羅 鵬,張 威,高貴亮

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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基于積分組合的FBD諧波檢測(cè)法

羅 鵬,張 威,高貴亮

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

常規(guī)電力濾波器諧波電流檢測(cè)方法利用鎖相環(huán)檢測(cè)電壓定向角,這樣在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)非常復(fù)雜,不利于工程應(yīng)用,除此之外,常規(guī)方法在濾波時(shí)還采用低通濾波器,它本身的固有延遲會(huì)造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性下降。為克服上述缺陷,在傳統(tǒng)FBD檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)方法。該方法在檢測(cè)過(guò)程中采用廣義積分器取代鎖相環(huán)檢測(cè)電壓相位,采用積分均值法取代傳統(tǒng)的低通濾波方式來(lái)濾除畸變電流中的諧波分量,與傳統(tǒng)方法相比,提高了電流幅值和相位檢測(cè)的精確性,縮短了響應(yīng)時(shí)間。同時(shí),仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

FBD法;積分均值;廣義積分;諧波檢測(cè);無(wú)鎖相環(huán)

FBD諧波檢測(cè)法與目前常用的瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)法相比,計(jì)算量顯著減少,且適用于單相和三相系統(tǒng)[1-3]。大量研究已經(jīng)證明FBD諧波檢測(cè)法與瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)法在檢測(cè)結(jié)果方面具有一致性[4]。但以上傳統(tǒng)方法的相似之處是都用到鎖相環(huán)檢測(cè)基波電壓相位,并且使用低通濾波器濾去交流分量,這樣就使得檢測(cè)的實(shí)時(shí)性下降,不僅如此,當(dāng)三相電壓畸變嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成基波相位提取不準(zhǔn)確,進(jìn)而影響到諧波和無(wú)功的檢測(cè)[5-6]。針對(duì)上述缺陷,本文提出將積分均值法和廣義積分原理應(yīng)用于FBD諧波檢測(cè)法,省去了鎖相環(huán)節(jié)和低通濾波環(huán)節(jié),簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)檢測(cè)方法。分別討論了積分均值方法中積分區(qū)間的選取問(wèn)題以及廣義積分器不同增益下對(duì)諧波檢測(cè)的影響效果,通過(guò)MATLAB仿真證明了新方法適用于三相不對(duì)稱情況且具有更好的檢測(cè)精度和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

1 基于積分組合的FBD檢測(cè)方法

基于積分均值與廣義積分原理的諧波檢測(cè)方法如圖1所示。

1.1 基于廣義積分器的無(wú)鎖相環(huán)控制

圖1 基于積分組合的FBD檢測(cè)算法

對(duì)上述信號(hào)采用拉氏變換能夠得出

在網(wǎng)側(cè)頻率有小的變動(dòng)Δω時(shí),三種信號(hào)都會(huì)發(fā)生變化,其中電網(wǎng)信號(hào)會(huì)變?yōu)?/p>

e′(t)=Asin[(ω+Δω)t+φ]

那么會(huì)有

圖2 廣義積分器諧波檢測(cè)

從圖2可以看出,該過(guò)程中沒(méi)有鎖相和低通濾波環(huán)節(jié),這就省去了電壓運(yùn)算,所以在電網(wǎng)畸變時(shí)提高了檢測(cè)精度。在廣義積分器所采用的閉環(huán)系統(tǒng)中,增益k取值不同時(shí)會(huì)對(duì)諧波檢測(cè)性能產(chǎn)生影響,分別取k=10和k=100分析系統(tǒng)檢測(cè)性能。采取不同k值所得到的頻率特性曲線如圖3所示。

圖3 k=10和k=100的幅頻和相頻曲線

從圖3能夠發(fā)現(xiàn),當(dāng)f=50 Hz時(shí),無(wú)論k取10還是100,系統(tǒng)增益都約為0 dB,也就是說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)正弦頻率為50 Hz的信號(hào)基本不衰減。進(jìn)一步分析k=10和k=100時(shí)系統(tǒng)的相頻特性發(fā)現(xiàn),后者的效果要優(yōu)于前者,檢測(cè)精度會(huì)隨著k的減小而增大,而響應(yīng)速度則會(huì)隨之變慢,因此為保證響應(yīng)的快速性,需要在滿足一定條件的情況下適當(dāng)增加k值。

1.2 基于積分均值法的濾波方式

在基波電流的提取環(huán)節(jié)中,改進(jìn)檢測(cè)方法采用積分均值法來(lái)代替低通濾波,以此濾去電網(wǎng)畸變嚴(yán)重時(shí)的諧波分量。設(shè)T是工頻周期,id、iq為dq變換后的有功與無(wú)功分量,那么電流可表示為

經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)后得

將有功電流與無(wú)功電流的交流部分都按其正余弦的方式展開(kāi),展開(kāi)后個(gè)各諧波在各個(gè)周期內(nèi)的積分均值都為零,即

積分區(qū)間可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定,因?yàn)樵趯?shí)際中多用三相整流器,諧波電流次數(shù)多為6k+1次,依次為5、7、11次等。經(jīng)過(guò)變換后負(fù)序諧波會(huì)增加一次,正序諧波會(huì)減少一次,這樣可得到諧波變化的規(guī)律,進(jìn)而設(shè)置積分區(qū)間是基波周期的1/6。積分后可得到與基波分量對(duì)應(yīng)的直流分量,應(yīng)當(dāng)注意的是相應(yīng)區(qū)間的調(diào)整應(yīng)參照實(shí)際應(yīng)用中的諧波電流次數(shù)。

2 仿真分析

為了驗(yàn)證積分均值法的濾波效果,將它與傳統(tǒng)方法采用的二階低通濾波器進(jìn)行對(duì)比,用三相橋式整流電路作為諧波源,相電壓為220 V,頻率f=50 Hz,R=8 Ω,L=2mH,并在經(jīng)過(guò)0.1 s后,電路參數(shù)變?yōu)镽=4 Ω,L=1 mH。將畸變電流經(jīng)dq變換后所得出的有功部分分別通過(guò)本文設(shè)計(jì)的積分均值模塊與低通濾波器模塊進(jìn)行比較,得到的濾波效果如圖4所示。

由圖4可知,將有功電流分別流經(jīng)兩種方法設(shè)計(jì)的濾波器的電流波形后,在三相電流對(duì)稱時(shí),積分均值法在三相對(duì)稱電流穩(wěn)態(tài)情況下能較快濾除交流諧波分量,而在電流發(fā)生突變時(shí)也可以在較快時(shí)間內(nèi)跟上電流的變化(約1/6個(gè)周期),而低通濾波則需要花費(fèi)大約一個(gè)周期的時(shí)間,經(jīng)過(guò)比較可知積分均值法濾波動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。

圖4 積分均值法與LPF濾波性能圖

為了對(duì)改進(jìn)方法檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中,在負(fù)載變化的情況下,電網(wǎng)電壓幅值會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),波動(dòng)范圍一般在10%以下,在設(shè)置參數(shù)時(shí),分別設(shè)置三相電壓為uA=129∠0°,uB=148∠-120°,uC=148∠120°,負(fù)載電阻R=8 Ω,負(fù)載電感L=1 mH。分別利用ip-iq法、傳統(tǒng)FBD方法以及改進(jìn)FBD檢測(cè)方法檢測(cè)出的基波電流如圖5所示。

圖5 三種方法下檢測(cè)出的基波電流

從圖5中能夠看出,在給定電路參數(shù)相同的情況下,相對(duì)于常規(guī)的ip-iq法和傳統(tǒng)FBD檢測(cè)法,改進(jìn)后的FBD檢測(cè)方法能夠更加迅速地跟上電流的變化,具有更快的響應(yīng)速度,并且在電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),三種方法在最終結(jié)果上一致。

為進(jìn)一步對(duì)基于積分組合的改進(jìn)FBD方法的檢測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證,給出了三種檢測(cè)方法下基波電流的FFT分析。負(fù)載電流FFT分析如圖6所示,常規(guī)FBD檢測(cè)方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析如圖7所示,改進(jìn)FBD檢測(cè)方法檢測(cè)的基波電流在t=0.02 s～0.04 s的FFT分析如圖8所示。

圖6 負(fù)載電流FFT分析

圖7 常規(guī)FBD檢測(cè)方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析

圖8 改進(jìn)FBD檢測(cè)方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析

從圖6可知,在t=0.02 s～0.04 s內(nèi)對(duì)A相電流進(jìn)行頻譜分析之后發(fā)現(xiàn)電路主要存在6k±1次諧波,k=1,2,3,…,電流的基波分量有效值為32.55 A,諧波畸變率為28.76%。

從圖7可知,采用傳統(tǒng)的FBD檢測(cè)方法在第二個(gè)周期(t=0.02 s～0.04 s)所檢測(cè)到電流的畸變率是2.55%,而在之后的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)畸變率逐漸降低,最終在第四個(gè)周期內(nèi)穩(wěn)定為0.33%,從中分析出傳統(tǒng)方法在t=0.02 s～0.04 s時(shí)未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

從圖8可知,采用積分組合的改進(jìn)方法在t=0.02 s～0.04 s時(shí)電流畸變率是0.12%,經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方法不僅響應(yīng)速度快,而且在檢測(cè)精度上也要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于積分組合的FBD改進(jìn)方法,該方法用廣義積分器對(duì)基波電壓正序分量進(jìn)行提取,省去了鎖相環(huán),簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)FBD檢測(cè)算法;用積分均值法取代傳統(tǒng)的低通濾波方式,提高了響應(yīng)速率。同時(shí),仿真結(jié)果也證明了該改進(jìn)算法能用于三相電壓不對(duì)稱時(shí)的諧波和無(wú)功檢測(cè),與傳統(tǒng)方法相比實(shí)時(shí)性更好,精度更高。

[1] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.WANG ZHaoan, YANG Jun, LIU Jinjun, et al.Harmonic suppression and reactive power compensation [M].Beijing:China Machine Press, 1998.

[2] 陳峻嶺,姜新建,孫卓,等.基于FBD法的三相電力系統(tǒng)電流檢測(cè)方法的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(24):23-27.CHEN Junling, JIANG Xinjian, SHUN Zhuo,et al.Current detections for three-phase power system based on FBD method[J].Automation of Electric Power Systems,2004,28(24):23-27.[3] 王小紅.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的并聯(lián)混合有源電力濾波器的研究[D].天津:天津大學(xué),2005.WANG Xiaohong.Research on the parallel hybrid active power filter based on the instantaneous reactive power theory[D].Tianjin:Tianjin University,2005.

[4] 劉心旸,王杰.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的自整定因子變步長(zhǎng)低通濾波器研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(10):84-89.LIU Xinyang,WANG Jie.A variable step-size low-pass filter with self-tuning factor based on instantaneous reactive power theory[J].Power System Protection and Control,2012,40(10):84-89.

[5] 于晶榮,曹一家,關(guān)維德,等.基于FBD法的有源電力濾波器參考電流檢測(cè)新方法[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,38(2):45-50.YU Jingrong, CAO Yijia, GUAN Weide,et al.A new reference current detecting algorithm based on FBD method for active power filter[J].Journal of Hunan University(Natural Sciences),2011,38(2):45-50.

[6] 時(shí)國(guó)平,許衛(wèi)兵,王長(zhǎng)春.基于FBD法的三相四橋臂 APF的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2010,28(5):22-24.SHI Guoping, XU Weibing, WANG Changcun.Study based on three-phase four-leg APF of FBD method[J].Automation &Instrumentation,2010,28(5):22-24.

[7] 王杰,申張亮.基于FBD諧波檢測(cè)方法的有源電力濾波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工電氣,2010(8):9-13.WANG Jie,SHEN Zhangliang.Design of active power filter system based FBD harmonic detection method[J].Electrotechnics Electric,2010(8):9-13.

[8] 吳峰,鄭建勇,梅軍.諧波電流檢測(cè)技術(shù)的理論與FBD法仿真試驗(yàn)研究[J].低壓電器,2011(15):45-50.WU Feng, ZHENG Jianyong,MEI Jun.Research of simulation and experiment for theory of harmonic detecting method and FBD method[J].Low Voltage Apparatus,2011(15):45-50.

(責(zé)任編輯 侯世春)

FBD harmonic detection method based on integral combination

LUO Peng, ZHANG Wei, GAO Guiliang

(School of Electrical &Control Engineering, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150022, China)

The conventional method uses phase-locked loop to detect the voltage orientation angle, by which the parameters are very complicated to design, leading to bad effects in engineering applications.Besides, the low pass filter adopted, which has an inherent delay lowering the real-time while filtering.In order to overcome the above shortcomings, this paper proposed the improved method on the basis of the traditional FBD method.It is a method that replaces the phase-locked loop by the generalized integrator to detect voltage phase, and the traditional low pass filter by the integral average method to remove distortion harmonic and to extract the DC component.Compared with the traditional method, the improved method makes the detection of the current amplitude and phase more accurate with the shortened response time.The simulation results verify the correctness and feasibility of the improved method.

FBD method;integral average;generalized integral;harmonic detection;non phase-locked loop

2016-04-24。

羅 鵬(1992—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

TM935

A

2095-6843(2016)05-0439-04