一种改进型谐波电流检测方法的研究

董世钊，张湘，马春华，张淇铭

（1.西南交通大学磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，四川成都610031；2.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；3.邵阳医学高等专科学校，湖南邵阳422000）

随着配电网中非线性负载，整流器，开关电源设备的大量增加，由此产生的谐波污染问题日益严重，电能质量成为了一个热门话题。谐波污染会导致电网电压畸变；电器过热和额外损耗；干扰通信系统；使测量装置不准确，引起继电保护和自动装置的误动作［1-2］。

并联型有源电力滤波器APF（active power filters）因为能够实时抑制谐波电流并可实现无功功率补偿，自1976 年提出后，便受到广泛关注。其原理是控制开关管产生一个和负载谐波等大反相的补偿电流注入电网，抵消掉负载电流中的谐波，从而使网侧电流正弦无畸变［2］。

然而APF 的补偿性能并非总是可观的。因为影响APF补偿性能的因素有很多，其中谐波检测的准确性对补偿性能影响最直接。目前研究较成熟的谐波检测方法主要有瞬时无功功率理论（P-Q），同步旋转坐标理论（d-q）［3］，它们的共同点是需要低通滤波和检测网侧电压。以往的研究往往假定电网电压正弦无畸变，三相负载平衡。然而随着电网负载的变化，电网电压常会发生畸变。本文研究了它们在平衡无畸变（理想电压）和不平衡畸变电压下的谐波检测性能，发现在理想电压下二者性能相当，都能准确检测出谐波分量。但在不平衡畸变电压下，两者谐波检测准确度都明显下降，而采用d-q 理论检测出的值较P-Q 方法准确，这是因为采用锁相环PLL的结果［4］。如果不对电压畸变的情况进行充分考虑，APF的补偿性能可能会受到不利影响。为了克服以上问题，本文考虑在传统P-Q 方法上进行改进，同时采用网侧电流反馈控制策略，减少电流中的开关频率分量［5］。

1 谐波检测策略

本文采用滤波性能优良的自调谐滤波器STF，并对传统的P-Q 方法进行改进，推导出了基于STF的改进谐波检测新方法。

1.1 STF滤波器

自调谐滤波器STF 是韩国学者H.S.Song 于2000年在其博士论文中为估计PWM变换器输出的相位角而首次提出，后来这一方法被应用到解决畸变电压下APF的控制中去［5］。

其传递函数为

式中：ω 为截止频率。

STF有一个类似于一般带通滤波器的频率响应，在特定频率（基频）上相移可为零，使得输入输出同相位。在谐波检测中，STF 可用来实现从畸变的电压输入信号中对基波信号的完整提取。为使基频分量无衰减，即，在式（1）中加入1个常数K 即：

在不同的K 值下，STF 对基频50 Hz 的频率响应如图1所示。

图1 STF在不同K 值下的伯德图Fig.1 Bode diagram for the STF under different values of the parameter K

由图1 可知，STF 在基频处提供单位增益和零相移，而包括直流在内的其他频率在幅值上则快速衰减，相移大概-90o。K 值越小幅值衰减越快，有利于目标频率的选择。文献［6］研究了STF在不平衡且畸变三相电压下的动态响应表明：1）STF 只允许信号中的基波正序分量通过，滤除信号中谐波正序和负序分量；2）K越大，暂态时间越短，但无论K 取何值，STF 输出都将达到稳态。K值的大小影响输出精度和动态调整时间，选择K值时需要折中考虑补偿精度和瞬态特性。

1.2 STF在谐波检测中的实现

在非平衡畸变电网电压和不平衡负载下，采集到的电网电压信号含有较多的谐波成分。如果不对其进行处理，会造成谐波检测的不准。本文采用STF滤波，把其基频分量完整无延时地从畸变信号中直接提取出来，供谐波检测处理，从而消除畸变电压对谐波提取方法的不利影响。

三相信号经过Clark 变换，在两相静止坐标系下表示为

将其带入式（2）整理可得到STF输出为

具体构成如下：

此处X代表电压或电流。STF处理模块框图见图2。

图2 STF模块框图Fig.2 Block diagram of STF

经过图2处理即可提取出畸变信号在两相静止坐标系下的基波成分。

1.3 改进的P-Q理论

对式（6）采用Clark 逆变换，得到abc 坐标系下网侧电流参考值。为使APF装置正常工作，电网还需提供少量有功功率Pc，从而维持APF 电容电压稳定。

为了有效减少电流中的开关频率和THD［5］，本文采用对网侧电流进行控制使其正弦化的反馈控制策略，同时基于STF 对传统P-Q 进行了改进，推导出了网侧电流参考值的计算公式。整个谐波检测控制策略如图3所示。

此谐波检测策略的改进点如下：1）对电压、电流信号进行STF滤波，从而得到平衡无畸变的网侧电压和负载电流信号，提高了谐波检测的精度；2）检测过程无需使用低通滤波器；3）直接对网侧电流进行反馈控制，并在畸变不平衡电压下测试APF的补偿性能。

2 仿真与实验

2.1 仿真分析

在Matlab/Simulink 环境下，对提出的谐波检测方法进行了仿真验证。本文采用2组三相不控整流器用来模拟APF在0.1 s时负载加倍，以此观测APF的瞬态补偿的性能；一组单相不控整流，用来模拟三相不平衡负载。各个模型参数如表1所示。

表1 系统参数Tab.1 Parameters of the analyzed system

本文所模拟的畸变不平衡电网电压、负载电流见图4，电网电压各相的有效值和THD分别为：221.5 V，251.4 V，210.9 V和11.8%，10.6%，9.2%。

图4 畸变电网电压和负载电流的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of distorted grid voltage and load current

为了检验改进方法的有效性，本文在理想和畸变电压情况下，分别对传统P-Q，d-q 和改进方法的谐波补偿性能进行了仿真，结果如图5、图6所示，其负载电流和电网电流的谐波含量如表2所示。

图5a 和图5c表明：在理想电压下d-q，P-Q方法都能实现对网侧电流的充分补偿，使网侧电流谐波含量从20%降到2%，满足补偿要求。但在非理想电压下，它们的补偿效果却大大下降（见图5b和图5d），同时由于d-q方法采用了锁相环算法，一定程度上比P-Q 方法具有较好的补偿效果。从以上仿真中可明显看出畸变的电网电压会对APF的补偿性能带来不利影响。

表2 各方法的补偿性能Tab.2 Compensation results with all control method

图5 P-Q 和d-q方法的仿真结果Fig.5 Simulation results using P-Q and d-q method

图6 基于STF方法的仿真结果Fig.6 Simulation results using STF method

图6 是采用改进方法的谐波补偿效果。因为采用了STF滤波器，与传统d-q，P-Q 方法相比，无论电网电压如何，网侧电流均能得到充分补偿，THD均为2%，始终满足IEEE 519—1992所推荐的THD<5%的标准。

2.2 实验研究

为验证改进谐波检测方法的有效性，本文根据仿真模型搭建了小容量的实验样机。控制系统采用TMS320F2812 芯片，负责数据采样、谐波检测、PWM 输出和保护功能。驱动模块选用CONCEPT公司的2SD315-AI。开关管选择英飞凌公司的IGBT模块BSM50GB120DN2。逆变器交流测电感取0.9 mH，直流侧电容由2个1 000 μF/600 V 的电解电容并联组成，电容电压参考值为600 V。实验波形采用Tek 示波器TDS2012B 截图得到。

图7为电网电压畸变和经STF滤波后的效果图，从图7 中可以看出，尽管电网电压畸变严重，但经过STF 滤波，仍可准确得到其基波信号，同时验证了STF滤波器优良的滤波性能。

图7 电网电压Fig.7 Grid voltage

图8 为投入非线性负载后负载电流波形以及进行补偿后的网侧电流波形。

图8 网侧电流和负载电流Fig.8 Source current and load current

从图8 看出，在采用本文改进的谐波检测方法后，网侧谐波含量明显降低。用Fluke 电能质量分析仪43B 测得其THD 从25%降低至4%，符合国际标准。谐波分布如图9所示。

3 结论

为提高畸变电压下APF的性能，本文引入了滤波性能优良的自调谐滤波器（STF），以此为基础并通过对传统P-Q 理论的改进，推出了基于STF的网侧电流参考公式。本文所提谐波检测策略的特点在于：无需使用低通滤波器处理；精确的网侧电流计算式；前馈控制；检测性能不受网侧电压畸变的影响。实验结果和仿真均验证了此方法的有效性。无论网侧电压如何，采用本文提出的改进方法均具有较高的补偿精度（满足THD<5%的国际标准），达到很好的补偿效果，为谐波的检测提供了一种新的思路。但实验中还发现滤波效果及动态性能跟参数K的选取有很大关系，后续还要进一步研究。

［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，2006.

［2］ 罗安.电网谐波治理和无功功率补偿技术及装备［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［3］ 邵振华，彭仁崇.有源电力滤波器常用控制策略的分析比较［J］.福州大学学报，2006，36（S1）：184-187.

［4］ Biricik S，Ozerdem O C，Redif S，et al.Performance Improvement of Active Power Filters Based on PQ and DQ Control Methods Under Non-ideal Supply Voltage Conditions［C］//Electrical and Electronics Engineering（ELECO），2011 7th International Conference on.IEEE，2011：I-312-I-316.

［5］ Singh B N，Singh B，Chandra A，et al.An Improved Control Algorithm for Active Filters［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，2007，22（2）：1009-1020.

［6］ Karimi S，Poure P，Saadate S.High Performances Reference Current Generation for Shunt Active Filter Under Distorted and Unbalanced Conditions［C］//Power Electronics Specialists Conference，PESC 2008.IEEE，2008：195-201.