三相四線制APF電流檢測(cè)方法的研究

常國(guó)祥，馬素琦

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

目前大部分的APF都是用于三相三線制電路中，而我國(guó)380 V的電壓采用的是三相四線制系統(tǒng)，負(fù)荷大多也是三相四線制即包含了一條中線［1］。我國(guó)因中線引發(fā)的事故時(shí)常發(fā)生，因此迫使人們加強(qiáng)對(duì)三相四線有源電力濾波器的研究［2］。

在四線制的APF中，較大的中性電流會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響電能的質(zhì)量，所以要求把中性電流給補(bǔ)償?shù)?。然而電流的檢測(cè)和跟蹤控制環(huán)節(jié)直接影響了濾波器的性能，所以對(duì)該有源電力濾波器檢測(cè)方法的研究具有重要意義［3-5］。

1 3種檢測(cè)方法

1.1 瞬時(shí)無(wú)功功率理論

四線制有源濾波器與三線制的有所不同，四線制是在三線制的基礎(chǔ)上增加了一條中性線［6］。所以APF不僅要檢測(cè)并消除諧波與無(wú)功電流，而且還要消除中線電流。其電流檢測(cè)算法將原來(lái)的abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到αβ坐標(biāo)系變?yōu)檗D(zhuǎn)化到αβο坐標(biāo)系，同時(shí)也增加了對(duì)零序電流iο的運(yùn)算。

三線制APF的瞬時(shí)電壓、電流值分別為eaebec和iaibic，將它們轉(zhuǎn)換到α-β坐標(biāo)系中可得:

四線制的三相電壓電流的瞬時(shí)值分別為eaebec和iaibic，中性電流 in，將它們轉(zhuǎn)化到 αβο 坐標(biāo)系。其中 eαeβeο和 iαiβiο分別αβО軸的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電。其中:

1.2 p-q-o法的運(yùn)算(見(jiàn)圖1)

圖1 p-q-o檢測(cè)原理圖

由式(3)和(4)可以得到αβο軸的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流，經(jīng)過(guò)功率計(jì)算得到有功功率p無(wú)功功率q和零序功率po，經(jīng)過(guò)低通濾波器分別得到基波正序功率，經(jīng)過(guò) αβ 電流參考值得到 icαicβ。再經(jīng)過(guò)變換得到基波電流，用負(fù)載瞬時(shí)電流減去基波電流即可得到基波電流。其中

1.3 ip-iq法(見(jiàn)圖2)

圖2 ip-iq原理圖

與p-q-o法相比，電壓只有ea參與計(jì)算，ea通過(guò)鎖相環(huán)電路PLL和信號(hào)發(fā)生器得到與電壓ea同相位的正弦和余弦信號(hào)。由(4)得到ipiqiο，通過(guò)低通濾波器得到基波分量，經(jīng)過(guò)反變換得到基波分量iafibficf。用電流減去基波便得到諧波電流。其中

1.4 基于瞬時(shí)功率的d-q-o法(見(jiàn)圖3)

圖3 d-q-o法原理圖

d-q-o法是將電流從靜止的abc坐標(biāo)系按照角速度w(電流基波的角頻率)順時(shí)針轉(zhuǎn)形成d-q-o坐標(biāo)系。負(fù)載電流經(jīng)d-q-o坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變成idiq，經(jīng)過(guò)低通濾波器得到d和q軸上的基波正序電流的直流分量經(jīng)過(guò) Cdqo-abc變換得到 ifaifbifc，用iaibic減去ifaifbifc得到的就是諧波電流ihaihbihc。

2 MATLAB仿真

2.1 建立仿真模型(見(jiàn)圖4～圖6)

圖4 p-q-o檢測(cè)原理圖

圖5 ip-iq檢測(cè)原理圖

圖6 d-q-o檢測(cè)原理圖

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 p-q-o法的波形(見(jiàn)圖7 ～ 圖10)

圖7 對(duì)稱(chēng)且無(wú)畸變的三相電壓波形圖

圖8 對(duì)稱(chēng)畸變的三相電壓波形圖

由圖10可知，當(dāng)電壓發(fā)生畸變是p-q-o法無(wú)法準(zhǔn)確的檢測(cè)出負(fù)載電流中基波指令電流。因?yàn)閜-q-o法三相電壓與電流都參與計(jì)算，當(dāng)電壓發(fā)生畸變與不對(duì)稱(chēng)時(shí)其負(fù)載電流無(wú)法準(zhǔn)確的檢測(cè)，所以其只能用于對(duì)稱(chēng)無(wú)畸變的APF中。

圖9 不對(duì)稱(chēng)無(wú)畸變的三相電壓波形圖

圖10 對(duì)稱(chēng)畸變時(shí)A相負(fù)載的波形圖

2.2.2 ip-iq 法波形圖(見(jiàn)圖11、圖12)

當(dāng)電壓不對(duì)稱(chēng)、有畸變時(shí)和電壓源對(duì)稱(chēng)且無(wú)畸變時(shí)負(fù)載基波的波形圖類(lèi)似。

由圖11可知，當(dāng)電壓對(duì)稱(chēng)時(shí)無(wú)論其是否發(fā)生畸變ip-iq法都可以準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載基波電流。由圖9可知，當(dāng)電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)基波波形有延遲，即無(wú)法準(zhǔn)確的檢測(cè)出負(fù)載諧波指令電流。所以ip-iq法可以用與對(duì)稱(chēng)的APF中。

圖11 對(duì)稱(chēng)有畸變與無(wú)畸變時(shí)A相波形圖

圖12 對(duì)稱(chēng)無(wú)畸變電流i1與不對(duì)稱(chēng)無(wú)畸變電流i2相波形圖

2.2.3 d-q-o 法波形圖(見(jiàn)圖13、圖14)

由圖13可知，當(dāng)電源無(wú)畸變時(shí)無(wú)論是否畸變都可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出負(fù)載諧波的波形圖，由圖14可知，當(dāng)電源對(duì)稱(chēng)有畸變時(shí)與對(duì)稱(chēng)無(wú)畸變時(shí)相比負(fù)載波形圖稍有差異，但是與前兩種方法相比其精確度最高。

圖13 無(wú)畸變對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)時(shí)負(fù)載波形圖

圖14 電壓對(duì)稱(chēng)有畸變電流i1與無(wú)畸變電流i2的波形圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)三相四線制APF電流檢測(cè)的三種方法進(jìn)行理論和仿真結(jié)果的對(duì)比分析得出，p-q-o法由于有三相電壓參與運(yùn)算，所以其只能用在三相電壓對(duì)稱(chēng)且無(wú)畸變的APF中。而ip-iq法所需要正余弦的相位與A相電壓的相位相同。在其不對(duì)稱(chēng)時(shí)其產(chǎn)生相應(yīng)的相位也不同，所以其只能應(yīng)用于對(duì)稱(chēng)的APF中。無(wú)論電壓是否對(duì)稱(chēng)還是發(fā)生畸變的APF雖然都有誤差的出現(xiàn)，但三種檢測(cè)方法中d-q-o法的檢測(cè)精度最高，在實(shí)際應(yīng)用中電壓不可能完全對(duì)稱(chēng)且沒(méi)有畸變，所以對(duì)三相四線制APF的d-q-o法的研究是具有實(shí)際意義的。

［1］姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器:結(jié)構(gòu)·原理·控制［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］劉志元.三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器的研究與設(shè)計(jì)［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2011.

［3］李偉彬，有源電力濾波器在無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制中的研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

［4］孫馳，魏光輝，畢增軍.基于同步坐標(biāo)變換的三相不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的無(wú)功與諧波電流的檢測(cè)［J］.中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2003，12(23):42-48.

［5］王兆安，楊君.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［6］楊曉利，三相四線多重化有源電力濾波器控制的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2012.