本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種單相高精度快速交叉反饋解耦的諧波與無功電流提取方法。
背景技術(shù)：
：隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量整流器、逆變器等非線性設(shè)備帶來的諧波電流。這些諧波電流大大的降低了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，給電網(wǎng)和電力用戶帶來多種危害，如降低電網(wǎng)運行效率，影響變壓器等電氣設(shè)備的正常運行等。此外，在近年來大力推行的新能源微電網(wǎng)中，由于微電網(wǎng)中大量存在的電力電子裝置以及分布式能源的波動性等因素，微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題更加突出。有源電力濾波器作為一種治理諧波的新型電力電子裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)中諧波電流、無功電流以及不平衡電流等多種電能質(zhì)量問題的綜合性治理。有源電力濾波器一般由指令檢測、控制器、PWM輸出等環(huán)節(jié)組成。其中指令檢測環(huán)節(jié)的諧波與無功電流檢測算法對有源電力濾波器的補(bǔ)償效果起著關(guān)鍵作用，它既決定有源電力濾波器的控制指令的精度，也對有源電力濾波器的動態(tài)響應(yīng)性能有著重要影響。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，諧波與無功檢測算法可分為三相檢測算法與單相檢測算法，三相檢測算法主要應(yīng)用于三相平衡電路，單相檢測算法既可應(yīng)用于單相電路，也可應(yīng)用于三相平衡或不平衡電路，因而適用范圍更廣。根據(jù)算法檢測原理，諧波與無功檢測算法主要分為基于瞬時功率諧波檢測算法與基于傅里葉變換諧波檢測算法，前者具有良好的動態(tài)特性，而后者精度更高，但有一個周期的延時。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是對：提出一種精度更高，速度更快的單相高精度快速交叉反饋解耦的諧波與無功電流提取方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種單相高精度快速交叉反饋解耦的諧波與無功電流提取方法，包括如下步驟：步驟101、提取電網(wǎng)電壓us(t)和電流信息is(t)，其中：電網(wǎng)電壓us(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：us(t)＝Uscoswt；電流信息is(t)的傅里葉級數(shù)表達(dá)式為：is(t)=Ipcoswt+Iqsinwt+Σn=3∞Incos(nwt+ψn)]]>is為電網(wǎng)電流；Ip表示基波電流有功分量；Iq表示基波電流無功分量幅值；wt是電網(wǎng)電壓相角，wt通過鎖相環(huán)得到；t表示某一時刻；ψn表示相角；通過上述電流信息is(t)的傅里葉級數(shù)表達(dá)式得出：is(t)coswt=Ip2(1+cos2wt)+Iq2sin2wt+Σn=3∞In2{cos[(n+1)wt+ψn]+cos[(n-1)wt+ψn]}};]]>is(t)sinwt=Iq2(1-cos2wt)+Ip2sin2wt+Σn=3∞In2{sin[(n+1)wt+ψn]-sin[(n-1)wt+ψn]};]]>步驟102、將is(t)coswt通過第一低通濾波器得出第一直流分量；將is(t)sinwt通過第二低通濾波器得出第二直流分量；步驟103、將第一直流分量與is(t)coswt進(jìn)行反饋解耦，將第一直流分量與is(t)sinwt進(jìn)行交叉解耦；將第二直流分量與is(t)sinwt進(jìn)行反饋解耦，將第一直流分量與is(t)coswt進(jìn)行交叉解耦；步驟104、將交叉反饋解耦后的第一直流分量與coswt卷積得出：ip(t)＝Ipcoswt；將交叉反饋解耦后的第一直流分量與sinwt卷積得出：iq(t)＝Iqsinwt；步驟105、將ip(t)和iq(t)經(jīng)增益環(huán)放大2倍得出基波有功的電流幅值和無功分量的電流幅值。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：本文在介紹一種單相諧波與無功電流檢測算法基礎(chǔ)上，針對其檢測得到的有功電流幅值和無功電流幅值中包含大量二次脈動分量，造成檢測精度不夠的缺陷，提出一種改進(jìn)的單相諧波與無功檢測算法。該算法通過交叉與反饋解耦，抑制原算法檢測結(jié)果中的二次脈動分量，使其能夠在不影響原有算法動態(tài)特性的前提下，提高檢測精度。本文最后通過仿真分析和實驗研究，證明了該算法的有效性。。附圖說明圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的模型圖；圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例的諧波電流波形；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)果比對圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例的實驗電路結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例的補(bǔ)償效果圖；其中：a為APF啟動前電網(wǎng)電流波形；b為APF啟動前電網(wǎng)電流THD；c為補(bǔ)償前電網(wǎng)功率情況；d為未改進(jìn)算法電網(wǎng)電流波形；e為未改進(jìn)算法電網(wǎng)電流THD；f為未改進(jìn)算法電網(wǎng)功率情況；g為改進(jìn)檢測算法電網(wǎng)電流波形；h為改進(jìn)檢測算法電網(wǎng)電流THD；i為改進(jìn)檢測算法電網(wǎng)功率情況。具體實施方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：如圖1至圖5：一種單相高精度快速交叉反饋解耦的諧波與無功電流提取方法，1)設(shè)定電網(wǎng)電壓、電流數(shù)學(xué)表達(dá)式：設(shè)電網(wǎng)電壓為式(0)us(t)＝Uscoswt(0)含諧波的周期性非正弦電網(wǎng)電流is可用傅里葉級數(shù)表示如下式：is(t)=Ipcoswt+Iqsinwt+Σn=3∞Incos(nwt+ψn)---(1)]]>is為電網(wǎng)電流；Ip表示基波電流有功分量；Iq表示基波電流無功分量幅值；wt是電網(wǎng)電壓相角，通過鎖相環(huán)得到。2)數(shù)學(xué)變換求得基波電流有功分量、基波電流無功分量將式(1)兩邊同乘coswt，有：is(t)coswt=Ip2(1+cos2wt)+Iq2sin2wt+Σn=3∞In2{cos[(n+1)wt+ψn]+cos[(n-1)wt+ψn]}}---(2)]]>式(2)中直流分量與Ip成比例，利用低通濾波器(LPF)可得直流分量，進(jìn)而求出Ip，則基波有功電流ip(t)＝Ipcoswt。在式(2)兩邊同乘sinwt，有：is(t)sinwt=Iq2(1-cos2wt)+Ip2sin2wt+Σn=3∞In2{sin[(n+1)wt+ψn]-sin[(n-1)wt+ψn]}---(3)]]>式(3)中直流分量與Iq成比例，采用同樣的LPF可得Iq，則iq(t)＝Iqsinwt。3)諧波電流分量計算待檢測電流基波分量為：i0(t)＝ip(t)+iq(t)(4)諧波電流：ih(t)＝is(t)-i0(t)(5)4)通過以上分析，該單相諧波和無功電流檢測方法利用LPF得到有功電流幅值和無功電流幅值。觀察式(2)，該式包含如下的I2p項。i2p(t)=Ip2cos2wt+Iq2sin2wt---(6)]]>I2p是頻率為基波2倍，且其余弦分量幅值與正弦分量幅值分別與基波有功分量幅值和無功分量幅值相等的二次脈動量。同理，式(3)中也存在類似二次脈動量。當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時，該分量的頻率為100Hz。為有效濾除該分量，LPF截止頻率應(yīng)盡量低，以保證在100Hz處LPF增益衰減至接近0db。然而，過低截止頻率將延長濾波器動態(tài)響應(yīng)時間。在實際應(yīng)用中，為滿足APF對瞬時動態(tài)特性的高要求，LPF截止頻率不可取值過低，從而導(dǎo)致檢測所得基波有功與無功電流分量幅值中包含大量二次脈動量。該二次脈動量不僅嚴(yán)重降低檢測精度，且其與鎖相環(huán)輸出相角的正弦值與余弦值相乘后所得的瞬時有功電流與瞬時無功電流中將出現(xiàn)3次諧波。5)改進(jìn)的諧波與無功電流檢測算法模型(2)式中二倍頻脈動分量分為兩部分，第一部分幅值與式(2)中直流量幅值相等，為有功電流幅值1/2，第二部分其幅值與式(3)中直流量幅值相等，為無功電流幅值1/2；(3)式可得類似結(jié)論，據(jù)此可利用以下解耦網(wǎng)絡(luò)來消除濾波器輸出的二次脈動分量?？梢钥吹綄τ贗p、Iq每個分量的解耦量均包含兩種部分，一是來自自身輸出的反饋解耦，另一部分乃來自另一直流分量的交叉解耦。6)傳統(tǒng)的單相諧波與無功電流檢測算法經(jīng)低通濾波器輸出結(jié)果式(1)經(jīng)LPF濾波后的輸出為：ILPF1=Ip2+K2(IP2cos2wt+Iq2sin2wt)+Σn=3∞In2{Kn+1cos[(n+1)wt+ψn]+Kn-1cos[(n-1)wt+ψn]}---(7)]]>其中Kn為LPF對n次諧波的增益，滿足0＜Kn＜1，由于濾波器對高次諧波衰減很大，式(7)可簡化為式(8)。ILPF1(t)=Ip2+K2(Ip2cos2wt+Iq2sin2wt)---(8)]]>理想情況下，K2應(yīng)接近于0，使得二次脈動量被完全消除，然而為保證APF動態(tài)特性，LPF截止頻率不可取得過低，使得過濾結(jié)果中包含較多二次脈動量，影響檢測結(jié)果精度。7)改進(jìn)的單相諧波與無功電流檢測算法經(jīng)低通濾波器輸出結(jié)果通過改進(jìn)，引入解耦量后，式(8)中的二次脈動量被反饋和交叉解耦量所抵消，經(jīng)多次迭代，二次脈動量將衰減到0，LPF1的輸出為ILPF1=Ip2---(9)]]>同理，LPF2經(jīng)解耦后，其輸出為ILPF2=Iq2---(10)]]>將式(9)、(10)經(jīng)增益環(huán)節(jié)放大2倍后，即準(zhǔn)確得到基波有功與無功分量電流幅值。仿真分析利用matlab軟件的simulink模塊對該諧波提取算法進(jìn)行仿真分析，其中諧波源設(shè)置參考工業(yè)實際情況，主要含6k±1次諧波，其中5、7、11、13、17、19、23、25次諧波的含量分別為22.6％，11.28％，9.0％，6.47％，5.66％，4.29％，4.12％，3.48％，總THD為28.99％，波形如圖2所示。所用低通濾波器均為2階巴特沃斯濾波器，截止頻率為30Hz。對于穩(wěn)定諧波電流，理想情況下，諧波檢測算法輸出的有功分量幅值和無功分量幅值應(yīng)是平滑直線。然而由圖3，原有諧波提取算法所得有功電流幅值與無功電流幅值中仍包含大量二次脈動量，嚴(yán)重影響檢測精度。而改進(jìn)諧波提取算法則在不影響動態(tài)響應(yīng)時間的前提下，大大降低檢測幅值中的二次脈動量，提高了檢測精度。實驗結(jié)果為進(jìn)一步驗證該諧波與無功提取算法的有效性，本文在一臺三相APF上進(jìn)行了對比試驗。利用改進(jìn)前與改進(jìn)后的諧波與無功提取算法，檢測出負(fù)載中的諧波電流與無功電流，作為APF指令，對諧波與無功電流同時進(jìn)行補(bǔ)償，并對比兩種算法的補(bǔ)償效果。實驗電路圖如圖5，其中電網(wǎng)電壓為380V，50Hz。APF采用電感濾波，其直流側(cè)電容電壓采用PI控制，電流環(huán)采用重復(fù)控制，APF各項參數(shù)如表1。表1APF各項參數(shù)負(fù)載由三相二極管整流橋+電阻和可控硅+電感兩種負(fù)載組成，其中整流橋+電阻負(fù)載提供諧波與有功電流，可控硅+電感負(fù)載提供諧波與無功電流，負(fù)載參數(shù)如表2。表2負(fù)載各項參數(shù)APF啟動前后，電網(wǎng)電流波形及其THD，功率情況如圖5可見，APF啟動前，電網(wǎng)電流THD為44.8％，功率因數(shù)為0.6。APF啟動后，同時對諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，兩種算法下電網(wǎng)的THD與功率因數(shù)均有明顯改善。由圖(f)、(i)可見，經(jīng)APF對無功進(jìn)行補(bǔ)償后，其中未改進(jìn)算法補(bǔ)償后，剩余無功為0.8kvar，改進(jìn)的檢測算法補(bǔ)償后，剩余無功為0.1kVAR(由于設(shè)備檢測精度問題，兩者功率因數(shù)均顯示為1)，即改進(jìn)的檢測算法對無功的補(bǔ)償更精確。由圖(e)、(h)可見，經(jīng)APF對諧波進(jìn)行補(bǔ)償后，未改進(jìn)算法補(bǔ)償?shù)玫降碾娋W(wǎng)電流THD為7.1％，改進(jìn)的諧波檢測算法補(bǔ)償?shù)玫降碾娋W(wǎng)電流THD為4.4％，可見改進(jìn)的檢測算法效果明顯好于改進(jìn)前算法。分析圖(e)，在未改進(jìn)算法補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流中出現(xiàn)了大量3次諧波，其原因即由于未改進(jìn)算法的有功電流與無功電流幅值檢測結(jié)果中包含的二次脈動量，導(dǎo)致所生成的瞬時電流指令中包含大量3次諧波。而改進(jìn)的諧波與無功檢測算法通過反饋與交叉解耦消除了檢測結(jié)果中的二次脈動量，使得所發(fā)出電流指令中不包含3次諧波，因而圖(h)中3次諧波含量幾乎為0。綜上，本文所提出改進(jìn)的諧波與無功提取算法可有效消除原有諧波提取算法所得有功電流幅值與無功電流幅值中的二次脈動量，精確得到諧波指令和無功指令，并作為APF參考指令發(fā)出到電網(wǎng)。本專利提出一種改進(jìn)的單相諧波與無功檢測算法，利用反饋與交叉解耦，消除原有檢測結(jié)果中含有的大量二次脈動分量，從而提高諧波與無功檢測精度。仿真結(jié)果表明該方法在與原有方法使用相同LPF時，可大幅提升檢測精度，且不影響原有動態(tài)性能。。以上對本發(fā)明的一種實施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3