郭鶴翔， 智澤英， 吳英

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.國網(wǎng)臨汾供電公司 調(diào)控中心，山西 臨汾 041000)

電網(wǎng)電壓畸變時(shí)諧波電流檢測方法研究

郭鶴翔1， 智澤英1， 吳英2

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.國網(wǎng)臨汾供電公司 調(diào)控中心，山西 臨汾 041000)

電網(wǎng)電壓畸變狀態(tài)下鎖相環(huán)難以提供準(zhǔn)確相位信息，影響諧波電流檢測的精度，低通濾波器的存在會影響諧波檢測的實(shí)時(shí)性。針對這些問題提出了一種改進(jìn)的諧波電流檢測方法，用正弦幅值積分器替代鎖相環(huán)，從畸變電壓中提取基波正序電壓在電壓畸變時(shí)仍能精確檢測出諧波電流并用固定周期內(nèi)的積分模塊代替低通濾波器，降低了檢測的時(shí)延，通過MATLAB仿真證實(shí)了方法的正確性和有效性。

電壓畸變；諧波檢測；FBD法；正弦幅值積分器；延時(shí)

0 引 言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)設(shè)備以及精密儀器對電能質(zhì)量的要求越來越高，由于非線性電力電子器件的存在，諧波問題在所難免，治理電能質(zhì)量問題的補(bǔ)償裝置得到廣泛的發(fā)展。有源電力濾波器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、統(tǒng)一潮流控制器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等一系列電力系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)補(bǔ)償裝置可實(shí)現(xiàn)各類電能質(zhì)量問題的綜合治理。這些裝置實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電能都是建立在對補(bǔ)償量精準(zhǔn)、快速檢測的基礎(chǔ)上。本文提出一種改進(jìn)的FBD(Fryze-Buchholz-Dpenbrock)諧波電流檢測方法，檢測電路簡化，不存在復(fù)雜坐標(biāo)變換，可減少資源投入，實(shí)現(xiàn)電壓畸變狀態(tài)下諧波電流的檢測。通過Simiulink進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了改進(jìn)后的檢測方法檢測諧波電流的快速性，該方法用于有源電力濾波器的補(bǔ)償效果較好。

1 諧波電流檢測方法

電力系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置[1-2]通過跟蹤補(bǔ)償檢測得到的補(bǔ)償指令電壓或指令電流，實(shí)現(xiàn)電壓和電流的調(diào)整控制，因此檢測環(huán)節(jié)是電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的重要組成部分。

目前對諧波電流的檢測[3]使用較多的方法是基于時(shí)域的瞬時(shí)無功功率檢測方法，包括在正交的兩相坐標(biāo)系內(nèi)分析的兩相瞬時(shí)功率理論和在三相坐標(biāo)系內(nèi)分析的三相瞬時(shí)功率理論，它們代表性的諧波檢測方法分別是ip-iq法與FBD法。

ip-iq諧波電流檢測法原理圖如圖1所示。

圖1 ip-iq法諧波電流檢測原理圖

此法中，通過鎖相環(huán)提取a相電壓的相位信息，通過正余弦發(fā)生電路得到與ua同相位的sinωt和cosωt，由定義可計(jì)算出ip、iq：

(1)

ip-iq法在有源濾波裝置上的應(yīng)用比較廣泛，但也存在自身的缺點(diǎn)，檢測過程需要四次坐標(biāo)變換，電壓畸變時(shí)，相位檢測環(huán)節(jié)須提供準(zhǔn)確相位產(chǎn)生正余弦函數(shù)，這對鎖相環(huán)[4]性能要求較高，檢測電路復(fù)雜，通常包含復(fù)雜坐標(biāo)變換與低通濾波器，使諧波檢測的快速性受到影響，一般鎖相環(huán)檢測出的補(bǔ)償量誤差較大，通過有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后補(bǔ)償效果較差，電流總畸變率高，且達(dá)到穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)臅簯B(tài)過程較長。

FBD法是基于三相的瞬時(shí)功率理論，原理是假設(shè)電路的負(fù)載均為理想的電導(dǎo)元件分別串接于三相， 功率都無損失地消耗在等效電導(dǎo)上，電流包含諧波分量與無功分量時(shí)，只需提取等效有功電導(dǎo)與等效無功電導(dǎo)的直流分量，分別乘以同相位電壓，得到基波電流的有功分量與無功分量，兩者之和與負(fù)載電流相減可以得到諧波分量，其原理框圖如圖2所示。

圖2 FBD法諧波電流檢測原理框圖

參考電壓可通過直接測量電網(wǎng)電壓得到，如果電壓畸變，檢測得到的補(bǔ)償量不具有參考性；通過鎖相環(huán)提取單相的相位信息，由正余弦發(fā)生器構(gòu)造單位三相交流電壓作為參考電壓去計(jì)算諧波電流，在三相三線制系統(tǒng)中不含零序電流，負(fù)載電流可表示為：

(2)

式中Ian、Ibn、Icn為n次諧波電流的幅值，φan、φbn、φcn為n次諧波電流的功率因數(shù)角，下標(biāo)1，2分別表示正序電流、負(fù)序電流。

等效有功電導(dǎo)為：

(3)

等效無功電導(dǎo)為：

(4)

由FBD法原理可知，此法實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流檢測的結(jié)構(gòu)簡單，沒有坐標(biāo)變換，就快速性較ip-iq法更好。兩種方法的共同之處是都需要鎖相環(huán)提供單相的相位信息，都需要通過低通濾波器得到直流分量，在電網(wǎng)電壓畸變狀態(tài)下仍存在檢測不準(zhǔn)確與延時(shí)問題。

2 改進(jìn)諧波電流檢測方法

針對ip-iq法和FBD法存在的缺點(diǎn)，對現(xiàn)有檢測方法進(jìn)行改進(jìn)：以FBD法計(jì)算電路為基礎(chǔ)，不再通過鎖相環(huán)加正余弦發(fā)生器產(chǎn)生參考電壓信號，而是通過構(gòu)造多通道正弦幅值積分器[5]，直接從畸變的電壓中提取出基波電壓[6-7]，并作為計(jì)算諧波電流的參考信號，這種基波電壓提取單元類似于陷波器，但檢測的快速性比陷波器好，不存在濾波器；不再通過低通濾波器濾除有功電導(dǎo)的交流分量，而是通過對有功電導(dǎo)的一般表達(dá)式進(jìn)行分析，根據(jù)正余弦量在周期內(nèi)的積分值為零的原理，消除交流分量得到直流分量。改進(jìn)后的檢測原理圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)諧波電流檢測原理框圖

圖4 正弦幅值積分電路

基波電壓的獲取原理類似于陷波器，即在復(fù)合信號中提取出希望得到的固定頻率的正弦信號，但本文中提取基波電壓的結(jié)構(gòu)不同于陷波器，將三相電壓變換到αβ坐標(biāo)系下作為輸入，對正弦信號的幅值進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)對正弦信號的無靜差跟蹤，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，可得到傳遞函數(shù)為：

(5)

由傳遞函數(shù)可得到頻率特性，在角頻率ω處幅值達(dá)到最大，在此ω=50 Hz，而ω以外的頻率均被衰減，因此對系統(tǒng)特征次諧波分別構(gòu)造對應(yīng)中心頻率的積分單元，可以實(shí)現(xiàn)對不同信號的提取，在此只需提取出基波電壓，用于諧波及無功電流的計(jì)算。

對于低通濾波器存在的弊端，用特定周期內(nèi)的積分單元消除交流分量，在快速性與精確性都較低通濾波器得到提高。對等效有功電導(dǎo)的一般表達(dá)式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)正序電流與負(fù)序電流作用于等效有功電導(dǎo)，表現(xiàn)為正序電流的諧波次數(shù)減一，而負(fù)序電流的諧波次數(shù)加一，而電力系統(tǒng)中的三相整流裝置，其負(fù)載電流以6k±1次諧波為主，并且6k-1次諧波表現(xiàn)為負(fù)序，6k+1次諧波表現(xiàn)為正序，依照前述規(guī)律等效電導(dǎo)交流量頻率分布為6k次，則最大周期為T/6，由于正余弦量在周期內(nèi)積分為零，那么對等效有功電導(dǎo)進(jìn)行T/6延遲積分，可以得到其直流分量。將改進(jìn)后的方法與不同截止頻率的低通濾波器進(jìn)行仿真對比，結(jié)果如圖5所示，使用低通濾波器獲取等效電導(dǎo)直流分量時(shí)，截止頻率低時(shí)響應(yīng)速度慢，動態(tài)過程長；截止頻率高時(shí)穩(wěn)態(tài)直流分量存在波動；通過積分消除交流分量的方法，負(fù)載變化時(shí)，快速性與穩(wěn)定性均得到提高。

圖5 等效電導(dǎo)直流分量仿真對比

3 仿真分析

對改進(jìn)的諧波電流檢測方法通過Simiulink進(jìn)行仿真分析，將改進(jìn)的檢測方法與ip-iq諧波電流檢測法、FBD法分別應(yīng)用于有源電力濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，采用相同的PWM控制策略，對達(dá)到穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間、電壓畸變狀態(tài)下補(bǔ)償后電源電流總諧波畸變率進(jìn)行對比。三相三線制系統(tǒng)線電壓為220 V，諧波源為帶阻感負(fù)載的三相橋式整流電路，負(fù)載電阻值為10，電感值為1 mH；仿真時(shí)間為0.2 s，通過三相可編程電壓源在0.1 s注入電壓諧波，以單項(xiàng)為例進(jìn)行分析，補(bǔ)償前電源電流的波形圖如圖6a，應(yīng)用ip-iq諧波電流檢測法、FBD法、改進(jìn)的檢測方法進(jìn)行諧波檢測，并通過有源電力濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后電流波形如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償前、后單相電源電流波形圖

補(bǔ)償前電源電流的電流總畸變率在0.1 s之前為24.72%，0.1 s電壓畸變后電源電流諧波總畸變率為24.84%。對補(bǔ)償后的電源電流進(jìn)行頻譜分析，補(bǔ)償后的電流諧波總畸變率與達(dá)到穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間如表1所示。

在電壓無畸變狀態(tài)下，三種諧波電流檢測方法用于補(bǔ)償電源電流的結(jié)果差別較小，采用改進(jìn)的檢測方法達(dá)到穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間最短，而在0.1 s后電壓畸變狀態(tài)下，ip-iq諧波電流檢測法無法鎖定電壓的相位信息，補(bǔ)償效果差，采用改進(jìn)的方法補(bǔ)償后效果最佳。通過仿真比較，驗(yàn)證了改進(jìn)后的諧波檢測方法實(shí)現(xiàn)諧波電流檢測的快速性得到提高，在電壓畸變的狀態(tài)下仍可以準(zhǔn)確檢測出諧波電流，補(bǔ)償后電流質(zhì)量最佳。

表1 電源電流補(bǔ)償結(jié)果

4 結(jié)束語

本文對諧波電流的檢測方法進(jìn)行了分析，針對檢測存在的快速性較差、電壓畸變時(shí)諧波檢測失準(zhǔn)的缺點(diǎn)，在FBD法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過對低通濾波環(huán)節(jié)的改進(jìn)，提高了檢測的快速性，通過對參考電壓獲取環(huán)節(jié)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了在電壓畸變時(shí)檢測諧波電流的準(zhǔn)確性，通過仿真進(jìn)行對比，改進(jìn)后諧波檢測方法的快速性準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。

[1] 王兆安,楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

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A Study on Harmonic Current Detection Methods in Case of Grid Voltage Distortion

Guo Hexiang1, Zhi Zeying1,Wu Ying2

(1.Department of Electronics and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024, China;2. Regulation and Control Center, State Grid Linfen Power Supply Co., Linfen Shanxi 041000, China)

In case of grid voltage distortion, the phase-locked loop can hardly provide accurate phase information, a problem which affects the precision of harmonic current detection. Existence of the low-pass filter will affect the real-time performance of harmonic detection. In such background, this paper puts forward an improved harmonic current detection method by which the phase-locked loop is replaced with a sinusoidal amplitude integrator, and fundamental positive sequence voltage is extracted from distorted voltage, so that harmonic current can be detected accurately even in case of voltage distortion. Furthermore, an integral module of a fixed period is used in place of the low-pass filter to reduce time delay of the test. Results of MATLAB simulation verify the correctness and validity of this approach.

voltage distortion; harmonic detection; FBD method; sinusoidal amplitude integrator; time delay

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.027

TM761

A

1000-3886(2017)04-0092-03

定稿日期: 2016-12-12

太原科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(20151009)

郭鶴翔(1991-)，男，山西襄汾人，碩士生，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制。