，还用于根据所述N次谐波电流生成电流补偿指令，向所述补偿电流发生电路发送所述电流补偿指令；
所述补偿电流发生电路，用于根据所述电流补偿指令产生补偿电流补偿电网中的谐波电流。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器，还用于在根据所需提取的N次谐波以及所述θ确定变换矩阵之前，根据预设规则确定当前时刻所需提取的谐波次数。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：通过对负载电流进行坐标系变化和滤波可以快速检测出谐波电流的dq轴分量，再对该分量进行反变换得出谐波电流，快速方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1是本发明实施例一种有源电力滤波器系统结构原理图；
图2是本发明实施例有源电力滤波器结构原理图；
图3是本发明负载电流滤波前后在q轴的波形对比图；
图4是本发明实施例有源电力滤波器结构原理图；
图5是本发明实施例有源电力滤波器结构示意图；
图6是本发明实施例谐波检测方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
本发明实施例提供了一种有源电力滤波器系统结构原理图，如图1所示，左端的为交流电源，右端的非线性负载产生谐波电流。有源电力滤波器由指令电流运算电路和补偿电流发生电路组成，其中补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路三部分。指令电流运算电路的作用是检测出电网中的谐波电流；补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路检测出的谐波电流控制主电路产生补偿电流补偿电网中的谐波电流，从而达到抑制谐波电流的目的。有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)计算，提取出负载电流中的谐波成分。
本发明实施例提供了一种有源电力滤波器，如图2所示，包括：
锁相环201、电流互感器202、低通滤波器203、数字信号处理器204；
上述锁相环201、上述电流互感器202、上述低通滤波器203分别与上述数字信号处理器204相连；
上述锁相环201确定电网电压的相位角θ，将上述θ发送给上述数字信号处理器204；上述电流互感器202检测电网的负载电流Ia、Ib、Ic，将上述负载电流Ia、Ib、Ic发送给上述数字信号处理器204；上述数字信号处理器204将上述负载电流Ia、Ib、Ic从abc坐标系变换到αβ坐标系下的iα、iβ，根据所需提取的N次谐波以及上述θ确定变换矩阵，利用上述变换矩阵将上述iα、iβ从上述αβ坐标系变换到dq坐标系下的id、iq，将上述id和上述iq发送给上述低通滤波器203，其中上述id包含直流分量INd和交流分量上述iq包含直流分量INq和交流分量上述N为大于等于1的整数；上述低通滤波器203滤除上述id的交流分量得到上述INd，滤除上述iq的交流分量得到上述INq，将上述INd和上述INq发送给上述数字信号处理器204；上述数字信号处理器204将上述INd和上述INq进行反变换，得到N次谐波电流。
上述有源电力滤波器可以通过上述电流互感器202检测负载电流，并通过上述数字信号处理器204进行计算，提取出负载电流中的谐波成分。电流互感器依据电磁感应原理，由闭合的铁心和绕组组成，可以用来将交流电路中的大电流转换为一定比例的小电流，以供测量之用。锁相环路是一种反馈控制电路，锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因为锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。因此，上述锁相环201可以确定上述电网电压的相位角θ。本发明实施例中不规定检测上述相位角θ和检测上述负载电流的顺序，可以先检测上述相位角θ再检测上述负载电流，也可以同时检测上述相位角θ和上述负载电流，还可以先检测上述负载电流再检测上述相位角θ。上述数字信号处理器204可以根据需要确定提取的谐波次数，也可以根据具体的设置信息确定需要提取的谐波次数。举例来说，若上述数字信号处理器204判断上述电网中7次谐波污染较严重，则提取7次谐波，即上述N为7；上述数字信号处理器204可以根据用户输入的设置指令，检测上述设置指令所指定的谐波。
上述abc坐标系为三相静止坐标系，上述αβ坐标系为两相静止坐标系，上述dq坐标系为两相同步旋转坐标系。
本发明实施例中，先根据锁相环确定电网电压的相位角将电网的负载电流Ia、Ib、Ic从abc坐标系变换到αβ坐标系下的iα、iβ；再根据所需提取的N次谐波以及上述θ确定变换矩阵，利用上述变换矩阵将上述iα、iβ从上述αβ坐标系变换到dq坐标系下的id、iq；最后，滤除上述id的交流分量得到上述INd，滤除上述iq的交流分量得到上述INq，将上述INd和上述INq进行反变换，得到N次谐波电流。本发明实施例通过对负载电流进行坐标系变化和滤波可以快速检测出谐波电流的dq轴分量，再对该分量进行反变换得出谐波电流，快速方便。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器204，具体用于确定所需提取的所述N次谐波，依据所述θ和所述N确定所述变换矩阵，所述变换矩阵为
本发明实施例中，可以确定所需检测的谐波，并依据检测到的相位角以及所需检测的谐波确定变换矩阵，计算简单、快速。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器204，具体用于将所述iα和所述iβ从所述αβ坐标系变换为所述dq坐标系下的所述id和所述iq，具体公式如下：
其中，
本发明实施例中，可以将负载电流从所述αβ坐标系变换为所述dq坐标系。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器204，还用于在所述依据所述θ和所述N确定所述变换矩阵之前，获取sin(N-1)θ、sinθ、cos(N-1)θ、cosθ；
计算所述cosNθ和所述sinNθ，具体公式如下：
本发明实施例中，利用第N-1次谐波和基波就可以求出cosNθ和sinNθ，不需要进行反复查表，只需要根据之前的结果经过简单的乘法运算就可以实现，计算简单、快速。
在一种可选的实现方式中，上述低通滤波器203为巴特沃兹二阶低通滤波器；
上述低通滤波器203，具体用于滤除上述id的交流分量得到上述INd，上述巴特沃兹二阶低通滤波器的截止频率设置为50Hz。
图3为负载电流滤波前后在q轴的波形对比图，如图3所示，巴特沃兹二阶低通滤波器可以有效滤除负载电流和负载电流在q轴上的谐波分量即交流分量。
本发明实施例中，采用巴特沃兹二阶低通滤波器，将截至频率设置为50Hz，相对于其他二阶低通滤波器，截至频率设置的更高，动态相应更快。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器204，具体用于将所述INd和所述INq从所述dq坐标系下变换到所述αβ坐标系下的iNα和iNβ，具体公式如下：
本发明实施例中，可以将滤波后的负载电流从所述dq坐标系下变换到所述αβ坐标系。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器204，具体用于将所述iNα和所述iNβ变换到所述abc坐标系下，具体公式如下：
其中，所述INa、所述INb、所述INc为所述电网中的所述N次谐波电流。
本发明实施例中，可以将滤波后的负载电流从αβ坐标系变换到abc坐标系。
在一种可选的实现方式中，如图4所示，所述有源电力滤波器还包括：
控制器401、输入设备403；
所述控制器401分别与所述数字信号处理器204、所述输入设备403电性连接；
所述控制器401，用于接收用户通过所述输入设备403发送的谐波次数选择指令，依据所述谐波次数选择指令向所述数字信号处理器204发送控制指令，所述控制指令指定所述数字信号处理器204所需提取的谐波次数；
所述数字信号处理器204，还用于根据所述控制指令确定所需检测的谐波次数。
举例来说，用户可以通过上述输入设备403选择检测5次谐波，上述控制器401根据上述输入设备403接收到操作指令向所述数字信号处理器204发送控制指令指定上述数字信号处理器检测5次谐波，上述数字信号处理器204接收到上述控制指令后，检测5次谐波。
本发明实施例中，用户可以通过输入设备选择需要检测的谐波，满足不同用户的需求。
在一种可选的实现方式中，如图5所示，所述有源电力滤波器还包括：
指令电流运算电路501、补偿电流发生电路502，指令电流运算电路501包括所述锁相环201、所述电流互感器202、所述低通滤波器203、所述数字信号处理器204；
所述指令电流运算电路501与补偿电流发生电路502电性连接；
所述指令电流运算电路501，还用于根据所述N次谐波电流生成电流补偿指令，向所述补偿电流发生电路502发送所述电流补偿指令；
所述补偿电流发生电路502，用于根据所述电流补偿指令产生补偿电流补偿电网中的谐波电流。
本发明实施例中，指令电流运算电路利用电流互感器检测负载电流，并通过DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，计算得出补偿电流的指令信号，该指令信号经补偿电流发生电路放大，由主电路产生相应的补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流相抵消，最终得到期望的电源电流。
在一种可选的实现方式中，所述数字信号处理器204，还用于在根据所需提取的N次谐波以及所述θ确定变换矩阵之前，根据预设规则确定当前时刻所需提取的谐波次数。
上述预设规则可以是只检测特定次数的谐波，例如5次谐波、7次谐波、11次谐波；也可以是按照用户设置的检测谐波的顺序依次进行检测，例如用户可以设置按照3次谐波、5次谐波、7次谐波、11次谐波、3次谐波的顺序循环进行谐波检测；还可以按照当前时刻各次谐波的污染程度，确定当前时刻所需提取的N次谐波；上述有源电力滤波器可以根据接收到的检测指令确定所需提取的N次谐波，例如上述有源电力滤波器接收到控制设备发送的检测7次谐波的指令后，则检测7次谐波。
本发明实施例中，有源电力滤波器可以采用多种方式确定需要检测的谐波，提高检测效率。满足不同的应用场景的谐波检测需求。
本发明实施例中有源电力滤波器可以执行一下谐波检测方法，如图6所示，包括：
601、有源电力滤波器APF利用锁相环确定电网电压的相位角θ；
602、检测负载电流，并将检测到的负载电流Ia、Ib、Ic从abc坐标系变换到αβ坐标系下的iα、iβ；
603、将上述iα、iβ从上述αβ坐标系变换到dq坐标系下的id、iq；
604、滤除上述id的交流分量得到INd，滤除上述iq的交流分量得到INq；
605、将上述INd和上述INq从上述dq坐标系下变换到上述αβ坐标系下的iNα和iNβ；
606、将上述iNα和上述iNβ变换到上述abc坐标系下，得到N次谐波电流INa、INb、INc。
本发明实施例通过对负载电流进行坐标系变化和滤波可以快速检测出谐波电流的dq轴分量，再对该分量进行反变换得出谐波电流，快速方便。通过控制逆变器产生和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到上述电网中，消除谐波污染。
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技术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。