功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，包括：采集三相系統(tǒng)電壓，進行鎖相計算，得到系統(tǒng)的相位；采集三相系統(tǒng)電流，利用系統(tǒng)相位對三相電流進行CLARK?PARK變換，得到d軸分量及q軸分量；將上一步得到的d軸、q軸分量經(jīng)低通濾波器得到基波有功分量和基波無功分量；確定網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)需要保留的d軸分量及q軸分量；對保留的d軸分量及q軸分量進行CLARK?PARK逆變換，逆變換所得分量與系統(tǒng)電流相減得到指令電流。本發(fā)明使得有源濾波器在補償諧波電流的同時補償指定容量的無功功率，提高了系統(tǒng)的補償性能以及利用率。
【專利說明】
功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)，具體設(shè)及一種功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波 器指令電流提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有源濾波器(Active Power Filter,APF)能夠?qū)︻l率和大小同時變化的諧波進行 補償，并且能夠補償一定容量的無功功率，是當前國內(nèi)外學者研究的熱點。有源濾波器主要 應(yīng)用于補償諧波電流，無功功率的補償僅作為附加功能，并且受系統(tǒng)參數(shù)的影響，有源濾波 器的最佳工作條件為額定容量。若系統(tǒng)中諧波含量較其補償容量低，其補償性能明顯降低， 若利用有源濾波器補償一定容量的無功功率，能夠?qū)⒀a償容量提高到額定容量，從而提高 補償特性，提高系統(tǒng)的利用率，此外，無功補償裝置的應(yīng)用場合相對廣泛，從而能夠拓寬有 源濾波器的應(yīng)用市場。
[0003] 目前有源濾波器對無功功率進行全補償或者不補償。若諧波、無功容量均低于有 源濾波器補償?shù)念~定容量，其需補償總量高于額定容量，對無功進行全補償或者不補償，有 源濾波器均不能工作在最佳狀態(tài);若進行全補償，利用有源濾波器補償上限對無功功率進 行限制，同樣可W使系統(tǒng)工作在額定容量附近，但是，運種補償方式相對被動，即不能主動 控制補償無功功率的大小。此外，在電力系統(tǒng)中的某些節(jié)點處，需要保留一定容量的無功功 率，W提高電力系統(tǒng)的輸電特性等，因此，有源濾波器對無功功率的補償方式有待改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為:一種功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方 法，具體步驟為：
[0006] 步驟1，采集=相系統(tǒng)電壓，進行鎖相計算，得到系統(tǒng)的相位；
[0007] 步驟2，采集S相系統(tǒng)電流，利用步驟1得到的相位對S相電流進行CLA服-PA服變 換，得到d軸分量及q軸分量；
[000引步驟3,將步驟2得到的d軸、q軸分量經(jīng)低通濾波器得到基波有功分量和基波無功 分量；
[0009] 步驟4,根據(jù)補償要求W及步驟3所得基波有功分量和基波無功分量，確定網(wǎng)側(cè)系 統(tǒng)需要保留的d軸分量及q軸分量;所述補償要求包括僅補償諧波、僅補償無功功率或者同 時補償諧波和無功功率；
[0010] 步驟5，對步驟4得到的d軸分量及q軸分量進行CLA服-PA服逆變換，逆變換所得分 量與系統(tǒng)電流相減得到指令電流。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：
[0012] (1)本發(fā)明使得有源濾波器在補償諧波電流的同時能夠補償指定容量的無功功 率，提高系統(tǒng)的補償性能W及利用率；
[0013] (2)本發(fā)明提高了有源濾波器的補償性能：當諧波容量低于額定容量時，通過補償 一定的無功容量，使補償總?cè)萘窟_到額定容量，從而使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的有源濾波器原理圖。
[0015] 圖2為未補償時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖。
[0016] 圖3為僅補償諧波時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖。
[0017] 圖4為僅補償無功功率時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖。
[0018] 圖5為補償?shù)街付üβ室驍?shù)時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖。
【具體實施方式】
[0019] 有源濾波器具有多種不同拓撲結(jié)構(gòu)，主電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于直流側(cè)并聯(lián)電 容還是電感，在并網(wǎng)方式上的主要差別在于是串聯(lián)還是并聯(lián)。本發(fā)明中主要設(shè)及到對系統(tǒng) 無功功率的補償，采用的是=相并聯(lián)電壓源型結(jié)構(gòu)，其電路原理圖如圖1所示，圖1中il為網(wǎng) 偵帕流，i勸負載電流，i3為有源濾波器輸出電流，L3為并網(wǎng)電感。
[0020] 本發(fā)明的功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，包括W下步驟：
[0021] 步驟1，采集=相系統(tǒng)電壓，進行鎖相計算，得到系統(tǒng)的相位;具體為：
[0022] 采集有源濾波器并網(wǎng)點的=相系統(tǒng)電壓，進行=相鎖相運算，=相鎖相運算頻率 為50化，得到A相電壓的相位q> W及相位對應(yīng)的正弦Sinq)和余弦coscp;
[0023] 步驟2，采集S相系統(tǒng)電流，利用步驟1得到的相位對S相電流進行CLA服-PA服變 換，得到d軸分量及q軸分量;具體為：
[0024] 利用步驟1所得相位扣對采集的S相負載電流ia，ib，ic進行CLARK-PA服變換：
[0025] (1)
[0026] C2)
[0027] 式中，ia，ie為兩相靜止坐標系的a軸分量和0軸分量，idi，iqi為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的d 軸分量和q軸分量；
[0028] 步驟3,將步驟2得到的d軸、q軸分量經(jīng)低通濾波器得到基波有功分量ip和基波無 功分量iq;所述低通濾波器為二階Butterworth低通濾波器，其截止頻率為50化；
[0029] 步驟4,根據(jù)補償要求W及步驟3所得基波有功分量和基波無功分量，確定網(wǎng)側(cè)系 統(tǒng)需要保留的d軸分量及q軸分量;所述補償要求包括僅補償諧波、僅補償無功功率或者同 時補償諧波和無功功率;具體為：
[0030] 若網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)需要保留基波，即有源濾波器僅補償諧波，則令
[0031]
(3)
[0032] 式中，ip和iq分別為基波有功分量和基波無功分量，id'和iq'分別為網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)需要 保留的d軸分量及q軸分量，即步驟5中CLARK-PARK逆變換d軸、q軸分量的輸入；
[0033] 若有源濾波器僅補償無功功率，使系統(tǒng)中保留基波有功分量和諧波分量，則令
[0034]
、4
[0035] 若有源濾波器同時補俟諧波和無功功率到指定功率因數(shù)，設(shè)指定功率因數(shù)為 和ip滿足關(guān)署
，則系統(tǒng)中需要保留的無功功率：
則令
[0036]
(5)
[0037] 在CLARK-PARK變換中，根據(jù)功率守恒，
I分別為電網(wǎng)系統(tǒng)電 壓、電流的有效值;上述式（3)~式（5)中，若391'1(1(1'2+1。'2)<3*(11-16)，則1(1'=391'1:(9* (h-Ie)2-iq'2)，I功負載電流有效值，Ie為額定電流。
[0038] 步驟5,對步驟4得到的d軸分量及q軸分量進行CLA服-PA服逆變換，逆變換所得分 量與系統(tǒng)電流相減得到指令電流;具體為：
[0039] 對擊驢4所浩iV . 1'。'講斤a,ARK-PARK逆變換，如下：
[0040] (6)
[0041 ] (7)
[0042] 式中，iaf，ibf，ic汾別為立相負載電流對應(yīng)的基波電流；
[0043] 有源濾波器補償?shù)碾娏鳛橹C波電流的反相，則指令電流為：
[0044]
(8)
[0045] 式中，iaref，ibref，icref分別為立相指令電流。
[0046] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0047] 實施例
[0048] 工業(yè)電網(wǎng)中的電流諧波通常是由電力電子設(shè)備引起的，負載通常呈感性，因此，有 源濾波器待補償?shù)南到y(tǒng)設(shè)計為：220V =相供電系統(tǒng)中，負載1為=相不控整流器，其負載為 化回路，扣=10〇，。= 40恤；負載2為叩'型連接的化回路，1?2=10〇，12 = 40恤；負載1與負 載2并聯(lián)。
[0049] 在理想條件下分析，負載1中基波電^
，電流總崎變 率T皿i約為31%，則諧波電流Ih約為12.4A;負載2中電流l2為l2 = 220/(R2+j*化化2)，則負載 2中有功電流約為8.5A，無功電流苗約為10.8A。則設(shè)計有源濾波器的額定容量為20A，其 他系統(tǒng)參數(shù)為:開關(guān)頻率為20kHz;直流側(cè)電容電壓為900V，電容為2000iiF;并網(wǎng)電感L3為 ImH。
[0050] 為了驗證有源濾波器在額定功率附近工作時效率優(yōu)于其他狀態(tài)，設(shè)計有源濾波器 的補償實驗:僅補償諧波，僅補償無功功率，同時補償諧波和無功功率到指定功率因數(shù)。
[0051] 圖2為未補償時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖，電壓的縱坐標單位為V，電流的縱坐標單 位為A。從圖中可W看出，若對負載電流不進行處理，負載產(chǎn)生的大量諧波將進入電網(wǎng)，對電 網(wǎng)的安全、傳輸效率等有一定的影響，對負載電流進行FFT分析，其電流總崎變率THDi約為 24.54%。
[0052] 圖3為僅補償諧波電流時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形，從圖中可W看出補償后網(wǎng)側(cè)電壓、 電流均含有高次諧波，對補償后網(wǎng)側(cè)電流進行FFT分析，其T皿i約為4.71 %。
[0053] 圖4為僅補償無功功率時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形，從圖中可W看出補償后網(wǎng)側(cè)電流 崎變較為嚴重，其T皿i約為41 %。
[0054] 圖5為同時補償諧波和無功功率到功率因數(shù)為0.98時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形，從圖 中可W補償后網(wǎng)側(cè)電壓電流含有的高次諧波較圖3明顯減少。對補償后網(wǎng)側(cè)電流進行FFT分 析，其T皿i約為3.81 %。
[0055] W上波形均為利用MATLAB仿真得到。從圖中可W看出有源濾波器在額定功率附近 工作時效率優(yōu)于其他時刻，當待補償系統(tǒng)的諧波含量低于額定容量時，可W通過補償一定 容量的無功功率W提高系統(tǒng)補償效率。
【主權(quán)項】
1. 一種功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，其特征在于，具體步驟為： 步驟1，采集Ξ相系統(tǒng)電壓，進行鎖相計算，得到系統(tǒng)的相位； 步驟2，采集Ξ相系統(tǒng)電流，利用步驟1得到的相位對Ξ相電流進行CLARK-PA服變換，得 至Ijd軸分量及q軸分量； 步驟3，將步驟2得到的d軸、q軸分量經(jīng)低通濾波器得到基波有功分量和基波無功分量； 步驟4,根據(jù)補償要求W及步驟3所得基波有功分量和基波無功分量，確定網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)需 要保留的d軸分量及q軸分量;所述補償要求包括僅補償諧波、僅補償無功功率或者同時補 償諧波和無功功率； 步驟5，對步驟4得到的巧自分量及q軸分量進行CLA服-PARK逆變換，逆變換所得分量與 系統(tǒng)電流相減得到指令電流。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，其特征在于， 步驟1具體為：采集有源濾波器并網(wǎng)點的Ξ相系統(tǒng)電壓，進行Ξ相鎖相運算，Ξ相鎖相運算 頻率為50化，得到A相電壓的相位W及相位對應(yīng)的正弦口和余弦。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，其特征在于， 步驟2具體為： 利用步驟1所得相位g，對采集的Ξ相負載電流ia，ib，ic進行化A服-PA服變換：式中，ia，ie為兩相靜止坐標系的α軸分量和β軸分量，idi，iqi為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸分 量和q軸分量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，其特征在于， 步驟3中所述低通濾波器為二階Butterworth低通濾波器，其截止頻率為50化。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，其特征在于， 步驟4具體為： 若網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)需要保留基波，即有源濾波器僅補償諧波，貝UC3) 式中，ip和iq分別為基波有功分量和基波無功分量，id'和iq'分別為網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)需要保留 的d軸分量及q軸分量； 若有源濾波器僅補償無功功率，網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)中保留基波有功分量和諧波分量，貝U(4) 若有源濾波器同時補償諧波和無功功率到指定功率因數(shù)，設(shè)指定功率因數(shù)為c〇sq/，iq 和ip滿足to琴=與/ip，則系統(tǒng)中需要保留的無功功率為/y =與則在CLA服-PA服變換中，根據(jù)功率守恒，腫sqrt(id2+iq2) = 3腫I，U、I分別為電網(wǎng)系統(tǒng)電 壓、電流的有效值;上述式（3)~式（5)中，若39的。<1'2+1。'2)<3*(11-^)，則1<1'=39的（9* (11-16)2-1。'2)，11為負載電流有效值，16為額定電流。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因數(shù)可調(diào)的有源濾波器指令電流提取方法，其特征在于， 步驟5具體為： 對步驟4所得id'、iq'進行CLARK-PARK逆變換：式中，iaf，ibf，ic汾別為立相負載電流對應(yīng)的基波電流； 有源濾波器補償?shù)碾娏鳛橹C波電流的反相，則指令電流為：式中，13?:，^地^6汾別為^相指令電流。
【文檔編號】H02J3/18GK105977980SQ201610447479
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】呂廣強, 段海軍, 顧偉, 耿嚴巖, 禹龍基
【申請人】南京理工大學