裝備電力系統(tǒng)諧波性負(fù)荷建模中的電流檢測(cè)方法

尹志勇，陳永光，劉正春，黃欣

（1.軍械工程學(xué)院車(chē)輛與電氣工程系，河北石家莊 050003；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

裝備電力系統(tǒng)諧波性負(fù)荷建模中的電流檢測(cè)方法

尹志勇1，陳永光2，劉正春1，黃欣1

（1.軍械工程學(xué)院車(chē)輛與電氣工程系，河北石家莊 050003；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

配有大量非線(xiàn)性元件的裝備電力系統(tǒng)多為獨(dú)立供電的三相四線(xiàn)制系統(tǒng)，且具有更大的內(nèi)阻．為滿(mǎn)足其電流快速準(zhǔn)確檢測(cè)在非線(xiàn)性諧波性負(fù)荷建模中的要求，提出一種基于同步坐標(biāo)變換的裝備負(fù)荷建模電流諧波檢測(cè)idiqi0方法，能準(zhǔn)確檢測(cè)出供電系統(tǒng)母線(xiàn)電流中與基波正序分量相同步的有功和無(wú)功電流，進(jìn)一步計(jì)算負(fù)荷的諧波指令電流．通過(guò)闡明基于同步坐標(biāo)變換的檢測(cè)算法原理與電流處理流程，以建模仿真手段分析變換坐標(biāo)系后的電流特性，并指出其變換實(shí)質(zhì)．最后，利用該檢測(cè)方法建立的負(fù)荷模型對(duì)實(shí)際裝備電力系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過(guò)波形、總體諧波畸變率及各次諧波含量的分析比較，驗(yàn)證該方法的有效性．

裝備電力系統(tǒng)；負(fù)荷建模；電流諧波檢測(cè)；同步坐標(biāo)變換；idiqi0方法

隨著新型武器裝備復(fù)雜程度的不斷提高，非線(xiàn)性負(fù)荷在很大程度上成為了裝備供電系統(tǒng)的主要諧波源，主要表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組輸出電壓畸變、頻率波動(dòng)，明顯降低了系統(tǒng)的供電品質(zhì)[1]．為了更好的研究有限容量裝備電力系統(tǒng)負(fù)荷特性，進(jìn)一步分析不同諧波特性下的功率匹配，逐步改善用電品質(zhì)，其重要的方法手段之一是建立精確的諧波型負(fù)荷模型，該模型應(yīng)能按照諧波發(fā)生規(guī)律控制供電母線(xiàn)上電流的各次諧波含量．與無(wú)限容量的民用大電網(wǎng)相比[2]，配有大量非線(xiàn)性元件的裝備電力系統(tǒng)具有更大的內(nèi)阻[3]，且其供電模式為獨(dú)立的三相四線(xiàn)制體系，使得針對(duì)諧波性負(fù)荷的建模仿真分析變得相對(duì)復(fù)雜，而作為所建模型的重要組成部分，補(bǔ)償環(huán)節(jié)的諧波電流快速有效檢測(cè)是各次諧波含量能否實(shí)現(xiàn)精確控制與跟蹤的前提．

非線(xiàn)性諧波性負(fù)荷對(duì)電流的影響與系統(tǒng)指定電流的采樣速度以及準(zhǔn)確程度息息相關(guān)，其中決定補(bǔ)償效果的重要環(huán)節(jié)是快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出諧波電流大?。娏鞯臋z測(cè)方法較為成熟[4-6]，如基于功率定義的檢測(cè)方法、自適應(yīng)檢測(cè)法、基于頻域分析的FFT檢測(cè)方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法等．其中，應(yīng)用較為廣泛的是基于三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)算法[7]，如p q法、ipiq和d q法等．APF中應(yīng)用最為普遍的方法是日本學(xué)者提出的基于瞬時(shí)無(wú)功功率基波分離法[8]，該方法系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率等參量，但該理論的應(yīng)用對(duì)象為三相三線(xiàn)制系統(tǒng)，未考慮中性線(xiàn)，對(duì)中性線(xiàn)上的零序電流進(jìn)行了忽略，而三線(xiàn)四線(xiàn)制系統(tǒng)具有給零序電流提供流通回路的中性線(xiàn)，因此其負(fù)載電流中包含豐富的零序電流．基于三維坐標(biāo)變換的p q r諧波檢測(cè)理論是韓國(guó)學(xué)者Hyosung Kim在AkagiH所提理論的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的[9-10]，適用于三相四線(xiàn)制中線(xiàn)電流的檢測(cè)，但該方法需要經(jīng)過(guò)多次的坐標(biāo)變換以及反變換，大大增加了在線(xiàn)計(jì)算量，同時(shí)又對(duì)系統(tǒng)電壓的變化較為敏感，不能完全滿(mǎn)足負(fù)荷建模對(duì)電流快速準(zhǔn)確檢測(cè)的需求．

本文針對(duì)三相四線(xiàn)制有限容量供電系統(tǒng)，提出了一種基于同步坐標(biāo)變換的裝備負(fù)荷建模電流諧波檢測(cè)idiqi0方法，它能準(zhǔn)確檢測(cè)出供電系統(tǒng)母線(xiàn)電流中與基波正序分量相同步的基波正序有功電流和無(wú)功電流，進(jìn)一步計(jì)算出諧波性負(fù)荷的指令電流．最后，將其應(yīng)用于三相四線(xiàn)制的諧波性負(fù)荷建模，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了所提方法的有效性與正確性．

1 基于同步坐標(biāo)變換的idiqi0檢測(cè)原理

為了滿(mǎn)足三相四線(xiàn)制非線(xiàn)性諧波性負(fù)荷建模中電流快速準(zhǔn)確檢測(cè)的要求，進(jìn)一步對(duì)p q檢測(cè)法和idiqi0檢測(cè)法進(jìn)行改進(jìn)，并考慮中性線(xiàn)上零序電流的影響，對(duì)基波與諧波分量進(jìn)行分離．下面提出一種基于同步坐標(biāo)變換的idiqi0檢測(cè)方法進(jìn)行基波與諧波電流的檢測(cè)．同步坐標(biāo)變換本質(zhì)上是將靜止的abc或坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系[11]，原坐標(biāo)系基波角頻率是其旋轉(zhuǎn)角速度．

實(shí)際的有限容量系統(tǒng)電流存在2種形式：1）電流中包含基波分量和諧波分量；2）電流信號(hào)可被分解為正序、負(fù)序和零序3種成分．由此，三相電流可表示為

式中，正序分量、負(fù)序分量和零序分量分別為下標(biāo)1、2、0所表征；下標(biāo)n為n次諧波；代表電網(wǎng)基波角頻率．由矢量變換理論可知，ia、ib、ic變換到了靜止坐標(biāo)系上．針對(duì)三相四線(xiàn)制架構(gòu)，加入了與坐標(biāo)系垂直的代表零序電流的軸系，其變換矩陣如下

2 電流諧波檢測(cè)流程

針對(duì)三相四線(xiàn)制的裝備電力系統(tǒng)，采用基于同步坐標(biāo)變換的idiqi0檢測(cè)方法設(shè)計(jì)模型的諧波電流檢測(cè)模塊，圖1所示為基于同步坐標(biāo)變換的idiqi0檢測(cè)方法電流處理流程圖．

圖1 idiqi0電流檢測(cè)方法流程圖Fig.1 Flow chart of idiqi0detectionm ethod

如圖1所示，諧波電流檢測(cè)模塊根據(jù)用戶(hù)從實(shí)際裝備上獲取的各次諧波電流值，產(chǎn)生指定諧波電流、、，與仿真系統(tǒng)供電母線(xiàn)上的三相電流iLA、iLB、iLC進(jìn)行比較，產(chǎn)生諧波指令電流，用以控制PWM模塊．其中，指定諧波電流、、與仿真系統(tǒng)供電母線(xiàn)上的電流iLA、iLB、iLC都通過(guò)同步坐標(biāo)變換（即Cabcdq0坐標(biāo)變換）后，分別得到指定諧波電流、、和母線(xiàn)電流id、iq、i0，同時(shí)輸入指令控制模塊，以計(jì)算諧波指令電流，變換矩陣Cabcdq0中的t由三相母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)PLL獲得．

3 基于同步坐標(biāo)變換的電流特性仿真

為便于直觀的查看坐標(biāo)變換后的電流特性，基于Simulink建立圖1所示檢測(cè)模塊的仿真模型（圖2所示）．

圖2中，模塊“Discrete3-phase PLL”為鎖相環(huán)，電流頻率以及角速度值從三相輸入電流中計(jì)算；通過(guò)自定義的坐標(biāo)變換器將ia、ib、ic轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系，圖3為所模擬的坐標(biāo)變換前含有諧波成分的三相電流波形圖，圖4為坐標(biāo)變換后的id、iq和i0波形圖．

圖2 仿真模型Fig.2 Simulationmodel

圖3 含有諧波成分的三相電流波形圖Fig.3 Oscillogram of three-phase currentswith harmonic components

圖4 坐標(biāo)變換后id、iq和i0波形圖Fig.4 Oscillogram of id、iqand i0after reference transform

從圖4所示波形可看出因直流成分起作用id向上平移較大，iq和i0不能排除里面不含直流成分雖然二者波形在0值附近．本質(zhì)上，經(jīng)同步變換后，因q軸電壓為零，d軸電壓即為系統(tǒng)基波電壓矢量，因此基波有功電流分量和無(wú)功電流分量分別為d軸直流電流分量id與q軸直流電流分量iq．可以看出，系統(tǒng)的零序電流在同步坐標(biāo)變換后未發(fā)生任何變化，依然為i0，通常零序電流中是不含有基波成分的[12]．

4 裝備電力系統(tǒng)特性實(shí)裝仿真試驗(yàn)

利用該檢測(cè)方法所建立的負(fù)荷模型對(duì)實(shí)際裝備電力系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，圖5所示為某型裝備系統(tǒng)工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，供電母線(xiàn)上A相電流的實(shí)測(cè)波形．在仿真模型中，各次諧波含量以諧波電流幅值的形式被設(shè)置，圖6所示為通過(guò)模型仿真得到的A相母線(xiàn)電流模擬波形．

圖7a）為實(shí)測(cè)電流的FFT分析，圖7b）為通過(guò)所建模型仿真所得對(duì)應(yīng)電流的FFT分析，THD為總體諧波畸變率，其數(shù)值如圖中所示．

如表1所示，從實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)的波形、總體諧波畸變率、諧波含量進(jìn)行分析比較的結(jié)果來(lái)看，采用基于同步坐標(biāo)變換電流檢測(cè)建立的非線(xiàn)性諧波負(fù)荷模型可以滿(mǎn)足模擬武器裝備母線(xiàn)電流諧波特性的隨意性和復(fù)雜性．

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)比較Tab.1 Comparison of thesimulation and themeasured value

圖5 穩(wěn)態(tài)條件下A相母線(xiàn)電流波形Fig.5 Themeasured waveform of A phase bus currentunder steady state

圖6 A相母線(xiàn)電流模擬波形圖Fig.6 Waveform of A phase bus current in simulation system

圖7 實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)的FFT分析Fig.7 FFT analysis of themeasured waveform and simulation waveform

5 結(jié)論

三相四線(xiàn)制有限容量裝備電力系統(tǒng)的負(fù)荷端口特性與民用電網(wǎng)相比具有較大的不同，負(fù)荷建模的側(cè)重點(diǎn)也有所區(qū)別，為滿(mǎn)足其實(shí)際需求，本文提出了一種基于同步坐標(biāo)變換的裝備負(fù)荷建模電流諧波檢測(cè)idiqi0方法，并在仿真分析的基礎(chǔ)上，將該方法應(yīng)用于實(shí)際裝備電力系統(tǒng)的建模仿真，通過(guò)試驗(yàn)證明了其正確性，取得了預(yù)期效果．由于時(shí)間關(guān)系，本文目前僅驗(yàn)證了該方法在穩(wěn)態(tài)條件下的有效性，下一步工作側(cè)重點(diǎn)將在裝備電力系統(tǒng)整體建模仿真基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究其在復(fù)雜電能質(zhì)量擾動(dòng)環(huán)境下的適用性．

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[責(zé)任編輯 楊屹]

On study of current detection of harmonic loadmodeling for equipment power system

YIN Zhi-yong1，CHEN Yong-guang2，LIU Zheng-chun1，HUANG Xin1

(1.Departmentof Vehicleand Electric Engineering,Ordnance Engineering College,HebeiShijiazhuang 050003,China;2.Institute of Tracking and Telecommunications technology,Beijing 100094,China)

Theequipmentpower system with a largenumber of nonlinear deviceshas larger internal resistance,and the application objects of themodel face to the three-phase four-w ire independent pow er supply system.Therefore,for meeting the requirement of current fast and exact detection in harmonic load modeling,this paper presents a kind of idiqi0method based on synchronous reference transform of current harmonic w ave detection,which can carry out the detection of the active and reactive currentsof fundamental positivesequence factor synchronization in supply power bus currents in order to further calculate the harmonic instruction current.The detection theory and current transform flow arehighlighted in thispaper.Through themodelsimulation,the current characteristicusing thesynchronous reference transform isanalyzed,and the transform essence is pointed out.Finally,the loadmodel based on the current detectionmethod simulates the realequipmentpower system,and the validity of themethod isproved by the comparisons results of currentwaveform,THD,and single harmonic content.

equipment power system;loadmodeling;currentharmonic wave detection;synchronous reference trans form;idiqi0method

TM 714

A

1007-2373(2015)01-0028-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.01.006

2014-05-22

國(guó)家自然科學(xué)基金（51307184）

尹志勇（1979-），男（漢族），講師，博士生，Email：jam y067@163.com．