非理想電壓時一種改進的ip-iq檢測法

吳超

(國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州313000)

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非理想電壓時一種改進的ip-iq檢測法

吳超

(國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州313000)

傳統(tǒng)ip-iq法在非理想電壓時對補償指令電流的檢測存在誤差，且電流運算坐標變換復雜?；诖耍趯鹘y(tǒng)ip-iq法分析的基礎上，提出了一種適合非理想電網(wǎng)電壓的改進ip-iq法。該方法利用正余弦信息提取模塊取代鎖相環(huán)，準確地提取其基波正序電壓的相位信息，消除了鎖相環(huán)對檢測的影響，并減少了電流運算中的坐標變換與濾波延時。分別在MATLAB/Simulink仿真軟件以及配電網(wǎng)靜止同步補償器樣機上進行仿真分析和實驗驗證，結果證實了所提方法的有效性與可行性。

配電網(wǎng)靜止同步補償器；ip-iq法；非理想電網(wǎng)電壓；基波正序電壓

電力電子設備給配電網(wǎng)帶來了嚴重的諧波污染和動態(tài)無功功率，進而影響配電網(wǎng)的供電質量[1]。配電網(wǎng)靜止同步補償器(distribution static synchronous compensator，D-STATCOM)能綜合抑制諧波和補償無功功率[2-3]，已成為現(xiàn)階段改善配電網(wǎng)電能質量問題的研究熱點。

實時準確地檢測配電網(wǎng)中的諧波與無功電流是D-STATCOM的一項關鍵技術。最常用的是基于瞬時無功功率理論檢測法中的ip-iq法，該方法具有實時性好且易實現(xiàn)的特點。當三相電網(wǎng)電壓為對稱且無畸變的理想電壓時，ip-iq法可以準確地檢測出諧波與無功電流；而在非理想電網(wǎng)電壓時，傳統(tǒng)ip-iq法通過鎖相環(huán)提取的電網(wǎng)電壓的相位信息并非基波正序電壓，會造成補償指令電流的檢測誤差[4-6]。另外，傳統(tǒng)的ip-iq法中的電流運算需要進行4次坐標變換并且中間量需要經過低通濾波器，坐標變換比較復雜，且濾波延時較長會影響檢測的響應速度，進一步帶來檢測誤差。

針對以上問題，本文提出一種在非理想電網(wǎng)電壓時具有較高檢測精度的改進ip-iq檢測法。該方法利用基波正序電壓正余弦信息提取模塊取代鎖相環(huán)，用于構造與基波正序電壓同相位的矩陣信息，以提高在非理想電壓時對基波正序有功電流的檢測精度，并消除鎖相環(huán)帶來的檢測誤差與延時問題；同時減少電流運算的坐標變換次數(shù)以及濾波延時。最后通過仿真和樣機實驗對該方法進行了驗證。

1　非理想電壓時傳統(tǒng)ip-iq法的誤差分析

傳統(tǒng)ip-iq法的工作原理如圖1所示。

uu為U相電網(wǎng)電壓；PLL為鎖相環(huán)，phase locked loop的縮寫；ω為電網(wǎng)角頻率；ilu、ilv、ilw為三相負荷電流；LPF為低通濾波器，low pass filter的縮寫；iup1+、ivp1+、iwp1+為提取的三相負荷的基波正序有功電流；為提取的三相補償指令電流；iα、iβ為三相負荷電流經過矩陣C32變換到αβ坐標系下的α、β分量；ip、iq為iα、iβ經過矩陣C變換后得到的瞬時有功和無功電流；p為將ip經過低通濾波處理后提取的直流分量；iαf、iβf為將p和0經過矩陣C-1反變換后得到的α、β分量。圖1　ip-iq法工作原理

圖1中矩陣C32、C23、C和C-1分別為：

(1)

(2)

另外，傳統(tǒng)的ip-iq法通過鎖相環(huán)電路直接提取uu的相位信息來構造矩陣C進行補償指令電流的檢測。當電網(wǎng)電壓存在不對稱分量時，則此時鎖相環(huán)電路提取的uu的相位信息將是由其正序、負序和零序分量共同合成的結果，所提取的相位與uu的基波正序分量會存在相位差。該相位差會導致檢測的三相基波正序有功電流不論是幅值還是相位都與理論值存在誤差，進一步會造成提取的補償指令電流的檢測誤差，使裝置最終尤其對無功電流的補償不徹底[7]。

2　一種改進的ip-iq檢測法

從有功能量平衡的角度出發(fā)，三相電路的有功能量直接從電源側傳遞到負荷側與D-STATCOM系統(tǒng)。其中傳遞到D-STATCOM側的有功能量除了補充其開關損耗和少量線路元件的有功損耗外，主要用于維持電容電壓的變化。既滿足

(3)

式中：PS為電源輸出的有功功率；PL為負荷消耗的有功功率；PC為D-STATCOM裝置消耗的有功功率。

在D-STATCOM系統(tǒng)中，濾波電感在開關頻率足夠高時可以選擇的足夠小，這里忽略濾波電感上的電壓降，以及D-STATCOM系統(tǒng)中開關損耗與少量的線路元件有功損耗，則

(4)

式中：C為D-STATCOM直流側電容值；Ud為電容實際電壓值。

在電網(wǎng)電壓不變時，負載消耗的有功功率PL基本不變，也就是說直流側電容電壓的變化直接對應電源輸出的有功功率的變化，在電壓不變時也對應電源輸出有功電流的變化。因此，可以直接通過對直流電壓進行比例積分(proportion integration，PI)控制，在維持直流電壓穩(wěn)定的同時，保持當前負載條件下D-STATCOM所需有功能量的平衡。

在非理想電網(wǎng)電壓時，為了提取與基波正序電壓同步的基波正序有功電流，需要對電網(wǎng)基波正序電壓進行鎖相，提取與其相位同步的正余弦信息。在非理想電壓時，三相電網(wǎng)電壓uu、uv、uw可表示為：

式中：U為電網(wǎng)電壓有效值；n為諧波次數(shù)，下標+、-、0表示序分量；φn+為U相電壓第n次諧波正序分量的初相位，φn-為U相電壓第n次諧波負序分量的初相位，φn0為第n次諧波零序電壓的初相位。

將三相電壓uu、uv、uw經過C32和C0的矩陣運算提取up和uq，這里矩陣C0的角頻率取ω0，其初相位可以采用任意初相位δ，見式(6)。

(6)

(7)

(8)

式(8)中，uαf經過簡單的幅值變換可提取U相基波正序電壓。將得到的uαf和uβf經過式(9)的運算，可得到與U相基波正序電壓同相位的正余弦信息。

(9)

由式(6)—(9)的運算處理過程可知，引入的常量ω0和δ在整個運算中充當中間變量并最終被消掉，不會給運算帶來累積誤差效應。然后將得到的U相基波正序電壓的正余弦信息用于構成準確的C矩陣，便可以提取與電網(wǎng)基波正序電壓同步的基波正序有功電流。

從式(6)—(7)要用到低通濾波器來提取up和uq的低頻分量，而低通濾波器的固有延時會減緩檢測的響應速度。由于式(6)中ω和ω0相差很小，且實際電網(wǎng)諧波以3、5、7等奇次諧波為主，并滿足：

(10)

式中T為基波周期。

由式(10)可以看出，up和uq的低頻分量可以經過積分時間為T/2的積分處理后取平均值來提取。這樣可以將濾波器的延時時間縮短到T/2。

圖2　改進ip-iq法工作原理

3　仿真及實驗

3.1仿真分析

在MATLAB/Simulink仿真平臺建模并進行仿真分析，所搭建的D-STATCOM模型的具體參數(shù)如下：濾波電抗的電感值為5mH，直流電容值為 5 000μF，電容電壓給定值為800V，為了驗證改進ip-iq檢測法在非理想電網(wǎng)電壓的檢測效果，仿真時的電網(wǎng)電壓波形如圖3(a)所示，可以明顯地看出三相電網(wǎng)電壓不對稱且存在一定的畸變，U、V、W三相電網(wǎng)電壓總諧波畸變率(totalharmonicdistortion，THD)分別為3.09%、2.14%、4.83%。負載為三相整流阻感性負載，圖3(b)給出了D-STATCOM補償前三相系統(tǒng)電流波形，其中含有一定的無功和諧波電流，且U、V、W三相電源電流的THD值分別為17.42%、23.53%、15.84%。

圖3　補償前的仿真波形

為了驗證改進ip-iq法中平均值濾波的優(yōu)越性，圖4給出了采用二階低通濾波器和平均值濾波對up進行濾波的仿真效果圖。經對比，明顯看出采用平均值濾波相對于二階低通濾波不但減小了濾波延時，且濾波之后的波形更加平緩，濾波效果更好。

圖4　兩種濾波方式的濾波效果對比

圖5給出了采用傳統(tǒng)ip-iq法和改進ip-iq法提取的三相基波正序有功電流的仿真波形。圖5(a)顯示采用傳統(tǒng)ip-iq法提取的基波正序有功電流與采用改進ip-iq法提取的基波正序電壓有約1.2ms的相位延時，對該基波正序有功電流進行跟蹤補償后系統(tǒng)功率因數(shù)只能達到約0.93，無功補償將不徹底。而圖5(b)顯示采用改進ip-iq法檢測的基波正序有功電流與基波正序電壓的相位基本一致，即對該基波正序有功電流進行跟蹤補償后的系統(tǒng)功率因數(shù)將接近1，明顯提高了在非理想電壓時對無功電流的檢測效果。

圖5　兩種方法的檢測效果

表1給出的兩種檢測方法對基波正序有功電流的檢測指標可知，改進ip-iq法提取的三相基波正序有功電流的總諧波畸變率比較接近傳統(tǒng)ip-iq法，且均能較好地滿足對諧波的抑制要求。而在非理想電壓時改進ip-iq法對無功電流的檢測效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)ip-iq法。綜合來說，在非理想電壓時改進ip-iq法對基波正序有功電流的檢測效果更好。

表1兩種檢測法的檢測指標

檢測方法iup1+的THD/%ivp1+的THD/%iwp1+的THD/%相位延時/ms傳統(tǒng)ip-iq法0.290.270.311.2改進ip-iq法0.420.290.500

3.2實驗驗證

再將改進的ip-iq法在1臺20kVA的D-STATCOM實驗樣機上進行驗證。樣機參數(shù)為：連接濾波電感為5mH，直流電容為4 100μF，直流電容給定電壓為800V，開關元件采用絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)，數(shù)字信號處理器(digitalsignalprocessor，DSP)采用TMS320F2812，并采用Tek公司型號為TPS2024B的數(shù)字存儲示波器捕獲實驗波形。為了得到三相不對稱電網(wǎng)電壓，實驗中采用了調壓裝置，得到的U、V、W三相電網(wǎng)電壓有效值分別為190V、130V、210V，其電壓波形如圖6(a)所示。圖6(b)給出了接三相整流阻感性負載時補償前的三相電源電流波形，以及采用改進ip-iq法提取的U相基波正序電壓波形，可以看出補償前電源電流相對于其基波正序電壓有約1ms的相位延時，三相電源電流存在一定的無功和諧波分量。圖6(c)給出了采用改進ip-iq法進行補償后的三相電源電流波形，補償后三相電源電流與其基波正序電壓的相位基本一致，無功補償比較徹底。且波形基本正弦化，對諧波的抑制效果也比較好。仿真和實驗結果表明改進的ip-iq法能有效改善在非理想電壓時對補償指令電流的檢測效果。

圖6　實驗波形

4　結束語

考慮到傳統(tǒng)ip-iq法在非理想電壓時對補償指令電流的檢測誤差以及電流運算坐標變換的復雜性，本文通過對系統(tǒng)進行有功能量平衡的分析，減少了電流運算里的坐標變換，并增加了基波正序電壓正余弦信息提取模塊，以提高非理想電壓時ip-iq法對基波正序有功電流的檢測精度。整個模塊代替了鎖相環(huán)，消除了鎖相環(huán)帶來的延時誤差問題，并采用均值濾波來減少濾波延時。仿真和實驗結果均驗證了改進ip-iq法在非理想電壓時對指令電流檢測的正確性。

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(編輯王朋)

An Improvedip-iqDetection Method Under the Condition of Non-ideal Voltage

WU Chao

(Huzhou Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Huzhou, Zhejiang 313000, China)

There are some errors in detecting compensation command current by traditionalip-iqmethod under the condition of non-ideal voltage and conversion of current computing coordinate is complicated. In allusion to these problems, this paper presents a kind of improvedip-iqmethod suitable for non-ideal grid voltage on the basis of analyzing traditionalip-iqmethod. This method uses sine and cosine information to extract module to replace phase-locked loop so as to correctly extract phase information of fundamental positive sequence voltage, remove impact of phase-locked loop on detection and reduce coordinate conversion and filter delay in current computation. Simulating analysis and experimental verification is conducted in MATLAB/Simulink software and distribution static synchronous compensator (D-STATCOM) prototype and results prove effectiveness and feasibility of the proposed method.

distribution static synchronous compensator(D-STATCOM);ip-iqmethod; non-ideal grid voltage; fundamental positive sequence voltage

2016-02-28

2016-06-05

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.014

TM761

A

1007-290X(2016)07-0072-06

吳超(1988)，男，湖北襄陽人。工學碩士，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。