王涛,尹仲超,刘进华
(唐山供电公司,唐山,063000)
摘要:本文分析了基于瞬时无功功率理论的p-q法和ip-iq法无功电流检测方法的原理和在非理想电源电压下传统的ip-iq法的缺点,提出了一种改进型的ip-iq无功电流检测法,并用Matlab验证了该方法的正确性。
关键词:电力系统自动化;电流检测;非理想电源
中图分类号: TN713
Study of improved current detection under non-ideal power supply
WANG Tao, YIN Zhongchao , LIU Jinhua,
(Tangshan power supply company,Tang Shan,063000)
Absract:In this paper,it is studied of current detection methods,p-q methed and ip-iq methed, based on instantaneous reactive power theory, and the shortcomings of traditional detection method on non-ideal power supply voltage, an improved ip-iq methed is developped ,The simulation results by matlab show the feasibility of the methed.
Key words:power system automation; current detection; non-ideal power supply
0 引言
近些年来,随着整流器、电弧炉、变频调速装置等冲击性负荷的应用不断增多,由于它们具有冲击性、非线性和不平衡性等特性,使得电网中的电压、电流波形发生畸变,进而产生电压的波动、闪变和三相不平衡等问题,电网的电能质量因此受到了很大的影响。这部分负荷具有随机性强、波动大、功率因数低等特征,从而对配电网的无功补偿提出了更高的要求[1]。要对电网进行无功补偿,我们必须先要知道需要补偿的无功是多少,然后才能对系统进行准确的补偿,因此要想达到满意的补偿效果,无功的实时检测显得很重要,它是进行各项工作的基础和主要依据,它的精度和动态响应速度与检测方法密切相关。现有的无功电流检测方法有多种,从现在实际应用的情况来看,基于瞬时无功功率理论的检测方法占主导地位。但是传统的法在电源三相电压或电流不对称且发生畸变的情况下,无法准确的检测出基波无功电流,因此对传统法进行改进成为首要问题。
1 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测
瞬时无功功率理论基础见文献[1]。
1.1 p-q法
p-q检测法原理如图1所示。
图1 p-q法检测原理
Fig1 Principle of p-q detection
首先取三相电源电压和三相负载电流,通过上节瞬时无功功率理论计算出有功功率p和无功功率q,使其通过频率约为40HZ的低通滤波器,得到直流分量,。在理想电源电压下,实际为基波有功电流与电源电压所产生的,为基波无功电流与电源电压所产生的。因此将进行反变换即可求得负载电流中的基波分量。
其中,,
为的逆矩阵。
再用负载电流减去求得的基波电流,即得到中包含的谐波电流。当用于同时补偿谐波和无功电流时,只需要断开q通道就能同时检测出谐波和无功电流。此时由即可计算出被检测电流为
1.2 法
图2 法检测原理图
Fig 2 Principle of detection
法只需取a相电压和三相负载电流参与运算,a相电压输入到锁相环PLL中,得到与基波分量同频率同相位的标准正、余弦信号和。相当于电压矢量的,相当于电压矢量的。在三相电源电压理想的情况下,若三相负载电流不对称,则负载电流可分解为正序和负序电流。按运算方式,
=
式中,分别为正序和负序阻抗角,n为谐波次数。
其中:
经低通滤波器得到直流分量:
可见是由基波分量得到的。则检测出的基波电流为
(1)
无功电流为
(2)
正确的检测出了电流基波分量,进而由三相电流减去此电流基波分量即得到需要补偿的谐波指令电流。
当电源三相电压对称且为正弦波形时,p-q检测方法和检测方法的检测效果相同;当电源三相电压或电流不对称且畸变的时候,存在基波电流和谐波电压分量相互作用的成分存在,变换之后的电流包含基波和部分谐波电流,造成p-q检测方法的误差,而检测方法虽然仍能准确地运算三相谐波电流和负序电流之和,但无法准确检测出基波无功电流,因此不能实现谐波及无功电流的完全补偿。
2 非理想电源电压下传统检测法的缺点
谐波电流检测主要以电网电压对称且无畸变的理想情况为前提,对于非理想电压情况下电流检测的研究还较少,而电力系统的实际情况是电网电压通常都是非理想的。电源电压畸变且不对称时对电流检测效果的影响分析如下。图2中为a相电压,PLL为锁相环(频率设置为基波频率50HZ),a相电压输入到锁相环,产生与a相基波电压同相位同频率的正弦和余弦信号,利用该标准正余弦信号进行计算可以消除电压畸变对检测精度的影响。但在非理想电源电压(电源电压畸变且不对称)情况下,a相基波电压中含有负序分量,使得基波电压与基波正序电压间存在相位差,而检测法中的锁相环只能提取出含有负序分量的a相基波电压相位信息,而不是a相基波正序电压相位信息[3]。由于法能检测出除了基波正序电流以外的所有补偿电流(即谐波,负序电流等),三相负载电流不对称的情况对其没有影响,因此本文仅在三相负载电流对称情况下进行分析。含有谐波分量的三相电源电流可表示为:
式中为基波角频率,,分别为各次电流的有效值和初相角。电源电压畸变时,a相电压的初相角与a相正序电压的初相角间的相位差为,则
计算得
由电流检测法原理可得
经过低通滤波器LPF后得到直流分量
再经过反变换后得到基波电流
(3)
基波无功电流为
(4)
将式(3),式(4)与上节理想电源电压下分析得到的式(1)和式(2)对比可以看出,电压畸变带来的相位差对谐波电流检测不会产生影响,但当需要同时补偿谐波和无功电流时,检测出的无功电流相位和幅值都会产生误差。因此要想准确检测谐波和无功电流,首先必须分离出a相电压的正序分量。
针对非理想电源电压下电流检测方法的改进,本文提出了一种利用改进的瞬时对称分量法来分离出电压正序分量,从而改进传统的检测法,使在非理想电源电压下也能准确检测出无功电流分量。
3 改进瞬时分量法在法中的应用
以三相电压为例,传统瞬时对称分量法可描述为:
(5)
式中:,,,,为三相电源电压,分别为a相电压的正序、负序和零序分量。
本文只需对a相电压的正序分量进行分离,因此简化式(5)为
令移相算子(为角度值),则可以表示为以下的实数形式:
或
式中采用移相算子进行对称分量变换又会引入延迟,会导致a相正序电压的计算产生误差。本文通过构造旋转相量对瞬时对称分量方法进行改进,该旋转相量不存在延迟,实时准确的分离出了a相瞬时正序电压分量。
令a相电压的瞬时值为
式中:为a相电压的幅值,为a相电压的初相位。
设与a相电压所对应的旋转相量为
(6)
由式(6)可知,a相电压的瞬时值即为相量虚部的系数,只需求出实部就可以确定,而实部的求取可以通过三角函数分解法来实现。
a相电压的瞬时值可表示为:
式中为计算步长。即
式中 为上一步长a相电压的瞬时值。
又因为
求得
从而就得出旋转相量的值,同理可得和的值。
则可得a相电压正序分量
式中 为对复数取虚部。
4 仿真分析
本文在MATLAB/Simulink 对改进型的法进行了仿真建模,其中三相不对称且畸变的电源电压的构造是将三相相位对称但幅值不同的基波电压与相位不对称且幅值也不相等的二次和四次谐波电压叠加而成。a相电压波形如下图所示:
图3非理想电源下a相电压
Fig3The a-phase voltage in the non-ideal power supply
经过改进的瞬时对称分量法对a相电压进行正序分量分离后,得到的a相正序电压如图4所示。
图4 改进瞬时对称分量法提取出的a相正序电压
Fig4 The a-phase positive sequence voltage extracted by improved instantaneous symmetrical component method
将a相正序电压作为输入信号输送到锁相环PLL中,设置PLL频率为50HZ,即能对a相基波正序电压的相位信息进行提取,从而确保无功电流检测的准确性。
图5 a相基波正序电压
Fig5 The a-phase fundamental positive sequence voltage
5 结语
本文介绍了FC+TCR型静止无功补偿器的基本结构和补偿基本原理,并具体分析了系统无功电流检测的方法和SVC的控制策略,继而完成了FC+TCR型SVC的仿真建模。在此基础上,利用PSCAD仿真工具,对系统有无SVC的情况进行仿真。通过对所得到的仿真波形进行比对和分析,很好的验证了FC+TCR型SVC的无功补偿作用,完成了对其的仿真研究。
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