（控制理论与控制工程专业论文）有源电力滤波器控制策略的研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o lt e c h n o l o g yf o r a c t i v epo w e rfi l t e r c a n d i d a t e ：h u a n gp a n p a n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n g x u e d a n s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g h e i l o n g ji a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，15 0 0 2 7 j u n e2 0 1 0 一i j fi：!|iir l l l l t l r l i i i r l l t fi i i r l l i l l t l r i rlr f l l l r i y 17 8 4 5 3 9 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：意堕旦盈 日 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名糊导师签名： 摘要 电力电子技术的飞速发展，一方面给电能的变换和应用带来了方便，另 一方面对电力系统安全、稳定、经济运行带来了极大的威胁。电力电子装置 所引起的谐波和无功电流对电力系统的危害引起了人们越来越多的重视，用 有源电力滤波器抑制谐波和补偿无功已经成为电力电子技术中的一个重大研 究课题。 本文在综合国内外有关文献的基础上，介绍了有源电力滤波器的发展、 常用谐波电流检测方法和补偿电流控制方法。 有源电力滤波器的控制策略分为谐波检测和电流控制两个环节，本文先 对基于瞬时无功功率理论的p q 法与易一岛法进行分析，结合m a t l a b 仿真 得出最优的电流检测方法，然后研究了并联型有源电力滤波器的基于 s v p w m 调制的电压前馈电流解耦控制方法。仿真结果表明，该方法具有较 好的电流控制效果。 对并联型有源电力滤波器的主电路进行深入研究，确定了直流侧电压、 直流侧电容值和交流侧电抗器的计算方法，并给出了具体器件选型及外围电 路的详细参数。 、 在理论分析基础上，设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的并联型有源电力滤波 器，并对软硬件进行详细介绍。最后通过实验，验证了本文控制策略的正确 性。 关键词：有源电力滤波器；s v p w m 调制；解耦控制 ，l，ll 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t n l er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , o no n eh a n d ，m a d e p o w e re n e r g yt r a n s f o r m a t i o na n da p p l i c a t i o nc o n v e n i e n t l y , a n do nt h eo t h e rh a n d ， t h r e a t e n e dt h er u n n i n go ft h ep o w e rs y s t e mi nt h es a f e ，s t a b l ea n de c o n o m i c a l s t a t es e r i o u s l y t h eh a r mo ft h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sw h i c hi sb r o u g h t a b o u tb yp o w e re l e c t r o n i c si s p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i t h a sb e e na n i m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d i np o w e re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d yt h e a c t i v ep o w e rf i l t e r st oh a r m o n i cc u r r e n tp o l l u t i o na n dc o m p e n s a t et h er e a c t i v e p o w e r b a s e do ns y n t h e s i so fl i t e r a t u r eb o t ha th o m ea n da b r o a d ，t h ed e v e l o p m e n t ， h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o da n dc o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o n t r o lm e t h o do f a c t i v ep o w e rf i l t e ra r ed e s c r i b e d 功ec o n t r o ls t r a t e g yo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri n c l u d e sh a r m o n i c sd e t e c t i o na n d c u r r e n tc o n t r 0 1 t h ep qa n d p 一qm e t h o dw h i c ha r eb a s e do ni n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r ya r ea n a l y s e d c o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o nb ym a t l a b a l l o p t i m u mc u r r e n td e t e c t i o ni sa c h i e v e d d e c o u p l i n gw i t ht h ec u r r e n ta n dv o l t a g e f e e d f o r w a r dc o n t r o lm e t h o dw h i c hi sb a s e do ns v p w mm o d u l a t i o nf o rs h u n t a p fi sr e s e a r c h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d h a sg o o dc u r r e n tc o n t r o le f f e c t t h ep a p e rr e s e a r c h e sm a i nc i r c u i to fs h u n ta p fi nd e t a i l t h ec a l c u l a t i n g m e t h o do fd cv o l t a g e ，d cc a p a c i t a n c ea n da cs i d ei n d u c t a n c ea r ea c h i e v e d ，a n d t h es p e c i f i cc o m p o n e n t sl e c t o t y p ea n dt h ed e t a i l e dp a r a m e t e r so fp e r i p h e r a lc i r c u i t a r ec a l c u l a t e d o nt h eb a s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hi s b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812h a sb e e nd e s i g n e d m e a n w h i l et h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e v e r i f i e dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r s ；s v p w mm o d u l a t i o n ；d e c o u p l i n gc o n t r o l 1 1 ，。；0， 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 摘! 耍i a b s t r a c t i i 第1 章绪论。 1 1 1 研究的目的与意义1 1 2 有源电力滤波器的研究及发展现状2 1 2 1 有源电力滤波器的发展2 1 2 2 谐波电流检测方法3 1 2 3 补偿电流控制方法4 1 3 论文研究的内容6 第2 章谐波电流检测方法研究。7 2 1 瞬时无功功率理论7 2 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法9 2 2 1p 、q 运算方式9 2 2 2i p 、i q 运算方式。1 0 2 3 低通滤波器的选取1 2 2 4 电网电压畸变时仿真结果16 2 5 小结l 7 第3 章基于s v p w m 调制的电压前馈电流解耦控制方法研究。1 8 3 1s v p w m 调制算法描述1 8 3 2 基于s v p w m 调制的电压前馈电流解耦控制方法2 1 3 3 算法仿真及结果分析2 4 3 3 1 稳态补偿效果2 5 3 3 2 动态响应效果2 7 3 4 小结。2 8 i l l 厂二二一二 2 9 4 1 主电路研究2 9 4 1 1 功率模块选择2 9 4 1 2 直流侧电压计算2 9 4 1 3 直流侧电容值计算3 0 4 1 4 交流侧电抗器选取31 4 2 控制系统硬件设计3 3 4 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的结构特点3 3 4 2 2 电压相位检测电路3 5 4 2 3 锁相倍频电路3 6 4 2 4 电流信号采集与调理电路3 8 4 3 j 、结3 9 第5 章并联有源电力滤波器的软件设计及实验。4 0 5 1 并联有源电力滤波器的软件设计4 0 5 1 1 主程序4 0 5 1 2 初始化程序4 0 5 1 3 中断子程序4 2 5 1 4s v p w m 子程序4 2 5 2 实验结果4 3 5 3 小结- 。4 5 结论 4 6 致谢4 7 参考文献4 8 作者简介。 i v 5 2 1 1 研究的目的与意义 随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加，各种 非线性和时变性电子装置大规模地应用，使电网电压和电流波形发生畸 变产生谐波，对电力系统环境造成了污染，而且谐波对电网的污染也日 趋严重，对电力系统中谐波污染的抑制与治理已刻不容缓。 谐波的存在影响到整个电力系统的电气环境，包括系统本身和广大用 户。由谐波引起的各种故障和事故不断发生，给国民经济和生产、生活 造成了不必要的损失。因此，电力谐波问题已经受到各国政府和科技届 的广泛关注。谐波的危害主要表现在以下几个方面i i 】： 1 、谐波使公用电网中的原件产生附加的功率损耗，一方面增加了电 力系统的损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，另一方面使原件发 热，恶化绝缘条件，缩短设备的使用寿命； 2 、谐波使电网电压发生畸变，从而改变机电保护系统的动作特性， 造成误动或拒动，使电气测量仪表不能准确测量； 3 、谐波会对邻近的通信系统产生电磁干扰，引起通信系统的噪声， 降低通信质量，干扰严重时会引起信号的丢失，使通信系统无法正常工 作，并使敏感的电子设备和自动控制系统紊乱，而导致电力电子装置自 身的控制系统不能正常工作； 4 、谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波 放大。这使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 世界各国已经十分重视电能质量的管理，而谐波治理是电能质量问 题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切要求。谐波的抑制和 补偿是谐波研究的核心和关键问题，而有源滤波技术是谐波抑制技术的 主要研究方向之一，因此对有源电力滤波器控制策略的研究具有非常重 大的现实意义。 ， 乎 黑龙江科技学院硕士学侮论文 1 2 有源电力滤波器的研究及发展现状 1 2 1 有源电力滤波器的发展 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年 b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入3 次谐 波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。 其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。1 9 7 1 年，h s a s a k i 和 t m a c h i d a 发表论文，首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用大功率晶体管p w m 控制变换器构成 的有源电力滤波器，并正式确立了有源电力滤波器的概念，确立了有源 电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。此后，随着电力电子技 术和p w m 技术的飞速发展，以及对非正弦条件下无功功率理论的深入 研究，有源滤波器的研究以日本为代表逐渐活跃起来，成为电力电子技 术领域的研究热点之一。1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h 提出“三相电路瞬 时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电 力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展， 使得2 0 世纪7 0 年代提出的有源电力滤波器走出了实验室。之后这一理 论不断完善，在此基础上，有源电力滤波器的研究有了长足进展。a k a g i h 在1 9 8 6 年提出用并联有源电力滤波器消除谐波。这种有源电力滤波器兼 有串、并联有源电力滤波器的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电 能质量问题，具有较高的性价比，一经提出便成为各国研究人员的研究 热点。经过2 0 年的发展，混合型有源滤波器在控制方法、谐波检测、电 流补偿、降低损耗等方面有了极大的进步，已经从单纯理论分析走入实 验室f 2 1 。 目前，世界上有源滤波器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国 西屋电气公司、德国西门子公司等。在日本，有源滤波器技术已经成熟， 其产品开始进入实用化阶段，自1 9 8 1 年以来，已有5 0 0 多台有源电力滤 波器投入运行，其功率范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 越来越宽，功能从谐波 补偿到抑制闪变和电压调节等越来越丰富。实际上，近两年来5 0 k v a 以 下的台数增加显著，也反映了对谐波抑制重要性的认识在提高。从实际投 入的设备来看，有源滤波器与负载的连接大多将并联型作为一种标准方 式，主电路多为电压型。大部分中小容量的有源滤波器中，主回路采用的 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 器件基本为i g b t ，只有容量达到m w 级的大容量装置才使用g t o 。 我国对有源电力滤波器的研究起步较晚。目前以西安交通大学和浙江 大学为代表，他们已经形成了比较系统的研究体系和理论基础；另外，国 内的一些研究所也在开展研究工作。在实际应用方面，国内已经有人试制 出了有源滤波器的样机，并且在小功率的场合使用。哈尔滨工业大学电气 工程系研制开发出一种单相有源滤波器产品，目的是改善单相用户接人点 的电网品质，进而改善配电网的品质。2 0 0 2 年，西安交大成功地将一台 1 2 0 k v a 有源电力滤波器应用于重离子加速器励磁电源的谐波治理，这是 迄今为止我国在这个容量等级上的第一台a p f 应用于实践。由中南大学研 制的并联混合有源滤波器已在娄底早元2 2 0 k v 变电站挂网试运行，其有源 部分容量为10 0 0 k v a ，滤波效果良好。浙江省新技术推广站已经把3 0k v a 有源滤波器产品化，并开始投向市场。 有源电力滤波器在我国的实际应用与国外仍有很大差距，这与目前谐 波污染日益严重的状况很不适应。相信随着电能质量治理工作的深入开展 和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会有巨大 的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 1 2 2 谐波电流检测方法 为了快速检测谐波电流，人们已经提出了许多检测方法，下面是目前 常用的谐波电流检测方法： 1 、用模拟的带通或带阻滤波器检测法 用模拟带通或带阻滤波器检测谐波电流的方法，其原理是在检测的信 号中提取出基波分量，它与原信号之差就是电网中的畸变电流，即所需补 偿的谐波电流。该检测方法的优点在于电路结构简单、造价低廉、输出阻 抗低、品质因数易于控制。但是该方法误差大、对电网频率波动较敏感。 2 、基于频域分析的快速傅立叶变换法 基于频域分析的快速傅立叶变换法是建立在f o u r i e r 分析的基础上的， 因此要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大的误差。该方法需 要进行两次f f t 变换，因而有较大的时间延迟，瞬时性较差，并且当电压 波形畸变时，将带来较大的非同步采样误差，对高次谐波的检测精度影响 较大【3 ，4 】。 3 、瞬时空间矢量法 利用瞬时无功功率理论，检测出三相电压与负载电流计算出瞬时有功 黑龙江科技学院硕士学位论文 功率和瞬时无功功率，滤去基波分量后得到高次谐波瞬时有功功率和瞬时 无功功率，算出所需补偿电流指令值。该方法虽然能快速跟踪补偿电流， 进行实时补偿，但计算复杂，且检测精度不副5 们。 4 、自适应检测法 该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去 基波有功分量，从而得到所需的补偿电流指令值。该方法的突出优点是对 电网电压畸变、频率及电网参数变化有较好的自适应能力，但其动态响应 较慢7 别。 5 、小波变换法 小波变换时域特性具有良好的局部性，而且由于其高频段采取逐渐精 细的时频步长，可以聚焦到分析对象的任意细节，但由于连续小波变换的 快速算法和重构难以实现，另外，小波函数的窗口能量不能集中，从而造 成混叠现象，其频率中心和半径并不满足二进条件，致使随着尺度的伸缩 出现分频不到位的问题，加重了混叠现象。因此，该方法的具体效果如何 还有待深入研究和探讨【1 0 1 2 1 。 6 同步测定法 同步测定法的优点是信号检测畸变小，放大系数高，波形快速跟踪能 力强。现将它由单相扩展到不平衡三相电力系统畸变电流检测的依据是： 可分别计算每一相的补偿分量，因此不必要求三相负荷电流相等【1 3 , 1 4 】。 7 、基于神经网络检测法 该方法是随着神经控制理论在系统中的应用发展起来而形成的一种新 型智能控制手段。人工神经网络自学功能性强，以进化算法和方向传播用 于神经网络的训练，不但避免了复杂计算，且有广泛的适应性 1 5 j 。 8 、基于现代控制理论的方法 最早应用的有基于尸一，控制器的方法，因尸一，控制器的特性不能适应 负载及电网的变化，后来又提出了滑模控制及模糊控制等现代控制方法。 它们都是直接根据逆变器直流侧的电压和电流，求出所需电网电流的基波 有功分量幅值，从而求出所需补偿电流的指令值。这种方法适用于单相和 三相a p f ，也适用于电网电压畸变的情况。 1 2 3 补偿电流控制方法 目前补偿电流控制方法主要有以下几种： 1 、三角波比较控制 这是一种最简单的线性控制方法，它以指令电流与实际补偿电流之间 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 的差值作为调整信号，与高频三角载波相比较，从而得到逆变器开关器件 所需的控制信号。该方法的优点是开关频率稳定，响应速度快，对高开关 频率的系统具有较好的控制特性。缺点是跟随误差大，开关损耗大和高频 失真严重，在大功率应用中受到限制【l d l 8 】。 2 、滞环比较控制 该方法是将指令电流和实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的 比较器中，然后用比较器输出来控制逆变器的开关器件。该方法动态性能 好，不需要考虑系统参数和变流器内部的参数，具有强鲁棒性。其缺点一 是开关频率不固定，开关频率变化较大，容易引起脉冲电流和开关噪声； 二是不能有机地产生零矢量，存在非优化的开关过程，在低调制比时会造 成开关频率很高【1 9 2 1 1 。 3 、空间矢量调制( s v m ) s v m 技术具有以下优点：直流侧电压的利用率比s p w m 提高1 5 ； 采用不连续开关方式调制时，开关器件的损耗降低1 3 ；调制方法便于数 字实现u 剧。 4 、无差拍控制 该方法实际上是一种预测控制，其基本思想是根据在第k 个采样时刻 所检测的负载电流和补偿电流，计算第k + i 时刻的指令电流值及各种可 能开关状态下补偿电流的预测值，然后计算某种特定的目标函数( 一般为 指令值和预测值的累计误差) ，选择目标函数最小的开关状态作为k + i 时 刻的开关依据。其优点是动态响应很快，易于计算机执行，缺点是计算量 大，且对系统参数依赖性较大【2 3 ，2 4 。 5 、自适应控制 它的目标是使控制系统对参数的变化，以及对未建模的动态部份不敏 感。由于它对过程参数的变化及对未建模部分的动态过程不敏感，对动态 过程变化的自适应性的优点，必将越来越多的应用到a p f 中。 6 、滑模变结构控制 这是一种非线性控制方法，它是利用某种不连续的开关控制策略来强 迫系统的状态变量沿着相平面中某一预选设计好的“滑动模态 轨迹运动。 其优点是鲁棒性好，但很难取得十分满意的效果，有待更深入研究。 7 、模糊控制 模糊控制在a p f 中主要用于优化占空比和电压外环的跟踪控制( 即 黑龙江科技学院硕士学位论文 直流侧电压控制) 。文中认为：将模糊控制应用于开关占空比的优化和控 制，能从开关本身的特性出发解决电流跟踪问题，提高系统的动态性能： 也可以在其他的控制方法中引入模糊的概念改善其他控制方法的不足【2 5 1 。 8 、人工神经网络控制 人工神经网络除用于谐波电流的检测之外，还可以用于控制变换器的 开关状态以实现对给定电流的跟踪。因为采用神经网络逼近的方法能够充 分考虑系统的未知动态，提高控制精度，简化控制方法。 9 、无源性控制 无源性理论是一种能量“整型”方法，通过重新分配系统的能量和注 入非线性阻尼，使系统在满足“无源性 条件下达到要求的性能，从而简 化了控制器设计，提高了系统的鲁棒性。无源性控制在a p f 中的应用主 要集中在获得补偿信号和获得调制的占空比两个方面1 2 6 1 。 1 3 论文研究的内容 本文所做主要工作如下： l 、介绍了谐波危害，论文研究的目的与意义及有源电力滤波器的发 展现状，分析了常用谐波电流检测方法和补偿电流控制方法，进而研究有 源电力滤波器的控制系统； 2 、介绍了瞬时无功功率理论，并分析了基于瞬时无功功率理论的两 种检测方法p g 法及如一岛法的基本检测原理。采用理论分析和仿真实验 相结合的方法得出低通滤波器的类型、阶次和截止频率。在m a t l a b 中 进行仿真分析比较后选择易一岛法作为本文的谐波检测方法； 3 、对基于s v p w m 调制的电压前馈电流解耦控制方法进行研究。首 先介绍了s v p w m 调制算法，在对电压前馈电流解耦进行了描述之后，对 基于s v p w m 调制的电压前馈电流解耦控制算法进行仿真研究及结果分 析； 4 、研究了并联型有源电力滤波器的设计方案。首先对主电路进行研 究，确定了直流侧电压、直流侧电容值和交流侧电抗器的计算方法，并给 出详细参数。设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 的并联型有源电力滤波器， 并对其软硬件进行介绍，通过实验验证了本文控制策略的正确性。 6 第2 章谐波电流检测方法研究 谐波电流检测是影响有源滤波器控制的关键问题之一，本章主要对基于 瞬时无功功率理论【2 7 】的两种谐波检测方法进行讨论和分析。 2 1 瞬时无功功率理论 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e a 、e 6 、e 。和乇、如、如。首 先将三相瞬时电压电流由静态的e 口、e b 、e c 和如、如、f c 变换到旋转的a 够正 交坐标变量作为分析基础，可得到0 【、两相瞬时电压、印和两相瞬时电 流i a 、稿其变换公式为： 肾，嗣 睁捌 式中： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 如图2 - 1 所示的仅平面上，矢量、印和乇、拓分别合成电压矢量p 与电 流矢量f ： e = 气+ p b = e 么叩。 i = 屯+ f b = 亿( p f 式中： e 、瞒矢量e 、f 的模； p 。、p ，为矢量e 、f 的幅角。 7 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 。一2万一22 笪2。一2打一2 ，l一， 压怄 = 2九q 上的投影，即： i p = i c o s ( p l 口2 l s i n t p 式中： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 叩2 ( p 。叩f a 节平面中的易和岛如图2 1 所示。三相电路瞬时有功功率p ( 瞬时无功功率 g ) 定义为电压矢量e 的模和三相电路瞬时有功电流易( 三相电路瞬时无功电流 i a ) 的乘积，即： p 2 e l p 9 2 e l q 把式2 6 、式2 7 代入式2 8 、式2 9 ，并写成矩阵的形式得出： ： 式中： 一e l i 1 屯嘲 8 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 盱匮曼 眨 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算出p 、q 或易、i q 即可得出三 相电路谐波电流检测的两种方法，分别称之为p 、q 运算方式和i p 、岛运算方 式。 2 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 2 2 1p 、q 运算方式 p 、q 算法原理图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 p 、q 算法原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f p 、qa l g o r i t h m 根据式2 1 0 可算出瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q ，通过低通滤波器， 将基波瞬时有功功率歹与无功功率虿分离出来【2 8 1 。电网电压无畸变时，歹由 基波有功电流与电压所产生，虿由基波无功电流与电压所产生。因此，由歹、 虿可计算出被检测电流屯、f 6 、f c 的基波分量协f 轸锄即： 式中： l 矿 1 6 ， z 矿 = c c 二 亨 = 古c c 朋 亨 r r 7 0 2 3 一0 3 2 c 阳- - c ；： 9 ( 2 1 2 ) 将等式左端的p 移到等式的右端，得： 设电网三相对称电压为： 乞= 巨s i n c o t 吃= 删n 妒争 巳却i 删+ 争 式中： e l 为电网相电压的有效值； 为电源角频率。 将式2 1 3 代入式2 1 中进行三相到二相变换，得： 设三相对称被检测电流为： 式中： 屯= 2 厶s i n ( 砌h ) f 6 ：芝凰s i i l 【( 枷卜等) 饥】 t ：羔皿s i n 【( 舢f + 等) 饥】 l o ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) fj k唯 。，。l 1i一 邰 气邙 。l 1 一p = 1 j 0 0 。l i “= 1 叫 蛐口啪 应 l | 不。 式中： n = 3 k + l 时取“”号； n = 3 k - 1 时取“+ ”号。 按mq 运算方式，将式3 1 6 和式3 1 8 代入式3 1 0 得： 小巨 l c o s ( 1 + n ) c o t - y - q ) 。】 n = l 千l s i n ( 1 一n ) o o t 一叱】 ( 2 1 9 ) p 、q 经l p f ( 低通滤波器) 滤波得： 睁瞄拳：； 眨2 。) 此时，e 2 = 3 e ? 和式2 1 6 代入式2 1 4 ，得： ： = i 卜s i n c o t - c o 叫sc o t l ，i 。 眨2 ， 根据推导得出的p 、岛的运算关系，画出该检测法的原理框图如图2 - 3 所 图2 - 3k f g 算法原理图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f 审、岛a l g o r i t h m l l 该方法中用一个锁相环和一个正弦、余弦发生电路得到与a 相电网电压 e 口同相位的正弦信号s i n c o t 和对应的余弦信号c o s o g t ，它们由锁相环( p l l ) 和正余弦信号发生电路得到。利用这两个信号和屯、如、七一起计算出k 岛， 再经过l p f 得出ki q 的直流分量亏、亏，这罩的i 、亏是由l 。a y , 7 轸i e 的，因此由云、亏就可以计算出i a 、i t , 、i c 的基波分量协轸切然后将乇、 认芘与协协匆相减，计算出谐波分量锄、锄、锄。 2 3 低通滤波器的选取 由于两种检测方法都采用低通滤波器( l p f ) 求取p 、q ，故当被检测电 流发生变化时，需经一定延迟时问才能得到准确的p 、q ，从而使检测结果有 一定延时，因此低通滤波器的参数选取对检测精度有重要影响。下面通过对 不同类型、不同阶次、不同截止频率的低通滤波器进行仿真研究，以选择合 适的低通滤波器。 1 、不同类型低通滤波器仿真 对阶次为2 阶，截止频率为5 0 h z 的b u t t e r w o r t h 、c h e b e y s h e vi 、c h e b e y s h e v i i 低通滤波器进行仿真，结果如图2 - 4 ，2 5 ，2 - 6 所示。 可见，阶数和截止频率相同时，b u t t e r w o r t h 型低通滤波器检测精度最好， c h e b e y s h e vi 型次之，c h e b e y s h e vi i 型最差。 ( a ) a 相基波电流波形 ( a ) a - p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r m ( b ) a 相谐波电流波形 ( b ) a p h a s eh a r m o n i cc u r r e n t sw a v e f o r m 图2 - 4b u t t e r w o r t h 低通滤波器仿真结果 f i g 2 4s i m u l a t i o nr e s u l t so fl o w p a s sf i l t e rb a s e do nb u t t e r w o r t h 1 2 ( a ) 口相基波电流波形 ( b ) 口相谐波电流波形 ( a ) a p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r r n ( b ) a - p h a s e h a r m o n i ct u r r e t sw a v e f o r m 图2 - 5c h e b e y s h e vi 低通滤波器仿真结果 f i g 2 - 5s i m u l a t i o nr e s u l t so fl o w - p a s sf i l t e rb a s e do nc h e b e y s h e v i 4 0 2 0 o 圆 瑚 ( a ) 口相基波电流波形 ( b ) a 相谐波电流波形 ( a ) a p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r m ( b ) a p h a s e h a r m o n i cc u r r e n t sw a v e f o r m 图2 - 6c h e b e y s h e vi i 低通滤波器仿真结果 f i g 2 6s i m u l a t i o nr e s u l t so fl o w - p a s sf i l t e rb a s e do nc h e b e y s h e v i i 表2 1 仿真数据 t a b 2 1s i m u l a t e dd a t a 5 次7 次 9 次1 1 次1 3 次t h d b u t t e r w o r t h 0 4 80 4 6 0 0 30 0 9o 0 7 o 7 5 c h e b e y s h e v1 0 5 7 0 5 40 0 2 0 0 60 0 70 8 9 c h e b e y s h e v1 1 0 3 8 0 50 0 70 0 9 0 0 61 0 9 2 、不同阶次低通滤波器仿真 对截止频率5 0 h z 的b u t t e r w o r t h 低通滤波器，选用阶次为2 阶，3 阶，5 阶，8 阶进行仿真实验，2 阶已在上节给出，仿真结果如图2 7 ，2 8 ，2 - 9 所示。 ( a ) 口相基波电流波形 ( b ) 口相谐波电流波形 ( a ) a p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r m ( b ) a - p h a s e h a r m o n i cc u r r e n t sw a v e f o r m 图2 73 阶仿真结果 f i g 2 - 7s i m u l a t i o nr e s u l t so f t h r e e o r d e r 1 3 t ，t c a ) 口相基波电流波形( b ) a 相谐波电流波形 ( a ) a p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r m ( b ) a - p h a s eh a r m o n i cc u r r e n t sw a v e f o r m 图2 85 阶仿真结果 f i g 2 - 8s i m u l a t i o nr e s u l t so f f i v e o r d e r ( a ) a 相基波电流波形 ( a ) a p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r m ( b ) a 相谐波电流波形 ( b ) a - p h a s eh a r m o n i cc u r r e n t sw a v e f o r m 图2 - 98 阶仿真结果 f i g 2 9s i m u l a t i o nr e s u l t so fe i g h t - o r d e r 表2 2 仿真数据 t a b 2 2s i m u l a t e dd a t a 通过仿真数据发现，5 阶低通滤波器检测精度最好，2 阶、3 阶次之。 3 、不同截止频率低通滤波器仿真 对阶次为2 阶的b u t t e r w o r t h 低通滤波器，分别选用1 0 h z ，3 0 h z ，5 0 h z ， 8 0 h z 截止频率进行仿真实验，截止频率为5 0 h z 的情况已在前面给出，仿真 结果如图2 1 0 ，2 1 1 ，2 1 2 所示。 从提高检测精度出发，希望低通滤波器的截止频率越低越好，但截止频 率过低，会导致动态响应变慢。从表2 3 也可以看出，5 0 h z 时低通滤波器检 测精度最好。 1 4 图2 1 01 0 h z 仿真结果 f i g 2 10s i m u l a t i o nr e s u l t so f10 h z ( a ) a 相基波电流波形 ( b ) a 相谐波电流波形 ( a ) a p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r m ( b ) a - p h a s e h a r m o n i cc u r r e n t sw a v e f o r m 图2 1 13 0 h z 仿真结果 f i g 2 - 11s i m u l a t i o nr e s u l t so f3 0 h z ( a ) a 相基波电流波形( b ) a 相谐波电流波形 ( a ) a p h a s ef u n d a m e n t a lc u r r e n t sw a v e f o r m ( b ) a p h a s eh a r m o n i c c u r r e n t sw a v e f o r m 图2 1 28 0 h z 仿真结果 f i g 2 - 12s i m u l a t i o nr e s u l t so f8 0 h z 表2 3 仿真数据 t l b 2 3s i m u l a t e dd a t a 5 次7 次9 次1 1 次1 3 次t h d 10 h z0 5 90 5 3 0 0 70 0 70 0 9 1 0 7 3 0 h z 5 0 h z 8 0 h z 0 5 6 0 4 8 0 4 7 o 4 5 0 4 6 0 5 6 0 0 5 o 0 3 0 0 7 o 0 5 o 0 9 0 0 8 o 0 8 0 0 7 0 0 5 0 8 3 o 7 5 0 7 8 1 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 根据以上分析，五阶b u t t e r w o r t h 型低通滤波器，截止频率为5 0 h z 时， 检测精度最好。然而数字滤波器阶数过高，计算机的运算量会增加，延时也 会增加，检测精度反而有所降低。实际应用中，综合考虑滤波电流的检测精 度、动态响应过程和滤波器的可实现性，本文采用b u a e r w o i r t h 型低通滤波器， 阶数选择二阶，截止频率选择5 0 h z 。 2 4 电网电压畸变时仿真结果 现建立仿真模型来验证在电源电压畸变时两种