一種基于dqo變換改進的電流檢測新方法

顧啟民，等 一種基于dqo變換改進的電流檢測新方法 一25一 。 _ V 圖9諧波電流波形 Fig9 Wave of harmonic currents 該方法原理簡單，物理意義清晰。仿真結(jié)果表 明，該方法靈活、簡便，且具有良好的實時性，滿 足無功與諧波電流檢測的要求，且可應用在三相三 線制和三相四線制系統(tǒng)中，其有很強的實用性和普 遍性。 參考文獻 1 Akagi H，Kanazawa Y，Nabae AGeneralized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits c】Proc JIEE IPECT1kyo1983 2 王兆安，李民，卓放三相電路瞬時無功功率理論的 三研究J電工技術(shù)學報，1 99235559 WANG Zhaoan，LI Min，ZHUO FangA study on the theory of instan taneous reactive power of three-phaes circuitsJTransactions of China Electrotechnical Society,199235559 3 李庚銀，陳志業(yè)，丁巧林，等dqo坐標系下廣義無功 功率定義及其補償【J】中國電機工程學報，1996，163 176179 LI Gengyin，CHEN Zhi-ye，DING Qiaolin，et a1 Definition of generalized instantaneous reactive power in dqo coordinates and its compensationJ1Proceedings of the CSEE，1996，163176179 4Pitor FilipskiThe measurement of distertion current and distortion powerJ IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1984，3313640 5Pitor FilipskiA new approach to reactive current and reactive power 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University，1997，3747-10 11袁川，楊洪耕三相電壓畸變且不對稱時電流基波正 序有功分量的改進瞬時檢測方法研究【JJ繼電器， 2005，33145759 YUAN Chuan，YANG HonggengAn advanced instantaneous detection for fundamental positive-sequence active current under unsymmetrical and distorted three-phase system voltageJRelay,2005， 33145759 12韓松，邱國躍，彭小俊相位差0對諧波及無功電流 檢測的影響分析【J1電測與儀表，200541-3 HAN Song，QIU Guoyue，PENG Xiao-junThe analysis for the test of harmonic and Reactive by the phase difference 0JJElectrical MeasurementInstrumentation， 200541-3 收稿日期201O-0601； 修回日期201O-0826 作者簡介 顧啟民1 957一，男，副教授，本科，研究方向為現(xiàn)代 測試技術(shù)與電力電子技術(shù)應用；E-mailgqmcslgcn 鄭建勇1 966一，男，教授，博士生導師，研究方向為 電力電子與電力傳動； 尤望1975-，男，講師，博士研究生，研究方向為 電力電子。 24 電力系統(tǒng)保護與控制 法得到的a相正序電壓甜 波形，從圖中可以看出延 遲60。角后正序電壓Ua合成、合成后的初相位為 0。 。 圖4三相合成的正序電壓波形 Fig4 Threephase synthesis of positive sequence voltage wave 圖5為三相負載電流iL ，b，。波形，嚴重畸變且 不對稱，并在05 S時負載電流增加一倍，以便考察 電流檢測的動態(tài)響應。 圖5三相負載電流波形 Fig5 Three-phase load current wave 圖6為三相基波正序電流ia,b，。f的波形，從圖 中可看出，約經(jīng)過半個周期后就能跟蹤上負載電流 的變化。 圖6三相基波正序電流波形 Fig6 Threephase fundamental positive sequence current wavefoIra 圖7為三相基波正序有功電流波形。其中，圖 7a是鎖相環(huán)直接以電網(wǎng)a相電壓為參考的三相 電流基波正序有功電流 Ic1 波形，圖7b是鎖 相環(huán)以電網(wǎng)aJfH基波正序電壓Ha為參考的三相電流 基波正序有功電流f a1bc1 波形，比較兩圖可以看出 除了相位不同外，其幅值也不相同，所以由相位差 造成的誤差是不能忽略的。 圖8為三相基波正序無功電流波形。其中，圖 8a是鎖相環(huán)直接以電網(wǎng)a相電壓為參考的三相 電流基波無序有功電流ia,b，。q波形，圖8b是鎖 相環(huán)以電網(wǎng)a相基波正序電壓 為參考的三相電流 基波正序無功電流 bq波形，分析結(jié)論與圖7的 分析結(jié)果一致。 圖7三相基波有功電流波形 Fig7 Threephase fundamental active current wave b， 圖8三相基波無功電流波形 Fig8 Threephase reactive current wave 圖9是鎖相環(huán)以電網(wǎng)a相基波正序電壓為參考 的諧波電流波形，其中圖9a為負載電流減去基 波正序電流后得到的諧波電流 波形，圖9b 為負載電流減去基波正序有功電流后得到的諧波與 無功電流之和， 波形。 5結(jié)論 提出了一種基于dqo變換改進的電流檢測新方 法。通過快速合成正序電壓作為鎖相環(huán)的基準參 考，可以正確測量有功電流、無功電流，進而求出 基波電流、負序電流和諧波電流。解決了三相電壓 不對稱系統(tǒng)中實時提取基波正序分量求解復雜而困 難的問題，并分析了電流檢測動態(tài)跟蹤情況。 顧啟民，等 一種基于dqo變換改進的電流檢測新方法 一23一 謄 1 i 差1 j 妻 相電網(wǎng)電壓Ua、 、 有關(guān)，而與負序、零序無 a2 Ube 。。一8be 。 8 日 口 10 一8beJ6ooc8ce oo3 三相電壓Ua、 、Vc，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后存放于數(shù)據(jù) 3諧波和無功電流檢測的實現(xiàn) 基于正序電壓合成的無功與諧波電流檢測電路 原理如圖2所示。 從圖2中可以看出，鎖相環(huán)跟蹤的是經(jīng)三相合 成后的正序電壓 ，從而消除了三相不對稱電壓 中的因負序和零序電壓的影響所產(chǎn)生的相位差 。。所以，有 對應于基波正序有功電流分 量、 見對應于基波正序無功電流分量。設(shè)在三 相三線制系統(tǒng)中，由于無零序通路，也就沒有零序 電流。當對 和 同時進行dqo反變換時，得到的 結(jié)果是負載電流的基波正序電流分量，將負載電流 減去基波正序電流分量可得到負序電流與諧波電流 的和；當單獨對 分量進行dqo反變換時，得到的 結(jié)果是負載電流的有功電流分量，將負載電流減去 有功電流分量可得到基波無功、負序與諧波電流之 和；當單獨對 分量進行反變換時，得到的結(jié)果是 負載電流的無功電流分量。因此，圖2所示的電流 檢測原理靈活多樣，同時，由于經(jīng)dqo變換得到的 和 中不含有零序分量，所以，該方法不加修改就 可以應用于三相四線制系統(tǒng)中。 圖2諧波和無功電流檢測原理圖 Fig2 Fundamental diagram of harmonic and reactive currents detection 4仿真對比與分析 為了驗證本文所提出的檢測方法，在下述條件 情況下采用Matlab進行仿真。設(shè)系統(tǒng)由三相不對稱 電源與6脈沖相控晶閘管整流負載組成的三相三線 制形式。其中，三相不對稱電源電壓的正序分量有 效值為220 Va相的初相位為0。和負序分量的 有效值為20 Va相初相位為45。組成；相控晶 閘管整流延遲觸發(fā)角為6。，負載電阻為5 Q、濾波 電感為10mH。 圖3為三相不對稱電源電壓波形，實線為a相、 虛線為b相、點劃線為C相，以下類同，由于負序 電壓的作用，使得三相電壓產(chǎn)生嚴重不平衡，并有 相移，如圖中a相電壓的初相角明顯不為0。 圖3三相不對稱電源電壓波形 Fig_3 Threephase asymmetrical power supply voltage waveforlTl 圖4為采用圖2所示的三相正序電壓快速合成 -22一 電力系統(tǒng)保護與控制 疊加形式。 fIl sin 刪 sin 一 IsinnoX 0 sin 甜一2rd3n I2sinnoX2rd3n sin，z o Isinncot2n3 I-sinncot-2rd3qg一 sin，z甜 o 1 式中n為正整數(shù)， 、 、 分別對應負載電流 中 次諧波的正序、負序和零序分量的幅值； 、 仍 一、 。分別對應負載電流中7次諧波的正序、 負序和零序分量的初相角。 電流檢測的原理是以a相電壓的瞬時值u 為參 考基準，將負載電流從靜止的abc三相坐標系變換 到以電網(wǎng)基波角頻率 逆時針方向同步旋轉(zhuǎn)dqo坐 標系中。變換關(guān)系式為 _ fo c 。t l。Lc 2 式中， 是abcdqo坐標的變換矩陣。 1 cosOf cosg_of一27t3 cosox2X3l C三IsinoXsincat一2x3一sincat2rt3I jl 12 12 12 J 將式1代入式2變換得 Ilcosn一1ogt 】I2cosn1cot 一 睢Zsin _1 一 nl sinn1cot 】 l I2sinnot 0 3 從上式中可以看出，第力次正序分量變換成dqo 坐標系下的第 一1次分量；第，z次負序分量變換成 dqo坐標系下的第71次分量；由于三相負載電流 中只有nl的基波正序分量轉(zhuǎn)換成d軸、q軸上成 為2個直流分量，而在0軸上的基波正序分量為0。 三相電流的零序分量在d軸、q軸上的分量都為零， 即零序分量對id、iq沒有影響。因此，只需將id、i。 通過低通濾波器LPF把交流成分濾去，提取出 直流分量，得 J c。s I I f1-1 I、；1 sin仍1 4 2 l 0 J 根據(jù)有功功率定義，基波正序電流矢量 在基 波正序電壓 上的投影為基波正序有功電流 ， 而在 的法線上的投影為基波正序無功電流 ， 所以有 對應于基波正序有功分量、 對 應于基波正序無功分量。這個結(jié)論是在三相電壓對 稱無畸變情況下得出的。此時的電壓和電流在dqo 坐標系的矢量關(guān)系如圖1a所示。 當電網(wǎng)電壓存在畸變時，由于dqo的變換矩陣 中只取singot和COS 參與運算，畸變電壓的諧波成 份在運算過程中不出現(xiàn)，因而上述結(jié)論仍然成立。 當電網(wǎng)電壓不對稱時，電壓中將包含負序分量 和零序分量，鎖相環(huán)的鎖相結(jié)果是與電壓甜 的正序、 負序、零序之和同相，而與正序電壓 之間存在 相位差 卅，他們的矢量關(guān)系如圖1b所示。從 圖1b中可看出此時的基波正序電壓 與dqo 坐標系中的d軸不再重合，所以，i、 已不再對 應于基波正序的有功和無功電流分量，雖然對基波 正序電流分量的求解沒有影響L1引，但不能正確求解 出基波正序的有功和無功電流。從上述分析可以看 出，準確求解基波正序有功和無功電流的關(guān)鍵是如 何消除基波正序電壓己廠1和d軸之間的相位差 ， 使 1和d軸重合。如果能將基波正序電壓直接從 電網(wǎng)電壓中合成出來，使鎖相環(huán)能夠直接跟蹤基波 正序電壓，也就消除了電網(wǎng)電壓與基波正序電壓的 相位差 ，從而可以實現(xiàn)準確求解基波正序的有 功和無功電流。 q i瓦 J l U 0 d q | 0 d 圖1電壓和電流在dqo坐標系的矢量關(guān)系 Fig1 Vectorial relations of the voltages and currents in the dqo coordinate system 2正序電壓快速合成原理 在三相電壓不對稱情況下，有對稱分量法可知， 任意三相的相電壓 、 、 。可表示為 第38卷第23期 2010年l2月1日 電力系統(tǒng)保護與控制 Power System Protection and Control Vl0138 NO23 Dec12010 一種基于dqo變換改進的電流檢測新方法 顧啟民 ，鄭建勇 ，尤壑 1常熟理工學院自動化系，江蘇常熟21 5500；2東南大學電氣工程系，江蘇南京21 0096 摘要在傳統(tǒng)dqo變換的基礎(chǔ)上，提出一種改進型電流檢測新方法。通過快速合成正序電壓作為鎖相環(huán)的基準參考，可以正 確、實時地檢測有功電流、無功電流，進而求出基波電流、負序電流和諧波電流，解決了三相電壓不對稱系統(tǒng)中實時提取基 波正序分量求解復雜而困難的問題，并分析了電流檢測動態(tài)跟蹤情況。仿真研究表明該方法靈活、簡便，且具有良好的實 時性，滿足無功與諧波電流檢測的要求，且可應用在三相三線制和三相四線制系統(tǒng)中。 關(guān)鍵詞三相不對稱系統(tǒng)；正序電壓；快速合成；無功電流；諧波電流 A new of current detection based on dqocoordinatetransation GU Qirain ，ZHENG Jianyong ，YOU Jun 1Department ofAutomation，Changshu Institute ofTechnology,Changshu 215500，China 2Department ofElectrical Engineering，Southeast University,Nanjing 210096，China Abstract An improved new of current detection based on traditional dqo。coordinatetransation iS presentedthrough which the positive sequence voltage，working as reference voltage of PLL，carl be rapidly synthesizedOn the basis of thm，the active currents，reactive currems and harmonic currents can be obtained instantly，thus the complex and difficult problem of extracting the fundamental positive sequence voltage components from a unbalanced threephase system in real-time can be solvedThen the dynamic track of current detection iS analyzedSimulation results show that the iS flexiblesimpleand has a good rea1time propertyIt meets the requirements of detecting reactive and harmonic currents，and can be applied in threephase three-wire and threephase fourwire system Key wordsunbalanced threephase system；positive sequence voltage；rapid synthesis；reactive current；harmonic currents 中圖分類號TM744 文獻標識碼A 文章編號 16743415201023002105 0引言 在電力系統(tǒng)中，無功功率和高次諧波的補償問 題已得到了廣泛的關(guān)注。作為實際補償裝置一有源 電力濾波器APF是綜合治理電網(wǎng)諧波、不平衡 及無功的有效手段，而無功與諧波電流檢測方法的 實時性、準確性及靈活性直接關(guān)系到APF的補償效 果。目前，諧波電流的檢測方法有很多種，主要有 基于瞬時無功功率理論的檢測法【J J、基于Fryze功 率定義檢測法I4 J、基于頻域分析的FFT檢測法L6J、 自適應檢測法t 、小波變換檢測法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的檢測法等。其中，基于三相電路瞬時無功功率理 論的Pq、ipi。和dqo算法在有源電力濾波器中得到 了有效的應用，但都存在一定的局限性。如在電源 電壓不對稱情況下，Pq算法的檢測結(jié)果有明顯誤 基金項目蘇州市科技發(fā)展計劃資助項目SG0839；江蘇 省高校自然科學研究計劃項目07KJD47 0004 差L81；ipiq算法能正確檢測出諧波電流，但不能正 確檢測有功和無功電流ll。文獻11tR出了dqo算 法在電源電壓不對稱情況下，由于鎖相環(huán)的鎖相結(jié) 果受到負序和零序電壓分量的影響而與正序電壓分 量之間存在相位差，使檢測結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，其 解決的方法是將三相電壓進行dqo變換后再經(jīng)濾波 器濾除不對稱分量來獲取基波電壓的正序分量。該 方法在增加了兩個濾波器的同時增加了運算的復雜 性，對系統(tǒng)測量會產(chǎn)生延時，影響檢測的實時性。 本文在傳統(tǒng)dqo算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基 于正序電壓快速合成方法來對dqo算法進行改進， 實現(xiàn)正確、實時地檢測有功、無功和諧波電流。通 過理論和仿真實驗證明，該方法靈活、簡便、實時 性好，為APF的正確補償提供了一個更好的途徑。 1 電流的檢測原理與分析 設(shè)在三相系統(tǒng)中，各相的負載電流分別為L 、 Lb、fll。，用對稱分量法表示成正序、負序和零序的

總結(jié)

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