基于級聯信號延遲消除算法的快速指定次諧波提取

朱萍

(福建信息職業(yè)技術學院 電子工程系，福建 福州 350003)

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基于級聯信號延遲消除算法的快速指定次諧波提取

朱萍

(福建信息職業(yè)技術學院 電子工程系，福建 福州 350003)

實現精確快速的諧波檢測是電力系統諧波補償效果的保證。目前，已存在大量的指定次諧波檢測方法，但是都存在著延遲時間長，對電網頻率偏移敏感和檢測精度不高等一些缺點。為了有效避免或者克服這些不足，提出了一種基于級聯信號延遲消除法的新型指定次諧波檢測方法，方法可靈活地提取畸變信號中的指定次諧波分量，并且具有較高的檢測精度和較短的動態(tài)響應時間。最后，通過MATLAB/Simulink仿真驗證了方法的可行性和優(yōu)越性。

指定次諧波檢測；諧波補償；信號延遲消除；諧波分量；精度高

0 引 言

隨著電力系統中不平衡、非線性設備和負載的比例逐漸增大，系統電能質量問題日益凸顯，尤其是諧波問題。為了有效地實現諧波治理，相繼出現了一些諧波補償方法和設備，例如有源電力濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)[1-2]、統一電能質量調節(jié)器(United Power Quality Conditioner，簡稱UPQC)[3-4]、具有調節(jié)電能質量能力的多功能逆變器(Multi-function Grid-connected Inverter，簡稱MFGCI)[5-7]及其控制策略等。特別是為了節(jié)省補償容量，指定次諧波補償已成為各國學者研究的熱點，而諧波檢測在其中扮演著重要的角色。

目前已有大量文獻對諧波檢測方法進行了研究。諧波檢測方法主要分為兩類：頻域和時域檢測。頻域的檢測方法主要是根據傅里葉變換理論，將被檢測信號轉換為基波信號和各次諧波信號的和，再通過加窗的方法提取各次諧波分量，例如離散傅里葉變換(DFT)、快速傅里葉變換(FFT)[8-9]、滑動DFT(SDFT)[10]、小波變換[11-12]等。時域的檢測方法主要有：基于αβ坐標系的二階廣義積分器法[13-14]，ip-iq法(ip為基波有功電流，iq為基波無功電流)，基于瞬時無功功率理論的pq(p為基波有功功率，q為基波無功功率)法[15]，以及基于人工神經網絡的檢測算法等[16]。

上述方法均存在一些不足和局限性。例如，pq法只能運用于三相對稱系統；而SOGI法對電網頻率具有嚴重的依賴性，因為該方法在諧波頻率周圍的幅值增益變化較大，當電網基波頻率發(fā)生偏移時，將嚴重影響諧波分離效果；ip-iq法、dq-0法算法簡單，便于實現，但是需要鎖相和低通濾波器，而這些都會對系統實時性造成影響；頻域的檢測方法均有一個周期的延遲、且需要存儲大量的數據和大量的運算。

為了克服上述傳統方法的不足，文獻[17-19]在dq坐標系下提出一種基于級聯信號延遲消除法的三相基波正序信號提取方法，取得了良好的效果。本文提出一種基于級聯信號延遲消除法的三相系統指定次諧波分離方法，在兩相靜止坐標系αβ下完成目標次諧波的提取，該方法適用于不對稱三相系統和單相系統，無需復雜的坐標變換和低通濾波器，具有很好的動態(tài)響應效果，且檢測精度和實時性高。本文首先采用多個信號延遲模塊的串聯來實現單次諧波的提取，再利用DSC模塊的靈活配置來實現多個指定次諧波分量的提取，并驗證了其正確性和優(yōu)越性。

1 基于CDSC的諧波檢測

1.1 DSC原理

在信號處理理論中，電壓、電流信號可分別用空間旋轉矢量和時域信號兩種方式表示[18]。三相靜止坐標下的電壓信號可通過Clark變換得到αβ坐標下的電壓信號。

(1)

(2)

式中h次諧波空間矢量的瞬時相角θh=hωt+φh，φh為初始相角，諧波次數h=±1,±2,±3,…,±H。

1.2 DSC結構

圖1 DSC空間矢量圖

(3)

(4)

由式(2)可知，當θn+θr=2kπ，k=0,±1,±2…時，諧波幅值增益K=1；θn+θr=(2k+1)π時，K=0。因此，選擇合適的n和θr，即可決定h次諧波經過DSC模塊的幅值增益和相角增益。為了參數計算簡單，選擇θr=-2πh*/n，h*為用戶設定的目標諧波次數。

公式(1)所示的DSC矢量形式可轉換為相應的時域形式:

(5)

其中R(θr)為旋轉矩陣:

(6)

圖模塊結構框圖

1.3 指定次諧波提取

在不同的負載類型和工業(yè)環(huán)境下，信號所含有的諧波特征往往不同。因此，研究具有快速提取任意次諧波分量能力的方法具有重要的意義。

根據式(2)可知，可取n=2，h*=+7，這樣即可使DSC在ω處幅值獲得單位增益，同時DSC在(2k-1)ω處也獲得了單位增益，k=1，2，3，…，15，16，…，(2k)ω，幅值增益為0；再通過串聯方式連接第2個DSC(n=4，h*=+7)模塊，根據公式(2)可知，DSC在(4k-1)ω處幅值增益為1, (4k+1)ω處幅值增益為0；同樣的方式串聯第三個DSC(n=8，h*=+7)模塊，可知DSC模塊在(8k-1)ω處的幅值增益為1，而(8k+1)處的幅值增益為0，以同樣的方式進行DSC模塊的級聯，即可消除+7次以外的所有整數次諧波分量和一定程度上削弱間諧波，從而檢測得到+7次諧波分量。上述過程的原理框圖如圖3所示，CDSC模塊提取+7次諧波時造成的延遲為0.97T，單個CDSC模塊在延遲時間上沒有比傳統的諧波檢測方法獲得明顯改善，但是針對補償系統需要提取多次諧波分量時，CDSC模塊將會表現出其在時間延遲方面的優(yōu)越性；且在實際的諧波場合，我們無需考慮大量的高次諧波分量，這樣也可簡化CDSC模塊，進一步提高諧波檢測的實時性。

圖3 +7次諧波CDSC模塊框圖

2 仿真驗證

為了驗證本文提出的諧波檢測方法的正確性，利用仿真軟件MATLAB/Simulink對本文提出的基于CDSC的指定次諧波檢測進行仿真分析。采用文獻[19]的測試系統模型作為本文的仿真模型，為更好地體現諧波檢測方法的可行性和優(yōu)越性，簡化原測試系統模型，分布式電源DG1，DG2用兩個理想的三相電壓源代替，其他參數(線路參數，負載參數)與文獻[19]保持一致。

當三相負載不平衡和畸變時，敏感性負荷母線電壓波形如圖4所示，由文獻[18]可知，此時SLB母線電壓中的諧波成分均為對稱性諧波。對該電壓信號進行FFT分析，電壓總諧波畸變率為19.65%，基波電壓幅值為306.2 V，主要含有3次，5次和7次諧波,諧波畸變率分別為12.24%，5.88%，5.27%，幅值分別為,45.01V，9.631 V，6.403 V。

圖4 SLB電壓波形

圖5 快速指定次電壓諧波提取模塊

圖6 提取的±3次諧波分量波形

圖7 提取的±5次諧波分量波形

圖8 提取的±7次諧波分量波形

圖6，7，8分別為利用圖5所示的基于CDSC的指定次諧波提取模塊分離得到的±3，±5，±7次諧波分量的波形，結合前文中對已知信號中各次諧波的幅值分析可知，本文所提方法具有一定的諧波檢測精度。

圖9 負載變化時，CDSC的動態(tài)響應

0.1 s時，接入不平衡性整流型負載時，CDSC提取的-1，-5，+7次諧波如圖9所示，可知，CDSC模塊均可在約兩個周期完成指定次諧波分量檢測，與本文的理論延遲時間基本吻合。文獻[19]采用的dq-0諧波檢測方法采用了6個截止頻率為5 Hz的一階低通濾波器，造成的理論延遲時間為0.12 s(6個基波周期)，因此本文所提方法在實時性方面較傳統諧波檢測方法具有一定的優(yōu)越性。加之，在實際應用中，圖7所示的CDSC模塊還可根據實際的信號中所含諧波次數的實際情況，對CDSC模塊進行簡化，從而降低延遲時間，進一步提高CDSC動態(tài)響應速度。

3 結束語

本文利用DSC模塊的靈活配置來實現指定次諧波分量檢測，檢測方法適用于任何非平穩(wěn)周期性信號，提取過程中無需使用積分器、低通濾波器、鎖相環(huán)等，算法簡單(無需進行大量的坐標變換)，工程實現容易，且可靈活運用于單相系統和三相系統。經過仿真和計算可知，CDSC具有較好的動態(tài)響應效果，可保證系統的實時性和提高諧波檢測精度，同時對間諧波分量具有一定的削弱作用。在某些特定補償場合，電壓或者電流信號主要含有一些特定的低次諧波，或者奇數次諧波時，能進一步展現出本文所提出的諧波檢測方法的優(yōu)越性。

下一步作者將利用本文所提出的諧波檢測方法治理微電網電能質量問題，例如諧波問題、電壓不平衡問題等等，并與傳統諧波檢測方法在電能質量治理方面的效果進行對比，進一步驗證諧波檢測的重要性和CDSC的優(yōu)越性。

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Fast Selective Harmonic Extraction Based on Cascade Delayed Signal Cancellation Algorithm

Zhu Ping

(Department of Electrical Engineering, Fujian Vocational Technical Institute of Information Technology, Fuzhou Fujian 350003, China)

Fast accurate harmonic detection can ensure the effect of harmonic compensation in the electric power system. There exist many methods for selective harmonic detection, but all of them have disadvantages such as long time delay, low sensitivity to power grid frequency deviation and poor detection accuracy. In order to avoid or overcome these shortcomings, this paper presents a novel selective harmonic detection method based on cascade delayed signal cancellation (CDSC), which can flexibly extract selective harmonic components from distorted signals and have quite high detection accuracy and short dynamic response time. Finally, MATLAB/Simulink simulation verifies the feasibility and superiority of this method.

selective harmonic detection; harmonic compensation; cascade delayed signal cancellation (CDSC);harmonic component; high accuracy

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.025

TM711

A

1000-3886(2016)03-0078-04

朱萍(1974-),女，福建莆田人，講師，主要研究方向為電氣電子與通信。

定稿日期: 2015-11-26