基于时域变换的三相三线制系统的a电流检测

基于时域变换的三相三线制系统的a电流检测

0基于cu的电能质量问题在低压供电系统中，三相四线制电源是供电的最重要方式，在工业和家庭地区的应用中得到了广泛应用。随着城市的现代化,出现了大量的大型商厦和楼宇,在这些建筑中存在着为数众多的个人计算机、办公自动化设备、变频空调等家用电器、照明设备及不间断电源(UPS)等。这些设备都会在电网中产生大量的无功、不平衡以及谐波电流,虽然它们的单台功率较小,但因其总数庞大,给电网所带来的电能质量问题是极其严重的。零序电流(主要是不对称电流和3次及3的整数倍次谐波电流)在中线上相互叠加,使得中线点偏移,且三相相差不对称(三相相位差不再是120°),而且也会导致中线电流大大超过它的设计值,造成中线故障;另一方面使得变压器过热,造成绝缘破坏,同时还会造成中线对地电势提升。为了解决电能质量问题,改善电网电流波形,本文研制了用于三相四线制系统的静止无功发生器(SVG)。为了准确检测出负载电流,本文将应用于三相三线制的基于时域变换算法(TTA)的电流检测算法进行改进后,得到了一种用于三相四线制系统的TTA。1非线性负载的电流的信号保护本SVG采用电压源型逆变器(VSI),与非线性负载并联接入电网。图1为本SVG的单相等效系统结构图。如图1所示,先检测非线性负载的电流,然后通过TTA算出所需要的补偿指令电流,再与维持直流侧电压稳定所需要的基波电流指令相加,得到总的指令电流,最后通过跟踪控制,使得VSI输出一个与所需要补偿电流大小相等、方向相反的电流与之抵消,从而控制电网电流为基波形式,改善电网的电能质量。相对于采用无源器件构成的补偿装置,该补偿方式不易受到电网阻抗的影响,可以动态地对电网电流进行补偿。2基波的分解以h近年来,经过许多学者的努力,许多新型检测算法应运而生,但是都具有一定的局限性。例如:基于瞬时无功理论的ip-iq算法实时性好,实用面比较广,但是其需要多次的坐标转换(abc坐标系转到αβ坐标系再转到pq坐标系,再转到αβ坐标系,再转回abc坐标系),特别是在三相电流不平衡时,计算量大大增加;离散傅里叶变换(DFT)算法虽然物理概念明确,能检测指定次谐波及无功电流,但对于三相不平衡负载所导致的负序、零序电流则不能区分。在三相四线制系统中,由于中线上零序电流的存在,对零序电流的准确检测是整个SVG准确工作的关键所在。本文针对SVG的实际应用场合为三相四线制系统,结合基于三相三线制系统的TTA,将其改进后应用到三相四线制系统中。该算法使用方便,适应范围较广,对于SVG所要求的各种补偿功能都能满足。下面详细介绍其基本原理。首先根据对称分量法,可将负载电流分解为:I1nsin+I2nsin+I0nsin(nωt+φ0n)(1)式中:下标0,1,2分别表示零序、正序、负序分量;n为谐波次数;φ为初相角;m分别等于0(A相),1(B相),2(C相)。通常,对于基波来说,往往需要选择对其中的正序、负序、零序、有功、无功分量进行单独补偿;而对于谐波来说,要么进行补偿,要么不进行补偿,不会选择对其中各个分量进行单独补偿。因此,对于基波需要做进一步的分解,而对于谐波则不必。瞬时负载电流的基波成分可以进一步分解为:i1(t)=I11sin+I21sin+I01sin(ωt+φ01)=i11p+i11q+i21p+i21q+i01p+i01q(2)式中:i11p=I11sincosφ11i11q=I11cossinφ11i21p=I21sincosi21q=I21cossini01p=I01sincosi01q=I01cossini11p为基波正序有功电流,三相幅值相等,相位依次相差2π/3;i11q为基波正序无功电流,三相幅值相等,相位依次相差2π/3;i21p为基波负序有功电流,虽然三相的相位仍然依次相差2π/3,但三相的电流幅值却不再相等;i21q为基波负序无功电流(与基波电压正交),与i21p一样虽然三相的相位仍然依次相差2π/3,但幅值也不再相等;i01p为基波零序有功电流,虽然三相的相位仍然依次相差2π/3,但三相幅值却不相等;i01q为基波零序无功电流,虽然三相的相位仍然依次相差2π/3,但幅值也不再相等。同时假设电网电压没有畸变,电网的三相电压可写为Usin(ωt-2mπ/3),则基波瞬时功率可写为:i1(t)Usin=U(i11p′+i11q′+i21p′+i21q′+i01p′+i01q′)(3)式中:1-cos1-cossin1-cossinUi11p′是由基波电流的正序有功分量引起的,该部分由一个直流分量和一个2次谐波分量组成,其中,直流分量部分三相相同,即从电源传输到负载的有功功率,三相的2次谐波分量幅值相同,相位依次相差4π/3,三相之和为0,表示这部分能量在三相之间流动;Ui11q′是由基波电流的正序无功分量引起的,三相幅值相同,三相之和为0,表示能量是在三相之间流动,SVG对这部分进行补偿时,这部分能量不会流过直流侧;Ui21p′是由基波电流的负序有功分量引起的,这部分也是由一个直流分量和一个交流分量组成,三相的直流分量部分并不相同,但三相之和为0,表明这部分能量从某相流出而流入其他两相,或者从某两相流出而流入某一相,交流分量在一个周期内的积分为0,表示电网与负载之间有能量交换但不反映负载消耗的能量,该交流分量的幅值不同,三相之和也不为0,对这部分进行补偿时需要直流侧有储能元件;Ui21q′是由基波电流的负序无功分量所引起,在一个周期内积分为0,说明这部分对负载消耗的有功也没有贡献;Ui01p′是由基波电流的零序有功分量引起的,这部分也是由一个直流分量和一个交流分量组成,三相的直流分量部分并不相同,但三相之和为0,表明这部分能量从某相流出而流入其他两相,或者从某两相流出而流入某一相,交流分量在一个周期内的积分为0,表示电网与负载之间有能量交换但不反映负载消耗的能量,该交流分量幅值不同,三相之和也不为0,对这部分进行补偿时需要直流侧有储能元件;Ui01q′是由基波电流的零序无功分量引起的,在一个周期内积分为0,说明这部分对负载消耗的有功也没有贡献;U(i21p′+i21q′)代表了基波负序的瞬时功率,两部分之和等于UI21·(cos(φ21+4mπ/3)-cos(2ωt+φ21))/2,三相基波负序的瞬时功率之和等于(-3UI21cos(2ωt+φ21))/2,对这部分进行补偿时需要储能元件;U(i01p′+i01q′)代表了基波零序的瞬时功率,从中可推出这两部分之和等于UI01(cos(φ01+2mπ/3)-cos(2ωt+φ01-2mπ/3))/2,三相基波零序的瞬时功率之和等于0,对这部分进行补偿时不需要储能元件。同理,可得谐波的瞬时功率为(同样不考虑电网电压的谐波畸变):in(t)UsinI1ncos((n-1)ωt+φ1n)-cos+I2ncos-cos((n+1)ωt+φ2n)+I0ncoscos由式(4)可以看出,不论是谐波的负序分量的瞬时功率,还是正序、零序分量的瞬时功率都是交流,且三相之和都不为0,对这部分进行补偿时都需要直流侧有储能元件。将式(2)乘以sin(ωt-2mπ/3)可得:i1(t)sinI11cosφ111-cos+I11sinφ11sin+I21cos·1-cos+I21sin·sin+I01cos1-cos+I01sin·sin将式(2)分别乘以2sin(ωt-2mπ/3),2cos(ωt-2mπ/3),2sinωt,2cosωt,然后分别经过低通滤波器(截止频率小于2倍基波频率),得到各自的直流分量B1,A1,B1′,A1′如下:然后,令式中:A11,B11分别为基波正序无功分量、有功分量;A21,B21分别为基波负序无功分量、有功分量;A01,B01分别为基波零序无功分量、有功分量。定义:i11=A11cos+B11sini21=A21cos+B21sini1=A1cos+B1sinin=Ancosn+Bnsinni01=A01cosωt+B01sinωt(12)如果单独补偿无功电流,只需令式(10)中的B1=0,然后直接利用式(10)即可得到各相的补偿电流指令。如果在补偿谐波和负序、零序电流的同时也补偿基波正序无功电流(全部补偿),则可先令式(8)中的A11=0(得到各相的基波正序有功电流),再与检测得到的负载电流相减,即得到三相指令电流,中线电流的指令通过将检测到的三相负载电流求和取反得到(即控制电网中线电流为0)。如果在补偿无功电流的同时补偿全部谐波电流(不补偿不平衡电流),则先令式(10)中的A1=0,然后将式(10)与检测得到的负载电流信号相减,得到三相电流的补偿指令,而此时中线指令不能通过检测到的三相负载电流信号直接相加取反获得,而必须通过将此时的三相补偿指令信号相加取反获得。如果只补偿谐波和不对称电流而不补偿基波正序无功电流,则先按照式(7)计算出A11,B11,然后利用式(8)与检测到的负载电流相减即可得到三相指令电流,中线电流的指令和进行全部补偿时相同。如果只补偿某几次谐波电流,则按照式(11)分别计算所需要补偿的谐波电流(其中谐波次数按照n的指定来计算),然后再将这几次谐波指令电流相加即得到电网中所需要补偿的谐波电流指令,此时的中线指令获得方法同上。如果只补偿全部谐波电流,则可按式(10)计算得到基波信号,然后与所检测到的信号相减即可得到指令信号,此时的中线指令获得方法同上。具体的指令运算框图如图2所示。图2中:同步信号生成部分是利用锁相环(PLL)进行软锁相生成标准的正、余弦信号;而指令生成电路是先利用软锁相得到的正、余弦信号与检测信号相乘,然后经过一组低通滤波器(LPF)(截止频率须高于基波频率的2倍)滤波后得到直流分量,再经过计算矩阵式(7)求出各指令电流的幅值,乘以各相的正、余弦相位,即可得到所要求的理想电流,最后与检测到的各相负载电流相减即得到指令电流信号;而直流侧电压控制部分,先对给定和反馈的差值进行比例积分(PI)调节,然后经过C矩阵变换后得到维持直流侧电压稳定所需的基波正序有功电流,然后将其与指令电流相加后一起送入跟踪电路进行调节。C矩阵具体形式如下:3svd补偿实验基于上述分析,研制了一台容量为100kVA的SVG实际装置。利用所研制的SVG对非线性负载进行了补偿实验,负载采用一个三相晶闸管整流桥,并在C相和中线之间连有一个单相电阻负载。实验结果由Fluke43B功率分析仪进行记录。表1即为电网电流在经过补偿前后的各项参数对比。从表1可看出,当电网电流未进行补偿时,各相波形畸变较大,三相的谐波总畸变率(THD)分别为34.2%,31.8%,26.3%;且A,B,C三相之间电流不对称,有效值分别为121.2A,121.8A,149.1A,中线上流过较大的电流,其有效值为53.10A。当对电流进行全部补偿时,经过补偿后的电网电流A,B,C三相基本对称,其有效值分别为75.0A,77.2A,77.5A,中线上的电流基本消除,且THD分别下降到5.8%,6.8%,9.3%,功率因数分别由补偿前的0.48,0.43,0.72提高到0.99。当对电网电流只补偿无功和谐波电流而不补偿不平衡电流时,经过补偿后的三相电流的THD分别下降到8.0%,9.7%,5.3%,功率因数则分别提高到0.99,0.99,1.00。由于没有补偿三相不平衡,所以补偿后中线上仍有较大的电流流过。当对电网电流进行谐波和不对称电流补偿(不补偿基波正序无功)时,经过补偿后的电网电流A,B,C三相仍基本对称,中线上的电流基本消除,且三相电流的THD分别下降到4.1%,3.9%,5.0%,而功率因数则没有被大幅度提高。当对电网电流只补偿其谐波时,由表1可以看出,经过补偿后的三相电流基本为正弦,其THD分别下降到4.8%,4.3%,4.2%,而由于没有补偿无功和三相不平衡电流,所以中线上仍然流过较大的电流,且功率因数与未进行补偿前大致相同。本文所研制的SVG已在云南某卷烟厂办公大楼投入运行,取得了较为满意的补偿效果,具体如表2所示。补偿后的谐波畸变率大大降低,特别是负载中的3,5,7次主要谐波都