基于瞬时无功功率理论改进的APF谐波电流检测方法

赵金宪,　李　科,　涂　展

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院， 哈尔滨 150022)



基于瞬时无功功率理论改进的APF谐波电流检测方法

赵金宪,李科,涂展

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院， 哈尔滨 150022)

针对传统的ip-iq检测方法中PLL抗干扰能力差、电路复杂和延迟滞后等问题,以瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法为基础,提出一种加入电压基波正序提取法和预置微量补偿相位法的改进型ip-iq检测方法。仿真结果表明:改进的ip-iq检测方法可以准确地计算出感性负载电网中的谐波电流,能够有效地解决传统的ip-iq谐波电流检测方法延迟滞后的问题,显著降低了补偿后负载电流的畸变率THD,提高了APF的动态补偿能力,证明了改进方法的有效性。

瞬时无功功率; 谐波检测; 电压基波正序提取; 预置微量补偿相位

0　引　言

设备中的非线性负载产生了大量的谐波和无功电流,导致其发生畸变,产生噪声、功率因数下降、电参数波动,致使电网质量日趋恶化,严重影响了各种用电设备的正常运行。作为一种兼顾谐波治理和无功补偿的电力装置,有源电力滤波器(Active power filter,APF)逐渐成为能源行业乃至全社会关注的重点。APF由谐波电流检测和补偿电流控制两部分组成。由于大量新型检测算法理论和数字信号处理器(Digital signal processor,DSP)的快速发展,作为APF的重要组成部分的谐波电流检测一直被公认为具有长远发展前景的标志,成为学者们研究的重点。瞬时无功功率理论,作为一种有效的谐波电流检测理论,自1983年提出后,便成为APF发展的巨大推动力,学者[1-2]一直围绕该方法进行研究,逐步形成了p-q法、ip-iq法和d-q法等方法。笔者在介绍谐波电流检测算法的基础上,针对ip-iq法抗干扰能力差、电路复杂和延迟滞后的问题进行相应的优化,利用电压基波正序提取法和预置微量补偿相位法改进ip-iq检测方法,利用MATLAB仿真软件,对该算法进行仿真,并与传统的检测方法进行对比分析。

1　谐波电流检测方法

1.1p-q检测方法

在三相三线制电网系统中,设ea、eb、ec和ia、ib、ic分别为各相电压、电流的瞬时值。利用Clarke(αβ0)变换对电压、电流进行3/2变换,如图1所示,经变换得:

(1)

(2)

在图1的α-β坐标系上,电压、电流矢量eα、eβ和iα、iβ合成为(旋转)电压矢量e和电流矢量i。其中,定义p、q分别为三相三线制电网中的瞬时有功功率和瞬时无功功率:

(3)

图1　α-β坐标系电参数矢量分析Fig. 1　α-β coordinate electrical parameter vector analysis

由图1可见:

ip=icosφ,

(4)

iq=isinφ,

(5)

φ=φe-φi,

(6)

式中:e——矢量e的模;

i——矢量i的模。

将式(4)～(6)代入式(3)中，计算可得p和q的矩阵形式:

(7)

图2　p-q法工作原理Fig. 2　Working principle of p-q method

实现ia、ib、ic的谐波分量iah、ibh、ich的检测。

(8)

(9)

1.2ip-iq检测方法

针对p-q检测方法的缺点, ip-iq检测方法克服了其不足,实现了当电源电压畸变时对三相电网的检测,其工作方式原理如图3所示。

图3　ip-iq法工作原理Fig. 3　Working principle of ip-iq method

在三相对称平衡供电系统下,设三相三线制瞬时电压和瞬时电流分别为

(10)

(11)

式中:E——电网电压基波有效值;

ω——电压角频率;

In——各次电流有效值;

φn——各次电流初相角。

将式(10)的瞬时电压代入式(1)中,式(11)的瞬时电流代入式(2)中计算得:

(13)

(14)

(15)

(16)

如果要求同时检测出谐波和无功电流之和时,实现方法和p-q检测方法相同。

同样,基于以上理论,当供电系统电压发生波形畸变时,利用ip-iq法同样可以精准地实现对谐波和无功电流的检测。

1.3d-q检测方法

ip-iq检测运行原理,为了实现矩阵C,需要用到一个锁相环PLL和一个与a相电网电压ea同相位的正、余弦发生电路。因此,在此过程中就产生了两个比较大的问题:一是无形中增加了ip-iq法的计算复杂程度;二是当三相电压和负载不对称时,该方法在检测有功和无功分量时误差很大,严重影响检测精度。所以,针对以上问题,出现了基于dq0坐标系下的广义瞬时无功功率定义的无功电流检测方法(d-q法),即采用PARK变换(dq0变换)替换原来的Clarke变换(αβ0变换),对原来的三相电压、电流进行变换[3-4]。d-q法的具体原理及运行方式在文献[3]中已有全面的介绍和分析,这里不再赘述。

2　改进的ip-iq谐波电流检测方法

基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测方法已基本满足有源电力滤波器对于补偿对象的谐波和无功电流的检测,但其自身所存在的缺陷也同样未被忽视。由于ip-iq检测方法需要一个变换矩阵C,才能将瞬时功率电流转化为可用的直流分量。在这个过程中,需要用到一个锁相环PLL和正、余弦发生电路来实现变换矩阵C。但在实际应用中锁相环极容易受到信号的干扰,而且锁相环和正、余弦发生电路的存在大大增加了电路设计的复杂性。受电流互感器,A/D转换等器件性能的限制,补偿过程中的延时滞后问题也很突出。因此,信号干扰、电路复杂和延时滞后一直是完善ip-iq检测方法的重点[5-11]。基于以上问题,对PLL和正余弦发生电路环节进行改进。

2.1电压基波正序提取法

在APF正常工作时,由ip-iq检测原理可知,当需要同时实现谐波和基波无功分量之和时,就需要先准确地计算出系统中的基波正序有功电流。但当三相电压不对称时,其检测结果就存在很大的误差,其原因是锁相环无法准确的获取与电压正序分量ea相同的相位。针对这个问题,对检测电路作了如下改进,从而可以实现无误差地获取ea正序分量的相位,准确地检测出负载电流的有功和无功分量。

采用一个基波正序相位发生器替代传统的锁相环PLL,具体原理如图4所示。其中模块T是对称分量变换单元,能够分离出a相的正序分量,再通过三角变换和低通滤波器,最后获得a相的基波正序电压ea。其中LPF采用的是二阶巴特沃斯低通滤波器(截止频率为25Hz、延时为20ms),以改善基波正序提取法检测精度和快速性不兼顾的问题。

图4　基波正序提取法的工作原理Fig. 4　Working principle of positive sequence fundamentalwave voltage extraction method

当被检测对象电压发生畸变且不对称时,通过对称分量法获得a相电压正序分量ean:

(17)

将ean分别乘以2sin(ωt+α)、2cos(ωt+α),其中α为任意相位角。

cos[(n-1)ωt+φ1n-α]},

(18)

sin[(n-1)ωt+φ1n-α]}。

(19)

(20)

ea1=Essin(ωt+α)+Eccos(ωt+α)=

(21)

再经过二次变换得到所需求的a相基波正序电压ea1,利用已获得的a相正序基波电压ea1来产成正余弦信号,从而得到变换矩阵C,实现了无锁相环情况下的ip-iq检测方法。

2.2预置微量补偿相位法

由于受到电流互感器,A/D转换模块等性能的限制,APF在正常运行时,其ip-iq检测方法检测出来的谐波和无功电流会出现延时滞后的问题,很难使APF实现实时跟踪和补偿的效果。更为严重的是,当这种延时量超过一定的度时,不但无法正常的消除谐波,反而会使谐波有增大的趋势。为避免这种现象的发生,采用预置微量补偿相位法对ip-iq法做如下改进,使其对延迟相位具有预处理的能力,改善APF动态特性。

在有APF的动态补偿过程下,预估补偿的延滞时间为Δt,此时间Δt可以通过计算和测量得出,乘以角频率ω后可以得出延时角为ωΔt,其中n次谐波的延时角为Δθ:

(22)

此延时角就是预置微量补偿相位法中需要预置的补偿角Δθ,该角的作用是纠正和改善补偿系统的延迟滞后问题。角Δθ加在正余弦发生电路后,作用于ip-iq检测方法反变换矩阵C中,使反变换矩阵C变为CΔt,从而保证正反两次变换为恒等变换。

(23)

通过电压基波正序提取法和预置微量补偿相位法对ip-iq检测方法改进后的工作原理如图5所示。

图5　改进后的ip-iq检测方法工作原理Fig. 5　Working principle of improved ip-iqdetection method

3　仿真结果与分析

利用MATLAB的Simulink仿真软件,建立文中所提出的改进ip-iq方法仿真模型。为了便于结果的分析,建立传统的ip-iq检测方法仿真模型与其对比,并且两个APF仿真模型的补偿电流控制环节均采用滞环比较控制,以验证该改进方法的可行性。

检测对象选用三相交流电源(Us=220 V、f=50 Hz),负载为桥式全控晶闸管整流电路后带电感性负载。各相负载电流及a相频谱分析如图6所示。由图6可见,在三相交流电网中接入感性负载,主要会产生5、7、11、13等奇次谐波,使负载电流产生畸变,影响电网的正常工作,该仿真中电流畸变率THD=24.72%,远超国家规定的电力系统谐波标准。

图6　被检测对象负载电流及a相频谱分析Fig. 6　Load current is detected object anda phase spectrum analysis

对传统的ip-iq谐波电流检测方法进行仿真,仿真结果如图7和8所示,图7a是经ip-iq检测方法得出的a相负载电流ia、a相基波电流iaf和计算得出的a相谐波电流iah的对比曲线。图7b是a相谐波电流iah和经过滞环比较控制环节得产生的a相补偿电流iah2的对比,补偿电流产生时间在0.04s处。图8整个APF系统在补偿点前后负载电流的对比,由图8可知,a相负载电流ia的畸变率THD由24.72%降为2.59%,满足了国家对于电力系统谐波的标准。

图7　传统方法的仿真结果Fig. 7　Simulation results of traditional method

图8　传统方法补偿点前后a相负载电流ia的频谱分析Fig. 8　Frequency spectrum analysis of ia withtraditional method

图9　改进方法的仿真结果Fig. 9　Simulation results of improved method

对比以上仿真结果可以得出,利用电压基波正序提取法和预置微量补偿相位法改进的ip-iq检测方法在没有锁相环(PLL)的情况下依然可以准确的计算出感性负载电网中的谐波电流,而且可以有效的抑制传统的ip-iq谐波电流检测方法延迟滞后的问题,提高了APF的动态补偿能力,有效的降低了补偿后负载电流的畸变率THD。

图10　改进方法补偿点前后a相负载电流a的频谱分析Fig. 10　Frequency spectrum analysis of a withimproved method

4　结束语

通过对有源电力滤波器谐波电流检测原理的分析,对传统的ip-iq检测方法,利用电压基波正序发生电路替代PLL锁相环解决了抗干扰能力差、电路复杂的问题;利用预置微量补偿估计相位改善其延迟滞后的现象,从而改进了ip-iq检测方法。对APF动态补偿控制系统进行建模仿真,结果表明在三相交流电源带感性负载系统中,改进方法同样可以准确地计算出谐波电流参数,而且有效地短了APF的补偿时间,提高了其动态补偿性能,证明了该方法的可行性。

[1]王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[2]谢少辉, 杨淑英. 基于瞬时无功功率理论谐波检测方法的研究[J]. 电力科学与工程, 2010(2): 22-27.

[3]李庚银, 陈志业, 丁巧林, 等. dq0坐标系下广义瞬时无功功率定义及其补偿[J]. 中国电机工程学报, 1996, 16(3): 176-179.

[4]但扬清, 刘文颖, 朱艳伟. 瞬时无功理论变换矩阵系数推导及α-β与dq0变换关系分析[J]. 电力科学与工程, 2011(27): 16-19.

[5]肖红霞, 范瑞祥. 有源电力滤波器延时分析[J]. 电气传动, 2006, 36(10): 33-36.

[6]周福林, 李群湛, 解绍峰. 无锁相环单相无功谐波电流实时检测方法[J]. 电工技术学报， 2010(1): 177-182.

[7]丁菊霞, 张秀峰. 一种无锁相环的单相电路谐波和无功电流检测方法[J]. 继电器, 2006, 34(4): 53-57.

[8]袁川, 杨洪耕. 三相电压畸变且不对称时电流基波正序有功分量的改进瞬时检测方法研究[J]. 继电器, 2005(4): 57-60.

[9]叶明佳. 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法研宄[D]. 重庆： 重庆大学, 2012.

[10]AKAGIH,WATANABEHi,AREDESM.Instantaneouspowertheoryandapplicationstopowerconditioning[M].Hoboken:Wiley-IEEEPress, 2007.

[11]涂永昌, 刘建功, 王伟. 基于瞬时无功功率理论的谐波检测改进算法研究[J]. 现代电子技术, 2013(3): 144-147.

(编辑李德根)

Improved APF harmonic current detection method based on instantaneous reactive power theory

ZHAOJinxian,LIKe,TUZhan

(School of Electronic & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper introduces an improved IP-IQ harmonic detection algorithm as an alternative to the currently used traditional IP-IQ detection method which suffers from poor anti-jamming ability of PLL, more complex circuit, and time delay and lagging of harmonic detection and compensation. This improved algorithm is developed by applying harmonic current detection method used in instantaneous reactive power theory and works by combining the Positive sequence fundamental wave voltage extraction method and Preset trace compensation phase method. The simulation verifies that the novel algorithm can work as a viable algorithm, thanks to its demonstrated advantages, such as a more accurate calculation of the harmonic current in the inductive load power grid, an effective solution to time delay and lag, a considerable reduction in the load current distortion rate THD after compensation, and an improvement in the compensation performance of APF.

instantaneous reactive power theory; harmonic detection; positive sequence fundamental wave voltage extraction method; preset trace compensation phase method

2014-12-26

赵金宪(1970-),男,吉林省舒兰人,教授,博士,研究方向: 智能控制技术,E-mail:zjx5579@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.021

TM933

2095-7262(2015)01-0097-07

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