基于ip-iq法和APF的海洋牧场分布式电源谐波检测与抑制方法研究*

吴作勋，郑书河，李传栋

(1.福建农林大学机电工程学院，福州市，350100；2.福建省电力试验研究院，福州市，350007)

0 引言

现代化的海洋牧场[1-3]是集渔业养殖、风力光伏发电、商务活动、度假旅游以及科研等为一体的综合基地，是一个自动化设备较多、用电负荷较大的渔场。然而海洋牧场是电网难以到达的地方，风光互补分布式电源[4-8]可以利用海洋的风能、太阳能发电，为海洋牧场的用电设备供电。由于分布式发电的电力电子逆变器装置，以及海洋牧场的非线性负载都会使供电线路产生大量的谐波，严重影响了电能质量，缩短用电设备的使用寿命和降低供电效率。改善海洋牧场分布式电源的电能质量很大程度是对谐波的抑制，而抑制谐波的前提条件是如何快速和精确地检测谐波。常见傅里叶分析法[9]检测谐波，其计算量大、实时性不好。使用p-q法[10]检测谐波，在电源电压畸变或负载不对称时所检测出的结果不准确。在抑制谐波方面，PPF(无源滤波器)[11-13]可以滤除谐波，但是它有发生谐振的可能性，补偿效果差。UPQC[14-15](统一电能质量调节器)采用了串并联型有源滤波器，其抑制谐波效果好，但是它使用的装置多，成本过高，不利于推广。

本文采用基于瞬时无功理论的ip-iq法[16-17]检测谐波，它突破了平均值的定义，实时性好；而且不受电压波形畸变影响，检测结果准确。采用并联型APF(有源滤波器)[18-20]削弱谐波，它能抑制谐振，且硬件电路简单，性价比高。

1 谐波检测

分布式电源中的谐波主要由非线性负载和大量电力电子设备使用所引起，表现为频率大于基波的整数倍，如式(1)，n=1为基波，n>1为谐波。

(1)

传统的谐波检测方法是根据傅里叶级数，采集一个周期的电流数据进行计算，最终得到所测的谐波。但是需要先根据采集到的单个电源周期电流值进行FFT分解，获得各次谐波的相位和幅值后，再进行FFT反变换，该方法的缺点是需要进行两次傅里叶变换，计算量大；同时需要整个周期的电流值，实时性不好。基于瞬时无功功率理论的p-q计算法突破了传统的以平均值为基础功率的定义，虽能缩短检测的时间，但是在电网电压畸变时所检测出的谐波分量不准确。而采用基于瞬时无功理论的ip-iq计算法检测时，由于只取sinωt、-cosωt参加运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变影响，检测结果是准确的。

图1为ip-iq工作原理图。具体运算过程如下。

图1 基于瞬时无功理论的ip-iq方法检测谐波Fig.1 ip-iq harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory

首先，通过C32矩阵变换，使三相电流变换至图2的以α、β为直角坐标系中的二相电流iα，iβ。

图2 α、β直角坐标系中电流、电压的矢量图Fig.2 Vector of current and voltage in α,β coordinate system

(2)

其次，利用C变换，把二相电流iα，iβ转换成电流的有功、无功分量ip，iq。

(3)

(4)

(5)

最后，将三相电流ia，ib，ic分别减去三相基波电流iaf，ibf，icf，便可以获得分布式电源电流的谐波电流iah，ibh，ich。

(6)

2 谐波抑制

谐波抑制的方法是通过APF(有源滤波器)产生与检测谐波电流大小相同、相位相反的补偿谐波，补偿谐波与检测谐波相加后，很大程度上削弱了总谐波电流。有源滤波器通常有串联型与并联型两种类型。串联型适用于电容滤波型电路，一般作为电压源工作。并联型适用于带阻感负载的电路，一般作为电流源工作。由于海洋牧场的用电设备大多是阻感的负载，如照明设备，电机等。因此本设计使用的是并联型有源滤波器，如图3所示。

图3 并联型有源滤波器系统构成图Fig.3 System structure diagram of parallel APF

(7)

图4 采用滞环比较器的电流跟踪闭环控制结构图Fig.4 Closed-loop current tracking control structure using hysteresis comparator

图5 跟踪电流与指令电流的波形图Fig.5 Waveform of tracking current and instruction current

滞环控制具有如下优点：硬件电路简单，电流响应快，不需要载波比较，输出电压中不含特定频率的谐波分量，同时，它是闭环控制，准确性高。因此采用滞环比较的跟踪控制可以使输出补偿电流icom具有很好的准确性和实时性。

3 仿真分析

为了证明ip-iq方法和并联APF对谐波检测和抑制的有效性，构建仿真试验模型，如图6所示。

图6 海洋牧场分布式电源谐波检测与抑制的仿真模型Fig.6 Simulation model for marine ranching DG harmonic detection and suppression

由于本文侧重于改善分布式电源的电能质量，对电源的内部结构不予考虑，只考虑电源的外部特性。无论是光伏发电还是风力发电都近似等效于逆变前的直流状态，该模型用直流电源配合逆变器当作海洋牧场风光互补式供电电源，另外带有6脉冲发生器的非线性负载作为谐波源、ip-iq法检测谐波模块、APF谐波补偿模块等。

3.1 谐波检测结果

图7中黑色实线为采用ip-iq法检测出的一相谐波电流，它证明了谐波可以被实时检测，黑色虚线为APF根据检测到的谐波产生的补偿谐波。为比较检测与补偿的效果，在试验中设置0.04 s后APF谐波补偿装置开始动作，与设计预期的结果一致，0.04 s后产生的补偿谐波与检测谐波大小相等，相位相反。

图7 一相电流的谐波检测与谐波补偿Fig.7 Harmonic detection and suppression of one-phase current

3.2 谐波抑制效果对比

抑制谐波的本质就是把补偿谐波流入电网。在试验中设置0.04 s后补偿装置动作，也就是说，0.04 s之前是没有抑制谐波的效果，0.04 s之后是有抑制的效果。图8，图9为一相和三相谐波电流补偿前后的效果对比。非常明显，抑制前的电流波形是畸变的，抑制后的电流接近正弦波。

图8 采用并联APF抑制谐波前后一相电流效果对比Fig.8 Comparison of one-phase current before and after harmonic suppression by parallel APF

图9 采用并联APF抑制谐波前后三相电流效果对比Fig.9 Comparison of three-phase current before and after harmonic suppression by parallel APF

图10(a)为未采用谐波抑制技术时的分布式电源电流参数分析，此时电流的THD(总谐波畸变率)为16.77%。图10(c)为采用ip-iq法检测谐波与APF抑制谐波后的电源电流参数分析，补偿后的THD下降到4.44%，总谐波畸变率下降了12.33%。很显然，ip-iq法检测谐波，并联型APF抑制谐波对谐波的削弱有很好的效果。

(a)未采用谐波抑制技术

p-q法虽然也能实时检测谐波，但在电压波形畸变或负载有不对称分量时检测谐波不准确。而ip-iq法利用锁相环引入了标准的系统电压作为参考信号，避免了上述因素的影响。因此，ip-iq法在谐波检测的准确性上优于p-q法，故抑制谐波的效果要更好，ip-iq法检测并抑制谐波后的总谐波畸变会更小。如图10(b)与图10(c)所示：采用ip-iq法后的THD为4.44%，采用p-q法后的THD为4.55%，ip-iq法比p-q法的THD减少了0.11%。

为了进一步验证二者在性能上的差异，在试验中设置了不对称非线性负载6脉冲发生器的触发角，使系统工作在各种不同的非线性不对称负载情况下。试验数据如表1，采用ip-iq检测并抑制谐波在总体上是优于p-q法。

表1 在不同触发角下ip-iq法与p-q法的效果比较Tab.1 Comparison of using ip-iq and p-q detection methods with different trigger angle

触发角为40°～50°附近时，ip-iq法的优势更为明显。当触发角40°时，ip-iq法的THD为8.85%，p-q法的THD为9.88%，ip-iq法比p-q法的THD减少了1.03%。测量此时的功率因素，相电流比相电压有一定的滞后，即电路负载为感性，如图11所示。海洋牧场的主要负载三相异步电动机是典型的感性负载。因此，采用ip-iq检测并抑制谐波适用于改善海洋牧场分布式电源的电能质量。

图11 感性负载时的电压与电流的相位关系Fig.11 Phase relationship between voltage and current under inductive load

4 结论

本文针对海洋牧场孤岛式分布式电源的电能质量中的谐波问题，在谐波检测方面提出了基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，通过仿真试验证实其能够将分布式电源的基波分离，准确地检测出谐波源产生的谐波电流。并且ip-iq法准确性优于p-q法，特别是在不对称非线性负载6脉冲发生器的触发角为40°(负载为感性)时，ip-iq法的THD比p-q法的减少了1.03%。因此，ip-iq法对海洋牧场感性负载电路的谐波检测具有更明显优势。

在抑制谐波方面，本文提出使用并联型APF(有源滤波器)，它能产生与检测谐波大小相同、相位相反的补偿谐波，补偿谐波电流流入供电线路后，能有效地抑制线路电流的谐波分量。采用滞环比较器跟踪补偿谐波的指令信号，控制实际的补偿谐波，可以极大程度地提高补偿的精度。试验的结果表明，采用并联型APF抑制谐波，THD从未抑制的16.77%下降到4.44%。ip-iq法检测谐波且配合并联型APF抑制谐波，适用于海洋牧场分布式电源的电能质量的改善。