有功電流分離法在單相諧波檢測中應(yīng)用及仿真

王文華，王少杰，張雪珍，陶耀寰，許　賀

(1.邵陽學(xué)院 研究生院，湖南 邵陽 422004；2.中電投河南電力有限公司 技術(shù)信息中心，河南 鄭州 450001)

?

有功電流分離法在單相諧波檢測中應(yīng)用及仿真

王文華1，王少杰1，張雪珍1，陶耀寰1，許賀2

(1.邵陽學(xué)院 研究生院，湖南 邵陽 422004；2.中電投河南電力有限公司 技術(shù)信息中心，河南 鄭州 450001)

為解決單相電路諧波及無功電流檢測時(shí)的計(jì)算復(fù)雜和畸變電流對檢測存在影響等問題，將有功電流分離法引入單相諧波檢測電路，通過鎖相環(huán)提供的與基波同相位的單位正余弦信號與單相電路電流相乘，低通濾波器濾去高次諧波分別得到基波有功電流和無功電流及諧波電流。將含有2、4、6、8次諧波的待測電流利用Matlab進(jìn)行仿真，得到待測電流所含基波及諧波電流，表明此種方法對于檢測諧波的可行性，并對于模擬檢測電路提供了一條更為簡便的新思路。

電路諧波；電流檢測；仿真；濾波器

隨著各種大型廠用非線性設(shè)備的普及使用，在為人們生活帶來便利同時(shí)也帶來了有害電能——諧波[1]，造成電能質(zhì)量的下降，大幅增加了電力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使其效率降低。且這種情況并非只存在于三相電路，單相電路中非線性用電器造成的諧波污染同樣嚴(yán)重，并亟待解決。而目前關(guān)于單相電路諧波及無功電流檢測的方法運(yùn)用較多是將三相電路諧波、無功電流檢測的方法，利用構(gòu)造其余兩相的方式進(jìn)行檢測，但這種方法運(yùn)算復(fù)雜，且檢測結(jié)果是諧波與無功功率的疊加，并不能單獨(dú)檢測出某一項(xiàng)，有一定的局限性。本文提出的這種基于有功功率分離法檢測諧波、無功電流的方法不僅在檢測裝置上簡單靈活，且在檢測結(jié)果方面可同時(shí)檢測出諧波和無功電流，優(yōu)越性明顯。有源電力濾波器是一種將系統(tǒng)中所含的有害電流檢出，并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電流，以抵消輸電線路中的有害電流的半導(dǎo)體電力變換裝置，在三相諧波檢測電路中作用明顯。隨著研究的深入和對單相電路的關(guān)注日益加深，在諧波檢測和無功補(bǔ)償方面有源電力濾波器技術(shù)起到至關(guān)重要的作用。本文著重研究了單相電路有害諧波的檢測方法，在相關(guān)分析后認(rèn)為基于有功電流分離法的檢測方法原理簡單可行，可逐一檢測出各個(gè)所要檢測的分量，且滿足在諧波和無功功率檢測方面所提的各種要求。

文中利用Matlab/Simulink[2]來模擬此種檢測諧波及無功功率方法的可適用性，并通過實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)結(jié)果來驗(yàn)證理論中的各種問題和此種檢測方法相比與其他方法的優(yōu)劣。

1　諧波及無功電流的檢測原理

三相電路諧波和無功電流檢測的方法眾多，包括傳統(tǒng)的傅里葉和FFT算法，該方法需要嚴(yán)格同步采樣且延時(shí)過長，后面出現(xiàn)改進(jìn)的傅里葉級數(shù)法，使計(jì)算時(shí)間大幅縮短同時(shí)可用于單相系統(tǒng)；此外，還有瞬時(shí)無功功率法，在一些改變措施情況下其同樣可用于單相系統(tǒng)，包括d-q法、p-q法和ip-iq[3-5]法，其各有優(yōu)點(diǎn)，還有同步測定法等檢測方法，所以三相電路檢測諧波和無功電流的方法較多，而單相電路[6-7]在這方面的方法則相對較少，且大多是通過三相檢測技術(shù)經(jīng)過一些改變而來的。本文所述的基于有功電流分離法的檢測諧波與無功電流的方法在檢測原理上與ip-iq法有一定相似之處，基本是利用鎖相環(huán)[8-9]制造與待測電流同相位的單位正余弦信號和低通濾波器濾去高次諧波，再經(jīng)過一些變換得到結(jié)果。具體的檢測原理和計(jì)算方法[10-12]如下：假設(shè)單相電網(wǎng)電壓為

U(t)=Ucos(ωt+φ)

(1)

式中，U為電壓峰值；ωt+φ為相位。

分析電網(wǎng)電流各分量，可將含有諧波的電流分為基波和諧波兩個(gè)分量，而基波又由基波有功電流和基波無功電流組成。所以，單相電網(wǎng)瞬時(shí)電流可分為：單相電網(wǎng)瞬時(shí)電流

i(t)=ip(t)+iq(t)+ih(t)

(2)

其中，ip(t)為瞬時(shí)基波有功電流；iq(t)為瞬時(shí)無功電流；ih(t)為瞬時(shí)諧波電流。

根據(jù)傅里葉級數(shù)并將電流基波分量分為有功、無功兩部分，展開得

(3)

其中，Ip為基波有功電流峰值；Iq為基波無功電流峰值；In為二次及以上諧波電流峰值。圖1為分離出瞬時(shí)基波無功電流及瞬時(shí)諧波電流的原理圖。

圖1　檢測方法原理圖

由以上公式及原理圖能更加立體的理解這種方法，在式(3)兩邊同時(shí)乘以cos(ωt+φ)，即

整理后得

(4)

式(3)兩邊同時(shí)乘以sin(ωt+φ)，化簡后得

φn+φ]-[sin(n-1)ωt+φn-φ]}

(5)

由式(2)4i(t)=ip(t)+iq(t)+ih(t)即可得出諧波分量的瞬時(shí)值。

以上為基于有功電流分離法的單項(xiàng)單路諧波檢測方法原理，可以看出此種檢測方法在原理上是較簡單的，而在其實(shí)用性方面則需利用仿真軟件來驗(yàn)證。

2　仿真并作分析

利用Matlab/Simulink對此種單相電路檢測無功功率及諧波的方法進(jìn)行仿真模擬，仿真原理如圖2所示。

圖2　仿真模擬圖

此種檢測方法可檢測出與諧波、無功功率檢測相關(guān)的每個(gè)分量的瞬時(shí)值，即得到每個(gè)分量的瞬時(shí)波形圖，由圖2模擬仿真圖結(jié)果即可得知圖3單相待測電流、圖4基波電流和圖5諧波電流，假設(shè)在圖2中兩個(gè)乘法器后面再加入兩個(gè)示波器還能檢測出瞬時(shí)有功、無功電流。在得知所有分量的前提下，就可使其相結(jié)合，譬如諧波電流與無功電流輸出端做一個(gè)加法器檢測出實(shí)時(shí)的諧波與無功電流疊加后的值，有利于進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

圖3　單相待測電流

圖4　基波電流

圖5　諧波電流

圖6　無功電流

圖7　待測、諧波、基波電流對比圖

由以上結(jié)果可以得出，此方法在單相電路中的實(shí)用性，并可對單相電路中諧波電流及無功電流進(jìn)行測試。

同時(shí)，在仿真中要注意低通濾波器參數(shù)的設(shè)置，尤其是截止頻率的選取，過低或過高均會(huì)對結(jié)果造成影響，所選截止頻率過高，所得動(dòng)態(tài)的響應(yīng)過快，所選截止頻率過低，對于檢測結(jié)果固然有利但卻延時(shí)過長。階數(shù)方面同樣，過高或過低也會(huì)對仿真過程或結(jié)果造成影響，所以經(jīng)多方面因素考慮及多次實(shí)驗(yàn)研究，本文選取的截止頻率為32Hz，階數(shù)為6。

3　結(jié)束語

本文分析了有功電流分離法如何檢測出電路中諧波的方法，并根據(jù)原理進(jìn)行了模擬仿真，仿真過程中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓過電流發(fā)生畸變時(shí)，在電流源后加入一個(gè)低通濾波器可較好地抑制畸變現(xiàn)象。仿真著重點(diǎn)在于低通濾波器截止頻率與階數(shù)的選取，截止頻率過高或過低均會(huì)造成基波失真或是時(shí)延過長等問題，通過仿真結(jié)果表明，該方法對于檢測單相諧波和無功電流同樣適用。

[1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2]廖志凌,劉國海,梅從立.一種諧波電流檢測方法的建模與仿真[J].電氣應(yīng)用,2003(3):49-52.

[3]任永峰,李含善,賀綱,等.兩種單相電路瞬時(shí)諧波及無功電流實(shí)時(shí)監(jiān)測方法分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2003,15(1):95-99.

[4]聶岳.單相諧波及無功電流檢測的Matlab仿真[J].機(jī)電信息,2012(24):38-39.

[5]馬惠,劉靜芳.基于瞬時(shí)無功功率理論的三相電路諧波、無功和不平衡電流檢測[J].四川電力技術(shù),2004(4):4-7.

[6]陸秀令,張松華,曹才開,等.單相電路諧波及無功電流新型檢測方法[J].高電壓技術(shù),2007,33(3):163-166.

[7]葛玉敏,李寶英,邢礫云.基于瞬時(shí)無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的研究[C].廈門:電力系統(tǒng)自動(dòng)化學(xué)術(shù)交流研討會(huì),2006.

[8]車蓉蓉,徐蓉.一種單相電路諧波及無功電流實(shí)時(shí)檢測方法[J].江蘇電機(jī)工程,2013,32(4):41-44.

[9]周福林,李群湛,解紹峰,等.無鎖相環(huán)單相無功諧波電流實(shí)時(shí)檢測方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(1):178-182.

[10] 孟慶波,王志國,張相志.兩種單相電路諧波及無功電流檢測方法的比較[J].電氣應(yīng)用,2007,26(5):105-108.

[11] 王秀清,申萍,王衛(wèi)安,等.單相諧波和無功電流的快速檢測方法[J].機(jī)車電傳動(dòng),2009(1):60-61.

[12] 王振光.低壓電網(wǎng)單相電路瞬時(shí)諧波實(shí)時(shí)檢測方法的研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014(9):35-38.

Application and Simulation of Active Current Separation Method in Single Phase Harmonic Detection

WANGWenhua1,WANGShaojie1,ZHANGXuezhen1,TAOYaohuan1,XUHe2

(1.GraduateSchool,ShaoyangUniversity,Shaoyang422000,China;2.CenterofTechnicalInformation,HenanElectricPowerCo.Ltd.,Zhengzhou450001,China)

Theactivecurrentseparationmethodisintroducedintothesingle-phaseharmonicdetectioncircuitinviewofthecomplexanddistortedcurrentinthedetectionofharmonicandreactivecurrentinsingle-phasecircuit.Thefundamentalactivecurrentandreactiveandharmoniccurrentareobtainedbymultiplyingtheunitofsinecosinecurrentprovidedbyphase-lockedloopandbyfilteringhighharmonicsbythelowpassfilter,respectively.Detectivecurrentthatcontains2, 4, 6, 8timesharmonicsissimulatedbytheMatlab,thefundamentalandharmonicsareobtained.Theproposedmethodprovidesamoreconvenientwaytosimulatethedetectioncircuit.

circuitharmonic;currentdetection;simulation;filter

2015- 12- 09

王文華(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：有源電力濾波器。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.043

TM714.5

A

1007-7820(2016)09-0155-04