基于MATLAB的廣義有源電力濾波器檢測方法研究

呂振梅，鄭龍

（湖南省電力公司超高壓管理局，湖南 長沙 410076）

1 引言

隨著大功率電力電子裝置等非線性負載的廣泛使用，產生大量諧波電流注入電網。諧波給供、用電設備以及電網造成危害，因此抑制諧波是改善電能質量的重要措施。基于廣義瞬時無功功率理論的p－q－r算法檢測諧波、無功和三相不平衡電流時，進行的運算大多都是瞬時值運算，響應速度很快。

傳統的p－q－r算法中假定了系統三相電壓為完全的基波正序電壓，如果系統電壓中存在負序和諧波分量，這些電壓分量與正序基波電流、負序基波電流和諧波電流作用時既可能產生基波也可能產生諧波，即瞬時功率的直流分量和交流分量都可能包含正序基波電流、負序基波電流和諧波電流的貢獻。由此得到的負荷電流負序分量和諧波分量只能是近似的，并且電壓波形畸變越嚴重，檢測結果的精度越低。為了克服三相電壓存在負序分量或諧波分量的不足，本文采用前置數字低通濾波器的方法，對采樣的電網電壓信號進行濾波，去除諧波成分，保留基波成分，從而提高有害電流檢測的精度。

2 基于p－q－r坐標變換的廣義瞬時無功功率理論

p－q－r法［1－4］首先通過空間變換，將a－b－c空間坐標系下的電壓、電流變換到三相正交坐標α－β－0下，p－q－r法中使電壓矢量落在直角正交坐標系的p軸上，在q、r軸上沒有電壓分量。同時，使q軸在α－β平面上，p、q、r軸構成正交坐標系。a－b－c坐標系下電壓和電流變換到p－q－r坐標系后分別為ep、eq、er和ip、iq、ir。p －q － r坐標系下瞬時有功功率p和瞬時無功功率q定義如下:

其中p是瞬時有功功率；qq是q軸上的瞬時無功功率；qr是r軸上的瞬時無功功率。3個瞬時功率分量相互線性獨立，增大了補償的靈活性。

在系統電壓無畸變時，p軸電流的直流分量來自基波正序有功電流分量，交流分量由基波負序、零序電流和諧波電流轉化而來。q軸電流的直流分量來自基波正序無功電流，交流分量由諧波電流轉化而來。因此，可根據補償目的來確定p、q、r軸上補償電流大小。

當系統電壓發生畸變時會影響諧波檢測的精度，因此本文前置數字低通濾波器濾除系統電壓諧波，保留基波。

根據補償要求，可以選擇對電流量ip，iq濾波，稱為電流控制法。使用電流控制法檢測上述瞬時有害電流的原理圖如圖1所示。GAPF以該瞬時有害電流作為指令電流進行控制，則能夠實現對諧波、無功和三相不平衡的補償。

圖1 p－q－r電流控制法檢測原理圖

圖1中，

3 仿真建模

根據上述原理，用MATLAB/SIMULINK作為工具來構造 GAPF指令電流檢測的仿真模型［5－7］，即將GAPF指令電流檢測工作時的數學表達式用SIMULINK中的方塊圖表示出來。

圖2所示為GAPF的仿真模型。它包括主電路仿真模型、基于p－q－r坐標變換的廣義瞬時無功功率理論檢測電流的仿真模型和GAPF控制電路仿真模型。其檢測電路由三相三相變換模塊C33，p、q、r運算模塊Cpqr，逆運算模塊C，三相三相變換逆模塊C33－1以及低通濾波器（LPF）構成，控制電路由PWM信號發生電路和觸發電路構成。

圖2 GAPF仿真模型

本MATLAB仿真選擇2個2nd－OrderFilter低通濾波器，對瞬時有功功率和瞬時無功功率進行低通濾波，得出其中直流分量。

4 仿真及其結果分析

GAPF仿真的系統條件為:三相四線制電網電壓存在畸變，三相電源電壓有效值為220V、頻率為50Hz。電壓含有 3次和 5次諧波（含量分別為32.21%，16.1%）。由于系統電壓存在畸變，本文先用二階數字低通濾波器進行濾波，提取出電壓的基波，濾波器截止頻率為80Hz。圖3和圖4分別為系統在GAPF補償前后的電源側各相電流波形。

圖3 補償前負載側電流波形

圖4 補償后電源側電流波形

從圖3中可以很明顯的看到，電流存在嚴重的畸變。經過補償后得到了基波電流，濾除了諧波電流，如圖4所示。

5 結論

基于p－q－r坐標變換的廣義瞬時無功功率理論的GAPF有害電流檢測在對于電網電壓無畸變的情況下，補償效果好。對于電網電壓畸變的情況，本文采用數字低通濾波器對畸變的電壓進行了濾波，從而能夠消除電壓畸變的影響。理論分析和仿真均說明使用基于p－q－r坐標變換的廣義瞬時無功功率理論，能夠實時、精確檢測GAPF的有害電流。

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