改進(jìn)電網(wǎng)諧波i_p，i_q檢測(cè)算法方法的研究

摘 要： 目前用于檢測(cè)電網(wǎng)中電流無(wú)功分量和諧波分量的主要方法是ip，iq算法。但此算法必須同時(shí)提取諧波分量和無(wú)功分量，計(jì)算量大，精度和延時(shí)性的缺陷也使得諧波治理效果一般。在此改進(jìn)的ip，iq算法為減少計(jì)算量，利用分頻檢測(cè)方法略去三相至兩相坐標(biāo)變換還有其逆變換，提高了檢測(cè)速度，且避免了原算法在三相四線制系統(tǒng)中會(huì)有的零序諧波泄漏誤差。仿真結(jié)果表明：改進(jìn)的算法具有較好的動(dòng)態(tài)性能和較高的檢測(cè)精度。

關(guān)鍵詞： ip，iq算法； 電網(wǎng)諧波； 諧波檢測(cè)算法； 檢測(cè)精度

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）14?0156?03

Method of improving ip，iq algorithm to detect harmonic in power grid

TANG Xue?jun， WANG Kai

（Hengyang city product quality supervision and Inspection Institute， Hengyang 421000， China）

Abstract： At present， the main method of grid detection for reactive current component and harmonic components is ip，iq algorithm. However， this algorithm have to extract the harmonic component and reactive component at the same time， so large calculation quantity and insufficiency of accuracy and time delay made the result of harmonic control undesirable. To reduce the amount of computation， this improved ip，iq algorithm improved detection rate and avoid the zero?sequence harmonic leakage error that the original algorithm would produce in three?phase four?wire system by using frequency division detection method to omit the coordinate transformation from three?phase to two?phase， as well as its inverse transform. The simulation results testified the good dynamic performance and detection accuracy of this improved， ip，iq algorithm.

Keywords： ip，iq algorithm； harmonic in power grid； harmonic detection algorithm； detection accuracy

要使用有源濾波器治理諧波的優(yōu)異特性治理電力系統(tǒng)的諧波，需要先解決兩個(gè)問題——諧波檢測(cè)和基波無(wú)功檢測(cè)。若能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地得到諧波及基波無(wú)功的信息，有源濾波器就可以此為參考來(lái)控制輸出，提高工作性能。最早通過模擬電路實(shí)現(xiàn)諧波檢測(cè)和基波無(wú)功檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是模擬濾波器會(huì)使相位和幅值產(chǎn)生較大的誤差。而高精度模擬濾波器極少采用，因?yàn)槠鋵?duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)十分敏感，很難設(shè)計(jì)[1]。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，開始使用數(shù)字檢測(cè)方法檢測(cè)諧波和基波無(wú)功。數(shù)字技術(shù)能克服模擬電路檢測(cè)技術(shù)存在的相位和幅值誤差等缺點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。

1 電網(wǎng)諧波檢測(cè)方法

目前，檢測(cè)諧波及基波無(wú)功電流多用傅里葉和FFT算法、基于干擾對(duì)消原理的自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法、基于神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法和瞬時(shí)無(wú)功功率法等[3]。

利用快速傅里葉變換，傅里葉和FFT算法把基波分量從變換后的電流信號(hào)中去除，然后對(duì)余下分量進(jìn)行反變換，最后得到諧波電流的時(shí)域信號(hào)[4]。但是這種算法對(duì)同步采樣要求很高，否則誤差較大，而且這種分析方法的延時(shí)較長(zhǎng)，要至少一個(gè)電網(wǎng)周期的歷史數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算傅里葉級(jí)數(shù)，只適合于變化緩慢的負(fù)載[5]。自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法框圖如圖1所示，該電路等效于一個(gè)理想的頻控二階陷帶濾波器。這種方法會(huì)遇到帶通濾波器設(shè)計(jì)上的困難，因?yàn)閰⒖夹盘?hào)V（t）如果在諧波檢測(cè)中發(fā)生畸變，則要用帶通濾波器進(jìn)行預(yù)處理，而且由于是用一個(gè)簡(jiǎn)單的積分環(huán)節(jié)做反饋環(huán)節(jié)的低通濾波器，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。近年來(lái)在優(yōu)化計(jì)算和自適應(yīng)控制方面已獲得廣泛的應(yīng)用，基于神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法如圖2所示，但由于理論上還不很完善，其快速響應(yīng)的性能優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)有技術(shù)手段下也無(wú)法保證實(shí)現(xiàn)。瞬時(shí)無(wú)功功率法可用于三相系統(tǒng)和單相系統(tǒng)計(jì)算負(fù)載的瞬時(shí)功率，它包含直流分量和脈動(dòng)分量，結(jié)合分布在整數(shù)倍電網(wǎng)周期內(nèi)一定長(zhǎng)度的歷史數(shù)據(jù)分離出脈動(dòng)部分，根據(jù)三相內(nèi)平均分配總電流的原則，可以得到所需的參考信號(hào)[6]。在不斷的改進(jìn)中，現(xiàn)有p?q法、d?q法及ip，iq法幾種方法。p?q法適用于電網(wǎng)電壓對(duì)稱且不畸變情況的諧波電流檢測(cè)；d?q法適用于電網(wǎng)電壓不對(duì)稱、畸變情況的諧波電流精確檢測(cè)，且有物理概念明確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、計(jì)算量少等優(yōu)點(diǎn)，通過不斷的研究和改進(jìn)、完善，已經(jīng)在許多方面得到了成功；ip，iq法不僅適用于電網(wǎng)電壓畸變，還適用于電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)[7?8]，其檢測(cè)框圖如圖3所示。

圖1 基于干擾對(duì)消原理的自適應(yīng)諧波檢測(cè)框圖

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)諧波檢測(cè)框圖

圖3 法檢測(cè)電網(wǎng)諧波電流的檢測(cè)框圖

2 改進(jìn)的電網(wǎng)諧波ip，iq檢測(cè)方法和仿真分析

2.1 改進(jìn)的電網(wǎng)諧波ip，iq檢測(cè)方法

對(duì)于有源濾波器，其指令電流的計(jì)算精度和速度決定了濾波性能的好壞[9?10]。

對(duì)單相電流進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，設(shè)電網(wǎng)單相瞬時(shí)負(fù)載電流為：

（1）

式中，和分別為瞬時(shí)基波有功、無(wú)功電流分量；為各次諧波分量之和；為n次諧波電流幅值；為n次諧波相位。在式（1）兩邊同時(shí)乘上，則：

（2）

同理，在式（1）兩邊同時(shí)乘上，則：

（3）

由式（2）和式（3）可知，要通過一個(gè)截止頻率比基波頻率低的低通濾波器，才能得到和分量。

PWM控制的APF，其逆變器的直流側(cè)電壓必須維持恒定，提供一個(gè)電壓基準(zhǔn)，才能效地補(bǔ)償系統(tǒng)諧波電流[11?12]。但是由于要控制補(bǔ)償電流迅速跟蹤負(fù)載諧波電流，不僅其固有的線路電阻和開關(guān)損耗產(chǎn)生有功損耗，而且工作狀態(tài)變化時(shí)也將從系統(tǒng)吸收一定有功功率，這可能引起其直流側(cè)電壓波動(dòng)或出現(xiàn)欠壓，影響安全運(yùn)行[13?14]。因此為了使APF正常工作，引入一個(gè)直流電壓反饋環(huán)節(jié)，來(lái)保證恒定。將與參考電壓的差值通過PI控制器，再將這個(gè)值與有功直流疊加，維持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。

在逆變時(shí)，用合成的有功分量乘以，便得到瞬時(shí)基波有功電流分量：

（4）

綜上所述，得到補(bǔ)償參考電流為：

（5）

斷開計(jì)算通道，即可同時(shí)檢測(cè)諧波和無(wú)功功率。為了不使畸變電壓的諧波成分出現(xiàn)在運(yùn)算中，采用數(shù)字PLL法跟蹤A相電網(wǎng)電壓，所以，改進(jìn)的諧波電流檢測(cè)方法能保證電流檢測(cè)精度，不受畸變電壓的影響。其原理框圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后檢測(cè)諧波電流原理圖

改進(jìn)的諧波電流檢測(cè)算法計(jì)算量減小，不用計(jì)算三相至兩相坐標(biāo)變換及逆變換，且能避免ip，iq法在三相四線制系統(tǒng)中零序諧波泄漏的情況，有較好的跟蹤精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2.2 仿真分析

穩(wěn)態(tài)時(shí)的檢測(cè)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性決定了諧波檢測(cè)算法的性能。在此采用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)的諧波電流檢測(cè)算法這兩項(xiàng)指標(biāo)。令輸入信號(hào)為一負(fù)載電流，其余各次諧波電流成分穩(wěn)定。Matlab軟件初始化時(shí)會(huì)存在一定的信號(hào)誤差[10]，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。頻譜圖如圖8，圖9所示。

圖5 改進(jìn)后諧波電流檢測(cè)算法電路圖

圖6 負(fù)載電流波形

圖7 基波有功參考電流波形

圖8 負(fù)載電流頻譜圖

由圖6和圖7可以看出，改進(jìn)的諧波檢測(cè)法可以很好地檢測(cè)到需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流分量，具有較好的跟蹤精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。而負(fù)載電流和基波有功參考電流的FFT分析顯示，由于受到3次、5次、7次、13次諧波的影響，負(fù)載電流波形發(fā)生畸變，總畸變率達(dá)到4.2%。經(jīng)采用改進(jìn)諧波電流檢測(cè)后，得到基本只含基波電流，驗(yàn)證了本方法的正確性和可行性。

圖9 基波有功參考電流頻譜圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的這種改進(jìn)的檢測(cè)諧波電流的方法，改進(jìn)了原ip，iq法在三相四線制系統(tǒng)中零序諧波泄漏的情況，減小了計(jì)算量，有較好的跟蹤精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。且低通濾波器采用三階Elliptic型IIR，阻帶波紋衰減較大，單位階躍響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間短，超調(diào)較小。

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