非理想电压时一种改进的ip-iq检测法

吴超

(国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州313000)



非理想电压时一种改进的ip-iq检测法

吴超

(国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州313000)

传统ip-iq法在非理想电压时对补偿指令电流的检测存在误差，且电流运算坐标变换复杂。基于此，在对传统ip-iq法分析的基础上，提出了一种适合非理想电网电压的改进ip-iq法。该方法利用正余弦信息提取模块取代锁相环，准确地提取其基波正序电压的相位信息，消除了锁相环对检测的影响，并减少了电流运算中的坐标变换与滤波延时。分别在MATLAB/Simulink仿真软件以及配电网静止同步补偿器样机上进行仿真分析和实验验证，结果证实了所提方法的有效性与可行性。

配电网静止同步补偿器；ip-iq法；非理想电网电压；基波正序电压

电力电子设备给配电网带来了严重的谐波污染和动态无功功率，进而影响配电网的供电质量[1]。配电网静止同步补偿器(distribution static synchronous compensator，D-STATCOM)能综合抑制谐波和补偿无功功率[2-3]，已成为现阶段改善配电网电能质量问题的研究热点。

实时准确地检测配电网中的谐波与无功电流是D-STATCOM的一项关键技术。最常用的是基于瞬时无功功率理论检测法中的ip-iq法，该方法具有实时性好且易实现的特点。当三相电网电压为对称且无畸变的理想电压时，ip-iq法可以准确地检测出谐波与无功电流；而在非理想电网电压时，传统ip-iq法通过锁相环提取的电网电压的相位信息并非基波正序电压，会造成补偿指令电流的检测误差[4-6]。另外，传统的ip-iq法中的电流运算需要进行4次坐标变换并且中间量需要经过低通滤波器，坐标变换比较复杂，且滤波延时较长会影响检测的响应速度，进一步带来检测误差。

针对以上问题，本文提出一种在非理想电网电压时具有较高检测精度的改进ip-iq检测法。该方法利用基波正序电压正余弦信息提取模块取代锁相环，用于构造与基波正序电压同相位的矩阵信息，以提高在非理想电压时对基波正序有功电流的检测精度，并消除锁相环带来的检测误差与延时问题；同时减少电流运算的坐标变换次数以及滤波延时。最后通过仿真和样机实验对该方法进行了验证。

1　非理想电压时传统ip-iq法的误差分析

传统ip-iq法的工作原理如图1所示。

uu为U相电网电压；PLL为锁相环，phase locked loop的缩写；ω为电网角频率；ilu、ilv、ilw为三相负荷电流；LPF为低通滤波器，low pass filter的缩写；iup1+、ivp1+、iwp1+为提取的三相负荷的基波正序有功电流；为提取的三相补偿指令电流；iα、iβ为三相负荷电流经过矩阵C32变换到αβ坐标系下的α、β分量；ip、iq为iα、iβ经过矩阵C变换后得到的瞬时有功和无功电流；p为将ip经过低通滤波处理后提取的直流分量；iαf、iβf为将p和0经过矩阵C-1反变换后得到的α、β分量。图1　ip-iq法工作原理

图1中矩阵C32、C23、C和C-1分别为：

(1)

(2)

另外，传统的ip-iq法通过锁相环电路直接提取uu的相位信息来构造矩阵C进行补偿指令电流的检测。当电网电压存在不对称分量时，则此时锁相环电路提取的uu的相位信息将是由其正序、负序和零序分量共同合成的结果，所提取的相位与uu的基波正序分量会存在相位差。该相位差会导致检测的三相基波正序有功电流不论是幅值还是相位都与理论值存在误差，进一步会造成提取的补偿指令电流的检测误差，使装置最终尤其对无功电流的补偿不彻底[7]。

2　一种改进的ip-iq检测法

从有功能量平衡的角度出发，三相电路的有功能量直接从电源侧传递到负荷侧与D-STATCOM系统。其中传递到D-STATCOM侧的有功能量除了补充其开关损耗和少量线路元件的有功损耗外，主要用于维持电容电压的变化。既满足

(3)

式中：PS为电源输出的有功功率；PL为负荷消耗的有功功率；PC为D-STATCOM装置消耗的有功功率。

在D-STATCOM系统中，滤波电感在开关频率足够高时可以选择的足够小，这里忽略滤波电感上的电压降，以及D-STATCOM系统中开关损耗与少量的线路元件有功损耗，则

(4)

式中：C为D-STATCOM直流侧电容值；Ud为电容实际电压值。

在电网电压不变时，负载消耗的有功功率PL基本不变，也就是说直流侧电容电压的变化直接对应电源输出的有功功率的变化，在电压不变时也对应电源输出有功电流的变化。因此，可以直接通过对直流电压进行比例积分(proportion integration，PI)控制，在维持直流电压稳定的同时，保持当前负载条件下D-STATCOM所需有功能量的平衡。

在非理想电网电压时，为了提取与基波正序电压同步的基波正序有功电流，需要对电网基波正序电压进行锁相，提取与其相位同步的正余弦信息。在非理想电压时，三相电网电压uu、uv、uw可表示为：

式中：U为电网电压有效值；n为谐波次数，下标+、-、0表示序分量；φn+为U相电压第n次谐波正序分量的初相位，φn-为U相电压第n次谐波负序分量的初相位，φn0为第n次谐波零序电压的初相位。

将三相电压uu、uv、uw经过C32和C0的矩阵运算提取up和uq，这里矩阵C0的角频率取ω0，其初相位可以采用任意初相位δ，见式(6)。

(6)

(7)

(8)

式(8)中，uαf经过简单的幅值变换可提取U相基波正序电压。将得到的uαf和uβf经过式(9)的运算，可得到与U相基波正序电压同相位的正余弦信息。

(9)

由式(6)—(9)的运算处理过程可知，引入的常量ω0和δ在整个运算中充当中间变量并最终被消掉，不会给运算带来累积误差效应。然后将得到的U相基波正序电压的正余弦信息用于构成准确的C矩阵，便可以提取与电网基波正序电压同步的基波正序有功电流。

从式(6)—(7)要用到低通滤波器来提取up和uq的低频分量，而低通滤波器的固有延时会减缓检测的响应速度。由于式(6)中ω和ω0相差很小，且实际电网谐波以3、5、7等奇次谐波为主，并满足：

(10)

式中T为基波周期。

由式(10)可以看出，up和uq的低频分量可以经过积分时间为T/2的积分处理后取平均值来提取。这样可以将滤波器的延时时间缩短到T/2。

图2　改进ip-iq法工作原理

3　仿真及实验

3.1仿真分析

在MATLAB/Simulink仿真平台建模并进行仿真分析，所搭建的D-STATCOM模型的具体参数如下：滤波电抗的电感值为5mH，直流电容值为 5 000μF，电容电压给定值为800V，为了验证改进ip-iq检测法在非理想电网电压的检测效果，仿真时的电网电压波形如图3(a)所示，可以明显地看出三相电网电压不对称且存在一定的畸变，U、V、W三相电网电压总谐波畸变率(totalharmonicdistortion，THD)分别为3.09%、2.14%、4.83%。负载为三相整流阻感性负载，图3(b)给出了D-STATCOM补偿前三相系统电流波形，其中含有一定的无功和谐波电流，且U、V、W三相电源电流的THD值分别为17.42%、23.53%、15.84%。

图3　补偿前的仿真波形

为了验证改进ip-iq法中平均值滤波的优越性，图4给出了采用二阶低通滤波器和平均值滤波对up进行滤波的仿真效果图。经对比，明显看出采用平均值滤波相对于二阶低通滤波不但减小了滤波延时，且滤波之后的波形更加平缓，滤波效果更好。

图4　两种滤波方式的滤波效果对比

图5给出了采用传统ip-iq法和改进ip-iq法提取的三相基波正序有功电流的仿真波形。图5(a)显示采用传统ip-iq法提取的基波正序有功电流与采用改进ip-iq法提取的基波正序电压有约1.2ms的相位延时，对该基波正序有功电流进行跟踪补偿后系统功率因数只能达到约0.93，无功补偿将不彻底。而图5(b)显示采用改进ip-iq法检测的基波正序有功电流与基波正序电压的相位基本一致，即对该基波正序有功电流进行跟踪补偿后的系统功率因数将接近1，明显提高了在非理想电压时对无功电流的检测效果。

图5　两种方法的检测效果

表1给出的两种检测方法对基波正序有功电流的检测指标可知，改进ip-iq法提取的三相基波正序有功电流的总谐波畸变率比较接近传统ip-iq法，且均能较好地满足对谐波的抑制要求。而在非理想电压时改进ip-iq法对无功电流的检测效果要明显优于传统ip-iq法。综合来说，在非理想电压时改进ip-iq法对基波正序有功电流的检测效果更好。

表1两种检测法的检测指标

检测方法iup1+的THD/%ivp1+的THD/%iwp1+的THD/%相位延时/ms传统ip-iq法0.290.270.311.2改进ip-iq法0.420.290.500

3.2实验验证

再将改进的ip-iq法在1台20kVA的D-STATCOM实验样机上进行验证。样机参数为：连接滤波电感为5mH，直流电容为4 100μF，直流电容给定电压为800V，开关元件采用绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)，数字信号处理器(digitalsignalprocessor，DSP)采用TMS320F2812，并采用Tek公司型号为TPS2024B的数字存储示波器捕获实验波形。为了得到三相不对称电网电压，实验中采用了调压装置，得到的U、V、W三相电网电压有效值分别为190V、130V、210V，其电压波形如图6(a)所示。图6(b)给出了接三相整流阻感性负载时补偿前的三相电源电流波形，以及采用改进ip-iq法提取的U相基波正序电压波形，可以看出补偿前电源电流相对于其基波正序电压有约1ms的相位延时，三相电源电流存在一定的无功和谐波分量。图6(c)给出了采用改进ip-iq法进行补偿后的三相电源电流波形，补偿后三相电源电流与其基波正序电压的相位基本一致，无功补偿比较彻底。且波形基本正弦化，对谐波的抑制效果也比较好。仿真和实验结果表明改进的ip-iq法能有效改善在非理想电压时对补偿指令电流的检测效果。

图6　实验波形

4　结束语

考虑到传统ip-iq法在非理想电压时对补偿指令电流的检测误差以及电流运算坐标变换的复杂性，本文通过对系统进行有功能量平衡的分析，减少了电流运算里的坐标变换，并增加了基波正序电压正余弦信息提取模块，以提高非理想电压时ip-iq法对基波正序有功电流的检测精度。整个模块代替了锁相环，消除了锁相环带来的延时误差问题，并采用均值滤波来减少滤波延时。仿真和实验结果均验证了改进ip-iq法在非理想电压时对指令电流检测的正确性。

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(编辑王朋)

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

吴超(1988)，男，湖北襄阳人。工学硕士，研究方向为电力系统分析与控制。