劉瑞祺, 王 賓， 梁立振， 劉 偉

(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031;3.合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實驗室,安徽 合肥 230071)

0 引 言

隨著電網(wǎng)全球化的布局展開，各式各樣的電力電子裝置不斷投入電網(wǎng)系統(tǒng)中，同時與之而的來大量非線性負荷導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波污染問題不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)已引起了廣泛學(xué)者的討論和關(guān)注，而有源濾波器能有效緩解諧波污染，降低電能質(zhì)量損害，但只有準確、快速地檢測到諧波，才能對其有效的進行諧波抑制。

目前常用的諧波檢測方法主要有基于傅里葉變換的檢測方法、基于小波分析法的諧波電流檢測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法和基于瞬時無功理論的諧波檢測方法[1]。傅里葉變換(FFT)的計算量大，實時性差，拖慢系統(tǒng)的運行速度，而且只能檢測平滑信號，適用范圍小;小波變換的最佳小波選取困難，所需的時間既長又難，而且存在混疊現(xiàn)象;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法最近幾年發(fā)展迅速，但算法需要大量的樣本數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，而且缺乏統(tǒng)一的標準，算法的軟硬件部分實現(xiàn)也較為困難。而瞬時無功功率理論對電網(wǎng)頻率變化不敏感，擁有較快的動態(tài)響應(yīng)速度，且檢測精度最佳，是當下最常使用的諧波檢測方法。

許多學(xué)者基于這一理論提出了各種改進方案。學(xué)者楊歡提出了一種無PLL的檢測方法[2]，但低頻信號容易干擾檢測過程，降低檢測精度，另外設(shè)計成本昂貴，復(fù)雜程度高。學(xué)者賈峰提出了一種改進的小波變換檢測方法[3]，但該方法仍存在小波函數(shù)的混疊現(xiàn)象，使基波分量中混有諧波，影響精度。

針對傳統(tǒng)檢測方法的不足，提出了在諧波檢測上采用了ButterWorth濾波器與積分均值濾波器串聯(lián)使用方案，并在反饋系統(tǒng)引入PD控制。不但改善了濾波效果，而且在檢測的響應(yīng)速度和精度上有較大提升，對比傳統(tǒng)的ip-iq諧波檢測效果有明顯改善。

1 新型諧波檢測算法

基于傳統(tǒng)的ip-iq諧波檢測方法，選擇在以下兩個方面進行改進與提升：

(1)在系統(tǒng)的濾波部分，檢測濾波器不再選擇單一的LPF，而采用混合串聯(lián)濾波器：ButterWorth低通濾波器+積分均值濾波器。

(2)為了補償濾波檢測產(chǎn)生的延時誤差，在輸入端引入諧波及無功電流反饋環(huán)節(jié)，反饋系統(tǒng)使用PD控制的校正裝置。

通過這兩種改進方法，整個系統(tǒng)在諧波檢測的可靠性和準確性提升較大，而且檢測效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)諧波檢測。

1.1 改進的均值濾波器

傳統(tǒng)的ip-iq諧波電流檢測算法是通過利用瞬時無功功率理論得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq[4]，首先通過矩陣C32的Clark變換，將ia,ib,ic變換得到在兩相靜止坐標系下的瞬時電流iα，iβ，再將iα，iβ通過Park變換公式計算出ip和iq，如式(1):

(1)

通過式(1)可以得出，當有功電流ip和無功電流iq中m =1時，表示電流已經(jīng)流過低通濾波器。此時，再經(jīng)過公式(2)，電流逆變換得到三相電流的基波if=[iaf，ibf，icf]。

(2)

通過上述理論的分析可知，在傳統(tǒng)的ip-iq諧波電流檢測方法中，實際的檢測效果與LPF的參數(shù)設(shè)計有很大關(guān)系，濾波器的階次，截止頻率都會對濾波造成不同的延時作用，造成濾波效果的差異，傳統(tǒng)檢測方法中LPF的響應(yīng)速度與濾波效果是矛盾的。

選擇使用ButterWorth低通濾波器并串聯(lián)上積分均值濾波器，ButterWorth濾波器作為檢測直流信號的濾波器，其濾波效果好壞與階數(shù)有較大聯(lián)系。高階的ButterWorth濾波器的濾波效果優(yōu)于低階，在穩(wěn)定后檢測到的直流信號基本不含諧波分量，但分析動態(tài)響應(yīng)速度，低階是快于高階的[5]。所以為了兼顧濾波效果和響應(yīng)速度。在本文仿真實驗中選用了二階ButterWorth濾波器，設(shè)置截止頻率為50hz。

為了進一步提高精度，解決三相電壓不平衡和各自負載不平衡時的情況，在ButterWorth濾波器后使用積分均值濾波的方法，計算當前ip,iq的平均值即為基波正序電流所對應(yīng)的直流分量,公式如(3)所示，設(shè)置動態(tài)響應(yīng)速度為補償響應(yīng)時間的T/6周期，更加符合對電網(wǎng)諧波的檢測要求，在提高精度的同時，動態(tài)響應(yīng)速度也達到滿意的預(yù)期效果。

(3)

1.2 PD控制系統(tǒng)

在實際的諧波檢測中，基波電流的增大或減小都可能導(dǎo)致濾波器的延遲作用，為此在諧波檢測的輸入端引入了諧波和無功電流反饋，而反饋信號通過調(diào)整增益K的值來縮短響應(yīng)時間[6-7]。隨著K增大，檢測的動態(tài)響應(yīng)速度加快，但輸出直流分量中的高次諧波分量也會增加，精度明顯下降。所以在反饋增益前增加了一個PD控制環(huán)節(jié)，當出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定和異常狀態(tài)時，能可靠有效的保證檢測的良好精度。設(shè)基波瞬時有功電流檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為Gf(s)，PD控制器的傳遞函數(shù)如(4)-(6)：

Hf(s)=Kp(1+TDs)

(4)

則改進后的諧波檢測傳遞函數(shù)為:

(5)

將式(3)代入式(4)可得:

(6)

由公式(5)可知，PD控制器在反饋系統(tǒng)中作為超前校正裝置，提供超前修正信號，彌補暫態(tài)時刻諧波檢測動態(tài)性能差的缺陷。因此，該方法彌補了檢測精度不足和響應(yīng)速度慢的問題。改進后的原理框圖如圖4所示。

2 仿真與分析

為了驗證改進后諧波檢測的有效性，在MATLAB/simulink 中根據(jù)原理圖4搭建改進出諧波電流檢測算法進行驗證。將仿真時間設(shè)為0.1s,具反饋增益K的值取0.05,ButterWorth的截止頻率50Hz,均值濾波器延遲時間設(shè)為0.03s,PD反饋系統(tǒng)中KP=0.04,TD=0.001s。

由上述原理可知，在諧波檢測技術(shù)中關(guān)鍵在于是否能精確的計算出ip和iq的值。而檢測效果則有濾波器的檢測精度和響應(yīng)時間這兩個方面有關(guān)[8]。為了驗證方法的有效性，將方法與傳統(tǒng)LPF中在檢測瞬時有功電流的直流分量ip方面進行比較,結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果表明，在LPF后引入積分均值濾波器后，算法具有良好的特性，檢測精度高、動態(tài)時延小。同時在諧波檢測系統(tǒng)中引入了PD反饋，有效地利用了可能包含諧波的基波有源電流相位分量，因此比傳統(tǒng)LPF的響應(yīng)速度快。

在三相電壓對稱且無畸變的情況下，分析如圖所示的改進諧波檢測方法下的A相基波和傳統(tǒng)檢測的A相基波。由圖6(a)可看出經(jīng)過改進檢測方法后的A相基波電流基本為正弦波圖行，延時1個周期，A相基波波形大約在0.028s時間內(nèi)波形達到峰值，通過Powerful模塊下 FFT Analysis Tool窗口得到采用傳統(tǒng)濾波的A相基波電流諧波總畸變率THD為0.68%，而采用新型濾波器的諧波總畸變率THD為0.56%，對比數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)改進的諧波檢測方法是合理且有效的。

3 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)的實時諧波檢測方法的不足，利用瞬時無功理論，提出了一種改進的ip-iq諧波檢測方法。在LPF后串聯(lián)一個積分均值濾波器，然后分析該積分均值模塊濾波后的瞬時有功直流分量。此外，還引入了反饋環(huán)路來補償LPF造成的延遲。大量的仿真實驗表明，與傳統(tǒng)方法相比，該方法不僅具有較高的檢測精度和較低的響應(yīng)延遲，而且具有良好的通用性。