基于d_q坐標(biāo)的諧波與無(wú)功電流檢測(cè)方法及仿真分析

1、基于d -q 坐標(biāo)的諧波與無(wú)功電流檢測(cè)方法及仿真分析李增國(guó)1，丁祖軍2，3，梅軍2（1. 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇泰州225300；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096；3. 淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇淮安223000）摘要：通過(guò)對(duì)abc 三相坐標(biāo)進(jìn)行d -q 坐標(biāo)變換的方法，提出了一種新型的基于d -q 坐標(biāo)變換的諧波與無(wú)功電流的檢測(cè)方法。該方法通過(guò)對(duì)三相電壓與電流進(jìn)行d -q 變換后對(duì)相應(yīng)的分量進(jìn)行分離的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波與無(wú)功電流的檢測(cè)。詳細(xì)地說(shuō)明了基于d -q 坐標(biāo)變換的諧波與無(wú)功電流檢測(cè)算法的流程，給出了具體的框圖并其特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)；同時(shí)利用PSCAD

2、 EMTDC 軟件對(duì)基于d -q 坐標(biāo)變換的諧波與無(wú)功電流檢測(cè)方法進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，所提方法可以準(zhǔn)確及時(shí)地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中諧波與無(wú)功電流的檢測(cè)。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；d-q 變換；無(wú)功電流檢測(cè)；諧波電流檢測(cè)；PSCAD 仿真中圖分類號(hào)：TM 761；T M 93524文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10066047（2009）11007103收稿日期：200909 07電力自動(dòng)化設(shè)備Electric Power Automation EquipmentVol29No11Nov. 2009第29卷第11期2009年11月0引言電力電子技術(shù)的發(fā)展使得電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置以及各種以開(kāi)關(guān)方式工作

3、的電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用，這些負(fù)荷具有非線性、沖擊性和不平衡性的用電特性，使得電力系統(tǒng)中電壓、電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)中諧波含量大幅增加。這些非線性負(fù)荷從電網(wǎng)吸收或注入諧波電流，從而導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低、電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變、電壓波動(dòng)與閃變和三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題。因此諧波與閃變問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注。為了優(yōu)化電能質(zhì)量，抑制電網(wǎng)中的諧波與閃變，有源電力濾波器APF （Active Power Filter ）以其良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和補(bǔ)償特性成為目前在電力系統(tǒng)應(yīng)用中備受關(guān)注的一個(gè)研究方向1-2。在有源電力濾波裝置中，為較好地實(shí)現(xiàn)APF 的功能，必須要對(duì)諧波與無(wú)功電流檢測(cè)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，實(shí)

4、時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)諧波和無(wú)功電流。目前，電流檢測(cè)方法有很多種3-4，主要有基于快速傅里葉變換的檢測(cè)算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)檢測(cè)算法5、基于瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)算法和d -q 坐標(biāo)變換檢測(cè)算法等諧波與無(wú)功電流檢測(cè)算法6。這些算法中基于d -q 坐標(biāo)變換的檢測(cè)算法以其物理意義清晰、計(jì)算量較小、實(shí)時(shí)性較好等優(yōu)點(diǎn)得到了一些學(xué)者的關(guān)注7。1d-q 算法分析d -q 坐標(biāo)變換檢測(cè)法是在d -q -0坐標(biāo)變換的理論基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而來(lái)，d -q -0變換（也稱Park 變換）的實(shí)質(zhì)就是將靜止的abc 坐標(biāo)系變成按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的d -q -0坐標(biāo)系，其旋轉(zhuǎn)角速度為abc 三相電流中的基波角頻率。經(jīng)d -q -0變換后，a

5、bc 坐標(biāo)系下的三相對(duì)稱正序基波電流、電壓分量轉(zhuǎn)換為在d -q -0坐標(biāo)系下的直流分量，而其余需要補(bǔ)償?shù)闹C波在d -q -0坐標(biāo)系則呈現(xiàn)交流分量，這為諧波檢測(cè)和補(bǔ)償分量分離提供了方便8-9。設(shè)三相電壓為u a =U m sin tu b =U m sin （t 23）u c =U m sin （t +23）令u =u a u b u c，i =i a i bi c將三相電流采用對(duì)稱分量法分解可得：i a =鄱n 1I n+sin （n t +n+）+I n-sin （n t +n-）+I n 0sin （n t +n 0）i b =鄱n 1I n+sin （n t +n+23）+I n-sin

6、 （n t +n-+23）+In 0sin （n t +n 0）i c =鄱n 1I n+sin （n t +n+23）+I n-sin （n t +n-23）+I n 0sin （n t +n 0）（1）1、，采用d -q -0變換矩陣C 可以將i 變換為式（2）。 第29卷電力自動(dòng)化設(shè)備i d i q i 0姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨C i ai b i c姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨=姨cos t cos t 23姨姨cos t+23姨姨-sin t -sin t 2姨姨-sin t+2姨姨1姨1姨1姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨

7、i ai b i c姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨=鄱n 1I n +sin （n -1）t +n +-鄱n 1I n +cos （n -1）t +n +姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨0+鄱n 1I n -sin （n -1）t +n -鄱n 1I n -cos （n -1）t +n -姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨+00鄱n 1I n 0sin （n t +n 0姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨）（2）從式（2）可見(jiàn)abc 坐標(biāo)下的電流經(jīng)過(guò)d -q -0變換后，第n 次的正序

8、分量變成d -q -0坐標(biāo)系下的第n -1次分量；第n 次的負(fù)序分量變成d -q -0坐標(biāo)系下的第n +1分量；而基波正序分量在d-q -0坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的是直流分量。因此通過(guò)d-q -0變換先將三相電流變換到d -q -0坐標(biāo)下，然后濾除其中的正弦分量，分離出相應(yīng)的直流分量，再將該直流分量進(jìn)行Park 反變換就可以還原得到三相基波的正序分量。并且通過(guò)式（2）可知三相電流中的基波正序分量變?yōu)閐 軸和q 軸上的直流分量和值為零的零軸分量，即對(duì)于基波電流正序分量而言，零軸是不起作用的。因此可以將d -q -0變換簡(jiǎn)化為d -q 變換，即令C dq =姨×cos tcos t 23姨姨cos

9、 t+23姨姨sin t sin t 23姨姨sin t+23姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨（3）經(jīng)過(guò)C dq 坐標(biāo)變換后將d 軸和q 軸分量經(jīng)過(guò)低通濾波濾除交流分量后就可以得到表示a 、b 、c 三相的基波正序電流的i 軃d 、i 軃q ，在總電流中減去這些分量就可以得到需補(bǔ)償?shù)碾娏鞣至俊?d -q 算法優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)通過(guò)上述分析，可以得到基波正序電流檢測(cè)的流程，但是為了將基波正序電流分量的無(wú)功分量分離出來(lái)，必須要得到基波電壓與基波電流之間的相位關(guān)系，假設(shè)電壓向量為u ，電流向量為i ，則根據(jù)d-q 的定義可得i 中基波正序有功電流的d -q 分解為i 軃p -dq =u

10、軈q i 軃q +u 軈d i 軃d u 軈d 2+u 軈q 2u 軈du 軈q i 軃q +u 軈d i 軃d u 軈d 2+u 軈q2u 軈q姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨=I 1+cos （u 1+-i 1+）sin u 1+-I 1+cos （u 1+-i 1+）cos u 1+軈軈（4）i 軃p -向量，u 1+表示基波正序電壓分量的初相位，i 1+表示基波正序電流分量的初相位。因此，通過(guò)式（4），可以得出基波正序有功電流的d 軸和q 軸分量，這樣通過(guò)反變換即可得到電流中的基波正序有功電流，將總的電流減去基波正序有功電流即可得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波與無(wú)

11、功電流分量。d -q 算法在對(duì)諧波與無(wú)功電流同時(shí)檢測(cè)時(shí)的算法框圖如圖1所示。由圖1可知，將三相電壓與電流分別通過(guò)d -q 變換后經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除其交流分量后所得到的直流分量通過(guò)式（4）所示的計(jì)算再經(jīng)過(guò)d -q 反變換即可得到基波正序有功電流，同時(shí)也可得到基波正序無(wú)功電流。這樣通過(guò)d -q 算法就可以實(shí)現(xiàn)諧波與無(wú)功電流的檢測(cè)。進(jìn)一步分析可知10-11：a. 在d-q 算法中，當(dāng)只需要補(bǔ)償諧波電流時(shí)，不需要知道電流和電壓之間的相位差，只需要對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)算即可；b. 在d -q 算法中，當(dāng)需要檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)必須要知道電壓與電流之間的相位差，實(shí)際上電壓的幅值并不需要而只需要得到電壓的相位即可；c

12、. 在d -q 算法中，當(dāng)需要檢測(cè)n 次諧波的正序電流分量時(shí)，只需要將式（3）中的t 改為n t 即可進(jìn)行檢測(cè)；d. 在d -q 算法中，當(dāng)需要檢測(cè)n 次諧波的負(fù)序電流分量時(shí)只需要將式（3）中的23用-23代替即可進(jìn)行檢測(cè)。3仿真分析為了驗(yàn)證d -q 電流檢測(cè)算法對(duì)諧波與無(wú)功電流的檢測(cè)，本文采用PSCAD 仿真軟件對(duì)三相整流橋帶阻感性負(fù)載與電感性負(fù)載進(jìn)行了仿真。系統(tǒng)為理V 流器帶阻感型負(fù)載，其中電感L 10mH ，電阻R 圖1d -q 算法框圖Fig.1B lock diagram of d -q algorithmdq 變換LPF數(shù)學(xué)運(yùn)算dq反變換u a u b u c u dq u 軈d

13、u q dq 變換LPF i a i b i ci dqi 軃d i q-i ah i bh i chi p-d i p-q 李增國(guó)，等：基于d-q 坐標(biāo)的諧波與無(wú)功電流檢測(cè)方法及仿真分析第11期0.40-0.4u a k V 0.150-0.15i a k A0.300.320.340. 400. 42t s（a ）系統(tǒng)電壓與負(fù)載電流0.10-0.1i a f 1k A 0.060-0.06i a h k A0.300.320.340. 400. 42t s（b ）負(fù)載電流基波與諧波成分0.080-0.08i a f p k A 0.080-0.08i a f q k A0.300.320.

14、340. 400. 42t s（c ）負(fù)載電流基波有功與無(wú)功分量圖2仿真結(jié)果Fig.2Simulation results10，三相電感性負(fù)載的電感為10mH ，內(nèi)阻為0.2。仿真結(jié)果如圖2所示。通過(guò)圖2的仿真結(jié)果可知d -q 電流檢測(cè)算法能夠?qū)ω?fù)載中的諧波電流和無(wú)功電流進(jìn)行較為準(zhǔn)確的檢測(cè)，通過(guò)仿真計(jì)算可以知道其中檢測(cè)出來(lái)的基波電流的畸變率為0.27%，同時(shí)仿真結(jié)果中所檢測(cè)出的有功電流與電源電壓的相位一致，無(wú)功電流相位滯后電源電壓的相位90°，所以從仿真結(jié)果可知該電流檢測(cè)算法完全可以進(jìn)行諧波與無(wú)功電流檢測(cè)。4結(jié)論通過(guò)對(duì)基于d-q 坐標(biāo)變換的諧波與無(wú)功電流的檢測(cè)算法分析與仿真可知，本文

15、所提出的d -q 電流檢測(cè)算法能夠?qū)χC波與無(wú)功電流進(jìn)行較為精確的檢測(cè)，并且在檢測(cè)諧波電流時(shí)只需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換即可，該方法的計(jì)算量較??；同時(shí)該方法經(jīng)過(guò)變形后完全可以應(yīng)用于n 次諧波的正序及負(fù)序分量的檢測(cè)。該檢測(cè)算法對(duì)于有源濾波裝置的研究與應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)：，工業(yè)出版社，2004：257-262.2丁祖軍，鄭建勇，胡敏強(qiáng)，等. 基于優(yōu)化FBD 算法的諧波與閃變綜合抑制裝置的應(yīng)用與研究J . 電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（9）：19-22.DING Zujun ，ZHENG Jianyong ，HU Minqiang ，et al. The har -monics and

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19、備，2004，24（3）：66-69.LIN Tianshun ，HUANG Fumin ，ZHANG Yao. Three phase har -monic and reactive currents detecting based on single -phase adaptive detection J . Electric Power Automation Equipment ，2004，24（3）：66-69.7馬莉，周景海，呂征宇，等. 一種基于dq 變換的改進(jìn)型諧波檢測(cè)方案的研究J . 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20（10）：55-58.MA Li ，ZHOU Jinghai

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23、四線制系統(tǒng)任意次諧波電流的檢測(cè)新方法J . 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（13）：41-44.YANG Liu ，LIU Huijin ，CHEN Yunping. A new algorithm for random harmonic current detection in three phase four wire system J . Proceedings of the CSEE ，2005，25（13）：41-44.（責(zé)任編輯：柏英武）作者簡(jiǎn)介：李增國(guó)（1956-），男，江蘇泰州人，副教授，研究方向?yàn)殡娖髟O(shè)備控制與故障診斷技術(shù)（E -mail ：jstzzgl）；丁祖軍（197

24、8-），男，江蘇淮安人，博士，研究方向?yàn)殡娏Γㄏ罗D(zhuǎn)第86頁(yè)continued on page 86）Wide -area EDCPS online prediction based on orthogonal wavelet neural networkXIE Huifan 1，2，ZHANG Yao 2，NIE Shulin 3，YAO Yangxin 3，LIN Lingxue 2（1. China Southern Power Grid ，Guangzhou 510663，China ；2. School of Electric Power ，South China University

25、 of Technology ，Guangzhou 510640，China ；3. School of Science ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，China ）Abstract ：As the BP neural network is easy to fall into local minimum point and has slow convergence speed, and the RBF neural network has no sole approximation function ，the O

26、WNN （Orthogonal Wavelet Neural Network ），which takes the Harr orthogonal scaling function as its activation function ，is proposed and its weight training algorithm is presented. The OWNN is applied to EDCPS （Emergency DC Power Support ）online prediction and control of Yun -Guang UHVDC and Gui -Guang

27、 DC transmission. Simulation results show that ，it ensures the sole and fast approximation with simple training algorithm and outputs the EDCPS control reference with higher reliability and precision by mapping the aggregated characteristic input data.This project is supported by the Natural S &

28、T Support Program for the 11th Five Year Plan Period （2006BAA02A17）.Key words ：orthogonal scaling function ；OWNN ；EDCPS ；UHVDC ；online prediction8劉玉田，林飛. 基于相量測(cè)量技術(shù)和模糊徑向基網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)J . 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20（2）：19-23.LIU Yutian ，LIN Fei. Application of PMU and fuzzy radial basis function network to power sys

29、tem transient stability prediction J . Proceedings of the CSEE ，2000，20（2）：19-23. 9林飛，劉玉田. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制決策J . 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16（2）：83-87.LIN Fei ，LIU Yutian. Power system transient stability decision -making based on fuzzy neural networks J . Transactions of China Electrotechnical Society ，2001，1

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