《电子技术应用》

基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法中的SPLL改进研究

2017年电子技术应用第3期 作者:高文华1,周 娟2,王子绩2
2017/4/27 11:35:00

高文华1,周  娟2,王子绩2

(1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司 热轧作业部,河北 唐山063210;

2.中国矿业大学 信息与电气工程学院,江苏 徐州221116)


    摘  要: 谐波电流检测是有源电力滤波器的关键环节之一,采用锁相环准确锁定电网电压频率是保证正确检测谐波电流的重要前提。基于瞬时无功功率理论ip-iq谐波电流检测算法,详细研究了应用于谐波检测环节的各种软件锁相环的原理及优缺点,并在此基础上,对基于DSC(Delay Signal Cancellation)模块的三相软件锁相环进行了改进。仿真和实验结果表明基于DSC模块的新型三相软件锁相环SPLL(Software Phase-locked Loop)算法实现简单,运算速度快,能够准确锁定相位信息。

    关键词: 谐波检测;瞬时无功功率理论;ip-iq算法;软件锁相环

    中图分类号: TM761

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.036


    中文引用格式: 高文华,周娟,王子绩. 基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法中的SPLL改进研究[J].电子技术应用,2017,

43(3):145-148.

    英文引用格式: Gao Wenhua,Zhou Juan,Wang Ziji. Improvement research of SPLL in ip-iq method based on instantaneous reactive power theory[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):145-148.

0 引言

    由于ip-iq谐波检测算法能适应不对称电网和电压波形畸变时的情况,实时性好,可准确地检测出谐波分量[1,2],得到了广泛应用。基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测算法需要使用PLL进行对电网电压相位频率的锁定,若PLL锁相有延迟误差或产生的正、余弦信号有畸变或频率波动,则必然影响到谐波检测的准确度。因此,研究PLL对于电压畸变和频率波动的抑制是非常有意义的。

    常见的应用于谐波检测环节的软件锁相环有以下几种:(1)基于同步旋转参考坐标系的SPLL[3,4],该方法结构清晰,当电压有畸变或波动时,能够较快地锁定电压角频率,能够准确检测谐波,但锁相性能受PI控制器参数影响很大。(2)基于正序基波提取器的SPLL[5-7],该方法当电压有畸变或频率波动时,能够锁定电压角频率,能够准确检测谐波,特别是对于频率波动有很好的抑制效果,但结构复杂,物理意义不明确,锁相速度低于其他SPLL,锁相性能受增益K值影响较大。(3)基于正交分解法的SPLL[8],该方法结构原理简单,当电压有畸变或频率波动时,能够较快地锁定电压角频率,但谐波检测精度较低,软件实现复杂,锁相性能受低通滤波器影响较大。延迟信号模块DSC的功能是将C32变换后的信号实时地进行一定的延时,然后通过矩阵运算分别得出信号的正负序分量。基于此,本文提出了基于DSC的三相软件锁相环设计改进措施。

1 基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测算法

    ip-iq谐波检测算法是依据三相电路瞬时无功功率的理论,以计算瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq为出发点的一种谐波检测算法,具体如下所述[1,9,10]

    对三相三线制电路,设三相瞬时电流为:

     dy5-gs1.gif

式中,n=3k±1(k为正整数)。

    将式(1)通过C32变换至α-β两相坐标系,并经坐标变换进一步将ip、iq表示为直流分量和交流分量之和, 即:

    dy5-gs2.gif

    将ip、iq经LPF滤除交流分量,则得:

dy5-gs3.gif

dy5-t1.gif

2 基于延迟信号模块DSC新型软件锁相环的设计

    本文锁相环的改进方案采用基于延迟信号[11,12]的方法得到和A相电压同相位的单位正弦信号。延迟信号模块DSC的功能是将C32变换后的信号实时地进行一定的延时,然后通过矩阵运算得出信号的正序分量。基于此,本文给出了基于DSC的三相软件锁相环设计改进措施。

    在三相电源电压没有畸变情况下,同步旋转角θ满足dθ/dt恒定,可以直接用α-β坐标系下的电压矢量来表示:

dy5-gs4-8.gif

    当谐波次数为n=4k+1(k=0、1、3、4…)时,从式(7)和式(8)可知正序分量和负序分量可表示为:

    dy5-gs9.gif

    由式(9)变换可将α-β坐标系下的正序分量分离出来,将此正序分量作为计算同步旋转矢量角θ的输入,则可以跟踪得到三相系统的角相位θ的正、余弦函数,实现原理框图如图2所示。

dy5-t2.gif

    基于DSC的三相软件锁相环工作时采用的电网电压周期T是预设置的固定值0.02 s,当电网电压有频率波动时,锁相产生的正弦波形是有误差的。但电网频率正常波动范围为±0.5 Hz,对相位锁定影响较小。

    根据DSC模块的运算变换过程可知,采用基于DSC新型三相软件锁相环能够消除1次、3次以及5次等谐波,且算法实现简单,实时性好,在保证检测结果不错的情况下,大幅度降低了谐波检测的运算量。

3 仿真分析

    为验证基于DSC新型三相软件锁相环的正确性, 采用MATLAB仿真软件在电压无畸变、有畸变、频率波动以及突加负载四种情况下对基于DSC模块新型软件锁相环进行仿真验证,仿真模型图如图3所示。参数设置如下:电源基波线电压为380 V(50 Hz),3次谐波线电压为38 V,5次谐波线电压为25.33 V,频率波动时基波频率为50.5 Hz,负载回路不对称电阻、电感分别为R0=60 Ω,L=0.1 mH,谐波源采用三相桥式不可控整流,R1=60 Ω,R2=180 Ω,与R2串联的直流侧开关K1的设置是为了研究负载突变时(t=0.5 s时加入突变负载)对电网电压锁相准确度的影响。

dy5-t3.gif

    图4、图5、图6以及图7分别为电源电压无畸变、有畸变、频率波动以及负载突变情况下由锁相环产生的单位正弦信号sinθ与A相电压Ua的相位比较。此处为比较方便,将单位正弦信号放大200倍。由仿真结果可知:无论电源电压是否存在畸变锁相环都能够在不到一个周期内跟踪电源电压基波分量;负载突变时锁相环也能较好地跟踪电源电压基波分量;当频率发生波动时锁相环产生的正弦信号sinθ与A相电压Ua在过零点时有较小的相位差,约为0.000 02 s,对于锁定相位影响较小,与理论分析结果一致。

dy5-t4.gif

dy5-t5.gif

dy5-t6.gif

dy5-t7.gif

4 结语

      通过对DSC模块特性的分析,本文提出了基于DSC新型三相软件锁相环设计改进措施。相比于传统锁相环算法,基于DSC新型三相软件锁相环原理明确,结构简单,DSC模块运算速度快,实时性好,不受控制参数的影响。仿真结果表明该方法在电压有无畸变、频率波动以及负载突变等情况下,都能够快速准确锁定相位信息。采用该方法进行谐波检测,在保证检测结果正确的情况下,能够大幅度降低谐波检测的运算量,适用于运算速度要求较高的场合。

参考文献

[1] 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2] 张君,刘磊.电力系统中两大谐波检测法的比较分析[J].甘肃科技,2010,26(15):49-50.

[3] 裴敏.基于同步旋转坐标变换的三相软件锁相环设计[J].甘肃科技,2008,24(21):116-119.

[4] 吕飞,吕运,张松涛.电压不对称情形下基于DSP软件锁相环的设计[J].内燃机与动力装置,2009(增刊):53-57.

[5] 汤赐,罗安,程莹,等.基于正序基波提取器的无功、谐波和负序电流检测方法[J].变流技术与电力牵引,2008(5):43-48.

[6] 陈东华,谢少军,周波.用于有源电力滤波器谐波和无功电流检测的一种改进同步参考坐标法[J].中国电机工程报,2005,25(20):62-67.

[7] 周君求,陈兰玉,周沛峰,等.同步参考坐标法和正、负序基波提取器在电流检测中的比较[J].中南大学学报(自然科学版),2008,39(4):816-823.

[8] 李东伟.电网谐波动态检测与控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[9] Li Erxia,Sheng Wanxing,Meng Xiaoli,et al.Comparation of two detecting harmonic and reactive current methods for active power filter[C].Power and Energy Engineering Conference(APPEEC),2010.

[10] 刘传林.基于ip-iq运算方式与离散积分均值滤波的瞬时三相谐波检测方法[J].继电器,2004,32(23):23-27.

[11] BUENO E J,RODRIGUEZ F J,ESPINOSA F,et al.SPLL design to flux oriented of a VSC interface for wind power applications[J].Conference of IEEE Industrial Electronics Society,2005:2451-2456.

[12] Zhou Yi,Paul Bauer,Jan A Ferreira,et al.Operation of Grid-Connected DFIG Under Unbalanced Grid Voltage Condition[J].IEEE Transactions on Energy Coversion,2009,24(1):240-246.

继续阅读>>