D-STATCOM指令電流檢測法的研究

梁 靜，戴 毅，常鮮戎

(1.山西電力公司晉城供電分公司，山西 晉城 048000;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

1 引言

隨著電力電子裝置的廣泛使用，大量具有非線性特性的負載投入電網(wǎng)運行，給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染和動態(tài)無功負荷。配電網(wǎng)靜止同步補償器(DSTATCOM)［1］憑借其強大的功能，優(yōu)良的性能逐漸成為現(xiàn)階段配電網(wǎng)無功補償和電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向［2］。其中，補償電流的檢測環(huán)節(jié)是該裝置的重要環(huán)節(jié)［3］。目前研究和應(yīng)用較多的檢測方法是基于瞬時無功功率理論的ip-iq法，該方法在電網(wǎng)電壓對稱無畸變時，能實現(xiàn)對諧波和無功電流的準(zhǔn)確檢測，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡或畸變時，它只能準(zhǔn)確地檢測出諧波電流，而測出的有功、無功電流存在誤差。

首先分析了ip-iq法產(chǎn)生誤差的原因，然后提出了一種新的補償電流準(zhǔn)確檢測的方法，該方法克服了傳統(tǒng)ip-iq法在三相電壓不對稱且畸變時對三相有功、無功電流檢測存在誤差的缺點，能在電壓源和負載電流都畸變且不平衡的情況下檢測到基波電壓正序分量的相位，并能準(zhǔn)確檢測出電流的諧波與有功、無功分量。最后通過MATLAB仿真對所提出方法的正確性和可行性進行了驗證。

2 傳統(tǒng)的 ip-iq法［4］

傳統(tǒng)的ip-iq法將三相瞬時電壓、電流經(jīng)過abc-αβ變到兩向正交的αβ坐標(biāo)系下，然后將→i投影到→e及其法線上得到瞬時有功電流ip與瞬時無功電流iq。將ip通過低通濾波得到其直流分量ˉip，在經(jīng)過逆變換得到電流的基波分量iaf、ibf、icf，進而計算出諧波和無功電流。其原理框圖如圖1所示。

分離出的基波有功電流分量以及無功與諧波電流分量之和分別為:

圖1 傳統(tǒng)ip-iq法原理框圖

當(dāng)三相電壓不對稱且畸變時，ea的相位是由其正序、負序、零序及其諧波分量共同作用的結(jié)果，因此ea的相位與ea正序分量的相位有可能存在相位差。使用鎖相環(huán)得到的是a相電壓相位，而非a相正序電壓分量相位。設(shè)a相電壓的初相角與a相正序電壓的初相角的相位差為φ，即:若將(1)式作為a相正序電壓相位的αβ-dq變換矩陣，則a相電壓相位的αβ-dq變換矩陣為:

假設(shè)三相不對稱電流為:

式中:I表示電壓有效值，第一個下標(biāo)表示序分量(1是正序，2是負序)，第二個下標(biāo)表示諧波次數(shù);I0(t)為零序電流分量。

在采用α相正序電壓相位時，三相電流ia，ib，ic經(jīng)過abc-αβ變換和αβ-dq變換之后得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq，ip經(jīng)過低通濾波器(LPF)后得到其直流分量

同樣，在采用a相電壓相位時，三相電流變換之后得到瞬時有功電流ipφ和瞬時無功電流iqφ，ipφ經(jīng)過低通濾波后得到其直流分量:

3 補償電流的準(zhǔn)確檢測法

為了解決傳統(tǒng)ip-iq法在電網(wǎng)電壓不對稱時產(chǎn)生的檢測誤差問題，本文提出了一種補償電流的準(zhǔn)確檢測法。其原理圖如圖2所示。

圖2 補償電流的準(zhǔn)確檢測法原理圖

該檢測法首先通過坐標(biāo)變換將三相電壓值轉(zhuǎn)換到互相垂直的αβ坐標(biāo)系下，再將得到的坐標(biāo)值分別乘以反饋回來的正余弦值，由此將基波信息變?yōu)橹绷鞣至刻崛〕鰜恚缓髮?yīng)的量相加減，從而把包含基波負序信息的直流分量消去，使得通過LPF后，只剩下基波正序信息，之后利用三角函數(shù)的有關(guān)特性得到基波電壓正序分量，最后通過鎖相環(huán)就可以得到電網(wǎng)實際的正余弦信號。

下面對該方法進行理論分析，假設(shè)三相電壓畸變且不對稱。

式中:E表示電壓有效值，第一個下標(biāo)表示序分量(1是正序，2是負序)，第二個下標(biāo)表示諧波次數(shù)。然后將ea，eb，ec，變換至α-β兩相，得式:

將eα，eβ與正余弦信號矩陣相乘:

利用三角函數(shù)的相關(guān)公式，通過加減運算將其中包含基波負序信息的分量消去:

eαs-eβc與eαs-eβc經(jīng)過 LPF 后，濾去交流分量，通過三角函數(shù)的有關(guān)特性得到基波電壓正序分量:

然后利用鎖相環(huán)和正余弦產(chǎn)生電路，為檢測系統(tǒng)提供a相正序基波電壓同相位的正余弦信號，代入傳統(tǒng)ip-iq法進行補償電流的檢測，即可得到較為精確的結(jié)果。

4 設(shè)計實例與仿真結(jié)果分析

圖4為用兩種方法檢測出來的基波電流，通過比較可知，兩種方法測出的基波電流相同，同時負荷電流值也相同，所以諧波電流值也相同即傳統(tǒng)ip-iq法在檢測諧波電流時沒有誤差。

圖5為分別用傳統(tǒng)ip-iq法和本文提出的新方法檢測出的基波有功電流，其中，幅值大的為電壓量，幅值小的是電流量，中間的橫線是參考線。通過對比可知:傳統(tǒng)ip-iq法檢測出來的基波有功電流跟電網(wǎng)基波正序電壓不同相，所以傳統(tǒng)ip-iq法檢測出來的基波有功電流存在誤差，而本文新提出的補償電流的準(zhǔn)確檢測法檢測出的基波有功電流與基波正序電壓相位完全相同，從而證明了這種新方法的能實現(xiàn)補償電流的準(zhǔn)確檢測。

圖3 三相四線制D-STATCOM總體結(jié)構(gòu)圖

圖4 基波電流檢測圖

圖5 基波有功電流示意圖

5 結(jié)論

本文提出了一種適合于三相四橋臂D-STATCOM裝置的諧波、無功和不平衡電流的檢測方法，它能在電網(wǎng)電壓不平衡或畸變時準(zhǔn)確檢測出基波正序有功電流，從而克服了傳統(tǒng)ip-iq法在三相電壓不對稱且畸變時對三相有功、無功電流檢測存在誤差的缺點，仿真結(jié)果表明，在三相電壓不對稱且畸變的情況下也可以準(zhǔn)確檢測無功和諧波電流。

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