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        低通濾波器對(duì)ip-iq運(yùn)算檢測(cè)法檢測(cè)效果的影響與分析

        2018-08-14 06:18:44許敏
        船電技術(shù) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:檢測(cè)

        許敏

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        低通濾波器對(duì)ip-iq運(yùn)算檢測(cè)法檢測(cè)效果的影響與分析

        許敏

        (上海海事大學(xué),上海 201306)

        基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq檢測(cè)法中低通濾波器會(huì)使檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生延遲,檢測(cè)效果不好。為了提高檢測(cè)效果,本文對(duì)三種典型低通濾波器關(guān)于諧波電流檢測(cè)效果的影響進(jìn)行了仿真研究,通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)Butterworth低通濾波器對(duì)檢測(cè)結(jié)果的延遲較大,基于最小均方自適應(yīng)原理的低通濾波器的檢測(cè)結(jié)果精度不高,而所提出的積分低通濾波器的檢測(cè)結(jié)果具有良好的實(shí)時(shí)性和精確度。因此,采用積分低通濾波器對(duì)諧波檢測(cè)具有優(yōu)越性能。

        瞬時(shí)無(wú)功功率理論 ip-iq運(yùn)算方式檢測(cè)方法 低通濾波器

        0 引言

        諧波是影響電能質(zhì)量的主要原因之一,而有源電力濾波器是當(dāng)前抑制諧波的一個(gè)重要趨勢(shì),其基本原理是實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流的諧波, 然后通過(guò)補(bǔ)償電路產(chǎn)生與負(fù)載電流大小相等、方向相反的電流, 兩者相互抵消,從而消除諧波電流, 使電源電流中只含基波不含諧波,達(dá)到抑制諧波的效果。有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流的諧波和無(wú)功電流, 以得到補(bǔ)償指令電流信號(hào), 其檢測(cè)結(jié)果直接關(guān)系到整個(gè)有源電力濾波器的補(bǔ)償性能。

        目前,對(duì)諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)有多種方法,如同步檢測(cè)法、d-q 變換法以及快速傅里葉變換(FFT)等。而基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法在有源電力濾波器中的應(yīng)用最廣泛的。本文通過(guò)對(duì)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的i-i運(yùn)算方式檢測(cè)方法的研究,根據(jù)所推出的諧波電流檢測(cè)電路,利用MATLAB 軟件做了相應(yīng)的仿真電路,并對(duì)三種低通濾波器對(duì)檢測(cè)效果的影響進(jìn)行了仿真分析,得出積分低通濾波器具有良好的檢測(cè)性能。

        1 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的運(yùn)算方式的諧波檢測(cè)方法

        1.1ip-iq運(yùn)算方式的檢測(cè)方法原理

        以三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ),計(jì)算出三相電路瞬時(shí)有功電流i和三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流i,然后通過(guò)變換得到諧波和無(wú)功電流。原理框圖如圖1所示[1]。

        式中

        圖2 諧波檢測(cè)模型

        1.2 檢測(cè)諧波電流的仿真模型

        在MATLAB 仿真軟件中Simulink 環(huán)境下,搭建相應(yīng)仿真模塊,得到諧波檢測(cè)的模型如圖2.1,仿真結(jié)果如圖3所示。

        (a)A相負(fù)載電流

        (b)檢測(cè)出基波電流和諧波電流

        圖3 檢測(cè)結(jié)果

        2 低通濾波器的仿真分析

        2.1 Butterworth 濾波器分析

        傳統(tǒng)的低通濾波器(LPF),大多數(shù)采用的是二階Butterworth濾波器[2]。其階數(shù)和截止頻率的設(shè)置直接影響諧波檢測(cè)的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性。當(dāng)提高濾波器的階數(shù)時(shí),檢測(cè)結(jié)果精度得到了提高,但濾波器的反映速度變慢,并且高階的低通濾波器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本增加,從而較難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)階數(shù)相同時(shí),截止頻率越高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率越快。但檢測(cè)結(jié)果的精度降低。經(jīng)過(guò)多次參數(shù)調(diào)整和比較,選用二階的Butterworth低通濾波器,截止頻率為40Hz,其檢測(cè)性能最好。經(jīng)過(guò)二階的 Butterworth低通濾波器提取到的基波電流和諧波電流波形如圖4所示。

        2.2 基于最小均方自適應(yīng)原理的低通濾波器分析

        適應(yīng)濾波器可以準(zhǔn)確的追蹤被檢測(cè)波形的各次諧波幅值和頻率,因此,廣泛的應(yīng)用在信道均衡、噪聲處理、系統(tǒng)識(shí)別、線性預(yù)測(cè)等領(lǐng)域中。對(duì)于有源電力濾波器,通常在諧波檢測(cè)電路中代替?zhèn)鹘y(tǒng)低通濾波器。自適應(yīng)濾波器的計(jì)算量和預(yù)期結(jié)果受氣結(jié)構(gòu)組成影響,針對(duì)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)形式可以分為有限脈沖響應(yīng)(FIR)自適應(yīng)濾波器和無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)自適應(yīng)濾波器,其中橫向結(jié)構(gòu)的有限脈沖響應(yīng)在有源電力濾波器中的應(yīng)用較為廣泛。如圖5為多個(gè)輸入的橫向結(jié)構(gòu)的有限脈沖響應(yīng)(FIR)自適應(yīng)濾波器的原理圖。

        圖4 使用Butterworth檢測(cè)的基波和諧波波形

        圖5 自適應(yīng)濾波器原理圖

        圖6 基于最小均方自適應(yīng)原理的低通濾波器仿真波形

        其中,X(t)為一組輸入信號(hào)矢量,W(t)為對(duì)應(yīng)的權(quán)值系數(shù)矢量,y(t)為輸出信號(hào),d(t)為系統(tǒng)的期望值輸入,e(t)為輸入與輸出之間的差值[3]。

        最小均方自適應(yīng)算法是自適應(yīng)算法中應(yīng)用最廣泛的一種,具有較強(qiáng)的魯棒性并且計(jì)算簡(jiǎn)單。最小均方自適應(yīng)算法在有源電力濾波器的諧波檢測(cè)電路中可以提高諧波檢測(cè)精確度和實(shí)時(shí)性,通過(guò)固定采樣步長(zhǎng),得到低通濾波器的迭代公式分別為(4)。其中μ是迭代步長(zhǎng)量。

        通過(guò)對(duì)基于最小均方自適應(yīng)原理的低通濾波器仿真的優(yōu)選調(diào)試,得出對(duì)于固定步長(zhǎng)的濾波器參數(shù)設(shè)定為μ=0.009時(shí),檢測(cè)效果最好,仿真波形如圖7所示。

        (4)

        2.3 積分低通濾波器的分析

        由于Butterworth使得檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的延時(shí),所以使用積分濾波器,以緩解諧波檢測(cè)結(jié)果延時(shí)的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)負(fù)載電流FFT分析可知,諧波中含有多次高于5次的奇次諧波,因此將三相電網(wǎng)負(fù)載電流用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi),具體表達(dá)式如下:

        水稻的分蘗期到乳熟期,不同滲漏強(qiáng)度下土壤水分變化特征如圖1??傮w來(lái)看,滲漏強(qiáng)度越大的稻田土壤含水率下降越快。分蘗期水稻植株耗水較慢,不同處理間土壤水分變化差異較明顯,此時(shí)土壤水分下降速率D3>D2>D1,分蘗期末曬田期間土壤含水率降低到一個(gè)較低水平。拔節(jié)孕穗期水稻生長(zhǎng)耗水量大且快,土壤水分從飽和下降到水分下限時(shí)間較分蘗期短。抽穗開(kāi)花期土壤水分下降速率D2>D3>D1,這可能是因?yàn)闈B漏強(qiáng)度為2 mm/d的水稻后期長(zhǎng)勢(shì)較好,植株蒸騰量增大,使得D2處理水分下降速率快于D3處理。乳熟期不同處理間土壤水分下降速率差異較小。

        位于梅村伯瀆河畔的泰伯廟不僅成為祭祀泰伯的中心,而且成為中華民族吳氏宗親對(duì)祖先的記憶之地,更是成為激發(fā)文化自信、文化惠民的多元文化空間。2016年,梅村把“致力發(fā)展特色文化旅游產(chǎn)業(yè)”寫進(jìn)了“十三五”規(guī)劃,提出了打造梅里文化小鎮(zhèn)的構(gòu)想。

        (5)

        (6)

        將三相電流轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系下的兩相瞬時(shí)電流,具體表達(dá)式如(6)。

        1.描述種子萌發(fā)的條件和過(guò)程(了解)。從2013年開(kāi)始,落實(shí)該部分內(nèi)容的考題均以選擇題的形式出現(xiàn),分別出現(xiàn)在2013年、2014年、2016年、2018年,每年都只有一題,分值為1.5分。這一內(nèi)容主要考查種子萌發(fā)的條件:內(nèi)因,即胚的完整性;外因,即空氣、水分、溫度等。

        由式(6)可知,ip、iq除基波分量以外,主要含有的高次諧波都是電網(wǎng)基波的6倍頻量,因此對(duì)高次諧波在1/6電網(wǎng)周期內(nèi)進(jìn)行積分,使得積分值為零,從而濾除高次諧波量,得到負(fù)載電流的基波量。采用簡(jiǎn)單的積分環(huán)節(jié)、延時(shí)環(huán)節(jié)和增益環(huán)節(jié)可以組合成具有低通濾波器作用功能的低通濾波器。濾除諧波分量的積分表達(dá)式如式(7)所示。該積分低通濾波器的MATLAB仿真結(jié)果如圖8所示。

        從圖7中可以看出積分低通濾波器的檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性較好,且基波和諧波波形的誤差明顯縮小。圖8是三種低通濾波器所對(duì)應(yīng)的的波形。經(jīng)比較積分低通濾波器對(duì)提高電力有源濾波器的諧波補(bǔ)償性能起到了良好的效果。

        (7)

        3 總結(jié)

        低通濾波器對(duì)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論檢測(cè)諧波的效果具有直接的影響,本文分別對(duì)三種典型的低通濾波器進(jìn)行仿真分析。首先對(duì)傳統(tǒng)的二階Butterworth低通濾波器進(jìn)行仿真,檢測(cè)結(jié)果表明有較大的延時(shí),從而對(duì)補(bǔ)償電流發(fā)生電路具有嚴(yán)重的影響。其次仿真了基于最小均方自適應(yīng)的低通濾波器,該類型低通濾波器的自適應(yīng)能力較好,但步長(zhǎng)固定會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在誤差。最后提出了積分算法的低通濾波器,仿真結(jié)果表明該類型低通濾波器的檢測(cè)速度較快,延時(shí)誤差很小,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。綜上所述,在應(yīng)用ip-iq運(yùn)算方式的檢測(cè)方法時(shí),選擇積分低通濾波器可以得到較精確實(shí)時(shí)的諧波和無(wú)功電流。

        圖7 積分低通濾波器仿真波形

        圖8 三種低通濾波器的ip波形

        參考文獻(xiàn):

        [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,2005.

        [2] 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]. 天津大學(xué), 2012.

        [3] 孫嘉興.基于瞬時(shí)無(wú)功功率的電力有源濾波器研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué), 2017.

        [4] Fei J, Li T, Zhang S. Indirect current control of active power filter using novel sliding mode controller[C]// Control and Modeling for Power Electronics. IEEE, 2012:1-6.

        [5] S.Rahmani,A. Hamadi and K. Al-Haddad, A Lyapunov-function-based control for a three-phase shunt hybrid active filter2904-2915 [J] in IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59 (3) :1418-1429.

        [6] Akagi H, Isozaki K. A hybrid Active filter for a three-phase 12-pulse diode rectifier used as the front end of a medium-voltage motor drive[J]. Power Electronics IEEE Transactions on, 2012, 27(1):69-77.

        Influence and Analysis of Low-pass Filter on Detection Effect of ip-iqComputing Detection

        Xu Min

        (Shanghai Maritime University, Shanghai 201306)

        Abstract: The low-pass filter in ip-iq detection method based on the instantaneous reactive power theory delays the detection result, making the detection effect worse. In this paper, the effects of three kinds of typical low-pass filters on harmonic current detection effects are simulated. Through comparison, it is found that the Butterworth low-pass filter has a large delay to the detection results, and a low-pass filter based on least mean square adaptive principle is used. The accuracy of the detection results is not high, and the proposed integrated low-pass filter is good in real-time and accuracy. Therefore, the superior performance of the harmonic detection effect using the integrated low-pass filter is verified.

        Keywords: instantaneous reactive power theory; operation method detection method; low-pass filter

        中圖分類號(hào):TM761

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1003-4862(2018)07-0012-05

        收稿日期:2018-03-15

        作者簡(jiǎn)介:許敏(1993-),女,研究生。研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。

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