專利名稱：基于正交正弦波積分調(diào)制的有功電流提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的動態(tài)無功補(bǔ)償，具體說是一種有功電流提取方法。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的無功和諧波補(bǔ)償是一個長期以來電力系統(tǒng)關(guān)注的熱門領(lǐng)域之一，隨著 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一類新型的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，這些裝置有靜止無功發(fā) 生器、靜止同步補(bǔ)償器、有源電力濾波器等。這類動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備以電力電子元件為基 礎(chǔ)，以現(xiàn)代控制理論為核心，具有響應(yīng)快，補(bǔ)償特性好，可精確控制，輸出可連續(xù)調(diào)節(jié)等優(yōu) 點。其相關(guān)的理論和技術(shù)已經(jīng)引起各國電力工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注?；冸娏鞯膶崟r 檢測是決定動態(tài)無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償性能好壞的重要環(huán)節(jié)，這種檢測一般不需分解出各次諧 波分量，而只需檢測出除基波有功電流或基波有功電流的正序分量之外的總的畸變電流。 這類裝置的出現(xiàn)，對無功和諧波的檢測提出了更高的要求，其相關(guān)的理論和算法是這類裝 置得以實際應(yīng)用的關(guān)鍵之一。對于電力系統(tǒng)的動態(tài)無功補(bǔ)償而言，其檢測算法要滿足如下幾點要求1)實時 性，檢測出來的補(bǔ)償電流信號是所需補(bǔ)償電流的瞬時值，可直接用于驅(qū)動動態(tài)補(bǔ)償裝置； 2)檢測結(jié)果不受電壓諧波的影響，在電壓含諧波，畸變較為嚴(yán)重時，仍能準(zhǔn)確的檢測出無功 電流，且補(bǔ)償后的有功電流的幅值最??；3)不受三相電壓、電流不對稱的影響，在實際電網(wǎng) 中，三相電壓的不對稱和含有畸變是普遍現(xiàn)象，在三相電壓不對稱且含有畸變時算法應(yīng)仍 能準(zhǔn)確的檢測出補(bǔ)償對象的無功電流、不對稱分量及諧波電流；4)檢測的補(bǔ)償電流不含有 功分量，現(xiàn)代電力電子裝置如靜止同步補(bǔ)償器、有源電力濾波器的直流側(cè)為電容器，在由有 功功率注入或發(fā)出的情況下電容電壓會發(fā)生波動，影響其補(bǔ)償效果；5)算法盡可能簡單， 對于動態(tài)無功補(bǔ)償而言，補(bǔ)償電流的檢測是實時的，過大的運算量將提高對硬件的要求，增 加硬件設(shè)計和編程的復(fù)雜性，降低裝置可靠性。因此一種流程簡單、運算量小的檢測算法是 適合動態(tài)無功補(bǔ)償需要的。目前，補(bǔ)償無功和諧波電流的檢測算法主要有基于瞬時無功功率理論檢測法，基 于快速傅立葉變換(FFT)和離散傅立葉變換(DFT)檢測法，基于自適應(yīng)濾波檢測法，以及目 前研究較熱的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論檢測法和基于小波分析檢測法等。1. 1基于傅立葉變換的算法由諧波和無功的定義可知，要完整地描述、獲得電力系統(tǒng)中的電壓或電流的諧波 需要一個工頻周期的時間。因此如果嚴(yán)格按照諧波的定義檢測諧波然后采用有源濾波裝置 進(jìn)行補(bǔ)償，所需的響應(yīng)時間至少在一個周波以上。按照定義檢測諧波的方法是最嚴(yán)格地獲 得認(rèn)可的方法。頻域算法方法主要是基于傳統(tǒng)的Fourier (傅立葉變換)和FFT算法或改 進(jìn)的Fourier級數(shù)技術(shù)[1]，它具有同時適用單相和三相系統(tǒng)的優(yōu)點。FFT和DFT檢測法， 由于需要一個周期的電流信號，故具有一定的延時，并且要得到畸變電流信號需兩次變換， 但算法復(fù)雜、計算量大，實時性較差，難以滿足實時檢測的實際要求。基于傅立葉級數(shù)級數(shù) 的算法降低了運算量，但使用了電流信號的導(dǎo)數(shù)，在電流含諧波時會引起較大誤差，且僅適用于檢測電流的基波分量和諧波電流，無法直接檢測有功電流和無功電流。1. 2基于瞬時無功理論的算法及其改進(jìn)算法 瞬時無功理論[2]由日本學(xué)者赤木泰文提出的，其目的是為了解決其研制的并聯(lián) 型有源濾波器諧波與無功功率的快速檢測，從而為有源濾波器提供參考的補(bǔ)償電流。該方 法對基于瞬時無功功率理論的諧波快速檢測方法的核心思想是根據(jù)所定義的瞬時功率的 波動部分為諧波電流和系統(tǒng)電壓作用的結(jié)果這一特點來提取諧波分量。根據(jù)赤木提出的加分解算法構(gòu)成的無功電流補(bǔ)償裝置，在工程應(yīng)用上僅適用于三 相平衡正弦電壓的供電系統(tǒng)。而對于不對稱三相電路來說，其諧波通常也是不對稱的。基于 赤木泰文的瞬時無功功率理論的電力有源濾波器指令運算方法主要有P_q算法[2]和ip_
法[3]。這兩種方法在三相電壓對稱無畸變時，均能準(zhǔn)確地檢測出諧波及無功電流，在三 相電壓不對稱或含有畸變時P_q法的檢測結(jié)果會有較大的誤差[4] ； ip_iq方法能在三相電 壓不對稱時準(zhǔn)確地檢測出基波正序電流，但檢測出的有功和無功電流存在誤差，對于有源 濾波器的影響不可忽略[5]。針對這一缺點，文獻(xiàn)[6，7]提出采用帶通濾波器先慮出不對稱 且畸變電壓中的基波成分，再經(jīng)對稱分解運算求出基波正序電壓的改進(jìn)方法，但帶通濾波 器本身會對基波電壓產(chǎn)生附加相移，影響檢測精度，且要求濾波器本身的一致性要好[8]。 同步檢測法[9]是針對不對稱系統(tǒng)的無功和諧波補(bǔ)償提出來的，但當(dāng)三相電壓不對稱且含 畸變時，使用該方法會使補(bǔ)償后的電流與電壓波形一致，同樣含有畸變成分和不對稱分量， 導(dǎo)致電網(wǎng)不對稱狀況的惡性循環(huán)。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于同步坐標(biāo)變換的不對稱三相 電路的無功、不對稱分量和諧波電流的檢測方法，它能準(zhǔn)確檢測出負(fù)荷電流中，與三相電源 電壓基波正序分量相同步的基波正序有功電流和無功電流，但在電壓不對稱時無法準(zhǔn)確檢 測。文獻(xiàn)[11]基于功率，通過分析有功功率的實質(zhì)，引入兩組相對獨立的不要求檢測頻率 相位和電網(wǎng)電壓相位同步的旋轉(zhuǎn)參考量，當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變不對稱時，該方法通過電網(wǎng)電壓、 負(fù)載電流與參考旋轉(zhuǎn)量之間的運算可準(zhǔn)確求解出諧波電流，但該方法使用了鎖相環(huán)過零點 檢測，在電壓含諧波時將產(chǎn)生誤差。綜上所述，基于瞬時無功理論的方法實時性較好，在檢測諧波電流時延時最多不 超過一個工頻周期，但其具有以下的缺陷1)電壓不對稱時難以精確檢測研究表明，在三相電壓不對稱時，三相瞬時無功理論有誤差。為此人們提出基于對 稱分量法的檢測方法將不對稱電壓分解為正負(fù)零三序來檢測，瞬時無功可以檢測其中的 正序和負(fù)序。這樣做的結(jié)果是大大增加了計算開銷，限制了實時檢測的運用2)電壓含諧波時難以精確檢測在電壓含諧波時，瞬時無功理論也會有誤差。目前基本上使用濾波器或者鎖相環(huán) 來減小其影響。這樣做的結(jié)果是導(dǎo)致電壓相位偏移。這在精確檢測中是不允許的。對這一 點瞬時無功目前尚無完美的解決辦法。3)電路檢測過于復(fù)雜瞬時無功的單相電路檢測必須從單相構(gòu)造出三相電壓、電流，然后運用瞬時無功 理論來檢測，最后取其中一相的結(jié)果，過程復(fù)雜，計算開銷大。4)低通濾波器的使用使其瞬時響應(yīng)特性下降，瞬時檢測難以真正實現(xiàn)瞬時無功理論號稱能瞬時跟蹤電流的變化，實際上要受到低通濾波器的時延影響。最多時延可達(dá)一個周波以上。在電流的諧波有一定規(guī)律時，可以有針對性的設(shè)計濾波 器，減小時延。但是，只要電流含諧波，就不可能無時延的瞬時響應(yīng)。1.3自適應(yīng)濾波算法基于自適應(yīng)濾波的畸變電流檢測方法，其優(yōu)點是即使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變時仍 具有較好的自適應(yīng)能力，且檢測精度基本不受系統(tǒng)電壓畸變的影響，但其存在動態(tài)響應(yīng)慢 的缺點，而響應(yīng)速度的快慢尤其影響有源濾波器的補(bǔ)償效果，因此該方法的應(yīng)用也受到了 一定的限制。1. 4基于小波變換的算法。小波分析是一種時頻域分析方法，它在時域一頻域同時具有良好的局部化性質(zhì)。 它可以根據(jù)信號不同的頻率成分，在時域和空間域自動調(diào)節(jié)取樣的疏密頻率高時，則密； 頻率低時，則疏?；谛〔ǚ治龅牧己锰匦?，近年來一些文獻(xiàn)研究了小波分析應(yīng)用于電力系 統(tǒng)諧波測量方面的技術(shù)[12-16]。小波變換能對局部頻域進(jìn)行精細(xì)分析，實時性和動態(tài)性能 較好，故較適用于突變的和時變的非平穩(wěn)諧波檢測與時頻分析。但它應(yīng)用于諧波檢測時，也 存在固有的缺陷，主要體現(xiàn)在窗口能量不集中，出現(xiàn)頻率混迭現(xiàn)象。必須找到分頻嚴(yán)格，能 量集中的小波函數(shù)，這種理想的小波函數(shù)構(gòu)造較為困難，限制了小波方法的使用。1.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法近年來隨著人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)研究的日益廣泛和深入，有學(xué)者嘗試將其應(yīng)用 到諧波測量領(lǐng)域[17-19]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，對基波電流的跟蹤在一個周期內(nèi) 就能達(dá)到很好的效果，因此能滿足實時性要求。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要時間來訓(xùn)練樣本?；?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的諧波測量方法還處于理論研究和仿真分析階段，這方面的理論研究也還不 夠成熟，離實際應(yīng)用還有一定的距離。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)也是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，實際 的工業(yè)應(yīng)用還有待于進(jìn)一步驗證。總之，目前所有的諧波檢測方法從準(zhǔn)確性、實時性、計算復(fù)雜性等三個方面各有自 己的優(yōu)缺點，在實際中應(yīng)根據(jù)具體情況的需要選擇使用。
背景技術(shù)：
中所提到的文獻(xiàn)如下[IjEI-Habrouk M,K Darwish M,P Mehta. Active power filters :A review[J]. IEE proc-Electr. PowerApp1,2000,147(5) :403-413.[2]Akagi H, Y Kanazawa, A Nabae. Instantaneous reactive compensators compromising switching devices without energy power storage components[J]. IEEE Traps on Ind Appl，1984，20(3) :625-630.[3]Takeda M, K Ikeda, A Teramoto. Harmonic current and reactive power compensation with an active filter[C]. PESC' 98, Fukuho-ka,Japan,1998.[4]諧波抑制與無功功率補(bǔ)償[Μ].北京機(jī)械工業(yè)出版社，1998.[5]Ma Doming，Zhu Dongqi，Gao Jingde.三相電壓不對稱時諧波和無功電流的準(zhǔn) 確檢測[J]·清華大學(xué)學(xué)報，1997，37 ) :7-10.[6] Ring Hongfa, Duan Xianzhong，He Yangzan.同步檢測法的改進(jìn)及其在三相不 對稱無功補(bǔ)償中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，20 (6) :17-20.[7] Yang ffankai. Xiao Xiangning. Yang Yihan.基于瞬時無功功率理論高次諧波 及基波無功電流的精確檢測[J].電工電能新技術(shù)，1998，17 O) :61-64.
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發(fā)明內(nèi)容
正是因為諧波和無功檢測方法還存在上述問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提 出一種有功電流提取方法，該方法可在電壓含有諧波的情況下，無相移的檢測出有功電流， 從而可進(jìn)一步提取出無功電流和諧波電流，該方法可用于但不限于動態(tài)補(bǔ)償裝置的無功和 諧波檢測環(huán)節(jié)、電流檢測儀表等。所述有功電流提取方法是基于正交正弦波積分調(diào)制的有功電流提取方法。所述有功電流提取方法，輸入負(fù)載的總的電流i和電壓U信號，其特征是該方法 包含步驟如下(1)生成標(biāo)準(zhǔn)正弦波參考電流單獨生成兩個互相正交的正弦電流波形I1和i2，兩個正弦波形要求幅值相同，有 相同的工頻頻率，且相位相差90度；(2)進(jìn)行總功率積分調(diào)制將負(fù)載電流i和電壓u作為輸入，此二電氣量進(jìn)行循環(huán)窗口功率積分，得到有功功 率P ；
(3)獲得調(diào)制功率項將參考電流ip i2和負(fù)載電壓u作為輸入，負(fù)載電壓u分別和參考電流ip i2進(jìn)行 循環(huán)窗口功率積分，得到調(diào)制功率項P1和P2 ；(4)得到有功電流將參考電流i”i2，調(diào)制功率項P1和P2作為輸入，經(jīng)過如下有功電流合成算法后得 到有功電流信號ip
PPPP所述單獨生成的兩個互相正交的正弦電流波形I1和i2，其一個實施例是通過信號 發(fā)生器獨立生成，另一個實施例是可以通過計算機(jī)單獨模擬生成。鑒于有功電流提取的手段可以由硬件電路實現(xiàn)，也可以由計算機(jī)程序通過軟件實 現(xiàn)，獲得所需要的數(shù)據(jù)信息或者模擬電流信號，由此可以總結(jié)出以下兩種方法一種有功電流數(shù)據(jù)信息的獲取方法，輸入負(fù)載的總電流i和電壓U信號或?qū)崟r數(shù) 據(jù)，其特征是由計算機(jī)系統(tǒng)通過檢測并轉(zhuǎn)換得到由信號發(fā)生器生成的兩個正弦電流波形 I1和i2的數(shù)據(jù)，或者由計算機(jī)系統(tǒng)程序生成兩個正弦電流波形I1和i2的數(shù)據(jù)，同時通過檢 測并轉(zhuǎn)換得到引入的負(fù)載電流i和電壓u的數(shù)據(jù)，經(jīng)如下算式由計算得到有功電流ip的數(shù) 據(jù)
Γ π .. , P2P . ^In =~^+~Tk~~^rh ① p (if+P22)1 (if+P22) 2 w其中兩個正弦電流波形I1和i2的幅值相同，有相同的工頻頻率，相位相差90度， P1和P2為電壓U分別和參考電流ii、I2進(jìn)行循環(huán)窗口功率積分所得到的調(diào)制功率項，P為 將負(fù)載總電流i和電壓u作為輸入，此二電氣量進(jìn)行循環(huán)窗口功率積分所得到的有功功率 P，Ip為所得到的有功電流數(shù)據(jù)信息。在所述公式①中的中間結(jié)果的一項或部分項可由硬件運算器運算得到，這些中間
PPPP
結(jié)果包括有功功率P，調(diào)制功率項P1或p2，P1P, P2P, P12, P22，Pi2+P22'評娟3)酵禍
y ............>
· ^jP · 巧尸 j 巧戶 j
，酵稍2)2，禪+與2)1 Wif) 2o通過計算機(jī)實現(xiàn)獲取有功電流的數(shù)據(jù)信息，目的是得到有功電流的數(shù)據(jù)信息以便 計算機(jī)作后續(xù)控制。通過硬件電路實現(xiàn)時為一種有功電流信號的獲取方法，輸入負(fù)載的總電流i和電 壓U信號，其特征是由硬件系統(tǒng)通過生成的兩個正弦電流波形I1和i2，以及負(fù)載電流i和 電壓U，由運算器經(jīng)過如下運算獲取 其中兩個正弦電流信號“和12的幅值相同，有相同的工頻頻率，相位相差90度，P1 和P2為電壓U分別和參考電流ii、i2進(jìn)行循環(huán)窗口功率積分所得到的調(diào)制功率信號，P為將 負(fù)載總電流i和電壓u作為輸入，此二電氣量進(jìn)行循環(huán)窗口功率積分所得到的有功功率P，ip為所得到的有功電流信號。所述由硬件系統(tǒng)通過生成的兩個正弦電流波形I1和i2，其一 個實施例是通過信號發(fā)生器獨立生成，另一個實施例是可以通過計算機(jī)單獨模擬生成。通 過硬件電路實現(xiàn)的目的是獲取有功電流的電流信號，并將電流信號直接作為下一級電路的 輸入。本發(fā)明的優(yōu)點是1)給定參考正余弦波‘ I2的初相位爐可為任意值，無需和電壓的初始相位角灼 同步，相位差對檢測結(jié)果無影響。2)檢測到的有功電流、和電壓產(chǎn)生的功率包含了原始電流的全部有功功率，包括 基波電流I1的有功功率和諧波電流ih的有功功率。因此基于由本發(fā)明所述方法檢測的有 功電流而進(jìn)一步得到的無功電流和廣義無功電流均不含任何有功分量。3)直接單相檢測，不受電路三相不平衡的影響，可在單相系統(tǒng)使用，也可在三相系 統(tǒng)使用。可用在三相四線制系統(tǒng)中。4)檢出的有功電流含有全部的有功功率，因此基于由本發(fā)明所述方法檢測的有功 電流而進(jìn)一步得到的無功電流和諧波電流不含有功分量，有利于有源濾波器等補(bǔ)償裝置的 電容電壓控制。5)無濾波環(huán)節(jié)，避免了因濾波環(huán)節(jié)導(dǎo)致的相位偏移和響應(yīng)延遲。6)在電壓為非正弦波時無需鎖相環(huán)，檢測結(jié)果不受電壓諧波和畸變影響，7)流程簡單，計算量小，每個采樣點僅需8次加法運算、15次乘法運算和5次除法 運算，適合電流的實時檢測。


圖1是本發(fā)明原理方框圖，圖2是有功電流檢測結(jié)果波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。所述有功電流提取方法，輸入負(fù)載 的總的電流i和電壓U信號，該方法包含步驟如下(1)生成標(biāo)準(zhǔn)正弦波參考電流單獨生成兩個互相正交的正弦電流波形I1和i2，兩個正弦波形要求幅值相同，有 相同的工頻頻率，且相位相差90度；(2)進(jìn)行總功率積分調(diào)制將負(fù)載電流i和電壓u作為輸入，此二電氣量進(jìn)行循環(huán)窗口功率積分，得到有功功 率P ；(3)獲得調(diào)制功率項將參考電流ip i2和負(fù)載電壓U作為輸入，負(fù)載電壓u分別和參考電流ip i2進(jìn)行 循環(huán)窗口功率積分，得到調(diào)制功率項P1和P2 ；(4)得到有功電流將參考電流i”i2，調(diào)制功率項P1和P2作為輸入，經(jīng)過如下有功電流合成算法后得 到有功電流信號ip
權(quán)利要求
1.一種基于正交正弦波積分調(diào)制的有功電流提取方法，輸入負(fù)載的總的電流i和電壓 u信號，其特征是該方法包含步驟如下(1)生成標(biāo)準(zhǔn)正弦波參考電流單獨生成兩個互相正交的正弦電流波形I1和i2，兩個正弦波形要求幅值相同，有相同 的工頻頻率，且相位相差90度；(2)進(jìn)行總功率積分調(diào)制將負(fù)載電流i和電壓u作為輸入，此二電氣量進(jìn)行循環(huán)窗口功率積分，得到有功功率P ；(3)獲得調(diào)制功率項將參考電流^、i2和負(fù)載電壓u作為輸入，負(fù)載電壓u分別和參考電流h、i2進(jìn)行循環(huán) 窗口功率積分，得到調(diào)制功率項P1和P2 ；(4)得到有功電流將參考電流i”i2，調(diào)制功率項P1和P2作為輸入，經(jīng)過如下有功電流合成算法后得到有 功電流信號ip
2.通過計算機(jī)實現(xiàn)時，為一種有功電流數(shù)據(jù)信息的獲取方法，輸入負(fù)載的總電流i和 電壓U信號或?qū)崟r數(shù)據(jù)，其特征是由計算機(jī)系統(tǒng)通過檢測并轉(zhuǎn)換得到由信號發(fā)生器生成 的兩個正弦電流波形ii和i2的數(shù)據(jù)，或者由計算機(jī)系統(tǒng)程序生成兩個正弦電流波形ii和 i2的數(shù)據(jù)，同時通過檢測并轉(zhuǎn)換得到引入的負(fù)載電流i和電壓u的數(shù)據(jù)，經(jīng)如下算式計算得 到有功電流ip的數(shù)據(jù)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有功電流數(shù)據(jù)信息的獲取方法，其特征是在所述公式①中 的中間結(jié)果的一個或多個是由硬件運算器運算得到，這些中間結(jié)果包括有功功率P，調(diào)制
4.通過硬件電路實現(xiàn)時，為一種有功電流信號的獲取方法，輸入負(fù)載的總電流i和電 壓U信號，其特征是由硬件系統(tǒng)通過生成的兩個正弦電流波形I1和i2，以及負(fù)載電流i和 電壓U，由運算器經(jīng)過如下運算獲取
全文摘要
一種基于正交正弦波積分調(diào)制的有功電流提取方法，可以采用步驟1、生成標(biāo)準(zhǔn)正弦波參考電流，2、進(jìn)行總功率積分調(diào)制，3、獲得調(diào)制功率項，4、得到有功電流的方法獲得；可通過計算機(jī)或硬件電路實現(xiàn)，此時采用有功電流信號或數(shù)據(jù)的提取方法，輸入負(fù)載的總的電流i和電壓u信號，經(jīng)過如下算法后得到有功電流信號ip，由本發(fā)明所述方法檢測得到的無功電流和廣義無功電流不含任何有功分量，無濾波環(huán)節(jié)，在電壓為非正弦波時無需鎖相環(huán)，直接單相檢測，不受電路三相不平衡的影響，檢測結(jié)果不受電壓諧波和畸變影響，適合電流的實時檢測。
文檔編號H02J3/18GK102062803SQ20091027279
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者萬黎 申請人:湖北省電力試驗研究院