一种有源电力滤波器的谐波电流检测滤波方法及装置

摘要

本发明涉及一种有源电力滤波器的谐波电流检测滤波方法及装置，包括：步骤1-2、将电网中所述三相负载电流的分为两个支路，分别为第一支路三相负载电流和第二支路三相负载电流；步骤1-3、将第一支路三相负载电流经滤波器去除谐波分量电流，从而获得第一支路基波分量电流；步骤1-4、将第二支路三相负载电流与步骤1-3中所述第一支路基波分量电流相减，获得谐波信号电流；步骤1-5、将步骤1-4中所述谐波信号电流的相位转变为与所述三相负载电流中谐波分量电流相位反相的谐波电流并注入所述电网中，从而滤除电网中的谐波分量电流。本发明具有精确检测并滤波有源电力滤波器中谐波电流的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器的谐波电流检测滤波方法及装置，属于电能质量控制领域。

背景技术

近年来，电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用，对谐波无功进行滤波和补偿已被人们越来越重视。

使用无源滤波装置来解决无功和谐波问题存在许多缺点。如无源滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，存在着与电网发生谐振的可能性；并且对电网阻抗和频率变化十分敏感；体积大、损耗大等等。为解决这一问题，人们做了许多研究与探讨，其中具有代表意义的是有源电力滤波器。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。

有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。

作为有源电力滤波器，其基本原理是检测负载谐波，注入反相谐波，以谐波的相互抵消达到滤波的目的。一般的有源电力滤波器是一个电流模式控制的电压源逆变器。输出电流是通过逆变器输出的电压作用在输出电感上产生的。图1为现有的有源电力滤波器负载电流检测、处理原理框图，由于负载电流是根据最大负荷设计的，实际投运过程当中由于负载的变化，检测得到的负载电流可能较小，势必造成A/D采样信号较小。尽管有些负载所产生的谐波电流较大，但是和负载的基波电流相比仍然所占比例较小，谐波电流与基波电流相叠加经过采样和A/D转换后从中提取出的谐波电流信号的分辨率会比较低，故采样到的谐波电流与传感器量程相比会太小，引起失真，从而影响有源电力滤波器的补偿效果。目前，为了解决这个问题会采用信号放大的办法，但是A/D转换器的输入范围仅为5V左右，因此不能将信号放大倍数提高太多。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够准确检测并滤波有源电力滤波器中谐波电流的方法及装置。

为达到上述目的，本发明采用的第一技术方案是：

一种有源电力滤波器的谐波电流检测滤波方法，包括：

步骤1-1、电流检测传感器检测出电网中的三相负载电流，该三相负载电流包含基波分量电流和由负载产生的谐波分量电流；

步骤1-2、将电网中所述三相负载电流的分为两个支路，分别为第一支路三相负载电流和第二支路三相负载电流；

步骤1-3、将第一支路三相负载电流经滤波器去除谐波分量电流，从而获得第一支路基波分量电流；

步骤1-4、将第二支路三相负载电流与步骤1-3中所述第一支路基波分量电流相减，获得谐波信号电流；

步骤1-5、将步骤1-4中所述谐波信号电流的相位转变为与所述三相负载电流中谐波分量电流相位反相的谐波电流并注入所述电网中，从而滤除电网中的谐波分量电流。

上述第一技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述步骤1-3进一步包括以下步骤：

步骤2-1、将三相坐标系下的第一支路三相负载电流变换为两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流，其中两相坐标系是与电路中电压矢量同步旋转，旋转角频率为ω_s；

步骤2-2、将两相坐标系即d-q坐标系下二相负载电流的d、q分量分别经低通滤波模块滤除高频谐波，得到了两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流的基波分量电流；

步骤2-3、将两相坐标系即d-q坐标系下所述二相负载电流的基波分量电流经三相坐标系变换模块将二相负载电流的基波分量电流重构为三相坐标系下的三相负载电流的基波分量电流。

2、上述方案中，所述步骤2-2还包括：根据电路延时时间，将所述两相坐标系即d-q坐标系旋转Δθ角度。

3、上述方案中，所述两相坐标系即d-q坐标系旋转Δθ角度为ω_s乘所述电路延时时间。

4、上述方案中，所述步骤1-4之后，所述谐波信号电流经谐波电流放大器进行放大，获得高分辨率的谐波信号电流。

为了实施上述方法，本发明采用的第二技术方案是：一种有源电力滤波器的谐波电流检测滤波装置，包括：与电网连接的输出电抗器、与该输出电抗器连接的有源电力滤波器的功率单元、与该功率单元连接的驱动电路、其特征在于：还包括：

两相坐标系变换模块、用于将三相负载电流变换为两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流，其中两相坐标系是与电路中电压矢量同步旋转，旋转角频率为ω_s；

  低通滤波模块、用于将两相坐标系变换模块输出的二相负载电流中d、q分量各自的谐波分量电流滤除，从而获得的基波分量电流；

三相坐标系变换模块、用于将经低通滤波模块处理后的基波分量电流变换为三相坐标系下的三相负载电流的基波分量电流；

PWM生成模块、用于产生控制有源电力滤波器的功率单元的脉冲宽度调制信号；

减法器、用于将三相负载电流与三相坐标系变换模块输出的基波分量电流相减，获得谐波信号电流。

上述第二技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，一个谐波模数转换器位于所述减法器与PWM生成模块之间；一个负载模数转换器与两相坐标系变换模块的输入端连接；一个基波模数转换器、位于三相坐标系变换模块与减法器之间。

2、上述方案中，一个谐波电流放大器位于所述减法器与PWM生成模块211之间，该谐波电流放大器用于将谐波信号电流进行放大，获得三相负载电流谐波信号。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明在得到负载电流的基波分量，并将基波分量反馈到谐波电流检测环节，从而降低谐波电流检测的失真，提高谐波电流补偿效果。

2、本发明通过硬件把负载电流中的基本分量进行分离，将所得谐波电流信号单独进行放大并进行模数转换，从而提高了谐波电流检测的分辨率，改善了谐波电流的补偿效果。

3、本发明谐波电流直接由三相负载电流得到，不需要做任何计算，避免了数字计算过程中的舍入误差，提高了谐波电流的检测精度。

4、本发明在三相坐标系变换模块中加入了算法延时补偿功能，可以对软件算法所产生的延时进行补偿，从而使输出电流的基波分量更加准确。

附图说明

附图1为现有的有源电力滤波器结构框图；

附图2为本发明中有源电力滤波器结构框图；

附图3为本发明延时补偿算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种有源电力滤波器的谐波电流检测滤波方法，包括：

步骤1-1、电流检测传感器检测出电网中的三相负载电流，该三相负载电流包含基波分量电流和由负载产生的谐波分量电流；

步骤1-2、将电网中所述三相负载电流的分为两个支路，分别为第一支路三相负载电流和第二支路三相负载电流；

步骤1-3、将第一支路三相负载电流经滤波器去除谐波分量电流，从而获得第一支路基波分量电流，该步骤1-3进一步包括以下步骤：步骤2-1、将三相A-B-C坐标系下的第一支路三相负载电流变换为两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流，其中两相坐标系是与电路中电压矢量同步旋转，旋转角频率为ω_s，步骤2-2、将两相坐标系即d-q坐标系下二相负载电流的d、q分量分别经低通滤波模块滤除高频谐波，得到了两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流的基波分量电流，步骤2-3、将两相坐标系即d-q坐标系下所述二相负载电流的基波分量电流经三相坐标系变换模块将二相负载电流的基波分量电流重构为三相A-B-C坐标系下的三相负载电流的基波分量电流，并根据电路延时时间Δt，将所述两相坐标系即d-q坐标系旋转Δθ角度，该旋转Δθ角度为ω_s乘所述电路延时时间；

步骤1-4、将第二支路三相负载电流与步骤1-3中所述第一支路基波分量电流相减，获得谐波信号电流；

步骤1-5之后，所述谐波信号电流经谐波电流放大器进行放大，获得高分辨率的谐波信号电流；

步骤1-6、将步骤1-5中所述谐波信号电流的相位转变为与所述三相负载电流中谐波分量电流相位反相的谐波电流并注入所述电网中，从而滤除电网中的谐波分量电流。

本实施例上述内容具体解释如下，如图2所示，本发明由电源201、电流检测传感器202、非线性负载203、负载电流模数转换器204、基波电流数模转换器208、谐波电流放大器209、谐波电流模数转换器210、数字控制芯片DSP212、驱动电路213、APF功率单元214、输出电抗器215组成。

电流检测传感器202由3个电流霍尔组成，每个电流霍尔检测1相负载电流。因为负载电流中含有基波分量和谐波分量两个部分，有源电力滤波器的主要目的就是要将负载电流中的谐波分量滤除。通过电流检测传感器202得到3个负载电流信号。将这3个电流信号经过高分辨率的负载电流模数转换器204转换为数字信号，3个数字化得电流信号输入给数字控制芯片DSP212。

在数字控制芯片DSP212中，通过软件算法对三相负载电流信号进行处理。第一步，将三相A-B-C坐标系下的负载电流信号(i_La、i_Lb、i_Lc)变换为两相d-q坐标系下的负载电流信号(i_Ld、i_Lq)，其中d-q坐标系是与电压矢量同步旋转的，角频率为ω_s，见图3。两相坐标系下负载电流的d-q分量分别经过数字低通滤波模块206滤除高频谐波，就得到了d-q坐标系下的负载电流基波分量。

d-q坐标系下的负载电流基波分量还要经过三相坐标系变换模块207将负载电流的基波分量重构为三相A-B-C坐标系下的负载电流基波信号(i_af、i_bf、i_cf)。从三相A-B-C坐标系下的负载电流信号(i_La、i_Lb、i_Lc)在数字控制芯片(DSP)212中经过上述复杂运算得到三相A-B-C坐标系下的负载电流基波信号(i_af、i_bf、i_cf)需要花费一定的计算时间，而在这段时间内，实际的负载电流已经发生了变化，因此检测得到的负载电流基波信号将存在一定的误差，这个误差是由于计算延时引起的。而计算时间延时通常是确定的，因此可以通过补偿来减小误差。

有图3可以看到，数字控制芯片DSP212开始对负载电流信号进行计算时，d-q坐标系以及负载电流矢量处于实线位置，d-轴与A-轴的夹角为θ，电流矢量与d-轴得夹角为α。假设计算时间为Δ_t，经过Δt时间后两相d′-q′坐标系和负载电流矢量分别转到图3的虚线位置。d′-轴与A-轴的夹角为θ′，电流矢量与d′-轴得夹角为α′。由于在Δ_t时间内，负载电流的基波分量对d-q坐标系相位变化不大因此可以认为α＝α′。所以只要将电流矢量和d-q坐标系同时旋转Δθ＝θ′-θ就可以得到和d′-q′坐标系。在将负载电流矢量在d′-q′坐标系下进行反d-q变换就可以得到当前时刻的三相A-B-C坐标系下的负载电流基波信号(i_af、i_bf、i_cf)。

负载电流基波信号(i_af、i_bf、i_cf)通过基波电流数模转换器208得到与电流检测传感器202相匹配的基波电流信号反馈给另外一个支路，见图2。三相负载电流信号(i_La、i_Lb、i_Lc)减去三相负载电流基波信号(i_af、i_bf、i_cf)就得到了当前时刻的谐波电流信号，该信号往往处于谐波电流模数转换器210额定输入的一小部分。因此，。

根据得到的较为准确的三相负载电流谐波信号(i_ah、i_bh、i_ch)通过PWM生成模块211产生一组与三相负载电流谐波信号(i_ah、i_bh、i_ch)相反的PWM控制信号，再经过驱动电路213对APF功率单元214进行控制，输出电压经输出电抗器215将与负载谐波电流幅值相等相位差180°的电流注入电网中，从而起到滤除电力谐波的目的。

实施例二：一种有源电力滤波器的谐波电流检测滤波装置，包括：

与电网连接的输出电抗器215；

与该输出电抗器215连接的有源电力滤波器的功率单元214；

与该功率单元214连接的驱动电路213；

两相坐标系变换模块205、用于将三相负载电流变换为两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流，其中两相坐标系是与电路中电压矢量同步旋转，旋转角频率为ω_s；

低通滤波模块206、用于将两相坐标系变换模块205输出的二相负载电流中d、q分量各自的谐波分量电流滤除，从而获得的基波分量电流；

三相坐标系变换模块207、用于将经低通滤波模块206处理后的基波分量电流变换为三相A-B-C坐标系下的三相负载电流的基波分量电流；

PWM生成模块211、用于产生控制有源电力滤波器的功率单元214的脉冲宽度调制信号；

减法器217、用于将三相负载电流与三相坐标系变换模块207输出的基波分量电流相减，获得谐波信号电流；

一个谐波模数转换器210位于所述减法器217与PWM生成模块211之间；一个负载模数转换器204与两相坐标系变换模块的输入端连接；一个基波模数转换器208、位于三相坐标系变换模块207与减法器217之间；

一个谐波电流放大器209位于所述减法器217与PWM生成模块211之间，该谐波电流放大器209用于将谐波信号电流进行放大。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。