空间矢量法自适应检测基波正负序及谐波分量

空间矢量法自适应检测基波正负序及谐波

分量

第32卷第lO期 2006年lO月 高电压技术

HighVoltageEngineering VoL32NO.10 Oct.2006?85?

空间矢量法自适应检测基波正负序及谐波分量 陈海荣.,徐政.,钱向明

(1.金华职业技术学院,金华321017;2.浙江大学电机系,杭州310027)

摘要:为了满足系统各分量的实时检测,结合空间矢量概念与自适应干扰对消原理提出了适用于三相系统的基

波正,负序分量和谐波分量的自适应检测方法,并详细地分析了检测电路的频率特性.结果表明,所提出的自适应

检测方法对于基波检测回路相当于一个理想的二阶带通滤波器,对于谐波检测回路相当于一个理想的二阶陷波

器.当被检测信号发生严重畸变时,为克服高次特征谐波对检测精度的影响,采用了在积分器前串接低通滤波器

的方法来减小谐波引起的权值波动.用软件PSCAD/EMTEG仿真带不对称负荷的三相电压型逆变器的结果证明 了所提检测方案正确有效.

关键词:自适应干扰对消原理;空间矢量;负序分量;正序分量;谐波

中图分类号:TM93文献标识码:A文章编号:1003—6520(2006)10—0085-06 AdaptiveDetectingMethodforFundamentalPositiveSequence, NegativeSequenceComponentsandHarmonicComponents BasedonSpaceVector

CHENHairong,XUZheng2,Q1ANXiangming

(1.JinhuaCollegeofProfession&Technology.Jinhua321017.China; 2.DepartmentofE.E.,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:ForallkindsofFACTSequipmentsbasedonVoltageSourceConverterandPWMconverters,inorderto

decreasetheover-currentandtherippleofthevoltageondcsidegeneratedbyunbalancedvoltageofACsystem,itis

usuallynecessarytodetectthenegativeandpositivesequencycomponentsoftheacvoltageandcurrentinrealtime.

Andinordertoeconomicallyandefficientlycompensatethenegativesequenceandfundamentalreactivecomponents

andharmonicsinpowersystems,italsoneedsreal

timedetectionsofeachcomponent.Inthispaper,basedonthe

conceptofspacevectorandthetheoryofadaptiveinterferencecanceling,anadaptivedetectingmethodforthefunda—

mentalpositivesequencecomponent,fundamentalnegativesequencecomponentandharmoniccomponentispro—

posed.Theproposeddetectingcircuitisacontinuouslyregulatedclosedloopsystemanditsoperatingcharacteristics

areindependentoftheparametersofthecircuitelementsprovidedthatthesignaldoesnotexceeditslineardynamic

range,Inaddition,thespectrumcharacteristic0fthedetectingcircuithasbeenanalyzedindetail.andtheresu1ts

showthatwiththeproposedadaptivedetectingmethodtthefundamentalcomponent-detectingloopisequivalentto

anidealband-passfilter,whiletheharmonicdetectingloopisequivalenttoanidealnotch-filter.Whenthedetected

signalisseriouslydistorted,lowpassfiltersareadoptedinthedetectingcircuittoreducetherippleofweightvalue,

SOthathigherdetectingpreciseisreached.Finally,withPSCAD/EMTIN2,simulationsonth

—

ree-phasevoltage

sourceinverterwithunbalancedloadprovethattheproposedmethodcanovercomesthelimitationsoftheconyen—

tionaldetectingmethodsandhasabetterperformance.

Keywords:adaptiveinterferencecancelingtheory;spacevector;negativesequencecomponent;positivesequence component;harmonics 0引言

对基于电压源逆变器的FACTS装置和PWM 整流器来说,为避免系统电压不对称引起的过电流 和直流侧电压波动,要实时检测电压和电流负序分 量.变压器和电机保护也需快速测量负序分量[1-3]. 对系统负序,基波无功和谐波分量的补偿,也需实时 检测.常用的检测方法为:①瞬时无功功率理 ★国家自然科学基金资助项目(50277034) 论[4'0]检测法,其特点是:以电压波形为参考,把三 相功率的直流分量对应有功电流,脉动分量对应谐 波电流,只能用于检测电流中的谐波分量,不能用于 检测电压中的谐波分量;②自适应检测方法~11-16],因 这类方法是闭环检测,故鲁棒性好,但上述文献都是 针对单相电路而言,而对三相电路的谐波检测还未 见报道;③基于带通或带阻滤波器的检测方法,特点 是不需要以电压波形为参考,因而既能检测电流谐

HighVoltageEngineeringVo1.32No.10

波分量,又能检测电压谐波分量,但不能检测无功电 流;同时因过分依赖于滤波器参数的调整而无法补 偿滤波器引起的相移,且易受系统频率偏移的影响. 文E173提出在复平面上利用滤波器提取基波分量,

并实现对滤波器相移补偿.因该方法由积分移相环 节来实现基波正,负序分量的实时分解,故积分移相 环节和相移补偿环节是整个检测电路的关键. 1三相不对称且有畸变时的空间矢量概念 设有三相量:

式中,.17,.17,.17为电压,电流量,下标a,b,c表示相 序;下标0,1,n分别为零序,基波,第n次谐波;上标 \"+,一\"为正序和负序.基波正,负序分量分别见式 (2),(3);n次谐波正,负序分量见式(4),(5);零序 分量见式(6):

fLz刍一ATcos(oJ1t+矿),

.《Lz吉一A+e0s(oo1t+矿一120.),(2) lLz刍一ATcos(oJ1t++120.); fXal—ATcos(oJ1t一), Xgl—A7cos(oJ】t一+120.),(3) lLzc1一A7cos(oJ】t一一120.); fLz一A,,+cos(r~o】t+),

Lz一A,,+cos(r~o】t+一120.),≥2,(4) lZeal—A+eos(roo】t++120.); fLz一A7COS(rg.o】t一), Lz—A7cos(~】t一r.+120.),≥2,(5) LxT,一A,Tcos(r~o】t一一120.); a ] .17o一

寺C0II,其中C0一E111].(6) Lrj

式(2～5)中的A(其中m\"+,一\"为正,负序

量;志一1时为基波量,志一n表示n次谐波)表示各

次三相量的幅值. 定义空间矢量V—a+j为: 群I,c一]'(7

其中a,,C为三相量的瞬时值.

将式(2),(3)分别代人式(7),得基波正,负序分 量的合成空间矢量 VT一口『+j一AT'.(8) V一+jJ8r—AeJ'叶.(9)

将式(4),(5)分别代人(7)式,得\"次谐波正,负 序分量的合成空间矢量: V__一aT,+j一AT,eJ\"一,(10) 一口+j一AeJ._'一.(11)

将式(6)代人式(7),得零序分量的合成空间矢量 V0—0,(12)

上式表明,零序分量对合成矢量没有贡献. 综合式(1)～(12),得总的合成矢量 v=计++∑(v+r).(13)

由式(2)～(3)和式(7)～(9),可得: ]] [[… Lc】JLc】J

记三相除零序外所有谐波分量的总和分别为 al1,,27bh,zh,贝0有:

l:l一([],[蓉]一[;]一[荟]一[荟].c5

式(13)表明,当三相量不对称且有畸变时,其V 是由对应于基波正序分量的逆时针旋转的空间矢 量,对应于负序分量的顺时针旋转的空间矢量及对 应于谐波分量的空间矢量合成.故如果能分解出式 (13)中对应于基波正,负序和谐波分量的矢量成分,

也就能得到相应的三相量. 2自适应干扰对消原理

目适应十扰对消的概忿..川基本腺理1. 信号源原始输入+一 统输出 …一.,丫 .

图1自适应干扰对消原理

Fig.1Adaptiveinterferencecancelingtheory 系统有原始输入和参考输入端.原始输入由信 号s和噪声no组成,和no不相关.参考输入端是 噪声m,n与‰有关联但与无关联.n经自适应 滤波器处理后与原始输人信号相减,系统经自适应 算法的调整,平均输出功率最小,即.逼近n.,经 相减抵消原始输入中的‰成分,抵消干扰,并时刻 将输出(误差信号)反馈给滤波器,修正滤波器的参 数使其工作于最佳状态.此时系统的输出是信号 在最小均方准则下的最佳估计. ++} ∑∑∑ +++ 勘勘 +++ l哥 +++ 菇+哥硝 =ll一 矗五

,●●●●●●●,●●●l

2006年10月高电压技术第32卷第10期.87. 3基波正序,负序和谐波分量自适应检测 根据式(13),正,负序分量的检测即要从V中 分解出V}-和V.令R为参考输入的幅值且 fR巾a===Rem==:RCOS∞1t+jRsin∞1t, IR===Re1∞一Rsin∞1t—jRcos1t,…, lRla===Re-一Rcost—jRsin∞1t, lR1d===Re-i'===一Rsin∞1t—jRsin∞1t, 式中若将V作为原始输入,聪(),瞄(),(),

R1d()作为参考输入,则根据图1可得图2的自适 检测方案,图中符号\"'表示各量的检测值. 图2自适应检测原理

Fig.2Principleoftheadaptivedetectingme~od 设an+jfln中残余的基波正序分量为A乞+ A'.,因R(f)(A乞eh'+ASe'.)一

RA乞+jRA,故R()(ah+Jflh)的实部和虚部中 将分别含有直流分量RA+和RA.故如果令 聪(t),鼬(t)的权值分别为: 广^^ 一

GlReal(RTla(f)(口h+jJ8h))dt===J 厂

RGl(ahCOSt+hsin)dt,(17)√ 广 =

GlImag(Ri~1.()(12h+jfit))dt=√ 厂.

船l(一hCOSt+ahsint)dt,(18)√

式(17),(18)中G为积分器增益,稳态时有A乞=

A一0-,即a+Jfl无基波正序分量.同理令: 广^ 一

GIReal(/~la(t)(ah+jh))dt===J 广

月GI(ahCOS∞1t一hsin∞1)dt,(19)J 广

wk—GIImag(/~la(t)(12h+jh))dt==√ 广

船I(一hCOS∞1t—ahsin∞1t)dt,(20)J 则稳态时,a+j也将不含有基波负序分量.这时 基波正序和负序分量的测量值分别为: vT===a+=瞄(t)+瞄(t),(21)

V7===a了+j一WalR:I(t)+R(t).(22) 根据式(7),(14)～(22),基波正序,负序及谐波 分量的自适应检测方案的具体实现方法见图3. 图3自适应检测的具体实现方法 Fig.3Diagramfortherealizationoftheadaptive detectingmethod

该检测法需2个正交基波参考信号Rcost~t 和Rsint~ot.2信号可由多种方法获得,一种是用 数字合成手段.因系统频率会在一定范围内发生偏 移,为了使数字合成的正弦信号频率能够准确跟踪 系统频率变化,可采用锁相倍频技术产生数字合成 时D/A转换器的时钟信号.实际系统因一般电压 的畸变较小,取电压为锁相环的输入信号. 为区分时域与频域,现将式(17),(18)表示为 一

RGI(ah(t)COSWlt+fib(t)sin∞1t)dt,(23)

一

船』(三h()sin一h()c.s).(24) 由式(21)可得:

ag(t)一()Rc0s∞1t+()Rsin.(25) 将{

代人式(23),(24),并取拉氏变换: ()===(RG/2s)(三h(--jo~)+三h(+j∞)一 j(h(--ja~)一声h(s+j∞),(26)

1(s)===(RG/2s)(一h(s—jo,)一h(s+j)一 j(/zh(s—j∞)一三h(+j∞).(27) 式(25)拉氏变换后代人式(26),(27),得: S. (28) s十十

同理)一孺R2CKD1^.(29) 记【=H『㈤f,(30)(s)_Jh()_J 蕈一棚一榆一一一～辟:.:

HighVoltageEngineeringVo1.32No.10 则有H丁(s)一l一1.(31)十(tJjL(tJ1S-J 对基波负序分量检测回路采用同样的方法,得: ]-)],(32)(s)_Jh(s)_J 其中,一[一], 记

E:一三]+—Hcs,E:.c34则根据式(3o),(32),有反馈回路的传递函数矩阵: 一 S

『LO],十(tJ()l-J 记G㈤[,h(s)JL)

㈤一一本[O],

上式是检测系统的传递函数矩阵,也是谐波检测回 路的传递函数矩阵.令s—j60,并代人上式,得谐波 检测回路的频率特性: 记 根据式(34) (38) G1(一[O],(39

上式为基波(包括正序和负序分量)检测回路的传 递函数矩阵.令S—j,并代人式(39),得基波检测 回路的频率特性:

(j60)一(2jR.C-60)/(60}一.+2jR.),(4o) 记

]一Lloks)].)㈨(s)

根据式(31),(37),有基波正序分量检测回路传 递函数矩阵:

)一t-1+1()一R~GEs一(42) 记 根据式(32) 数矩阵: (43) 递函

,一一[一(44))一所)G(一姜l一I.(44)

为得到正序分量检测回路的频率特性,设n(￡) +jb(t)一A为式(13)中的任一频率成分,当大 或小于0时,该频率成为正,负序分量.因n(￡)一 db(t)/d,(￡)一一出(￡)/d,故有: n()一(5)/(tJ,()一一(s)/(tJ.(45) 令[]一Fa㈤(s)根据式(42),42(45

r口o()]R.Gs(1+/60)r口(s)] Lb.(s).J—s.+2R.G+(U;L(s).J' 记G(s)一(RG(1/ccJ))/(s+2RG).(46)

图3检测系统基波正序分量检测回路频率特性为: (jto)一(jRG(ccJ+(￡J1))/(一+2jR∞),(47) 同样可得基波负序分量检测回路的频率特性: (j60)一(jR.G(c1))/(}刊.+2jR.).(48)

与单相系统相似_6],图3的检测方法对于谐波 回路等效于二阶陷波器,对基波回路等效于二阶带 通滤波器,中心频率均等于参考输入的频率,其带宽 均为2R.G.由改变参考输入的幅值或积分器的增 益很容易调整,不再受品质因数的限制.因带宽越 宽响速度越快,稳态检测精度越低,故带宽的选择应 兼顾响应速度和稳态检测精度.当带宽2R.G一196 时,各检测回路的幅频特性见图4. 频率比频率比

图4各检测回路的幅频特性

Fig.4Amplitude-frequencycharacteristic ofeachdetectingloop 5仿真结果及其改进

该法的有效性,用PSCAD/EMTD]数字仿 真验证.图5为三相电压源逆变器,其直流电压 一

537.4V,三相的阻抗ZZb,Z分别为1O,15,13 Q,功率因数依次为0.95,0.85,0.99滞后. 图6为开关频率.厂s一900Hz,调制度M(0≤M ≤1)由1突变到0.5时所测三相基波及各序电流, 可见设计的检测方案的检测精度和鲁棒性. G

一:有 \\=三 11 6一 传 路 回 .¨ , 浙 ]J鲎 \\1/)_.,. 鼢 分 序 /l,,负G波 一基 有 一@

90?Oct.2006HighVoltageEngineeringVo1.32No.10

[7]李圣清,朱英浩.电网谐波检测方法的综述EJ].高电压技术.2004,30(3): 39-42.

[83陆秀令,周腊吾.基于瞬时无功功率的谐波电压检测法[J].高电压技术, 2006,32(1):88—90.

[93周林,甘元兴.雷鹏.基于瞬时无功功率理论的谐波检测新方法[J].

高电压技术2005,31(10):67—69.

[103孙弛.魏光辉,毕增军.基于同步坐标变换的三相不对称系统的无功 与谐波电流的检测口].中国电机工程,2003,23(12):4448.

[11]IuoShiuaAnadaptivedetectingmethodforharmonicandreactivecur— rein[J].IEEETransonIndustrialElectronics,1995,42(1):85—89 [123WidrowB,SteamsSnAdaptivesignalprocessing[M].Printlcehall: Englewoodcliffs,1985.

[13]郝江涛.刘念,幸晋渝,等.单相及三相电路谐波和无功电流的检测研 究[J].高电压技术,2005.31(3):44—45.

[14]李圣清,彭玉楼,周有庆.一种改进型自适应谐波电流检测方法的研究 [J].高电压技术,2002,28(12):3-4.

[15]李乔,吴捷.自适应谐波电流检测方法用于有源电力滤波器的仿真 研究[Jj.电工技术,2004,19(12):86—90.

[16蒋平.邓俊雄,曹莹.一种先进的电网谐波检测方法[J.电工技术学 报.2000,15(6):70—74.

[173张桂斌.徐政.王广柱.基于空间矢量的基波正序,负序分量及谐波分 量的实时检测方法口].中国电机工程.2001,21(】0):1-5. [18]ManitobaHVDCCenter.PSCAD/EMTIXIuser'smanual[M. Winipeg,Canada:ManitobaHVDCCenter,1998. 陈海荣 (上接第75页)

[33唐爱红.朱鹏程,程时杰,等.upon3装置参数设计研究口].高电压技术, 2005,31(6):63—72.

[43PovhnUseofHV1X2andFACTSCJ].ProceedingsoftheIEEE,2000, 88(2):235—245.

[53许湘莲,邹云屏,丁凯,等.基于相移级联多电平逆变器的STATCOM 研究口],高电压技术,2005,31(6):59—62.

[63SenKSSSC-StatieSynchronousSeriesCompensator:Theory,Modeling, andApplications[J].IEEETransonPWRD.1998,13(1):241.246.

[73IASZIOGyugyi,COlINDSchauderandKalyanKSen.StaticSyn— ehronousSeriesCompensator:ASolid-StateApproachtotheSeriesCom— pensationofTransmission1.ines~IEEETransactiononPowerDeliver— Y,1997.12(1):406—417.

[83WANG卜LDesignofSSSCDampingControllertoImprovePowerSys— ternOscillationStability[C].AFRICON,1999IEEE,Capetown.1999,1 (28):495—500.

[93SzeKM,SniderLA,ChungTS,eta1.Applicationsofpwmbasedstar— icsynchronousseriescompensator(S!;SC)toenhancetranientstabilityof powersystem[c_.ASDCOM,HongKong,2003,1:409—413.

[10]洪潮,饶宏.南方电网直流多落点系统实时仿真研究[J].中国电机 工程,2005,25(25):29—35.

[n]龙英,马玉龙,曾南超,等.RTDS应用于直流控制保护系统的仿真试 验口].高电压技术,2005,31(8):56—58.'

陈海荣1973一,男,博士.金华职业技术学院教师, 主要研究方向为直流输电与柔性交流输电. 电话:(0571)87952074;E-mail:jhhairong@ 163.com

徐政1962一,男,博士.教授.博导,研究领域包括 直流输电与柔性交流输电电力谐波与电能 质量,电力市场及其技术支持系统. 收稿日期2005—12—01编辑郭守珠

[12]钱珞江,邓红英,陶瑜.灵宝背靠背直流输电工程中的RTDS试验模型 [J].高电压技术,2005,31(12):45—65.

[13]朱庆春,丁洪发.张明龙,等.与RTDS互联的TCSC物理模拟装置研制 口].电力自动化设备,2005,25(2):50—55.

[】4]王婷,王大光,邓超平,等.用RTDS建立省级电力系统等值模型的初 步研究[j].福建电力与电工,2005,25(3):1-4.

[153王学强,黄立滨,崔伟.纵差线路保护装置RTDS实验方案设~fEJ].

继电器,2003,31(9):26—30.

[16]刘慧威,姜旭,肖湘宁.基于级联多电平逆变器的静止同步串联补偿器 仿真研究口].现代电力,2006.23(2):19-23.

[】73RTDStechnologies.VSCSmallTime-StepModelingUsersManual[M]. Manitoba.Canada:RTDSTechnologies,2005. 姜旭

(上接第78页)

[73佟为明,陈向阳,程树康,等.变频电源特定消谐技术中非线性方程组解 法的研究口].中国电机工程,1998,18(5):357360.

[83BhagwatPM,StefanovicVRGeneralizedstNetureofamultilevelPWM inverte~J].IEEETransonIA,1983,19(6):1057—1069.

[93ChiassonJN,TolbertIM.MekenzieKJ,eta1.Controlofamultilevel converterusingresultanttheory[J].IEEETransonControlSystems Technology,2003.11(3):345-354.

L10jChiassonJN,TolbertIM,MekenzieKJ,eta1.Aunifiedapproachto solvingtheharmoniceliminationequationsinmultilevelconverters[J]. IEEETransonPowerElectronics,2004,19(2):478—490.

Lu]ChiassonJN,TolbertLM,Meker~ieKJ,eta1.Eliminationofharmon— iesinamultilevelconverterusingthetheoryofsymmetricpolynomials andresultants[J].IEEETransonControlSystemsTechnology,2005, 13(2):2】6—223.

姜旭1977一,男,博士生,从事电力电子技术在电 力系统中的应用研究.E-mail:jiangxu2008 @126.com

肖湘宁1953一,男,教授,博士生导师,主要从事电 力电子技术在电力系统中的应用,电能质量 等方面的研究.

收稿日期2006—06—21编辑曹昭君

[1Z]1.ii,CzarkowskiD,1.1uY,eta1.Muhilevelselectiveharmonicelimina tlonPWMtechniqueinedvoltageinverters[J.IEEE

TransonIA,2000,36(1):160—170.

L13]DuZ,TolbenIM,ChiassonJN.Harmonieeliminationinmuhilevel converterwithprogrammedPWMmethodic].IEEEIndustryAppliea— tionsSocietyAnnualmeeting2004,2004:221o_2215.

[】4]姜艳妹,崔博,徐殿国.一种消除PWM逆变器输出共模电压的前馈有 源滤波器口].电机与控制,2003,7(1):70—74. 053王毓东.电机学[M].浙江:浙江大学出版杜,2000.

[163叶满园.基于相移变压器的双桥整流器研究[J].华东交通大学. 2006,23(2):82—85.

叶满园1978一,男,硕士,讲师,研究方向是电力电子技术及应用.电话: (0791)7046209;E-mail:myye@4y.com.en 收稿日期2005-07—01编辑严梦