三相三线制有源电力滤波器谐波检测方法✴

韩晓新,是利娜,邢绍邦,王大志,沃松林

(1.江苏技术师范学院电气信息工程学院,江苏常州 213001;2.煤科总院常州自动化研究院,江苏常州 213001;3.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳 110004)

0 引 言

电能已成为当今社会生产和人们日常生活中不可或缺的一种重要能源,但是随着现代工业技术的发展,各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及开关电源等大规模地应用,向电网中注入了大量的高次谐波.这些谐波使电网中电压和电流的波形产生了严重的失真,大大降低了电网的供电质量,因此电网谐波含量成为了衡量电能质量最重要的指标之一.世界各国已经十分重视对电能质量的管理,有力地促进了学术界和工程界对谐波抑制、无功补偿技术的研究.谐波治理是电能质量问题的核心内容之一,也是现代电力生产发展的迫切要求,因此有源电力滤波器作为综合治理电网污染的最有效手段,有着广阔的应用前景[1].

1 并联型有源电力滤波器的基本原理与特点

有源电力滤波器是一种新型主动抑制谐波和补偿无功的电力电子补偿装置,具有较好的动态性能,它的原理是产生和谐波源谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿电流来达到消除谐波的目的.电压并联型有源电力滤波器的工作原理如图1所示.

图1中,交流电网为非线性负载供电,非线性负载会产生谐波并且消耗无功功率.系统将含有谐波的电流信号采集过来,处理器得到电流数据后利用相应的谐波检测算法将电流信号中的基波分量和谐波分量提取出来.然后根据得到的谐波分量迅速发出PWM波形信号给IGBT驱动电路,变流器主电路受驱动电路控制产生与谐波电流幅值相同但方向相反的补偿电流,经电感送至电网当中从而使电网中的总谐波电流为零,达到对电网谐波实时补偿的目的[2].并联型APF克服了PF只能对特定谐波有效治理的缺点,实现了动态补偿.并联型APF可对频率和大小都变化的谐波和无功功率进行补偿,而且对补偿对象的变化有极快的响应.还具有跟随电网频率的特性,因此其补偿性能不受电网频率变化的影响.因此,在对电能质量要求越来越严格的今天,采用并联型APF作为谐波消除装置的优势已日渐突出,随着电力电子器件性价比的不断提高,有源电力滤波器必然会得到更广泛的应用[3].

图1 电压型并联APF系统结构图Fig.1 Structural diagram of shunt voltage-source APF system

2 基于 ip-iq算法的谐波快速检测方法

谐波电流检测的准确性是有源电力滤波器可靠运行的首要环节,如果谐波电流无法准确及时地获得,那么有源电力滤波器补偿电流的准确产生及对谐波电流的补偿效果就无从说起.最早的谐波检测方法是采用模拟电路来实现的,虽然硬件实现比较简单但是所引起的相位和幅值的误差都比较大,而且受环境和参数变化的影响也比较大.随着检测算法的不断发展和处理器速度的不断提高,数字处理方法凭借其快速、稳定、可靠等优点已经取代了模拟方法并广泛应用于谐波检测当中[4].

ip-iq法的核心思想是把满足ia+ib+ic=0的三相电流ia,ib,ic首先经过不含零序分量的Park变换得到ip,iq,然后用低通滤波器滤波提取出ip,iq中的直流分量¯ip,¯iq,则由 ¯ip,¯iq即可计算出iaf,ibf,icf,进而由三相电流减去此基波正序分量iaf,ibf,icf即得到谐波和基波负序零序分量之和iah,ibh,ich,其检测原理如图2所示.

在该方法中,正余弦函数sinωt,cosωt是采用查表计算的方法来实现的.即根据预定好的采样频率,建立起正弦和余弦函数表,将设计好的正余弦表放到处理器的程序存储器中,在每次采样时刻到来之前从表中提取出所要用到的正余弦值提供给Park变换计算使用.由于没有直接使用系统电压信息,只是借助于构造的正弦和余弦函数来实现 Park变换,因此检测结果的精度不受系统电压波形畸变的影响,克服了p-q法受系统电压波形畸变影响比较严重的缺点.但是这种方法对与电网频率同步采样的要求非常严格,在实际应用中采用硬件实现的锁相倍频电路可以完成对电网频率的精确跟踪,很好地解决了这个难题.基于ip-iq算法的谐波检测方法外部硬件电路简单、可靠性高、计算速度快,对APF谐波补偿性能有很大的提高.

图2 ip-iq法谐波检测原理图Fig.2 Functional block diagram for method of ip-iqharmonic detection

3 混叠现象原理分析

谐波检测是有源电力滤波器控制系统的核心部分,系统的采样速度和精度直接影响着系统的实时性能.因此如何得到快速精确的采样数据是谐波检测的首要任务.频率混叠是数字信号处理中特有的现象,它是由数字信号中离散采样所引起的,凡是等步长的离散采样必然会产生频率混叠现象.频率混叠会产生假频率、假信号,会严重影响测量结果.在信号采集中,当信号的频率f超过1/2采样频率fs,即当f＞1/2fs时在时间域上会出现f′=｜fs-f｜的现象,其最大幅值与输入幅值的关系基本保持不变.在频域上出现频率为f′=｜fs-f｜的假频,由此折叠效应所造成的混频现象就称之为频率混叠现象[5].频率混叠现象也就是当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时,采样所得的信号中混入了虚假的低频分量,从而影响检测结果的准确性.

有源电力滤波器谐波检测结构如图3所示,电网电流经过莱姆霍尔电流传感器按照一定的比例进行缩小,通过精密采样电阻将小电流信号转换成0～5 V电压信号,然后电压信号进入抗混叠处理电路进行滤波,最后再送入AD转换芯片进行采集.为了保证APF谐波采样的精度,设定采样频率为电网工频的256倍,也就是每个周期的电流波形用256个点来进行还原.但是,电网电流中含有大量高次谐波,为了避免三相负载电流中的高频分量在数字采样过程中产生频率混叠现象,从而影响谐波检测的精度,必须设置抗混叠低通滤波器来进行滤波.如果抗混叠低通滤波器截止频率fs设置过低,虽然能保证滤除效果,但是过低的截止频率将使被滤波信号存在较大的相位移,影响电流检测的实时性和准确性.所以,应当合理选择抗混叠低通滤波器的截止频率,使抗混叠滤波器在保证有效滤除高频谐波的前提下,同时保证信号采样的精度[6].

图3 谐波检测结构框图Fig.3 Diagram of harmonics detection

对信号不失真采样,一般需要满足奈奎斯特抽样定理(Nyquist Sampling Theorem):

1)被抽样信号为带限信号,即信号最高频率fs≠-∞;

2)采样频率至少为被抽样信号最高频率的两倍,即fs≥fmax[7].

其中,采样频率fs=256×50=12.8 kHz,因此fmax的上限值必须小于6.4 kHz,这样才能满足奈奎斯特抽样定理的要求.因此,需要设计一个截止频率为6.4 kHz的低通滤波器来实现APF电流检测过程中的抗混叠处理功能,从而保证APF谐波检测的准确性.

4 抗混叠滤波器设计

为了保证APF系统对电流检测的精度,在AD对电流信号进行采样之前,设计一个截止频率为6.4 kHz低通滤波器,将高次谐波除掉,以防止频率混叠现象发生.图4为应用C8051F330单片机和有源滤波芯片MAX260构成的抗混叠滤波器电路图.抗混叠滤波器采用 MAXIM 公司生产的可编程通用有源滤波器芯片MAX260,可编程通用有源滤波器MAX260的参数设置需要通过一片微处理器来完成,在这里采用C8051F330单片机来完成.其中单片机通过 P1口的 I/O引脚向有源滤波芯片MAX260中写入控制数据.A0-A3是f0和Q及工作方式输入数据单元的地址输入端,选定地址后通过D0和D1端口写入相应的编程数据,P0.7端口模拟时钟信号作为两个二阶滤波器提供内部采样速率.由于是巴特沃斯低通滤波则选择滤波器A和滤波器B的工作方式都为方式1,根据公式N=fCLK/f0,其中低通滤波截止频率f0的值选择为6.4 kHz,fCLK为800 kHz,得到输入数据NA=135.08,NB=139.08,再由Q=f0/BW得到QA=1.036,QB=0.547,对截止频率进行修正,通过单片机程序向MAX260中写入这些数据信息,就实现了所要的滤波效果.

图4 C8051F330与 MAX260的电路连接图Fig.4 Circuit of C8051F330 and MAX260

5 仿真结果

图5为PSIM 中仿真模型图.仿真模型采用的算法为ip-iq算法,在图5中,经过电流传感器得到的负载电流Ia,Ib,Ic作为3个流控电压源的控制端,由电流信号变为电压信号进入到ABC-DQO变换模块,完成了三相到两相的变换,得到了有功电流ip和无功电流iq,通过PSIM与Matlab/Simulink的接口模块SimCoupler将有功电流ip和无功电流iq的数据传递给在Simulink中搭建的数字低通滤波器模型,经过低通滤波后,将有功电流ip和无功电流iq中交流分量滤除,得到有功电流ip和无功电流iq中的直流分量ipd和iqd,再通过PSIM 与Matlab/Simulink的接口模块SimCoupler将ipd和iqd传递到 PSIM 中,进入到DQO-ABC模块进行2/3变换,得到负载电流Ia,Ib,Ic的基波分量ia_f,ib_f,ic_f,负载电流Ia,Ib,Ic与其基波分量ia-f,ib-f,icf相减后就得到其谐波分量iah,ibh,ich.

图5 检测模块在PSIM中仿真模型图Fig.5 Diagram of simulation model for detection module under PSIM

在PSIM的仿真模型中,采用了峰值电压有效值为11.82 V、频率50 Hz的三相交流电,作为三相全桥整流电路的输入,三相全桥电路是非线性的,并带有电感、电容和电阻等负载,因此负载电流有畸变,由于三相电压和电流均对称,所以只取A相电流和电压,其波形如图6所示.

经电流传感器得到的三相电流ia,ib,ic经流控电压源变为电压信号后,进入ABC-DQO进行坐标变换,得到有功电流ip和无功电流iq的数据,波形如图7所示.

图6 电源电压和A相电流Fig.6 Power supply voltage and current of A-phase

图7 有功电流和无功电流Fig.7 Active current and reactive current

在得到有功电流ip和无功电流iq后,进入到椭圆低通滤波器进行滤波,滤除有功电流ip和无功电流iq中的交流分量,得到有功电流ip和无功电流iq的直流分量,波形如图 8所示.

在得到有功电流ip和无功电流iq的直流分量,后,进入DQO-ABC模块完成坐标反变换,再进入压控电流源,得到三相电流ia,ib,ic的基波分量iaf,ibf,icf,再与负载电流ia,ib,ic相比较即可得到谐波电流分量iah,ibh,ich,如图9所示.

由以上的仿真结果可以看到,ip-iq算法可以有效检测出负载电流中的基波以及谐波.

图8 有功电流和负载电流的直流分量Fig.8 DC component and of active current and reactive current

图9 A相谐波电流、A相电流与A相基波电流的对比Fig.9 Harmonic current of A-phase,current of A-phase and fundamental current of A-phase

6 实验结果

图10是经过霍尔电流传感器进行比例变换以后的电流波形,从中可以看出由于谐波的存在,A相电流的波形和标准的正弦波有一定的差距.使用示波器中的FFT分析功能可以得到A相电流中的各次谐波含量.如图11(a)所示,图中横轴每个格代表1.25 kHz的频率,

那么频率高于 6.4 kHz的信号都在 5个格以后.图11(b)是抗混叠滤波器输出的电流信号的FFT波形,可以看出5格以后频率高于6.4kHz的信号含量减少了很多,大大降低了谐波检测中信号混叠现象发生的机会.

通过以上的硬件平台,我们得到了部分实验波形和数据,包括有功电流ip、无功电流iq、有功电流的直流分量、无功电流直流分量、A相电流ia、A 相电流滤除谐波后的基波iaf以及A相电流中的谐波iah.由于在谐波检测模块中没有使用D/A数模转换器,所以我们将DSP计算得到的数据从内存中取出后,选取的是电压、电流相对稳定之后的数据,使用Matlab的绘图功能绘制.

图10 A相电流信号波形Fig.10 The current waeform of Phase A

图11 抗混叠滤波前后的FFT波形对比Fig.11 The contrast of FFT waveform between before anti-aliasing filtering and afert it

有功电流ip、无功电流iq、有功电流的直流分量、无功电流直流分量的实验波形如图12所示.图13为A相电流、A相电流滤除谐波后的基波以及A相电流中的谐波.将图13与图9进行对比发现:实验图形与仿真图基本接近,说明本文的谐波检测平台是有效的,谐波检测算法是正确的.

图12 有功电流及其直流分量,无功电流及其直流分量的实验波形Fig.12 Test waveforms of active current,reactive current,and their DC component

图13 A相电流、A相电流滤除谐波后的基波以及A相电流中的谐波Fig.13 Current of phase A,fundamental wave after filtering harmonic and its harmonic

7 结 论

实践证明,基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法结合抗混叠滤波器所构成的的有源电力滤波器谐波检测方法具有外部硬件电路实现简单、可靠性高、计算速度快、检测精度高等特点,对APF谐波补偿性能有很大的提高.

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