一种基波和任意次谐波的高精度检测方法技术

本发明专利技术提供了一种基波和任意次谐波的高精度检测方法，该方法弥补了传统的基于瞬时无功功率理论的检测方法在检测功能性上的不足，可以实现基波和任意次谐波的正序有功、无功分量和负序有功、无功分量的精细检测，具有更高的检测速度、检测精度和补偿灵活性。并且该检测方法不需要使用锁相环，可适用于电网电压不对称和存在畸变的情况，且计算过程简单，便于实现，对于指导电网侧和用户侧的谐波责任划分及实现小容量谐波补偿装置的基波和任意次谐波电流正/负序分量及有功/无功分量的补偿效果对比及选择性精细治理或限流控制都具有一定的工程意义。定的工程意义。定的工程意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基波和任意次谐波的高精度检测方法


[0001]本专利技术涉及及电网信号相位检测
，具体地说，涉及一种基波和任意次谐波的高精度检测方法。

技术介绍

[0002]电网谐波污染等电能质量问题日益严重，要求有源电力滤波器等谐波补偿装置具备精细化和柔性化的谐波检测功能。电网中由于普遍存在电压不对称和背景谐波畸变，不对称电网电流中不仅包含非线性负载所引起的基波电流和各次谐波电流分量，还包含电网背景谐波电压通过非线性负载产生的谐波电流分量。要求谐波补偿装置能够准确检测出负荷的基波电流正序分量，同时能够进行基波电流正序有功分量、无功分量和负序不平衡分量的检测，为无功补偿和基波负序不平衡分量的补偿提供基础。此外，非线性负载产生的部分次谐波电流的有功分量会被负荷自身所消耗，例如交流感性负荷设备运行过程中存在涡流损耗和电缆趋肤效应热损耗，并不会流入电网造成污染；同样，电网背景谐波电压产生的谐波电流中的部分次有功分量会被负荷所消耗，不会对电网本身造成污染。这些情况的存在，都要求谐波补偿装置不仅能实现电网电压不对称情况下的基波和任意次谐波正序、负序分量的检测，还要能够实现基波和任意次谐波的有功、无功分量检测。
[0003]目前，从谐波检测的功能性方面，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法可以划分为三类：
[0004]第一类，检测基波电流分量或基波电流正序分量，将所有次谐波分量作为整体进行检测和补偿，如传统的p
‑
q检测法。例如分别对p
‑
q法和ip
‑
iq法进行了改进的方法，实现了电网电压畸变下的基波电流正序分量检测，或者通过改进低通滤波器减小了基波电流检测误差，提高了检测速度。但是，此类方法通常对传统瞬时无功功率理论下的检测方法及其低通滤波器进行改进，进而提高基波电流检测精度和速度，本质上都是把各次谐波作为整体进行检测，没有实现基波和谐波分次分序检测，没有区分有功分量和无功分量。
[0005]第二类，检测基波电流有功分量或基波电流正序有功分量，将基波无功分量与各次谐波分量作为整体进行检测和补偿，如传统的ip
‑
iq检测法。该类现有技术实现了基波正序有功电流分量和无功电流分量的检测，具有较好的补偿精度，但其在进行谐波补偿时实质上是将检测到的基波正序无功分量、基波负序分量和所有次谐波作为一个整体进行补偿，要求谐波补偿装置具有较大的补偿容量，补偿成本较高，并且不具备各次谐波有功、无功分量的分次分序检测功能。
[0006]第三类，检测指定次谐波电流分量，为降低补偿成本，将各指定次谐波电流分量分别进行检测和补偿，如传统的dq0检测法可以实现特定次谐波的检测。如文献“吕晓琴,章春军,张秀峰.三相不对称系统任意次谐波电流检测新方法”设计了与各次谐波同频率的正余弦信号，如文献“李金,张喜铭,时伯年,孙刚,郭芳.一种基于瞬时无功功率理论的改进谐波检测算法”改进了ip
‑
iq检测法的变换矩阵，两者都实现了指定次谐波的正序、负序和零序分量的检测，然后相加得到指定次谐波电流，其实质上是将各指定次谐波作为一个整体，而
并未对其进行有功、无功分量的区分检测。
[0007]故对于实际PCC点的网侧馈线畸变电流，在集中治理背景下，如果能够将其基波和任意次谐波的正序有功\无功分量和负序有功\无功分量全部同时检测出来，通过各分量的功率流向分析及实际补偿效果对比，对不流入电网造成谐波污染的某些特定次谐波电流有功分量进行剔除，这样不仅可以优化APF等谐波补偿装置的补偿容量，也可以提高谐波治理效果，有利于实现谐波补偿装置的高补偿精度和装置容量灵活充分利用两大重要性能指标。
[0008]鉴于此，急需提出一种精度更高且计算量小的基波和任意次谐波全要素精细检测方法。

技术实现思路

[0009](一)要解决的技术问题
[0010]针对现有技术的不足，本专利技术基于传统的ip
‑
iq检测法的改进，提出了一种基波和任意次谐波的高精度检测方法，该方法中，使用对称分量法对三相电压、电流信号进行了分解，并通过指定基频结合其正负倍频值的方法代替了传统锁相环，通过同步坐标变换和相位补偿的方法实现了任意次电网谐波电压初相位的检测及Park变换矩阵的改进，进而实现了非线性负载基波和任意次谐波正、负序和有功、无功分量的全要素同时精细检测。
[0011](二)技术方案
[0012]本专利技术为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供了一种基波和任意次谐波的高精度检测方法，包括以下步骤1
‑
2：
[0013]步骤1：基波正序有功、无功分量及负序分量检测法
[0014]在三相不对称系统中，根据对称分量法，三相电压和三相电流瞬时值在三相静止坐标系下可分解为正序、负序和零序信号，电力系统中常见三相三线制和三相四线制的星形接法，此时便不存在零序分量，以三相负载谐波电流信号i
a
、i
b
、i
c
为例，其表示成工频基波和各次谐波正负序分量的组合，如式(1)所示。
[0015][0016]式(1)中：n为正整数，和分别应n次负载谐波电流中的正序和负序分量的幅值；和分别对应n次负载谐波电流中的正序和负序分量的初相角，ω为电网电压基波角频率；
[0017][0018]将三相谐波电流依次经过Clarke变换和Park变换，变换到两相dq旋转坐标系，如式(2)所示，变换结果如式(3)所示，为第n次谐波电流分量的初相位角，正负角标代表正负序，使用的Clarke变换和Park变换矩阵分别为式(4)和式(5)；
[0019][0020][0021][0022]由式(3)可知，分别取基波倍频值n为1或
‑
1，并进行低通滤波，基波工频分量将变为直流分量，即可实现基波正、负序和有功、无功分量的选择性提取，考虑到n的取值并不会使基波正、负序的倍频值出现同时为0的情况，因此当n＝1时，将i
d
和i
q
信号分别经过LPF低通滤波，即可获得谐波电流中的正序基波dq直流分量和分别对应基波正序有功分量和基波正序无功分量，如式(6)所示；当n＝
‑
1时，同理可以获得基波负序有功、无功直流分量和如式(7)所示；
[0023][0024][0025]对提取到的基波正序有功、无功直流分量进行反变换即可获得对应基波分量在abc坐标系下的形式，将负序有功、无功直流分量相加后进行反变换即可获得基波负序不平衡分量；
[0026]步骤2：任意次谐波分量全要素检测法
[0027]根据步骤1中的分析，考虑对任意次谐波正、负序及其有功、无功分量的提取；根据瞬时无功功率理论，谐波电流矢量在同频次的谐波电压矢量上的投影，即是谐波电流的有功分量；令k为待求的谐波次数，k为正整数，当第k次谐波电压分量与dq旋转坐标系下的d轴重合时，第k次谐波电流分量在d轴的分量与第k次谐波电压分量重合，此时电流d轴分量i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基波和任意次谐波的高精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基波正序有功、无功分量及负序分量检测法在三相不对称系统中，根据对称分量法，三相电压和三相电流瞬时值在三相静止坐标系下可分解为正序、负序和零序信号，电力系统中常见三相三线制和三相四线制的星形接法，此时便不存在零序分量，以三相负载谐波电流信号i
a
、i
b
、i
c
为例，其表示成工频基波和各次谐波正负序分量的组合，如式(1)所示。式(1)中：n为正整数，和分别应n次负载谐波电流中的正序和负序分量的幅值；和分别对应n次负载谐波电流中的正序和负序分量的初相角，ω为电网电压基波角频率；将三相谐波电流依次经过Clarke变换和Park变换，变换到两相dq旋转坐标系，如式(2)所示，变换结果如式(3)所示，为第n次谐波电流分量的初相位角，正负角标代表正负序，使用的Clarke变换和Park变换矩阵分别为式(4)和式(5)；使用的Clarke变换和Park变换矩阵分别为式(4)和式(5)；使用的Clarke变换和Park变换矩阵分别为式(4)和式(5)；
由式(3)可知，分别取基波倍频值n为1或
‑
1，并进行低通滤波，基波工频分量将变为直流分量，即可实现基波正、负序和有功、无功分量的选择性提取，考虑到n的取值并不会使基波正、负序的倍频值出现同时为0的情况，因此当n＝1时，将i
d
和i
q
信号分别经过LPF低通滤波，即可获得谐波电流中的正序基波dq直流分量和分别对应基波正序有功分量和基波正序无功分量，如式(6)所示；当n＝
‑
1时，同理可以获得基波负序有功、无功直流分量和如式(7)所示；如式(7)所示；对提取到的基波正序有功、无功直流分量进行反变换即可获得对应基波分量在abc坐标系下的形式，将负序有功、无功直流分量相加后进行反变换即可获得基波负序不平衡分量；步骤2：任意次谐波分量全要素检测法根据步骤1中的分析，考虑对任意次谐波正、负序及其有功、无功分量的提取；根据瞬时无功功率理论，谐波电流矢量在同频次的谐波电压矢量上的投影，即是谐波电流的有功分量；令k为待求的谐波次数，k为正整数，当第k次谐波电压分量与dq旋转坐标系下的d轴重合时，第k次谐波电流分量在d轴的分量与第k次谐波电压分量重合，此时电流d轴分量i
kd
即对应第k次谐波电流的有功分量，电流q轴分量i
kq
对应第k次谐波电流无功分量；当电网电压不对称且存在背景谐波时，第k次谐波电压分量往往不与d轴重合，作出第k次谐波电流分量矢量i
k
及其对应谐波电压分量矢量u
k
，设为第k次谐波电压的初相位角；根据同步坐标变换法，对Park...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘智峰，王一帆，张亮，李勇刚，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：