有源電力濾波器的幾種諧波軟測(cè)量方法

孔 銳 顏文旭 張姍姍

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越多的電力電子裝置和非線性負(fù)載在實(shí)際中得到應(yīng)用，這些裝置在給生產(chǎn)和生活帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了諧波危害，使得電能質(zhì)量也變差[1，2]。為了改善電能質(zhì)量，有源電力濾波器這一補(bǔ)償裝置在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，有源電力濾波器通過(guò)補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率以達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的，在實(shí)際應(yīng)用中有較好的效果。諧波電流檢測(cè)模塊是有源電力濾波器中最為重要的部分，只有精確、實(shí)時(shí)、快速地檢測(cè)電力系統(tǒng)中諧波電流的數(shù)值才能達(dá)到較好的補(bǔ)償效果[3]。諧波電流檢測(cè)主要有基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波電流檢測(cè)方法、電流平均值檢測(cè)法、單位功率因數(shù)諧波檢測(cè)算法、小波分析法[4，5]及自適應(yīng)檢測(cè)法等，筆者主要對(duì)常用的幾種方法進(jìn)行研究。

1 基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)方法①

瞬時(shí)無(wú)功功率的概念是由赤木博文在1983年提出的，該理論系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率，利用該理論可以實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)[6]，因此在應(yīng)用中該方法使用較為廣泛，基于該理論所提出的方法也較多，主要有p-q法、ip-iq法和電流平均值法。

1.1 p-q法

1.2 ip-iq法

ip-iq法與p-q法相類似，只是計(jì)算的是電流的有功分量ip和無(wú)功分量iq，原理上與p-q法相同，不同的是該方法沒(méi)有直接測(cè)量三相電壓而是通過(guò)鎖相環(huán)得到同相位的ωt數(shù)值，由于沒(méi)有直接測(cè)量電壓因此電壓畸變不會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)方法的框圖如圖1所示。

圖1 ip-iq檢測(cè)方法原理

(1)

該補(bǔ)償角度由低通濾波器產(chǎn)生的延遲時(shí)間Δt所決定，延遲角度可用如下公式表示：

Δθ=nωΔt=2πnfΔt

(2)

其中n為諧波次數(shù)，f為電網(wǎng)電壓頻率，不同次數(shù)的諧波其補(bǔ)償角度是不同的，每一次諧波都要用各自的坐標(biāo)變換進(jìn)行計(jì)算，這種方法主要是對(duì)3、5、7次等低次諧波進(jìn)行檢測(cè)，這是由于諧波電流占較大比例的是低次諧波，只對(duì)低次諧波進(jìn)行補(bǔ)償已能夠明顯地減少總諧波畸變率。

1.3 電流平均值法

電流平均值法與ip-iq法基本相同，只是采用電流平均值運(yùn)算模塊代替低通濾波器，這種算法的基本原理同樣是瞬時(shí)無(wú)功功率理論[9]。由瞬時(shí)無(wú)功功率理論可知三相電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到的ip、iq公式為：

(3)

其中In、φin分別為各次電流的有效值和初相角?？梢钥闯鐾ㄟ^(guò)坐標(biāo)變換后正序諧波的次數(shù)將會(huì)減少一次，而負(fù)序諧波次數(shù)會(huì)增加一次，而在三相負(fù)載電流對(duì)稱時(shí)，6n+1次和6n+5次諧波經(jīng)過(guò)變換后次數(shù)將變?yōu)?n、6n+6次，均為6的倍數(shù)，因此可以通過(guò)對(duì)ip、iq電流進(jìn)行1/6基波周期的積分，得到的非零分量就是基波分量對(duì)應(yīng)的直流量，據(jù)此可以得到負(fù)載電流的基波分量[10]，用公式表達(dá)為：

(4)

以上計(jì)算比低通濾波器易于實(shí)現(xiàn)，更適合采用數(shù)字方法，其運(yùn)算模塊如圖2所示。

圖2 電流平均值運(yùn)算模塊

但這種計(jì)算方法存在一定的缺點(diǎn)，在運(yùn)算過(guò)程中要進(jìn)行積分運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期的延時(shí)，這會(huì)影響測(cè)量精度，對(duì)此有很多學(xué)者對(duì)原先的算法進(jìn)行了改進(jìn)，文獻(xiàn)[11]提出了一種對(duì)積分周期的改進(jìn)措施，使得到的非零分量為直流分量。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，這種方法是無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)出基波電流的，其檢測(cè)出的基波電流也會(huì)發(fā)生畸變，對(duì)此提出一種改進(jìn)設(shè)想，對(duì)于電流平均值計(jì)算模塊得到的電流有功分量可以對(duì)其進(jìn)行濾波處理以濾除非直流分量，即在圖2的模塊計(jì)算完后加入低通濾波器濾除諧波分量，在后面對(duì)這種方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 單位功率因數(shù)諧波檢測(cè)法

單位功率因數(shù)諧波檢測(cè)法是一種比較重要的諧波檢測(cè)方法，這種方法不需要坐標(biāo)變換和鎖相環(huán)運(yùn)算，適用于多種系統(tǒng)。其基本原理是將有源電力濾波器和非線性負(fù)載并聯(lián)等效為一個(gè)線性電阻負(fù)載[12]，即濾波器和負(fù)載并聯(lián)構(gòu)成線性負(fù)載，此時(shí)等效的線性負(fù)載電流也應(yīng)為正弦波，且與電網(wǎng)電壓為線性關(guān)系，用公式表達(dá)為：

iL=kus+iq(t)

(5)

(6)

通過(guò)上面的公式計(jì)算得到無(wú)功和諧波電流的數(shù)值，這種計(jì)算方法的原理如圖3所示。可以看出，這種方法由于要實(shí)時(shí)測(cè)量電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)諧波檢測(cè)會(huì)受到影響。很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，常見(jiàn)的方式是增加鎖相環(huán)，文獻(xiàn)[13、14]中都提出在計(jì)算電壓與比例系數(shù)k相乘前在電壓信號(hào)上增加鎖相環(huán)電路，通過(guò)鎖相環(huán)對(duì)相電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻復(fù)位查正弦表的方法產(chǎn)生A相基波正序電壓，消除電網(wǎng)電壓畸變影響。

3 仿真分析

對(duì)ip-iq法、電流平均值法和1.3節(jié)提出的改進(jìn)電流平均值法利用仿真軟件進(jìn)行仿真，設(shè)三相電壓源為380V、50Hz；負(fù)載采用二極管的三相不控整流橋并聯(lián)晶閘管三相可控整流橋，為了加以比較，在電網(wǎng)電壓源中加入了5次和7次諧波電壓，波形如圖4～6所示。

圖3 單位功率因數(shù)檢測(cè)方法原理

圖4 采用ip-iq法諧波檢測(cè)的基波波形

圖5 采用電流平均值法檢測(cè)的A相基波波形

圖6 采用改進(jìn)的電流平均值法檢測(cè)的A相基波波形

圖4～6中位于上方的是電網(wǎng)電壓沒(méi)有畸變時(shí)的波形，位于下方的是有畸變的波形。可以看出：在電網(wǎng)電壓未發(fā)生畸變時(shí)3種方法檢測(cè)基本一致，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，只有ip-iq法和改進(jìn)的電流平均值法能夠較好地檢測(cè)出基波電流波形，這也說(shuō)明改進(jìn)的電流平均值法的正確性，利用Matlab的FFT工具對(duì)波形進(jìn)行分析得到表1的分析結(jié)果。

表1 3種方法檢測(cè)的電流基波分析

從表1可以明顯地看出電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變沒(méi)有影響ip-iq法檢測(cè)的精度，而改進(jìn)后的電流平均值法能夠消除電網(wǎng)電壓畸變帶來(lái)的影響并準(zhǔn)確檢測(cè)出基波電流。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)常用的基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波電流檢測(cè)方法、電流平均值檢測(cè)法及單位功率因數(shù)諧波檢測(cè)算法等進(jìn)行了研究，對(duì)每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)電流平均值法提出了改進(jìn)方案，最后通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證了改進(jìn)方法的正確性。