改进型UPF谐波电流检测方法仿真研究

张永豪，智泽英，王浩然，荆雪君

(太原科技大学电子信息工程学院，太原030024)

电力系统的电力电子化改变了电力系统的源—网—荷特性，从而引起了电能质量问题的特性变化，带来了电能质量新问题[1]。关于谐波的治理以及电能质量的提升成为了研究的重点。有源滤波器可以有效地对谐波问题进行抑制。其中谐波电流的检测环节直接影响有源电力滤波器的补偿效果[2]。

谐波电流检测环节可以中可以运用多种方法，其中较为常见的是基于瞬时无功功率的ip-iq法，但ip-iq法存在较为复杂的坐标变换，对相位检测环节要求较高，频率的自适应性不足要求锁相环必须提供准确的基波正序相位。与ip-iq法相比，UPF (Unit Power Factor)法检测结构简单，虽然同样需要锁相环提供准确的相位信息，但除去了较为复杂的坐标变换过程，具有较快的动态响应速度。

UPF谐波电流检测法采用等效原理将非线性负载和有源电力滤波器整体视为电阻性负载，对谐波电流进行补偿后，电源电流与电网波形相同，功率因数为1，在该方法中，基波电流的检测受电压变化影响较大，在电压发生畸变等情况下，准确性较差。因此可以通过引入锁相环技术来实现对谐波电流的有效补偿，提升检测方法的准确性。常用的锁相环技术中，(1)由文献[3]可知基于单同步坐标变换的锁相环在电网电压为理想情况下才可以实现精准检测，应用范围较小；(2)基于对称分量法的单同步坐标变换的锁相环，在频率发生变化时，锁相环无法正常工作，频率自适应性较差，仅能抑制2次谐波的影响[4]；(3)由文献[5]可知基于双同步坐标系的解耦锁相环，可以有效的克服频率变换对锁相环产生的影响。但较为复杂的坐标变换过程，计算量大，实时性较差，影响系统响应速度。针对上述问题，本文采取基于双二阶广义积分器的锁相环(DSOGI-SPLL)，其有较好的频率自适应性，可以滤除高次谐波，不受频率波动的影响。

本文提出一种改进型的UPF谐波电流检测方法，在传统UPF谐波检测法上，针对电压畸变及电压不平衡对传统UPF检测法的影响，提出双二阶广义积分器锁相环提取基波正序相位，与传统UPF结合，抑制电压畸变对传统UPF的影响。通过Simiulink进行仿真，验证了检测方法的准确性，可以有效的运用在有源电力滤波器中。

1 基于二阶广义积分器锁相环原理与建模

(1)

其中

(2)

在静止的两相坐标系中，二阶广义积分器可以作为正交信号发生器[6]，构造积分器的移相系统，获取两相正交的电压信号，广义积分器在谐振频率时有无穷大增益，可以有效地滤除高频率干扰信号，从而实现对该频率的无静差跟踪。如图1为二阶广义积分器发生器(SOGI-QSG)其中v为输入电压信号，v′为输出信号。

图1 SOGI-QSG结构图Fig.1 Schematic diagram of SOGI-QSG

由图可得到传递函数表示为:

(3)

(4)

(5)

其中，ω′为输入谐振频率，r为参数。

其幅频特性和相频特性的表达式为:

(6)

(7)

图2 当时系统伯德图Fig.2 Bode diagram of the system

此时将锁相环的输出频率作为谐振频率反馈到正交信号发生模块[8-9]，形成闭环反馈回路，以调节中心频率完成锁相。在加入积分环节时对系统的响应速度存在较大的影响，选取PI控制器的参数为kp=6，kI=25以获取较快的响应速度。整个设计的系统完成闭环反馈实现对电压相位的锁定。提升对电网频率的自适应性。原理框图如图3所示。

图3 基于双二阶广义积分器锁相环原理框图Fig.3 Schematic diagram of phase-locked loop based on DSOGI

2 改进的谐波电流检测方法

电力系统网侧的调节装置，通过跟踪检测得到的电压指令和电流指令，实现对电压和电流的控制，因此检测环节是电能质量调节装置的重要组成部分[10]。

假设三相电压无畸变

(8)

加入滤波器后，使非线性负载和滤波器等效为线性电阻负载，所以补偿后网侧电流可表示为：

(9)

式中：k为复合负载电导。

(10)

将式三项相加可推得:

(11)

由上式可以看出UPF谐波电流检测方法是基于平均功率的基础上的，有关k值的计算目前主要有两种思路：通过低通滤波器(LPF)或移动窗积分器，从检测精度出发滤波器的截止频率越低检测的精度越准确，但延时较长存在动态响应问题，一般将截止频率选择20 Hz左右，在滤波器阶数上选取二阶滤波器[11]，二阶滤波器具有良好的动态响应且精度准确。所以本文选择频率为20 Hz的二阶BUTTERWORTH低通滤波器。

以单相系统为例，如图4所示：

图4 单相系统中的传统UPF谐波检测法原理Fig.4 Traditional UPF harmonic current detection method of one phase

广义的无功电流(基波无功电流与谐波电流之和)为：

(12)

则三相无功电流和谐波电流之和分别为:

(13)

由上式可知检测出的补偿电流受电网电压的影响，若电网电压产生畸变，则会影响APF对电流的补偿效果。

因此本文以此出发将其与双二阶广义积分器的锁相环相结合，直接通过DSOGI-SPLL获取电网电压基波正序分量的频率、幅值和相位信息。提取电压的正序基波分量，这样kus就为负载电流的基波分量，检测出的补偿电流将不会受到电网电压畸变的影响。通过对比二阶广义积分器锁相环在三相电压不平衡的情况下具有良好的频率自适应性[12]，克服了传统UPF在电压畸变时检测的缺陷。原理图如图5：

图5 改进型UPF法原理图Fig.5 Improved UPF harmonic current detection method

从原理图5可以看出通过DSOGI-SPLL直接提取基波正序分量，再使用二阶低通滤波器获取负载有功功率的直流分量，得到的负载端平均功率与三相电压的平方和的比值为复合负载电导k，提取出的电压基波正序分量乘以k得到负载电流的基波电流分量，然后负载电流与基波电流相减得到APF的指令电流(无功和谐波电流之和)。

3 仿真结果分析

本文采用Matlab2014a/Simulink软件搭建平台，分别将传统的UPF法与改进的UPF法作为有源电力滤波器的检测策略，都采用滞环控制策略产生PWM脉冲信号，通过对比系统稳定时的补偿时间与在电压畸变状态下经过补偿后的电源电流总谐波畸变率来进行分析。

仿真条件设置：电源电压平衡(相电压为220 V)，选取阻感性负载的三相二极管整流桥作为系统中的谐波源，阻值为10 Ω，电感值7 mH，仿真时间定为0.2 s，选取三相可编程电源在0.1 s时加入5次与7次谐波，并且同时伴随电压暂升，幅值上升为1.2 pu，0.15 s时再次调节电压，将电压降为0.8 pu.

图6可以看出在电压经过电压畸变后，有双二阶广义积分器构成的锁相环输出的相位无波动，不受电压畸变条件的影响，准确获取了电压相位。

图6 DSOGI-SPLL输出角度Fig.6 The output angle of DSOGI-SPLL

图7为电源电压畸变后，网侧的电压波形与负载电流波形，可以看出此时网侧电压与负载电流已发生明显畸变，无法满足正常供电要求。分别应用传统的与改进后的两种不同的UPF谐波电流检测方法进行检测，并通过控制逆变器的输出电流进行补偿，选取补偿后的一相电流波形，如图8(a)，(b)所示，进行对比分析后可以发现在0.1 s之前电源电压处于稳定状态时，两种谐波电流检测方法用于补偿电源电流的波形在一个周期后基本为正弦波，在0.1 s之前检测的畸变率为1.99%而在0.1 s电压开始畸变后，传统UPF法无法精确锁定电压的相位，补偿后的畸变率为13.81%相对较大，受电压畸变的影响较大。而对比采用改进的方法可以对电源电流进行精确地补偿。补偿后的谐波畸变率为3.12%，达到国家要求的5%以下标准。

图7 网侧电压和负载电流波形图Fig.7 The waveform of supply voltage and load current

图8 补偿后负载电流对比Fig.8 The comparison of load current after compensate

通过仿真比较，验证了改进后的检测方法可以实现对谐波电流的精确补偿。在电压畸变的情况下仍可以准确检测出谐波电流。

4 结束语

对于传统型UPF法进行分析，针对其在电网电压畸变时检测失准的情况，在传统的UPF法的基础上进行算法改进，可以得到以下结论：

(1)引入基于双二阶广义积分器锁相环技术对电压的基频正序分量进行提取，抑制电压畸变对传统UPF法的影响。

(2)搭建仿真平台，通过对比负载端电流补偿前后的波形可以看出电流的波形得到明显改善，谐波畸变率在国家要求的5%以下，检测电流的准确性得到验证。

(3)由实验数据对比表明在电压状态发生变化下，相较于传统UPF法，改进型UPF法不受电压畸变影响。可以更准确的对谐波电流进行检测，补偿后电流的谐波畸变率降低。