有源電力濾波器的幾種諧波軟測量方法

孔 銳 顏文旭 張姍姍

(江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇 無錫 214122)

隨著科技的不斷發(fā)展和進步，越來越多的電力電子裝置和非線性負載在實際中得到應用，這些裝置在給生產(chǎn)和生活帶來便利的同時也帶來了諧波危害，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償裝置在實際中得到了廣泛應用，有源電力濾波器通過補償諧波和無功功率以達到提高電能質(zhì)量的目的，在實際應用中有較好的效果。諧波電流檢測模塊是有源電力濾波器中最為重要的部分，只有精確、實時、快速地檢測電力系統(tǒng)中諧波電流的數(shù)值才能達到較好的補償效果[3]。諧波電流檢測主要有基于瞬時無功功率的諧波電流檢測方法、電流平均值檢測法、單位功率因數(shù)諧波檢測算法、小波分析法[4，5]及自適應檢測法等，筆者主要對常用的幾種方法進行研究。

1 基于瞬時無功功率的諧波檢測方法①

瞬時無功功率的概念是由赤木博文在1983年提出的，該理論系統(tǒng)地定義了瞬時有功功率和無功功率，利用該理論可以實現(xiàn)有源電力濾波器的諧波和無功電流的實時檢測[6]，因此在應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，只是計算的是電流的有功分量ip和無功分量iq，原理上與p-q法相同，不同的是該方法沒有直接測量三相電壓而是通過鎖相環(huán)得到同相位的ωt數(shù)值，由于沒有直接測量電壓因此電壓畸變不會影響檢測結(jié)果，檢測方法的框圖如圖1所示。

圖1 ip-iq檢測方法原理

(1)

該補償角度由低通濾波器產(chǎn)生的延遲時間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)的諧波其補償角度是不同的，每一次諧波都要用各自的坐標變換進行計算，這種方法主要是對3、5、7次等低次諧波進行檢測，這是由于諧波電流占較大比例的是低次諧波，只對低次諧波進行補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算模塊代替低通濾波器，這種算法的基本原理同樣是瞬時無功功率理論[9]。由瞬時無功功率理論可知三相電流經(jīng)坐標變換得到的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^坐標變換后正序諧波的次數(shù)將會減少一次，而負序諧波次數(shù)會增加一次，而在三相負載電流對稱時，6n+1次和6n+5次諧波經(jīng)過變換后次數(shù)將變?yōu)?n、6n+6次，均為6的倍數(shù)，因此可以通過對ip、iq電流進行1/6基波周期的積分，得到的非零分量就是基波分量對應的直流量，據(jù)此可以得到負載電流的基波分量[10]，用公式表達為：

(4)

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

圖2 電流平均值運算模塊

但這種計算方法存在一定的缺點，在運算過程中要進行積分運算會產(chǎn)生一個周期的延時，這會影響測量精度，對此有很多學者對原先的算法進行了改進，文獻[11]提出了一種對積分周期的改進措施，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，這種方法是無法準確檢測出基波電流的，其檢測出的基波電流也會發(fā)生畸變，對此提出一種改進設想，對于電流平均值計算模塊得到的電流有功分量可以對其進行濾波處理以濾除非直流分量，即在圖2的模塊計算完后加入低通濾波器濾除諧波分量，在后面對這種方法進行了仿真驗證。

2 單位功率因數(shù)諧波檢測法

單位功率因數(shù)諧波檢測法是一種比較重要的諧波檢測方法，這種方法不需要坐標變換和鎖相環(huán)運算，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載并聯(lián)等效為一個線性電阻負載[12]，即濾波器和負載并聯(lián)構(gòu)成線性負載，此時等效的線性負載電流也應為正弦波，且與電網(wǎng)電壓為線性關系，用公式表達為：

iL=kus+iq(t)

(5)

(6)

通過上面的公式計算得到無功和諧波電流的數(shù)值，這種計算方法的原理如圖3所示。可以看出，這種方法由于要實時測量電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時諧波檢測會受到影響。很多學者對此進行了改進，常見的方式是增加鎖相環(huán)，文獻[13、14]中都提出在計算電壓與比例系數(shù)k相乘前在電壓信號上增加鎖相環(huán)電路，通過鎖相環(huán)對相電壓過零點時刻復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ip-iq法、電流平均值法和1.3節(jié)提出的改進電流平均值法利用仿真軟件進行仿真，設三相電壓源為380V、50Hz；負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)檢測方法原理

圖4 采用ip-iq法諧波檢測的基波波形

圖5 采用電流平均值法檢測的A相基波波形

圖6 采用改進的電流平均值法檢測的A相基波波形

圖4～6中位于上方的是電網(wǎng)電壓沒有畸變時的波形，位于下方的是有畸變的波形?？梢钥闯觯涸陔娋W(wǎng)電壓未發(fā)生畸變時3種方法檢測基本一致，當電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時，只有ip-iq法和改進的電流平均值法能夠較好地檢測出基波電流波形，這也說明改進的電流平均值法的正確性，利用Matlab的FFT工具對波形進行分析得到表1的分析結(jié)果。

表1 3種方法檢測的電流基波分析

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

4 結(jié)束語

對常用的基于瞬時無功功率的諧波電流檢測方法、電流平均值檢測法及單位功率因數(shù)諧波檢測算法等進行了研究，對每一種方法的優(yōu)缺點進行了分析，并對電流平均值法提出了改進方案，最后通過軟件仿真驗證了改進方法的正確性。