有功电流分离法在单相谐波检测中应用及仿真

王文华，王少杰，张雪珍，陶耀寰，许　贺

(1.邵阳学院 研究生院，湖南 邵阳 422004；2.中电投河南电力有限公司 技术信息中心，河南 郑州 450001)



有功电流分离法在单相谐波检测中应用及仿真

王文华1，王少杰1，张雪珍1，陶耀寰1，许贺2

(1.邵阳学院 研究生院，湖南 邵阳 422004；2.中电投河南电力有限公司 技术信息中心，河南 郑州 450001)

为解决单相电路谐波及无功电流检测时的计算复杂和畸变电流对检测存在影响等问题，将有功电流分离法引入单相谐波检测电路，通过锁相环提供的与基波同相位的单位正余弦信号与单相电路电流相乘，低通滤波器滤去高次谐波分别得到基波有功电流和无功电流及谐波电流。将含有2、4、6、8次谐波的待测电流利用Matlab进行仿真，得到待测电流所含基波及谐波电流，表明此种方法对于检测谐波的可行性，并对于模拟检测电路提供了一条更为简便的新思路。

电路谐波；电流检测；仿真；滤波器

随着各种大型厂用非线性设备的普及使用，在为人们生活带来便利同时也带来了有害电能——谐波[1]，造成电能质量的下降，大幅增加了电力系统的负担，使其效率降低。且这种情况并非只存在于三相电路，单相电路中非线性用电器造成的谐波污染同样严重，并亟待解决。而目前关于单相电路谐波及无功电流检测的方法运用较多是将三相电路谐波、无功电流检测的方法，利用构造其余两相的方式进行检测，但这种方法运算复杂，且检测结果是谐波与无功功率的叠加，并不能单独检测出某一项，有一定的局限性。本文提出的这种基于有功功率分离法检测谐波、无功电流的方法不仅在检测装置上简单灵活，且在检测结果方面可同时检测出谐波和无功电流，优越性明显。有源电力滤波器是一种将系统中所含的有害电流检出，并产生与其相反的补偿电流，以抵消输电线路中的有害电流的半导体电力变换装置，在三相谐波检测电路中作用明显。随着研究的深入和对单相电路的关注日益加深，在谐波检测和无功补偿方面有源电力滤波器技术起到至关重要的作用。本文着重研究了单相电路有害谐波的检测方法，在相关分析后认为基于有功电流分离法的检测方法原理简单可行，可逐一检测出各个所要检测的分量，且满足在谐波和无功功率检测方面所提的各种要求。

文中利用Matlab/Simulink[2]来模拟此种检测谐波及无功功率方法的可适用性，并通过实验过程的数据结果来验证理论中的各种问题和此种检测方法相比与其他方法的优劣。

1　谐波及无功电流的检测原理

三相电路谐波和无功电流检测的方法众多，包括传统的傅里叶和FFT算法，该方法需要严格同步采样且延时过长，后面出现改进的傅里叶级数法，使计算时间大幅缩短同时可用于单相系统；此外，还有瞬时无功功率法，在一些改变措施情况下其同样可用于单相系统，包括d-q法、p-q法和ip-iq[3-5]法，其各有优点，还有同步测定法等检测方法，所以三相电路检测谐波和无功电流的方法较多，而单相电路[6-7]在这方面的方法则相对较少，且大多是通过三相检测技术经过一些改变而来的。本文所述的基于有功电流分离法的检测谐波与无功电流的方法在检测原理上与ip-iq法有一定相似之处，基本是利用锁相环[8-9]制造与待测电流同相位的单位正余弦信号和低通滤波器滤去高次谐波，再经过一些变换得到结果。具体的检测原理和计算方法[10-12]如下：假设单相电网电压为

U(t)=Ucos(ωt+φ)

(1)

式中，U为电压峰值；ωt+φ为相位。

分析电网电流各分量，可将含有谐波的电流分为基波和谐波两个分量，而基波又由基波有功电流和基波无功电流组成。所以，单相电网瞬时电流可分为：单相电网瞬时电流

i(t)=ip(t)+iq(t)+ih(t)

(2)

其中，ip(t)为瞬时基波有功电流；iq(t)为瞬时无功电流；ih(t)为瞬时谐波电流。

根据傅里叶级数并将电流基波分量分为有功、无功两部分，展开得

(3)

其中，Ip为基波有功电流峰值；Iq为基波无功电流峰值；In为二次及以上谐波电流峰值。图1为分离出瞬时基波无功电流及瞬时谐波电流的原理图。

图1　检测方法原理图

由以上公式及原理图能更加立体的理解这种方法，在式(3)两边同时乘以cos(ωt+φ)，即

整理后得

(4)

式(3)两边同时乘以sin(ωt+φ)，化简后得

φn+φ]-[sin(n-1)ωt+φn-φ]}

(5)

由式(2)4i(t)=ip(t)+iq(t)+ih(t)即可得出谐波分量的瞬时值。

以上为基于有功电流分离法的单项单路谐波检测方法原理，可以看出此种检测方法在原理上是较简单的，而在其实用性方面则需利用仿真软件来验证。

2　仿真并作分析

利用Matlab/Simulink对此种单相电路检测无功功率及谐波的方法进行仿真模拟，仿真原理如图2所示。

图2　仿真模拟图

此种检测方法可检测出与谐波、无功功率检测相关的每个分量的瞬时值，即得到每个分量的瞬时波形图，由图2模拟仿真图结果即可得知图3单相待测电流、图4基波电流和图5谐波电流，假设在图2中两个乘法器后面再加入两个示波器还能检测出瞬时有功、无功电流。在得知所有分量的前提下，就可使其相结合，譬如谐波电流与无功电流输出端做一个加法器检测出实时的谐波与无功电流叠加后的值，有利于进行实时补偿。

图3　单相待测电流

图4　基波电流

图5　谐波电流

图6　无功电流

图7　待测、谐波、基波电流对比图

由以上结果可以得出，此方法在单相电路中的实用性，并可对单相电路中谐波电流及无功电流进行测试。

同时，在仿真中要注意低通滤波器参数的设置，尤其是截止频率的选取，过低或过高均会对结果造成影响，所选截止频率过高，所得动态的响应过快，所选截止频率过低，对于检测结果固然有利但却延时过长。阶数方面同样，过高或过低也会对仿真过程或结果造成影响，所以经多方面因素考虑及多次实验研究，本文选取的截止频率为32Hz，阶数为6。

3　结束语

本文分析了有功电流分离法如何检测出电路中谐波的方法，并根据原理进行了模拟仿真，仿真过程中也发现当电压过电流发生畸变时，在电流源后加入一个低通滤波器可较好地抑制畸变现象。仿真着重点在于低通滤波器截止频率与阶数的选取，截止频率过高或过低均会造成基波失真或是时延过长等问题，通过仿真结果表明，该方法对于检测单相谐波和无功电流同样适用。

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Application and Simulation of Active Current Separation Method in Single Phase Harmonic Detection

WANGWenhua1,WANGShaojie1,ZHANGXuezhen1,TAOYaohuan1,XUHe2

(1.GraduateSchool,ShaoyangUniversity,Shaoyang422000,China;2.CenterofTechnicalInformation,HenanElectricPowerCo.Ltd.,Zhengzhou450001,China)

Theactivecurrentseparationmethodisintroducedintothesingle-phaseharmonicdetectioncircuitinviewofthecomplexanddistortedcurrentinthedetectionofharmonicandreactivecurrentinsingle-phasecircuit.Thefundamentalactivecurrentandreactiveandharmoniccurrentareobtainedbymultiplyingtheunitofsinecosinecurrentprovidedbyphase-lockedloopandbyfilteringhighharmonicsbythelowpassfilter,respectively.Detectivecurrentthatcontains2, 4, 6, 8timesharmonicsissimulatedbytheMatlab,thefundamentalandharmonicsareobtained.Theproposedmethodprovidesamoreconvenientwaytosimulatethedetectioncircuit.

circuitharmonic;currentdetection;simulation;filter

2015- 12- 09

王文华(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：有源电力滤波器。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.043

TM714.5

A

1007-7820(2016)09-0155-04