基于時(shí)域變換的三相三線制系統(tǒng)的a電流檢測(cè)

0基于cu的電能質(zhì)量問題在低壓供電系統(tǒng)中，三相四線制電源是供電的最重要方式，在工業(yè)和家庭地區(qū)的應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。隨著城市的現(xiàn)代化,出現(xiàn)了大量的大型商廈和樓宇,在這些建筑中存在著為數(shù)眾多的個(gè)人計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、變頻空調(diào)等家用電器、照明設(shè)備及不間斷電源(UPS)等。這些設(shè)備都會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的無功、不平衡以及諧波電流,雖然它們的單臺(tái)功率較小,但因其總數(shù)龐大,給電網(wǎng)所帶來的電能質(zhì)量問題是極其嚴(yán)重的。零序電流(主要是不對(duì)稱電流和3次及3的整數(shù)倍次諧波電流)在中線上相互疊加,使得中線點(diǎn)偏移,且三相相差不對(duì)稱(三相相位差不再是120°),而且也會(huì)導(dǎo)致中線電流大大超過它的設(shè)計(jì)值,造成中線故障;另一方面使得變壓器過熱,造成絕緣破壞,同時(shí)還會(huì)造成中線對(duì)地電勢(shì)提升。為了解決電能質(zhì)量問題,改善電網(wǎng)電流波形,本文研制了用于三相四線制系統(tǒng)的靜止無功發(fā)生器(SVG)。為了準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電流,本文將應(yīng)用于三相三線制的基于時(shí)域變換算法(TTA)的電流檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)后,得到了一種用于三相四線制系統(tǒng)的TTA。1非線性負(fù)載的電流的信號(hào)保護(hù)本SVG采用電壓源型逆變器(VSI),與非線性負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)。圖1為本SVG的單相等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示,先檢測(cè)非線性負(fù)載的電流,然后通過TTA算出所需要的補(bǔ)償指令電流,再與維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定所需要的基波電流指令相加,得到總的指令電流,最后通過跟蹤控制,使得VSI輸出一個(gè)與所需要補(bǔ)償電流大小相等、方向相反的電流與之抵消,從而控制電網(wǎng)電流為基波形式,改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。相對(duì)于采用無源器件構(gòu)成的補(bǔ)償裝置,該補(bǔ)償方式不易受到電網(wǎng)阻抗的影響,可以動(dòng)態(tài)地對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行補(bǔ)償。2基波的分解以h近年來,經(jīng)過許多學(xué)者的努力,許多新型檢測(cè)算法應(yīng)運(yùn)而生,但是都具有一定的局限性。例如:基于瞬時(shí)無功理論的ip-iq算法實(shí)時(shí)性好,實(shí)用面比較廣,但是其需要多次的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到αβ坐標(biāo)系再轉(zhuǎn)到pq坐標(biāo)系,再轉(zhuǎn)到αβ坐標(biāo)系,再轉(zhuǎn)回abc坐標(biāo)系),特別是在三相電流不平衡時(shí),計(jì)算量大大增加;離散傅里葉變換(DFT)算法雖然物理概念明確,能檢測(cè)指定次諧波及無功電流,但對(duì)于三相不平衡負(fù)載所導(dǎo)致的負(fù)序、零序電流則不能區(qū)分。在三相四線制系統(tǒng)中,由于中線上零序電流的存在,對(duì)零序電流的準(zhǔn)確檢測(cè)是整個(gè)SVG準(zhǔn)確工作的關(guān)鍵所在。本文針對(duì)SVG的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合為三相四線制系統(tǒng),結(jié)合基于三相三線制系統(tǒng)的TTA,將其改進(jìn)后應(yīng)用到三相四線制系統(tǒng)中。該算法使用方便,適應(yīng)范圍較廣,對(duì)于SVG所要求的各種補(bǔ)償功能都能滿足。下面詳細(xì)介紹其基本原理。首先根據(jù)對(duì)稱分量法,可將負(fù)載電流分解為:I1nsin+I2nsin+I0nsin(nωt+φ0n)(1)式中:下標(biāo)0,1,2分別表示零序、正序、負(fù)序分量;n為諧波次數(shù);φ為初相角;m分別等于0(A相),1(B相),2(C相)。通常,對(duì)于基波來說,往往需要選擇對(duì)其中的正序、負(fù)序、零序、有功、無功分量進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償;而對(duì)于諧波來說,要么進(jìn)行補(bǔ)償,要么不進(jìn)行補(bǔ)償,不會(huì)選擇對(duì)其中各個(gè)分量進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償。因此,對(duì)于基波需要做進(jìn)一步的分解,而對(duì)于諧波則不必。瞬時(shí)負(fù)載電流的基波成分可以進(jìn)一步分解為:i1(t)=I11sin+I21sin+I01sin(ωt+φ01)=i11p+i11q+i21p+i21q+i01p+i01q(2)式中:i11p=I11sincosφ11i11q=I11cossinφ11i21p=I21sincosi21q=I21cossini01p=I01sincosi01q=I01cossini11p為基波正序有功電流,三相幅值相等,相位依次相差2π/3;i11q為基波正序無功電流,三相幅值相等,相位依次相差2π/3;i21p為基波負(fù)序有功電流,雖然三相的相位仍然依次相差2π/3,但三相的電流幅值卻不再相等;i21q為基波負(fù)序無功電流(與基波電壓正交),與i21p一樣雖然三相的相位仍然依次相差2π/3,但幅值也不再相等;i01p為基波零序有功電流,雖然三相的相位仍然依次相差2π/3,但三相幅值卻不相等;i01q為基波零序無功電流,雖然三相的相位仍然依次相差2π/3,但幅值也不再相等。同時(shí)假設(shè)電網(wǎng)電壓沒有畸變,電網(wǎng)的三相電壓可寫為Usin(ωt-2mπ/3),則基波瞬時(shí)功率可寫為:i1(t)Usin=U(i11p′+i11q′+i21p′+i21q′+i01p′+i01q′)(3)式中:1-cos1-cossin1-cossinUi11p′是由基波電流的正序有功分量引起的,該部分由一個(gè)直流分量和一個(gè)2次諧波分量組成,其中,直流分量部分三相相同,即從電源傳輸?shù)截?fù)載的有功功率,三相的2次諧波分量幅值相同,相位依次相差4π/3,三相之和為0,表示這部分能量在三相之間流動(dòng);Ui11q′是由基波電流的正序無功分量引起的,三相幅值相同,三相之和為0,表示能量是在三相之間流動(dòng),SVG對(duì)這部分進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),這部分能量不會(huì)流過直流側(cè);Ui21p′是由基波電流的負(fù)序有功分量引起的,這部分也是由一個(gè)直流分量和一個(gè)交流分量組成,三相的直流分量部分并不相同,但三相之和為0,表明這部分能量從某相流出而流入其他兩相,或者從某兩相流出而流入某一相,交流分量在一個(gè)周期內(nèi)的積分為0,表示電網(wǎng)與負(fù)載之間有能量交換但不反映負(fù)載消耗的能量,該交流分量的幅值不同,三相之和也不為0,對(duì)這部分進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)需要直流側(cè)有儲(chǔ)能元件;Ui21q′是由基波電流的負(fù)序無功分量所引起,在一個(gè)周期內(nèi)積分為0,說明這部分對(duì)負(fù)載消耗的有功也沒有貢獻(xiàn);Ui01p′是由基波電流的零序有功分量引起的,這部分也是由一個(gè)直流分量和一個(gè)交流分量組成,三相的直流分量部分并不相同,但三相之和為0,表明這部分能量從某相流出而流入其他兩相,或者從某兩相流出而流入某一相,交流分量在一個(gè)周期內(nèi)的積分為0,表示電網(wǎng)與負(fù)載之間有能量交換但不反映負(fù)載消耗的能量,該交流分量幅值不同,三相之和也不為0,對(duì)這部分進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)需要直流側(cè)有儲(chǔ)能元件;Ui01q′是由基波電流的零序無功分量引起的,在一個(gè)周期內(nèi)積分為0,說明這部分對(duì)負(fù)載消耗的有功也沒有貢獻(xiàn);U(i21p′+i21q′)代表了基波負(fù)序的瞬時(shí)功率,兩部分之和等于UI21·(cos(φ21+4mπ/3)-cos(2ωt+φ21))/2,三相基波負(fù)序的瞬時(shí)功率之和等于(-3UI21cos(2ωt+φ21))/2,對(duì)這部分進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)需要儲(chǔ)能元件;U(i01p′+i01q′)代表了基波零序的瞬時(shí)功率,從中可推出這兩部分之和等于UI01(cos(φ01+2mπ/3)-cos(2ωt+φ01-2mπ/3))/2,三相基波零序的瞬時(shí)功率之和等于0,對(duì)這部分進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)不需要儲(chǔ)能元件。同理,可得諧波的瞬時(shí)功率為(同樣不考慮電網(wǎng)電壓的諧波畸變):in(t)UsinI1ncos((n-1)ωt+φ1n)-cos+I2ncos-cos((n+1)ωt+φ2n)+I0ncoscos由式(4)可以看出,不論是諧波的負(fù)序分量的瞬時(shí)功率,還是正序、零序分量的瞬時(shí)功率都是交流,且三相之和都不為0,對(duì)這部分進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)都需要直流側(cè)有儲(chǔ)能元件。將式(2)乘以sin(ωt-2mπ/3)可得:i1(t)sinI11cosφ111-cos+I11sinφ11sin+I21cos·1-cos+I21sin·sin+I01cos1-cos+I01sin·sin將式(2)分別乘以2sin(ωt-2mπ/3),2cos(ωt-2mπ/3),2sinωt,2cosωt,然后分別經(jīng)過低通濾波器(截止頻率小于2倍基波頻率),得到各自的直流分量B1,A1,B1′,A1′如下:然后,令式中:A11,B11分別為基波正序無功分量、有功分量;A21,B21分別為基波負(fù)序無功分量、有功分量;A01,B01分別為基波零序無功分量、有功分量。定義:i11=A11cos+B11sini21=A21cos+B21sini1=A1cos+B1sinin=Ancosn+Bnsinni01=A01cosωt+B01sinωt(12)如果單獨(dú)補(bǔ)償無功電流,只需令式(10)中的B1=0,然后直接利用式(10)即可得到各相的補(bǔ)償電流指令。如果在補(bǔ)償諧波和負(fù)序、零序電流的同時(shí)也補(bǔ)償基波正序無功電流(全部補(bǔ)償),則可先令式(8)中的A11=0(得到各相的基波正序有功電流),再與檢測(cè)得到的負(fù)載電流相減,即得到三相指令電流,中線電流的指令通過將檢測(cè)到的三相負(fù)載電流求和取反得到(即控制電網(wǎng)中線電流為0)。如果在補(bǔ)償無功電流的同時(shí)補(bǔ)償全部諧波電流(不補(bǔ)償不平衡電流),則先令式(10)中的A1=0,然后將式(10)與檢測(cè)得到的負(fù)載電流信號(hào)相減,得到三相電流的補(bǔ)償指令,而此時(shí)中線指令不能通過檢測(cè)到的三相負(fù)載電流信號(hào)直接相加取反獲得,而必須通過將此時(shí)的三相補(bǔ)償指令信號(hào)相加取反獲得。如果只補(bǔ)償諧波和不對(duì)稱電流而不補(bǔ)償基波正序無功電流,則先按照式(7)計(jì)算出A11,B11,然后利用式(8)與檢測(cè)到的負(fù)載電流相減即可得到三相指令電流,中線電流的指令和進(jìn)行全部補(bǔ)償時(shí)相同。如果只補(bǔ)償某幾次諧波電流,則按照式(11)分別計(jì)算所需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流(其中諧波次數(shù)按照n的指定來計(jì)算),然后再將這幾次諧波指令電流相加即得到電網(wǎng)中所需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流指令,此時(shí)的中線指令獲得方法同上。如果只補(bǔ)償全部諧波電流,則可按式(10)計(jì)算得到基波信號(hào),然后與所檢測(cè)到的信號(hào)相減即可得到指令信號(hào),此時(shí)的中線指令獲得方法同上。具體的指令運(yùn)算框圖如圖2所示。圖2中:同步信號(hào)生成部分是利用鎖相環(huán)(PLL)進(jìn)行軟鎖相生成標(biāo)準(zhǔn)的正、余弦信號(hào);而指令生成電路是先利用軟鎖相得到的正、余弦信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)相乘,然后經(jīng)過一組低通濾波器(LPF)(截止頻率須高于基波頻率的2倍)濾波后得到直流分量,再經(jīng)過計(jì)算矩陣式(7)求出各指令電流的幅值,乘以各相的正、余弦相位,即可得到所要求的理想電流,最后與檢測(cè)到的各相負(fù)載電流相減即得到指令電流信號(hào);而直流側(cè)電壓控制部分,先對(duì)給定和反饋的差值進(jìn)行比例積分(PI)調(diào)節(jié),然后經(jīng)過C矩陣變換后得到維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定所需的基波正序有功電流,然后將其與指令電流相加后一起送入跟蹤電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。C矩陣具體形式如下:3svd補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)基于上述分析,研制了一臺(tái)容量為100kVA的SVG實(shí)際裝置。利用所研制的SVG對(duì)非線性負(fù)載進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),負(fù)載采用一個(gè)三相晶閘管整流橋,并在C相和中線之間連有一個(gè)單相電阻負(fù)載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由Fluke43B功率分析儀進(jìn)行記錄。表1即為電網(wǎng)電流在經(jīng)過補(bǔ)償前后的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比。從表1可看出,當(dāng)電網(wǎng)電流未進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),各相波形畸變較大,三相的諧波總畸變率(THD)分別為34.2%,31.8%,26.3%;且A,B,C三相之間電流不對(duì)稱,有效值分別為121.2A,121.8A,149.1A,中線上流過較大的電流,其有效值為53.10A。當(dāng)對(duì)電流進(jìn)行全部補(bǔ)償時(shí),經(jīng)過補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流A,B,C三相基本對(duì)稱,其有效值分別為75.0A,77.2A,77.5A,中線上的電流基本消除,且THD分別下降到5.8%,6.8%,9.3%,功率因數(shù)分別由補(bǔ)償前的0.48,0.43,0.72提高到0.99。當(dāng)對(duì)電網(wǎng)電流只補(bǔ)償無功和諧波電流而不補(bǔ)償不平衡電流時(shí),經(jīng)過補(bǔ)償后的三相電流的THD分別下降到8.0%,9.7%,5.3%,功率因數(shù)則分別提高到0.99,0.99,1.00。由于沒有補(bǔ)償三相不平衡,所以補(bǔ)償后中線上仍有較大的電流流過。當(dāng)對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行諧波和不對(duì)稱電流補(bǔ)償(不補(bǔ)償基波正序無功)時(shí),經(jīng)過補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流A,B,C三相仍基本對(duì)稱,中線上的電流基本消除,且三相電流的THD分別下降到4.1%,3.9%,5.0%,而功率因數(shù)則沒有被大幅度提高。當(dāng)對(duì)電網(wǎng)電流只補(bǔ)償其諧波時(shí),由表1可以看出,經(jīng)過補(bǔ)償后的三相電流基本為正弦,其THD分別下降到4.8%,4.3%,4.2%,而由于沒有補(bǔ)償無功和三相不平衡電流,所以中線上仍然流過較大的電流,且功率因數(shù)與未進(jìn)行補(bǔ)償前大致相同。本文所研制的SVG已在云南某卷煙廠辦公大樓投入運(yùn)行,取得了較為滿意的補(bǔ)償效果,具體如表2所示。補(bǔ)償后的諧波畸變率大大降低,特別是負(fù)載中的3,5,7次主要諧波都