瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波電壓檢測(cè)法

摘要：諧波電壓檢測(cè)是根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論提出的，是影響抑制諧波電壓源的重要因素。諧波電壓檢測(cè)法利用其快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，應(yīng)用于電子線路的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)事實(shí)證明諧波電壓檢測(cè)法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：諧波電壓檢測(cè)；瞬時(shí)無(wú)功功率；電子線路

中圖分類號(hào)：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）06-0077-02

隨著科學(xué)的發(fā)展，變頻器、變流器、開(kāi)關(guān)電源和電抗器等電力設(shè)備應(yīng)用與日俱增，電力電子技術(shù)得到空前的發(fā)展。諧波電壓檢測(cè)是諧波檢測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容，是解決諧波檢測(cè)其他內(nèi)容的基礎(chǔ)。本文主要介紹以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的諧波電壓檢測(cè)的方法。

1 瞬時(shí)無(wú)功功率理論

1.1 瞬時(shí)無(wú)功功率的發(fā)展及定義

瞬時(shí)無(wú)功功率的提出最早始于1983年，由電力電子學(xué)會(huì)主席赤木泰文等眾多科學(xué)家共同提出的三相瞬時(shí)電流，將電流分為有功電流和無(wú)功電流，在此基礎(chǔ)上瞬時(shí)無(wú)功功率應(yīng)運(yùn)而生。

瞬時(shí)無(wú)功功率理論認(rèn)為：三相電路瞬時(shí)有功功率為各項(xiàng)瞬時(shí)有功功率之和，同時(shí)也是瞬時(shí)功率之和，反映出三相電路整體由電源向負(fù)載傳遞的功率；而瞬時(shí)無(wú)功功率只是在三相電路之間進(jìn)行傳遞，不是三相電路系統(tǒng)瞬時(shí)值的簡(jiǎn)單疊加，而是各項(xiàng)瞬時(shí)無(wú)功功率之和恒等于零的一種特殊情況。

1.2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論應(yīng)用

隨著科技的不斷發(fā)展，瞬時(shí)無(wú)功功率理論的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在電力系統(tǒng)中功率、電流、電壓的瞬時(shí)檢測(cè)，以及諧波動(dòng)態(tài)的跟蹤中都有重要的應(yīng)用。但是，這種瞬時(shí)值的引入并不是三相電路系統(tǒng)瞬時(shí)值的簡(jiǎn)單疊加，而是反映某一時(shí)刻，將三相電路作為一個(gè)整體，由電源向三相電路傳送的有功功率及無(wú)功功率在電流中相互傳輸?shù)那闆r。

諧波抑制主要采用有源電力濾波器，利用電流的畸變比電壓畸變嚴(yán)重，對(duì)電流進(jìn)行諧波動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，從而對(duì)頻率和幅值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。諧波動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償技術(shù)不受電網(wǎng)阻抗的影響，緊隨脈沖寬度調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)其補(bǔ)償范圍?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法有：測(cè)試瞬時(shí)有功功率的p-q法、測(cè)試無(wú)功功率的p-q法和測(cè)試瞬時(shí)有功電流的Ip-Iq法以及測(cè)試無(wú)功電流的Ip-Iq法。

瞬時(shí)無(wú)功功率理論延伸出的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的變化反應(yīng)出功率的有效值和相位的瞬時(shí)變化，本質(zhì)上就是利用瞬時(shí)值代替了傳統(tǒng)的有效分析三相電力系統(tǒng)，符合現(xiàn)今社會(huì)電力系統(tǒng)的發(fā)展需求和對(duì)電壓的諧波檢測(cè)。

在電流電壓均為對(duì)稱的正弦波形時(shí)瞬時(shí)功率的表達(dá)式和傳統(tǒng)功率的表達(dá)式是一致的，即在此情況下的瞬時(shí)功率等于傳統(tǒng)功率；如果電流電壓中存在畸變或者是不對(duì)稱的情況時(shí)，瞬時(shí)無(wú)功功率會(huì)分為直流分量和交流分量?jī)刹糠?。其中瞬時(shí)功率的直流分量與三相系統(tǒng)中基波分量相互對(duì)應(yīng)，而瞬時(shí)功率產(chǎn)生交流分量與諧波分量相對(duì)應(yīng)，此時(shí)瞬時(shí)功率理論是傳統(tǒng)功率理論的的一種擴(kuò)展，即瞬時(shí)功率只是傳統(tǒng)功率的一種特殊情況。

2 濾波器的工作原理

采用電力有源濾波器有效的補(bǔ)償電網(wǎng)諧波已經(jīng)成為當(dāng)今電力科技領(lǐng)域發(fā)展的一大趨勢(shì)。當(dāng)今社會(huì)，電力電子裝置大都采用串聯(lián)型電力有源濾波器（SAPF）來(lái)抑制因大量諧波電流注入電網(wǎng)而帶來(lái)的嚴(yán)重諧波污染。SAPF的主電路是由電力半導(dǎo)體組成的帶有直流電容的三項(xiàng)橋式脈沖寬度調(diào)制逆變器，利用微處理器的數(shù)字對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，相當(dāng)于受控電壓源串聯(lián)在電壓與負(fù)載

之間。

SAPF的工作原理主要是：利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算SPAF的瞬時(shí)畸變量，再由脈沖寬度調(diào)制逆變器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波，使變壓器副邊得到與電網(wǎng)畸變電壓等值反向的電壓，抵消因SPAF瞬時(shí)畸變產(chǎn)生的諧波污染，以控制單元檢測(cè)電網(wǎng)供電。

由SPAF的工作原理可知，為了保證電網(wǎng)諧波能有良好的補(bǔ)充，SAPF中有源濾波器檢測(cè)電路時(shí)一般要采用窄帶濾波器選頻法和傅里葉變換采樣數(shù)字化的計(jì)算法進(jìn)行快速的檢測(cè)諧波電壓。但是由于兩種方法在使用時(shí)都存在一定的弊端，其原因是：（1）窄帶濾波器選頻法，由于相位和選擇性要求較大，造成電路參數(shù)使用選擇困難、相位延時(shí)使用和頻率變化較大等后果，使檢測(cè)結(jié)果不精確；（2）基于快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法，由于需要高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)速度過(guò)慢，與有源濾波器的要求不符。

3 瞬時(shí)無(wú)功功率的和諧波電壓的檢測(cè)法

基于窄帶濾波器選頻法和快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法兩種算法在補(bǔ)充電網(wǎng)諧波時(shí)產(chǎn)生的不足，在瞬時(shí)無(wú)功功率理論的指導(dǎo)下提出了諧波電壓檢測(cè)法。該方法在檢測(cè)中加有標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，可以不影響使電網(wǎng)中因電流畸變產(chǎn)生的電壓畸變的精簡(jiǎn)速度，檢測(cè)結(jié)果也可以及時(shí)反映頻率偏移的變化。

諧波是由波形畸變產(chǎn)生的，因此諧波波形不滿足標(biāo)準(zhǔn)的正弦表達(dá)式，同時(shí)與三相系統(tǒng)中基波波形不對(duì)稱，還可能使波形的幅值、相角在不同的周期內(nèi)出現(xiàn)躍變。這樣，以平均值為基礎(chǔ)的正弦物理量就不能反映系統(tǒng)的真實(shí)情況。因此，為了加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提高諧波電壓檢測(cè)和補(bǔ)償效果，需要利用矩陣實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真驗(yàn)證，用以對(duì)反饋補(bǔ)償模型進(jìn)行更加詳細(xì)的討論。

3.1 n次諧波電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

當(dāng)n次諧波電壓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需另外取三相電流作為n次諧波電流的對(duì)稱，其表達(dá)式為：

（1）

需要檢測(cè)的三相負(fù)載策相電壓為：

（2）

通過(guò)表達(dá)（1）、（2）可求出瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，同時(shí)驗(yàn)證只有當(dāng)m=n時(shí)，瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率才有直流分量，并可求出直流分量為：

（3）

通過(guò)以上表達(dá)式求出原負(fù)載相電壓中n次諧波電壓的值，同理n取值為任意整數(shù)的諧波電壓都可求出。從上述的推導(dǎo)過(guò)程可以看出，作為三相電流信號(hào)而另加的n次正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，其幅值和相角對(duì)最后諧波電壓值的計(jì)算結(jié)果并無(wú)影響，因此電壓檢測(cè)精度不會(huì)因三相電路中電流的畸變而改變。

3.2 頻率偏移對(duì)諧波電壓的影響

由上面論述可知：三相電流信號(hào)對(duì)另加的n次正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，其幅值和相角對(duì)最后諧波電壓值的計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。因此，在頻率偏移對(duì)諧波電壓的影響實(shí)驗(yàn)中正、余弦電流信號(hào)可設(shè)為固定頻率的信號(hào)。

電網(wǎng)中電壓頻率的波動(dòng)范圍一般在50Hz左右變動(dòng)，因此可在不影響結(jié)果的情況下，假定檢測(cè)基波固定為50Hz。如果某時(shí)刻經(jīng)過(guò)基波檢測(cè)后的的頻率變?yōu)?8.5Hz，由于另加的電流信號(hào)為50Hz，可知此時(shí)所得的直流分量實(shí)際上是頻率為1.5Hz的波動(dòng)量，較高于低通濾波器的截止頻率，所以此時(shí)的頻率波動(dòng)可以完全保留；同時(shí)，根據(jù)固定基波50Hz減去頻率波動(dòng)量可得到頻率為48.5的基波，諧波檢查不影響最終的檢測(cè)結(jié)果。同理，其他數(shù)值的諧波檢測(cè)結(jié)果是一樣的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率理論和有源濾波器工作原理的分析，提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率原理的諧波電壓檢測(cè)方法，彌補(bǔ)了窄帶濾波器選頻和快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算兩種算法的不足。證明了諧波電壓瞬時(shí)檢測(cè)方法能快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出非線性負(fù)載輸入電壓中的諧波電壓分量，證實(shí)了方法的正確性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王敬禹，賀劍，田晨.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的

APF仿真設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2013，（26）.

[2] 周敬堯.瞬時(shí)無(wú)功功率理論在配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2013，（24）.

[3] 涂永昌，劉建功，王偉.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的

諧波檢測(cè)改進(jìn)算法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，

2013，（3）.

[4] 周貴鎖，郭志波，王深.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的

諧波電流檢測(cè)與仿真[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，

2013，（9）.

作者簡(jiǎn)介：吳郭芳（1976—），湖北來(lái)鳳人，國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司來(lái)鳳縣供電公司助理工程師，研究方向：電壓及電力可靠性管理。endprint

摘要：諧波電壓檢測(cè)是根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論提出的，是影響抑制諧波電壓源的重要因素。諧波電壓檢測(cè)法利用其快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，應(yīng)用于電子線路的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)事實(shí)證明諧波電壓檢測(cè)法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：諧波電壓檢測(cè)；瞬時(shí)無(wú)功功率；電子線路

中圖分類號(hào)：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）06-0077-02

隨著科學(xué)的發(fā)展，變頻器、變流器、開(kāi)關(guān)電源和電抗器等電力設(shè)備應(yīng)用與日俱增，電力電子技術(shù)得到空前的發(fā)展。諧波電壓檢測(cè)是諧波檢測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容，是解決諧波檢測(cè)其他內(nèi)容的基礎(chǔ)。本文主要介紹以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的諧波電壓檢測(cè)的方法。

1 瞬時(shí)無(wú)功功率理論

1.1 瞬時(shí)無(wú)功功率的發(fā)展及定義

瞬時(shí)無(wú)功功率的提出最早始于1983年，由電力電子學(xué)會(huì)主席赤木泰文等眾多科學(xué)家共同提出的三相瞬時(shí)電流，將電流分為有功電流和無(wú)功電流，在此基礎(chǔ)上瞬時(shí)無(wú)功功率應(yīng)運(yùn)而生。

瞬時(shí)無(wú)功功率理論認(rèn)為：三相電路瞬時(shí)有功功率為各項(xiàng)瞬時(shí)有功功率之和，同時(shí)也是瞬時(shí)功率之和，反映出三相電路整體由電源向負(fù)載傳遞的功率；而瞬時(shí)無(wú)功功率只是在三相電路之間進(jìn)行傳遞，不是三相電路系統(tǒng)瞬時(shí)值的簡(jiǎn)單疊加，而是各項(xiàng)瞬時(shí)無(wú)功功率之和恒等于零的一種特殊情況。

1.2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論應(yīng)用

隨著科技的不斷發(fā)展，瞬時(shí)無(wú)功功率理論的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在電力系統(tǒng)中功率、電流、電壓的瞬時(shí)檢測(cè)，以及諧波動(dòng)態(tài)的跟蹤中都有重要的應(yīng)用。但是，這種瞬時(shí)值的引入并不是三相電路系統(tǒng)瞬時(shí)值的簡(jiǎn)單疊加，而是反映某一時(shí)刻，將三相電路作為一個(gè)整體，由電源向三相電路傳送的有功功率及無(wú)功功率在電流中相互傳輸?shù)那闆r。

諧波抑制主要采用有源電力濾波器，利用電流的畸變比電壓畸變嚴(yán)重，對(duì)電流進(jìn)行諧波動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，從而對(duì)頻率和幅值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。諧波動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償技術(shù)不受電網(wǎng)阻抗的影響，緊隨脈沖寬度調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)其補(bǔ)償范圍?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法有：測(cè)試瞬時(shí)有功功率的p-q法、測(cè)試無(wú)功功率的p-q法和測(cè)試瞬時(shí)有功電流的Ip-Iq法以及測(cè)試無(wú)功電流的Ip-Iq法。

瞬時(shí)無(wú)功功率理論延伸出的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的變化反應(yīng)出功率的有效值和相位的瞬時(shí)變化，本質(zhì)上就是利用瞬時(shí)值代替了傳統(tǒng)的有效分析三相電力系統(tǒng)，符合現(xiàn)今社會(huì)電力系統(tǒng)的發(fā)展需求和對(duì)電壓的諧波檢測(cè)。

在電流電壓均為對(duì)稱的正弦波形時(shí)瞬時(shí)功率的表達(dá)式和傳統(tǒng)功率的表達(dá)式是一致的，即在此情況下的瞬時(shí)功率等于傳統(tǒng)功率；如果電流電壓中存在畸變或者是不對(duì)稱的情況時(shí)，瞬時(shí)無(wú)功功率會(huì)分為直流分量和交流分量?jī)刹糠?。其中瞬時(shí)功率的直流分量與三相系統(tǒng)中基波分量相互對(duì)應(yīng)，而瞬時(shí)功率產(chǎn)生交流分量與諧波分量相對(duì)應(yīng)，此時(shí)瞬時(shí)功率理論是傳統(tǒng)功率理論的的一種擴(kuò)展，即瞬時(shí)功率只是傳統(tǒng)功率的一種特殊情況。

2 濾波器的工作原理

采用電力有源濾波器有效的補(bǔ)償電網(wǎng)諧波已經(jīng)成為當(dāng)今電力科技領(lǐng)域發(fā)展的一大趨勢(shì)。當(dāng)今社會(huì)，電力電子裝置大都采用串聯(lián)型電力有源濾波器（SAPF）來(lái)抑制因大量諧波電流注入電網(wǎng)而帶來(lái)的嚴(yán)重諧波污染。SAPF的主電路是由電力半導(dǎo)體組成的帶有直流電容的三項(xiàng)橋式脈沖寬度調(diào)制逆變器，利用微處理器的數(shù)字對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，相當(dāng)于受控電壓源串聯(lián)在電壓與負(fù)載

之間。

SAPF的工作原理主要是：利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算SPAF的瞬時(shí)畸變量，再由脈沖寬度調(diào)制逆變器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波，使變壓器副邊得到與電網(wǎng)畸變電壓等值反向的電壓，抵消因SPAF瞬時(shí)畸變產(chǎn)生的諧波污染，以控制單元檢測(cè)電網(wǎng)供電。

由SPAF的工作原理可知，為了保證電網(wǎng)諧波能有良好的補(bǔ)充，SAPF中有源濾波器檢測(cè)電路時(shí)一般要采用窄帶濾波器選頻法和傅里葉變換采樣數(shù)字化的計(jì)算法進(jìn)行快速的檢測(cè)諧波電壓。但是由于兩種方法在使用時(shí)都存在一定的弊端，其原因是：（1）窄帶濾波器選頻法，由于相位和選擇性要求較大，造成電路參數(shù)使用選擇困難、相位延時(shí)使用和頻率變化較大等后果，使檢測(cè)結(jié)果不精確；（2）基于快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法，由于需要高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)速度過(guò)慢，與有源濾波器的要求不符。

3 瞬時(shí)無(wú)功功率的和諧波電壓的檢測(cè)法

基于窄帶濾波器選頻法和快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法兩種算法在補(bǔ)充電網(wǎng)諧波時(shí)產(chǎn)生的不足，在瞬時(shí)無(wú)功功率理論的指導(dǎo)下提出了諧波電壓檢測(cè)法。該方法在檢測(cè)中加有標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，可以不影響使電網(wǎng)中因電流畸變產(chǎn)生的電壓畸變的精簡(jiǎn)速度，檢測(cè)結(jié)果也可以及時(shí)反映頻率偏移的變化。

諧波是由波形畸變產(chǎn)生的，因此諧波波形不滿足標(biāo)準(zhǔn)的正弦表達(dá)式，同時(shí)與三相系統(tǒng)中基波波形不對(duì)稱，還可能使波形的幅值、相角在不同的周期內(nèi)出現(xiàn)躍變。這樣，以平均值為基礎(chǔ)的正弦物理量就不能反映系統(tǒng)的真實(shí)情況。因此，為了加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提高諧波電壓檢測(cè)和補(bǔ)償效果，需要利用矩陣實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真驗(yàn)證，用以對(duì)反饋補(bǔ)償模型進(jìn)行更加詳細(xì)的討論。

3.1 n次諧波電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

當(dāng)n次諧波電壓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需另外取三相電流作為n次諧波電流的對(duì)稱，其表達(dá)式為：

（1）

需要檢測(cè)的三相負(fù)載策相電壓為：

（2）

通過(guò)表達(dá)（1）、（2）可求出瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，同時(shí)驗(yàn)證只有當(dāng)m=n時(shí)，瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率才有直流分量，并可求出直流分量為：

（3）

通過(guò)以上表達(dá)式求出原負(fù)載相電壓中n次諧波電壓的值，同理n取值為任意整數(shù)的諧波電壓都可求出。從上述的推導(dǎo)過(guò)程可以看出，作為三相電流信號(hào)而另加的n次正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，其幅值和相角對(duì)最后諧波電壓值的計(jì)算結(jié)果并無(wú)影響，因此電壓檢測(cè)精度不會(huì)因三相電路中電流的畸變而改變。

3.2 頻率偏移對(duì)諧波電壓的影響

由上面論述可知：三相電流信號(hào)對(duì)另加的n次正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，其幅值和相角對(duì)最后諧波電壓值的計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。因此，在頻率偏移對(duì)諧波電壓的影響實(shí)驗(yàn)中正、余弦電流信號(hào)可設(shè)為固定頻率的信號(hào)。

電網(wǎng)中電壓頻率的波動(dòng)范圍一般在50Hz左右變動(dòng)，因此可在不影響結(jié)果的情況下，假定檢測(cè)基波固定為50Hz。如果某時(shí)刻經(jīng)過(guò)基波檢測(cè)后的的頻率變?yōu)?8.5Hz，由于另加的電流信號(hào)為50Hz，可知此時(shí)所得的直流分量實(shí)際上是頻率為1.5Hz的波動(dòng)量，較高于低通濾波器的截止頻率，所以此時(shí)的頻率波動(dòng)可以完全保留；同時(shí)，根據(jù)固定基波50Hz減去頻率波動(dòng)量可得到頻率為48.5的基波，諧波檢查不影響最終的檢測(cè)結(jié)果。同理，其他數(shù)值的諧波檢測(cè)結(jié)果是一樣的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率理論和有源濾波器工作原理的分析，提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率原理的諧波電壓檢測(cè)方法，彌補(bǔ)了窄帶濾波器選頻和快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算兩種算法的不足。證明了諧波電壓瞬時(shí)檢測(cè)方法能快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出非線性負(fù)載輸入電壓中的諧波電壓分量，證實(shí)了方法的正確性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王敬禹，賀劍，田晨.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的

APF仿真設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2013，（26）.

[2] 周敬堯.瞬時(shí)無(wú)功功率理論在配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

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作者簡(jiǎn)介：吳郭芳（1976—），湖北來(lái)鳳人，國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司來(lái)鳳縣供電公司助理工程師，研究方向：電壓及電力可靠性管理。endprint

摘要：諧波電壓檢測(cè)是根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論提出的，是影響抑制諧波電壓源的重要因素。諧波電壓檢測(cè)法利用其快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，應(yīng)用于電子線路的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)事實(shí)證明諧波電壓檢測(cè)法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：諧波電壓檢測(cè)；瞬時(shí)無(wú)功功率；電子線路

中圖分類號(hào)：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）06-0077-02

隨著科學(xué)的發(fā)展，變頻器、變流器、開(kāi)關(guān)電源和電抗器等電力設(shè)備應(yīng)用與日俱增，電力電子技術(shù)得到空前的發(fā)展。諧波電壓檢測(cè)是諧波檢測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容，是解決諧波檢測(cè)其他內(nèi)容的基礎(chǔ)。本文主要介紹以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的諧波電壓檢測(cè)的方法。

1 瞬時(shí)無(wú)功功率理論

1.1 瞬時(shí)無(wú)功功率的發(fā)展及定義

瞬時(shí)無(wú)功功率的提出最早始于1983年，由電力電子學(xué)會(huì)主席赤木泰文等眾多科學(xué)家共同提出的三相瞬時(shí)電流，將電流分為有功電流和無(wú)功電流，在此基礎(chǔ)上瞬時(shí)無(wú)功功率應(yīng)運(yùn)而生。

瞬時(shí)無(wú)功功率理論認(rèn)為：三相電路瞬時(shí)有功功率為各項(xiàng)瞬時(shí)有功功率之和，同時(shí)也是瞬時(shí)功率之和，反映出三相電路整體由電源向負(fù)載傳遞的功率；而瞬時(shí)無(wú)功功率只是在三相電路之間進(jìn)行傳遞，不是三相電路系統(tǒng)瞬時(shí)值的簡(jiǎn)單疊加，而是各項(xiàng)瞬時(shí)無(wú)功功率之和恒等于零的一種特殊情況。

1.2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論應(yīng)用

隨著科技的不斷發(fā)展，瞬時(shí)無(wú)功功率理論的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在電力系統(tǒng)中功率、電流、電壓的瞬時(shí)檢測(cè)，以及諧波動(dòng)態(tài)的跟蹤中都有重要的應(yīng)用。但是，這種瞬時(shí)值的引入并不是三相電路系統(tǒng)瞬時(shí)值的簡(jiǎn)單疊加，而是反映某一時(shí)刻，將三相電路作為一個(gè)整體，由電源向三相電路傳送的有功功率及無(wú)功功率在電流中相互傳輸?shù)那闆r。

諧波抑制主要采用有源電力濾波器，利用電流的畸變比電壓畸變嚴(yán)重，對(duì)電流進(jìn)行諧波動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，從而對(duì)頻率和幅值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。諧波動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償技術(shù)不受電網(wǎng)阻抗的影響，緊隨脈沖寬度調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)其補(bǔ)償范圍?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法有：測(cè)試瞬時(shí)有功功率的p-q法、測(cè)試無(wú)功功率的p-q法和測(cè)試瞬時(shí)有功電流的Ip-Iq法以及測(cè)試無(wú)功電流的Ip-Iq法。

瞬時(shí)無(wú)功功率理論延伸出的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的變化反應(yīng)出功率的有效值和相位的瞬時(shí)變化，本質(zhì)上就是利用瞬時(shí)值代替了傳統(tǒng)的有效分析三相電力系統(tǒng)，符合現(xiàn)今社會(huì)電力系統(tǒng)的發(fā)展需求和對(duì)電壓的諧波檢測(cè)。

在電流電壓均為對(duì)稱的正弦波形時(shí)瞬時(shí)功率的表達(dá)式和傳統(tǒng)功率的表達(dá)式是一致的，即在此情況下的瞬時(shí)功率等于傳統(tǒng)功率；如果電流電壓中存在畸變或者是不對(duì)稱的情況時(shí)，瞬時(shí)無(wú)功功率會(huì)分為直流分量和交流分量?jī)刹糠?。其中瞬時(shí)功率的直流分量與三相系統(tǒng)中基波分量相互對(duì)應(yīng)，而瞬時(shí)功率產(chǎn)生交流分量與諧波分量相對(duì)應(yīng)，此時(shí)瞬時(shí)功率理論是傳統(tǒng)功率理論的的一種擴(kuò)展，即瞬時(shí)功率只是傳統(tǒng)功率的一種特殊情況。

2 濾波器的工作原理

采用電力有源濾波器有效的補(bǔ)償電網(wǎng)諧波已經(jīng)成為當(dāng)今電力科技領(lǐng)域發(fā)展的一大趨勢(shì)。當(dāng)今社會(huì)，電力電子裝置大都采用串聯(lián)型電力有源濾波器（SAPF）來(lái)抑制因大量諧波電流注入電網(wǎng)而帶來(lái)的嚴(yán)重諧波污染。SAPF的主電路是由電力半導(dǎo)體組成的帶有直流電容的三項(xiàng)橋式脈沖寬度調(diào)制逆變器，利用微處理器的數(shù)字對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，相當(dāng)于受控電壓源串聯(lián)在電壓與負(fù)載

之間。

SAPF的工作原理主要是：利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算SPAF的瞬時(shí)畸變量，再由脈沖寬度調(diào)制逆變器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波，使變壓器副邊得到與電網(wǎng)畸變電壓等值反向的電壓，抵消因SPAF瞬時(shí)畸變產(chǎn)生的諧波污染，以控制單元檢測(cè)電網(wǎng)供電。

由SPAF的工作原理可知，為了保證電網(wǎng)諧波能有良好的補(bǔ)充，SAPF中有源濾波器檢測(cè)電路時(shí)一般要采用窄帶濾波器選頻法和傅里葉變換采樣數(shù)字化的計(jì)算法進(jìn)行快速的檢測(cè)諧波電壓。但是由于兩種方法在使用時(shí)都存在一定的弊端，其原因是：（1）窄帶濾波器選頻法，由于相位和選擇性要求較大，造成電路參數(shù)使用選擇困難、相位延時(shí)使用和頻率變化較大等后果，使檢測(cè)結(jié)果不精確；（2）基于快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法，由于需要高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)速度過(guò)慢，與有源濾波器的要求不符。

3 瞬時(shí)無(wú)功功率的和諧波電壓的檢測(cè)法

基于窄帶濾波器選頻法和快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算法兩種算法在補(bǔ)充電網(wǎng)諧波時(shí)產(chǎn)生的不足，在瞬時(shí)無(wú)功功率理論的指導(dǎo)下提出了諧波電壓檢測(cè)法。該方法在檢測(cè)中加有標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，可以不影響使電網(wǎng)中因電流畸變產(chǎn)生的電壓畸變的精簡(jiǎn)速度，檢測(cè)結(jié)果也可以及時(shí)反映頻率偏移的變化。

諧波是由波形畸變產(chǎn)生的，因此諧波波形不滿足標(biāo)準(zhǔn)的正弦表達(dá)式，同時(shí)與三相系統(tǒng)中基波波形不對(duì)稱，還可能使波形的幅值、相角在不同的周期內(nèi)出現(xiàn)躍變。這樣，以平均值為基礎(chǔ)的正弦物理量就不能反映系統(tǒng)的真實(shí)情況。因此，為了加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提高諧波電壓檢測(cè)和補(bǔ)償效果，需要利用矩陣實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真驗(yàn)證，用以對(duì)反饋補(bǔ)償模型進(jìn)行更加詳細(xì)的討論。

3.1 n次諧波電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

當(dāng)n次諧波電壓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需另外取三相電流作為n次諧波電流的對(duì)稱，其表達(dá)式為：

（1）

需要檢測(cè)的三相負(fù)載策相電壓為：

（2）

通過(guò)表達(dá)（1）、（2）可求出瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，同時(shí)驗(yàn)證只有當(dāng)m=n時(shí)，瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率才有直流分量，并可求出直流分量為：

（3）

通過(guò)以上表達(dá)式求出原負(fù)載相電壓中n次諧波電壓的值，同理n取值為任意整數(shù)的諧波電壓都可求出。從上述的推導(dǎo)過(guò)程可以看出，作為三相電流信號(hào)而另加的n次正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，其幅值和相角對(duì)最后諧波電壓值的計(jì)算結(jié)果并無(wú)影響，因此電壓檢測(cè)精度不會(huì)因三相電路中電流的畸變而改變。

3.2 頻率偏移對(duì)諧波電壓的影響

由上面論述可知：三相電流信號(hào)對(duì)另加的n次正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，其幅值和相角對(duì)最后諧波電壓值的計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。因此，在頻率偏移對(duì)諧波電壓的影響實(shí)驗(yàn)中正、余弦電流信號(hào)可設(shè)為固定頻率的信號(hào)。

電網(wǎng)中電壓頻率的波動(dòng)范圍一般在50Hz左右變動(dòng)，因此可在不影響結(jié)果的情況下，假定檢測(cè)基波固定為50Hz。如果某時(shí)刻經(jīng)過(guò)基波檢測(cè)后的的頻率變?yōu)?8.5Hz，由于另加的電流信號(hào)為50Hz，可知此時(shí)所得的直流分量實(shí)際上是頻率為1.5Hz的波動(dòng)量，較高于低通濾波器的截止頻率，所以此時(shí)的頻率波動(dòng)可以完全保留；同時(shí)，根據(jù)固定基波50Hz減去頻率波動(dòng)量可得到頻率為48.5的基波，諧波檢查不影響最終的檢測(cè)結(jié)果。同理，其他數(shù)值的諧波檢測(cè)結(jié)果是一樣的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率理論和有源濾波器工作原理的分析，提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率原理的諧波電壓檢測(cè)方法，彌補(bǔ)了窄帶濾波器選頻和快速傅里葉變換的采樣數(shù)字化計(jì)算兩種算法的不足。證明了諧波電壓瞬時(shí)檢測(cè)方法能快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出非線性負(fù)載輸入電壓中的諧波電壓分量，證實(shí)了方法的正確性和可行性。

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