專利名稱：一種單相諧波電流檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)，更具體地說，涉及電力系統(tǒng)中諧波電流的檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的各種電力電子開關(guān)裝置越來越多。這些電力電子裝置的開關(guān)動作向電網(wǎng)注入大量的諧波分量，導(dǎo)致交流電網(wǎng)中電壓和電流波形嚴重畸變。電能質(zhì)量的下降直接影響著供電、用電設(shè)備的安全運行。有源電力濾波器是抑制電網(wǎng)諧波的一種有效工具。
圖l所示是有源電力濾波器的示意圖。圖中，4^代表負載電流，/。為電源電流，U。為電源電壓，zV為負載電流的基波分量，"為負載電流的諧波分
量o
當(dāng)負載為非線性負載時，負載電流4^中會含有大量的諧波，如果有源電力濾波器未開，則源電流等于負載電流，如圖2所示。
當(dāng)有源電力濾波器開啟后，它往電網(wǎng)補償與負載中的諧波電流大小相等，方向相同的諧波電流，從而使得源電流為正弦。如圖3所示。
從上面的分析可以看出，如何獲取負載中諧波電流的相位和幅值，即諧波提取算法，是有源電力濾波器的核心算法之一。通常，諧波電流的提取方法主要有基于FFT (快速傅立葉變換)的數(shù)字分析法和基于瞬時功率理論的各種諧波檢測方法。
基于FFT的數(shù)字分析法的核心思想是如何從電流中提取基波分量和諧波分量。其原理是將一個周期的信號通過FFT分解，得到各次諧波的幅值和相位。這種方法的優(yōu)點在于一次性得到各次諧波的幅值和相位，可以自由選擇需要補償?shù)闹C波次數(shù)和補償比例。它的主要缺點是需要一個周期的采樣數(shù)
5據(jù)，才能算出各次諧波的含量。而且需要對誤差信號進行重構(gòu)，運算復(fù)雜， 延時較大。另一方面，這種諧波提取方法是建立在傅立葉分析基礎(chǔ)上的，因 此要求被補償?shù)牟ㄐ问侵芷谛宰兓?，否則會帶來較大的誤差，這也限制了 它的使用范圍。
基于瞬時功率理論的檢測方法的核心思想就是利用系統(tǒng)中電壓和電流 的關(guān)系來提取電流中的諧波分量。這種諧波檢測方法在只檢測無功電流時， 可以完全無延時。檢測諧波電流時，因被檢測諧波的構(gòu)成和采用的濾波器不 同，存在一定的延時，但是這個延時最多不會超過一個工頻周期。
三相電路的瞬時無功理論也可以應(yīng)用到檢測單相電路諧波和無功電流。
具體的實施方案是將單相電壓和電流按相位互差120度，構(gòu)造成一個三相系 統(tǒng)(或者按相位互差90度，構(gòu)成一個等效的兩相系統(tǒng))，再利用三相電路的 瞬時無功理論，分解出無功和諧波。計算框圖如圖4所示。
由圖4可知，這種單相電流諧波檢測方案的核心在于如何利用單相電流 構(gòu)造出三相電流?，F(xiàn)有技術(shù)中，構(gòu)造三相電流的方法有3種
令&=&，將&延時120度得到q，延時240度，得到^。令4=/,，將 4延時120度得到4，延時240度得到/e。由此得到三相電壓和電流，再利用 三相瞬時無功理論計算出諧波和無功。
令^=7^^;, ^延時90度可得^。從而可以利用三相瞬時無功理論計
算出諧波電流。
令將4延時60度可得-/￡;，則zX-z'c。
圖4所示的方案能夠有效地檢測出諧波電流。但是這種方案需要一個純 滯后環(huán)節(jié)來構(gòu)造三相電流，很難用模擬電路實現(xiàn)。即使采用數(shù)字電路實現(xiàn)， 構(gòu)造三相電流電路本身就會造成至少120度的延時。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述三相電流構(gòu)造造成 延時的缺陷，提供一種不需任何延遲處理的單相諧波電流檢測方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種單相諧波電流檢測方法，包括如下步驟
a. 采樣被檢測電流/s，構(gòu)造三相電流4、 4、 Z'c;
b. 將步驟a中所述三相電流轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)坐標系下，得到三相電流4、 4、 &的d軸分量&和q軸分量/《；
c. 將步驟b中所述的電流的d軸分量/d和q軸分量zq通過低通濾波器，
獲得Z'd和Zq的直流分量G和/',;
d. 將直流分量/:和/;通過坐標變換，變換至三相坐標系下，得到^和/', 在三相靜止坐標系下的A軸分量z'。、 B軸分量z;、 C軸分量；
e. 根據(jù)/'。 、 /'6 、 C中的至少一個量得到/5的基波分量z>
f. 將4的基波分量 一與4相減得到4的諧波分量"。 在本發(fā)明所述的單相諧波電流檢測方法中，所述步驟a中，被檢測電流
/,=/m.cos— + e)+/ .cos("'6rf + p)(式1)，其中，w為電網(wǎng)頻率，0為電網(wǎng) 電流基波相位，4為基波電流幅值，/"為第"次諧波幅值，^為第"次諧波 的相位，w為自然數(shù)，且"^2;
三相電流^、 4、 4是通過下列式2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f中的任意一式
構(gòu)造出的'。
(式2a)
z。=義 z6 =盧;
(式2b)
za =義
(式2c)<formula>formula see original document page 8</formula>
(式2d)
(式2e)
(式2f)
其中;c、少、z是任意值。 在本發(fā)明所述的單相諧波電流檢測方法中， 換至旋轉(zhuǎn)坐標系是通過下式得到電流的d軸分i
=廣r"
所述步驟b中，三相電流轉(zhuǎn) :^和q軸分量^ :
(式3>
、=^cos(cy/")+ *^7m cos(M)c。s(ty/ + P)+三/" cos(ty/)cos(". W + 丄(y + z)cos(ft^) 3 3 3 3
+ ~^(y_z)si—)
、=脊(y _ z)cos(6^)-警sin(一- sin(—cos(紐+ P)- sin(<y )cos(M.加+ p) + ^(y + z)sin")
其中，c和cw為坐標變換矩陣.-
3/2
cos—) sin(—
.1 -1/2 -1/2 . 0 -VI/2
由式3可知，^和/《的直流分量與;c、》z的取值無關(guān)。所以，在構(gòu) 造三相電流/。、 &、 /c時，；c、 _y、 z可以是任意值。
在本發(fā)明所述的單相諧波電流檢測方法中，所述步驟c中，獲得d軸 分量^和q軸分量"的直流分量^和"
8/加/3co辨
(式5)
在本發(fā)明所述的單相諧波電流檢測方法中，所述步驟d中，^和z;在
三相靜止坐標系下的A軸分量,"。、B軸分量^、 C軸分量!:三個分量是通
過下式得到
-/m/6cos—+ P)+V5/m/6sin— + P) (式6) /6 cos— + 6>) - V^/m /6 sin(欣+ 6>)
其中，G/3和C^分別是坐標變換矩陣 'l 0
1 .》 sa 、=C2/3Cr/s《—<
-1/2 V^/2 -1/2
cos(— -sin(醋) sin—) cos—)
在本發(fā)明所述的單相諧波電流檢測方法中，所述步驟e中，z^是通過下
式得到的
是通過式2a構(gòu)造的 是通過式2Z;構(gòu)造的 是通過式2c構(gòu)造的 是通過式2d構(gòu)造的。 .是通過式2e構(gòu)造的 ,是通過式2僻造的
實施本發(fā)明的單相諧波電流檢測方法，具有以下有益效果本發(fā)明所提 出的新單相諧波電流諧波檢測方法在構(gòu)造三相電流時，不需要對被測電流z's 進行任何延遲處理，可以實時地分解出負載電流的基波分量和諧波分量，并 且極大地減小CPU和內(nèi)存的開支。另外，這種新的檢測方案的運算簡單，通 過模擬電路或者數(shù)字處理器都很容易實現(xiàn)。
乂如果/。、4、
如果/。、
女口l。、
-3/'c如果/。、';、
如果/。、z&、r3。如果f。、G、c
下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中.-
9圖1是有源電力濾波器的示意圖2是有源電力濾波器未開啟時，電網(wǎng)源電壓與源電流的波形示意圖； 圖3是有源電力濾波器開啟后，源電流為正弦電流時的波形示意圖； 圖4是現(xiàn)有技術(shù)中的單相電路諧波電流檢測計算框圖； 圖5是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的計算框圖； 圖6是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第一實施例的計算框圖； 圖7是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第二實施例的計算框圖； 圖8是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第三實施例的計算框圖； 圖9是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第四實施例的計算框圖； 圖10是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第五實施例的計算框圖； 圖11是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第六實施例的計算框圖； 圖12是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法用于三相諧波檢測時的計 算框圖。
具體實施例方式
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的FFT (快速傅立葉變換)諧波檢測和基于瞬時功率理 論的三相電流構(gòu)造技術(shù)都造成延時的缺點，本發(fā)明提出了一種新的單相電流 諧波檢測方法。假設(shè)被測電流為4，<formula>formula see original document page 10</formula>式1)
其中，0為電網(wǎng)頻率，e為電網(wǎng)電流基波相位，4為基波幅值，/ 為第"
次諧波幅值，^為第w次諧波的相位，w為自然數(shù)，且w22。 通過下列式2a
<formula>formula see original document page 10</formula>
采樣被檢測電流/,，構(gòu)造出三相電流4、 4、 I其中；c、》z是任意值(參考圖5)。圖5所示是本發(fā)明提出的新單相電路諧波電流檢測計算框圖。
圖中系數(shù)K代表無功電流的比例。當(dāng)K-0時，代表補償諧波與無功分量，
當(dāng)K4時代表只補償諧波分量，當(dāng)0<&<1時，代表部分補償無功。zW為被
檢測電流&的基波分量，"為負載電流的諧波分量。
通過下式得到三相電流/。、 4、 /c的d軸分量^和q軸分量z《，以將三相 電流轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)坐標系
(式3)
/rf = ，cos(c^)+魯/附c。s(加)cos(g^ + P)+魯/" c。S(firf)c。S(w + p)—會b + Z)c。s(m) z)sin(—
々=- z)cos—)—，sin(6^)一魯/加sin(c^)cos(紐+ P)—魯/ sin(必/)cos(w 紐+ p) 其中，C^和C^為坐標變換矩陣，
cos(紐) sin—)"l —sin(— cos(<y )_[
C3/2 =
2
.1 -1/2 -1/2 — 0 4/2_
由式3可知，新構(gòu)造的三相電流/a、 4、 ^變換至旋轉(zhuǎn)坐標系下后，^和 !g的直流分量都與表達式:c、》z無關(guān)，故:c、》z可以是任意值。特殊地， 當(dāng)義=>;=2時，^和/《可以進一步簡化為方程(4):
2 2
cos(—cos— + "J," cos(—cos(". W + p)
-^"/附sin—)cos— + P)- "j/rt sin(")cos(w ft)/ + p)
(式4)
通過低通濾波器，獲得的fd和Zq的直流分量z:和/'。的表達式為<formula>formula see original document page 12</formula>
(式5)
將^和^的直流分量/:和/、通過坐標變換，變換至三相坐標系下，得至l」 和/',在三相靜止坐標系下的A軸分量!'。、 B軸分量zV C軸分量z
<formula>formula see original document page 12</formula> (9)
—乙/6 c。s(W + 6)+ /6 sin(欣+ 9) -/m /6 cos— + P) — VJ/m /6 sin(紐+ (9)
其中，c^和c分別是坐標變換矩陣。
<formula>formula see original document page 12</formula>
(式6)
-1/2 W2 -1/2 -V^/2
cos—) - sin(— sin(紐) cos(ty。
將式6與式1作比較可得，4的基波分量等于/'。的3倍，所以，將/'。乘 以3即可得到4的基波分量^ (參考圖5)。
在上述步驟中，構(gòu)造三相電流/。、 4、 4時，還可通過下式2b、 2c、 2d、 2e、 2f中的任意一式構(gòu)造出三相電流/。、 4、 /c:
<formula>formula see original document page 12</formula><formula>formula see original document page 13</formula>
相應(yīng)地，4/是通過下式得到
<formula>formula see original document page 13</formula>
分別與上述的構(gòu)造三相電流"、&、 ^采用式2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f 時所對應(yīng)的第一、第二、第三、第四、第五、第六實施例的計算框圖分別見 圖6至圖11。圖6是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第一實施例的計 算框圖；圖7是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第二實施例的計算框 圖；圖8是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第三實施例的計算框圖； 圖9是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第四實施例的計算框圖；圖10 是本發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第五實施例的計算框圖；圖11是本 發(fā)明的單相電路諧波電流檢測方法的第六實施例的計算框圖。
本發(fā)明提出的新單相諧波電流檢測方法在構(gòu)造三相電流時，不需要對4 進行任何延遲處理，可以實時地分解出負載電流的基波分量和諧波分量，并 且極大地減小CPU和內(nèi)存的開支。另外，這種新的檢測方案的運算簡單，通 過模擬電路或者數(shù)字處理器都很容易實現(xiàn)。
這種新的單相諧波檢測方案還可以用于檢測三相電路的諧波電流。計算框圖如圖12所示<
假設(shè)三相電壓為:
wft = ￡m cos W - 丁 2;r
(式8)
wc = ￡^ . cos tyf +
三相被檢測電流為:
3
/。 = /。
COS— + Pa ) + A" . COS(".欲+爐a )
Z卩 2;r、
f 2;r 、 /6 = /6 cos(欲—丁 + 0,
+ /6 .cos
Z: = /c . C。S(欣+ 7 + " + 4 . c。s
I紐+ -
3 2;r
V
(式9)
其中，/。、 /6和/c分別是三相電流基波分量的幅值，假設(shè)三相不平衡，則
A^^A?！丁ⅰ逗汀斗謩e為三相基波電流的初相角。/。 、 /&和^為三相諧 波電流幅值，％、 A和^為三相諧波電流的初相角，n為諧波的次數(shù)。
將式9代入圖12所示的運算框圖，則三相電流的基波分量分別為
'W =7。 'cos(c^)cos((9。)—/。. ATsin((9。)sin(欣)
= A cos W -宇)cos(《)—/6.尺sin[紐—宇)sin(《)(式iq)
/ , = /e. cos紐+——cos(《)- /, X sin + — sin(《) 、 、 3 J V 3 J
比較式9和式10可知，當(dāng)k4時，式9與式10的基波分量是相等的，
這說明圖12所示的三相諧波電流檢測框圖能完全復(fù)原被檢測三相電流的基
波分量。
當(dāng)k-0時，式(10)可以化簡為
<formula>formula see original document page 14</formula>
(式11)比較式11和式8可知，被檢測電流的基波分量與電壓同相位，此時的基
波電流分量為有功分量。
比較式9和式10可知，即使負載不平衡時，圖12所示的三相諧波電流 檢測方案檢測到的基波分量能很好地復(fù)現(xiàn)被測電流的基波分量。這樣，通過 對稱分量法，允許有源電力濾波器對基波分量的負序和零序電流進行選擇性 地補償。
圖12所示的新三相諧波檢測方案實際上是三個單相諧波檢測單元組成 的。這種諧波電流檢測方案的最大優(yōu)點在于三相負載電流不對稱時，允許電 力有源濾波器選擇性地對三相系統(tǒng)任何一相的無功電流、三相零序電流的基 波分量和三相負序電流的基波分量進行選擇性地補償。
本發(fā)明提出的單相諧波電流檢測方案，利用三相坐標變換的特性，巧妙 地合成三相電流，允許在沒有增加延時和額外運算的條件下，通過瞬時功率 理論實時地檢測出單相系統(tǒng)的諧波電流和無功電流。同時，還將這種單相諧 波電流檢測方案應(yīng)用于三相系統(tǒng)，允許電力有源濾波器能選擇性地對三相系 統(tǒng)任一相的無功電流、三相零序電流的基波分量和三相負序電流的基波分量 進行補償。
1權(quán)利要求
1、一種單相諧波電流檢測方法，其特征在于，包括如下步驟a.采樣被檢測電流is，構(gòu)造三相電流ia、ib、ic；b.將步驟a中所述三相電流ia、ib、ic轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)坐標系下，得到三相電流ia、ib、ic的d軸分量id和q軸分量iq；c.將步驟b中所述的電流的d軸分量id和q軸分量iq通過低通濾波器，獲得id和iq的直流分量i′d和i′q；d.將直流分量i′d和i′q通過坐標變換，變換至三相坐標系下，得到i′d和i′q在三相靜止坐標系下的A軸分量i′a、B軸分量i′b、C軸分量i′c；e.根據(jù)i′a、i′b、i′c中的至少一個量得到被檢測電流is的基波分量isf；f.將被檢測電流is的基波分量isf與被檢測電流is相減得到被檢測電流is的諧波分量ish。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相諧波電流檢測方法，其特征在于，所述步 驟a中，被檢測電流?。?=/m.cos( f + 0)+/ .cos(",ty, + p)(式l)，其中，"為電網(wǎng)角頻率，^為電網(wǎng)電流基波相位，4為基波電流幅值，/"為第w次諧波幅 值，^為第w次諧波的相位，w為自然數(shù)，且"22;三相電流z'。、 &、 /c是通過下列式2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f中的任意一式 構(gòu)造出的(式2a)<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 3</formula>(式2b)<formula>formula see original document page 3</formula>(式2c)<formula>formula see original document page 3</formula>(式2d)<formula>formula see original document page 2</formula>(式2e)<formula>formula see original document page 3</formula>(式2f)其中;c、》z是任意值。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相諧波電流檢測方法，其特征在于，所述步 驟b中，三相電流4、 4、 /c是通過下式轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)坐標系得到電流的d軸分 量irf和q軸分量z《(式3)<formula>formula see original document page 3</formula>其中，C和C^為坐標變換矩陣:<formula>formula see original document page 4</formula>
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的單相諧波電流檢測方法，其特征在于，所述 步驟C中，所述將d軸分量。和q軸分量^通過低通濾波器，獲得d軸分 量^和q軸分量~的直流分量^和z;:<formula>formula see original document page 4</formula>(5),
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相諧波電流檢測方法，其特征在于，所述 步驟d中，和z 在三相靜止坐標系下的A軸分量Z'。、 B軸分量^、 C軸分量z:三個分量是通過下式得到<formula>formula see original document page 4</formula>其中，C^和C^分別是坐標變換矩陣 1 0(6)<formula>formula see original document page 4</formula>
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相諧波電流檢測方法，其特征在于，所述步〗e中，基波分量!;/是通過下式得到的z6、 /。是通過式2fl構(gòu)造的 zb、 z:是通過式26構(gòu)造的 。、Z6、 ^是通過式2c構(gòu)造的 a、 /6、 ^是通過式2d構(gòu)造的。 力、^、 z:是通過式2e構(gòu)造的 。、^、 z:是通過式2，造的 <formula>formula see original document page 4</formula>
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單相諧波電流檢測方法，包括如下步驟a.采樣被檢測電流i<sub>s</sub>，構(gòu)造三相電流i<sub>a</sub>、i<sub>b</sub>、i<sub>c</sub>；b.將所述三相電流轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)坐標系下，得到d軸分量i<sub>d</sub>和q軸分量i<sub>q</sub>；c.i<sub>d</sub>和i<sub>q</sub>通過低通濾波器，獲得i<sub>d</sub>和i<sub>q</sub>的直流分量i′<sub>d</sub>和i′<sub>q</sub>；d.將i′<sub>d</sub>和i′<sub>q</sub>通過坐標變換，得到三相坐標系的三個分量i′<sub>a</sub>、i′<sub>b</sub>、i′<sub>c</sub>；e.根據(jù)i′<sub>a</sub>、i′<sub>b</sub>、i′<sub>c</sub>中的至少一個量得到i<sub>s</sub>的基波分量i<sub>sf</sub>；f.將i<sub>sf</sub>與i<sub>s</sub>相減得到i<sub>s</sub>的諧波分量i<sub>sh</sub>。本發(fā)明所提出的單相諧波電流檢測方法，不需要對被檢測電流i<sub>s</sub>進行任何延遲處理，可以實時地分解出被檢測電流的基波分量和諧波分量，并且極大地減小CPU和內(nèi)存的開支。
文檔編號G01R19/00GK101493482SQ20081006845
公開日2009年7月29日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者冼成瑜 申請人:深圳市盛弘電氣有限公司