（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器谐波检测方法的研究.pdf

它检测方法相比。具有电路结构简单、硬件实现容易、信号跟踪性好、自适应能 力强等特点。更具有发展前景。 关键词：谐波有源电力滤波器瞬时无功功率理论自适应噪声抵消技术 仿真 a bs t r a c t w i t hr e g a r dt 0t h eh a r mo ft h eh a r m o n i ci np o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t l l e 咖舳a n dt h ep r i n c i p l eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) a n d t h ep a s s i v ep 0 嘣 f i l t e r s ( p p f ) i i lt h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o nd e v i c e t h es t r u c t u r ea n a l y s i s o fa p fi s r e a l i z e d 。s u c ha st h et r a c k i n gc u r r e n tc o n t r o lc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i ta n d t h em a i nc i r c u i t a n ds oo n t h et r a d i t i o n a lh a r m o n i cm e a s u r e m e n tm e t h o d s a r ei n t r o d u c e d ；e x p o u n d e m p h a t i c a l l yt h et h e o r ya n a l y s i s a n dt h es i m u l a t i n gm o d e lc o n s t r u c t i o no ft h e m a i n s t r e 锄m e t h o d s ，i n c l u d et h em e t h o db a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t l v ep o w e r t h e o r ya n dt h a tb a s e do nt h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g y b a s e d0 nm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x ，s i m u l a t i o no fp - qm e t h o d ，l p - l qm e t h o d b a s e do nt h ei i l s 伽t 锄e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n dm e t h o db a s e do nt h ea d a p t l v e n o i s ec a n c e l i n gt e c h i l o l o g yi sc o n d u c t e d t h ei n f l u e n c eo f t h ef i l t e rs e l e c t i o ni nt h e s i i l l u l a t i o nm o d e lo fp qm e t h o d ，i p i qm e t h o do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t i sp r o p o s e c i ，8 0 d o e sm es u i 诅b l er a n g e so fs t u d yr a t ei nt h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g y , 锄d s 1 t i l e t i cr e s u l tb a s e do nt h ec o m p a r eo fa l la b o v em e a s u r e m e n tm 础o d s 哦a l s o g i v e n t l l es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ，t h et w om e t h o d s ，i n c l u d em e t h o db a s e do nt h e i i l s t a n t a n e o u sr c a i ：t j ep o w e rt h e o r ya n dt h a tb a s e do nt h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g t e c h n 0 1 0 9 y , c a nb o t hr e a l i z et h em e a s u r e m e n to ft h eu n d e rg i v e n c o n d i ：t i o n s b u t c o m p a r e dw i t ho t h e rm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h em e t h o db a s e d o nt h el n s 协切n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yh a v ew o n d e r f u ld e v e l o p m e n tp r o s p e c t d u et oi t sm a n y a d v 踟渤g e s ，s u c ha ss i m p l ec i r c u i ts t r u c t u r e ，e a s yf o rh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，g o o d t r a c k i n gp e r f o r m a n c e ，s t r o n g e ra d a p t i v ec o n t r o la n d s oo n k e yw o r d s ：h a r m o n i c ：a c t i v ep o w e r f i l t e r ：i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt l l e o 巧： a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g y ：s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 虢；诿耘辛一期：埘钆月r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i 长枯芊 签字同期：力谚年伶月同 导师虢玉心从导师签名：芝i 憾3 八 签字嗍：1 秘月i 如 第一章绪论 第一章绪论 1 1 谐波的产生、危害及研究的意义 1 1 1 谐波的产生 随着2 0 世纪科学技术的迅猛发展，国民经济和人民生活水平的e l 益提高， 电力电子技术学科在现代工业和人民生活中得到了越来越广泛的应用。大到冶 金、化工、矿山等企业大量使用的晶闸管整流电源，工业生产中广泛使用的变频 调速装置，电气化铁路中普逦采用的单相整流供电的电力机车及高压直流输电系 统中的大型换流站，小到人们日常生活中使用的荧光灯、电视机、计算机、空调、 微波炉等。这些应用电力电子技术的设备大大提高了现代工业的效率和自动化水 平，方便了人民的日常生活。但同时也因为电力半导体器件本身特性的不足，使 电力电子装置具有非线性、冲击性和不平衡性。这些装置从电网中吸收能量维持 正常工作的同时，捋一部分能量以谐波电流的形式注入到电网中，导致电力系统 中谐波问题日益严重，造成电网电压波动和电流波形畸变，成为影响供电质量的 一个突出问题。 1 1 2 谐波的危害 理想的公用电网提供的电压，应该具有单一而固定的频率以及规定的电压 幅值。谐波的产生造成电网污染，正弦电压波形畸变，并容易引起发、供用电设 备的异常和故障。给电力系统正常工作造成很大的危害。谐波对公用电网和其他 系统造成的危害大致表现如下几个方面m4 】： 1 、使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备 第一章绪论 的效率。大量的高次谐波电流流过中线时会使线路过热，甚至发生火灾。 2 、影响各种电气设备的正常工作。如谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还 会产生机械振动、噪声和过电压、使变压器铁损增大、出现局部严重过热。另外。 谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏。 3 、引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振。进而导致谐波放大，使危害大 大增加，甚至引起严重事故。 4 、导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。 5 、对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致信息 丢失，使通信系统无法正常工作。 1 1 3 谐波研究的意义 鉴于谐波对用电设备和电网本身的诸多危害，世界上许多国家都发布了限 制电网谐波的国家标准或规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注 入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许的范围内，使电网中的电气设备 免受谐波的干扰而能正常工作。 谐波研究的意义就是要降低谐波给电网造成的危害。提高电能的生产，传 输和利用的效率：降低电器设备的振动和噪声：增加设备的使用寿命，避免设备 故障或烧毁。同时还要降低谐波对通信设备和电子设备产生的干扰。 谐波研究的意义还在于对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是 未来科学技术发展的重要支柱。然而。电力电子装置所产生的谐波污染己经成为 阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波 问题进行更为有效的研究。 谐波研究的意义更可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。 2 第一章绪论 对于电力系统来说。无谐波就是“绿色”的主要标志之一。对电力系统谐波污染的 治理也已成为电工科学技术界所必须解决的问韪3 】。 1 2 谐波抑制方法 解决电力电子装置谐波污染的方法有两种：一是利用谐波补偿装置来补偿 谐波，这种方法对各种谐波源都适用：二是对电力电子装置本身进行改造，使其 不产生谐波，且功率因数控制为1 ，这种方法只适用于作为主要谐波源的电力电 子装置。目前市场上主要采用第一种方法治理谐波。 传统补偿谐波的方法是采用无源电力滤波装置，其目的是就近吸收谐波源 产生的谐波电流。装置由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。这种方法 既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且无源滤波具有投资少、效率高、结 构简单、运行可靠及维护方便等优点。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻 抗和运动状态影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使滤波器过载甚 至烧毁：再有，无源滤波器只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波还会产生 放大作用。 随着电力电子技术的不断进步，大中功率全控型半导体器件的逐渐成熟，以 及脉冲宽度调制( p w m ) 技术的快速发展，人们逐渐把滤波研究的方向转向了有源 电力滤波器嘲。早在2 0 世纪7 0 年代初，e l 本学者就提出a p f 的概念，其基本原理 是从电网电流中检测出谐波分量，利用可控的功率半导体器件产生一个与该谐波 分量大小相等而极性相反的补偿电流注入到电网中，使电网电流只舍有基波分 量，达到实时补偿谐波电流的目的。这种滤波器不仅能对频率和幅值都变化的谐 波进行跟踪补偿，还能抑制闪变，补偿无功和电网不对称，而且补偿特性不受电 网阻抗的影响，因而受到广泛的重视和发展。 气 第一章绪论 1 3 谐波问题研究现状 谐波问题的研究在e t 本开展得比较早。e l 本电气协同研究会于1 9 8 3 年1 0 月 和19 8 8 年4 月对电力系统中典型地点的电网电流畸变率进行了调查。调查结果显 示每天1 9 2 2 时电网电流畸变率最高，这也是电视收视率最高的时候。并且还得 出白天电流畸变率较高，深夜较低的结论。1 9 9 2 年e l 本电气学会发表了有关谐 波源的调查报告，对各电力用户的最大谐波源进行了调查。在被调查的1 8 6 家有 代表性的电力用户中，无谐波源的仅占6 ，其最大谐波源为整流装置的用户占 6 6 ，为办公及家用电器的用户占2 3 ，为交流电力调整装置和电弧炉的用户分 别占1 和4 o 美国电力研究院的n a r a i ng h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年首先提出了“c u s t o m p o w e r 的新概念，这实质上就是捋计算机技术、现代控制理论和电力电子技术 应用于配电系统，构成能够提供优质电力和其它不同质量的电力配电系统以适应 不同电力用户的不同需求，这是信息社会和电力市场发展对电能质量的新要求， 也是新一代柔性配电系统的发展方向。柔性配电新技术就是为电力市场条件下的 用户提供纯净、可靠、稳定的绿色电源，同时也提高了电能传输效率，这一技术 也将给供电部门带来可观的经济效益。 我国对谐波方面的研究起步较晚，上世纪八十年代末期才出现关于有源电 力滤波器的文章：吴竟吕等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波一书是我国有关 电力谐波问题较早的著作【1 】，起初采用的谐波检测方法陈旧，补偿效果不理想。 进入九十年代，夏道止等出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波【2 】：林 海雪、孙树勤等出版了电力网中的谐波【5 】，加快了研究的步伐，同时多所高 校和研究机构也进行了有源滤波器的研究。在理论研究方面，已经形成了比较系 4 第一章绪论 统的研究体系和理论基础：在实际应用方面，国内已经研制出了有源滤波器的样 机，并且在小功率场合应用。但是总的来说，由于受到各种条件限制，我国有源 电力滤波器的实际应用水平不高，范围不大。所以目前的主要方向是加快有源电 力滤波器的产品化。提高它在实际生产中的应用水平。 1 4 本课题研究的内容 本论文针对谐波出现的问题，对有源电力滤波器中补偿电流发生电路( 电流 跟踪控制电路、驱动电路、主电路) 进行原理分析和电路设计，对各种非主流抑 制谐波的方法进行介绍与分析。重点对主流抑制谐波的检测方法进行理论分析、 和仿真模型的搭建，并对基于瞬时无功理论的p q 检测法、i p - - i q 检测法和自适应 噪声抵消技术等方法进行m a t l a b 仿真，并将仿真结果进行分析比较。 第二章滤波器的类型 2 1 滤波器的类型 第一i 章滤波器的类型 降低谐波给电网造成的危害，提高电能质量，最有效的方法就是安装电力 滤波器。电力滤波器分为无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，p p f ) 和有源电 力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 。传统的谐波抑制和功率因数校正方法是无 源滤波技术。由电容、电感和电阻等无源器件构成的无源电力滤波器，与需补偿 的非线性负载串联或并联，为谐波提供一个低阻抗通路，同时提供负载所需的无 功功率。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和改善功率因数的电力电子装置， 它的基本原理是o 向电网注入与原有谐波与无功电流大小相等方向相反的补偿电 流，使电网的总谐波与无功电流为零，从而达到净化电网的目的。由于它能对频 率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，弥补了无源电力滤波器的不足，具有比 无源电力滤波器更好的补偿性能。是一种理想的抑制谐波和改善功率因数的装 置。随着电力电子技术、功率集成电路技术及谐波理论的发展，有源电力滤波技 术也逐渐走向成熟，并得到了越来越广泛的应用嘲。 2 2 无源滤波器 2 1 1 无源滤波器的分类 无源滤波器主要由电容、电感和电阻构成。按滤波作用不同可以分为： 1 单调谐滤波器单调谐滤波器为r ，l ，c 串联结构，每一相一个，三相对称， 可接成星形或三角形，最常见的单调谐滤波器的单相接线如图2 1 所示，每个滤 波器单独调谐在要求的n 次谐波时谐振，于是对n 次谐波呈现最小阻抗。因此只 6 第二章滤波器的类型 要捋滤波器的谐波次数设置为所需滤波的谐波次数。则该谐波将大部分电流流入 滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。 2 高通滤波器高通滤波器也称减幅滤波器，也是由r 、l 、c 组合而成， 三相对称接线。按其结构不同可分为一阶，二阶、三阶和c 型等多种类型。其中 一阶高通滤波器需要的电容大，基波损耗大。故采用较少。二阶高通滤波器结构 如图2 2 所示，如果将其参数进行适当选择，在频率高于某个值后，有很宽的频 带，即对高次谐波呈现出低阻尼特性，故其滤波性能较一阶高通滤波器好。 i (i 图2 1 单调谐滤波器 图2 2 高通滤波器 7 圈2 3 双调谐滤波器 第二章滤波器的类型 3 双调谐滤波器 除单调谐滤波器和高通滤波器之外，工程上还采用双调谐滤波器，如图2 3 所示。其相当于两个单调谐滤波器。与两个单调谐滤波器相比其基波损耗较小。 且只有一个电感上承受冲击电压。正常运行时。串联电路的基波阻抗远大于并联 电路的基波阻抗，所以并联电路承受的工频电压比串联电路低的多。另外，并联 电路的电容的容量一般较小，基本上只通过谐波无功分量。但是双调谐滤波器的 结构复杂，调谐困难，因此应用较少。 2 1 2 无源滤波器的缺点 在实际应用中，无源滤波器因为其结构和工作机理上的原因，存在一些难 以克服的缺陷，概括起来主要有以下几个问题 1 、只能补偿固定频率的谐波，但有时高次谐波成分复杂，必须同时加入多个滤 波电路，这会使整个无源滤波装置的容量和体积增大，损耗增加。同时考虑到成 本问题。不可能仅靠增加无源滤波器数量的办法来提高滤波效果。 2 、无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化。特别是对电网参数的变 化十分敏感。在一个复杂的电力系统中，参数的变化规律很难精确预知，因此一 个实际的无源滤波器要达到理想的滤波效果是很难的o 3 、有可能与电源阻抗在电源侧发生并联谐振，从而使无源滤波装置无法正常工 作，严重时会损害无源滤波器o 4 、可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流 进无源滤波器。影响滤波效果。 针对无源滤波技术的上述缺点，出现了一种新的滤波技术，也即采有源电力 滤波器滤除谐波。 第二章滤波器的类型 2 3 有源电力滤波器 2 3 1 有源滤波器简介 有源电力滤波器的基本思想在2 0 世纪6 0 年代就已经形成o1 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三次谐波电流， 减少电源电流中的谐波成分。改善电源电流波形的新方法。文中虽未提及有源电 力滤波器一词。但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。19 7 1 年 h s a s a k i 和t m a c h i d a 的论文首次完整的描述了有源电力滤波器的基本原理。但 是当时是采用线性放大器产生补偿电流，损耗大。成本高，因而未能在工业中实 用。到了1 9 7 6 年l g y u g y i l 等人提出了采用p w m 控制变流器构成的有源电力滤波 器，并正式提出了有源滤波的概念，确定了有源电力滤波器的完整概念和主电路 的拓补结构和控制方法 6 - 8 1 0 八十年代以来，由于新型半导体器件的出现，p w m 技术的发展，以及日本 学者赤木泰文的基于瞬时无功功率理论的谐波瞬时检测方法的提出，有源电力滤 波器才得以迅速发展。瞬时无功功率理论突破了建立在平均值基础上的传统无功 功率概念。在这一理论中。三相电路电流的基波分量与谐波分量、有功分量与无 功分量等能够被实时地分解开来。这为谐波电流、无功电流的实时检测奠定了理 论基础，成为目前应用较多的一种实时检测谐波的基本方法，也成为电力电子技 术领域中的研究热点之一o 2 3 2 有源滤波器的分类 有源电力滤波器根据补偿对象连接方式的不同分为并联型和串联型两种 1 0 一1 2 。 实际应用中多为并联型。 9 第二章滤波器的类型 一、并联有源电力滤波器 并联有源电力滤波器消除谐波的方法如图2 - 4 所示。这种装置相当于一个谐 波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而 抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量 等进行补偿，因此功能很多。连接也很方便。 图2 4 并联有源电力滤波器 二、串联有源电力滤波器 图2 - 5 是串联有源滤波器。有源电力滤波器在系统中相当于电压控制的电压 源，跟踪电源电压中的谐波分量，产生与之相反的谐波电压，使负载交流侧电压 为正弦波。 图2 5 串联有源电力滤波器 2 3 3 有源电力滤波器的特性 有源电力滤波器在处理谐波过程中，具有很多优点。首先。它能够对各次谐 波和分数谐波均能有效地抑制，并且同时可以提高功率因数。当系统阻抗和频率 1 0 第二章滤波器的类型 发生波动时。不会影响补偿效果。其次。在工作过程中，它不会产生谐振现象， 能很好的抑制由外电路的谐振产生的谐波电流，从理论上讲用一台装置就可以实 现对各次谐波和基波无功功率的补偿。除此之外。有源电力滤波器不存在过载问 题，即当系统中的谐波较大时，装置仍可运行，无需断开。 2 4 有源电力滤波器与无源滤波器比较 有源电力滤波器相对于无源滤波器，其优势是明显的。通常在设计无源滤波 器时，必须考虑具有很大不确定性的系统谐波阻抗，为了满足系统的要求，防止 出现谐波放大现象和保证滤波元件的安全，在参数选择方面通常都过于保守，且 须经过反复计算，过程十分复杂，工作量很大。有源滤波器因本质上是一个谐波 电流源，系统阻抗的变化不会对其产生影响。因此，即使是系统结构发生变化， 也具有很好的补偿效果。 在系统电压不变的情况下，无源滤波器只能输出恒定的无功功率，设计无源 滤波器时需要考虑系统指标是否合理、相容。在运行过程中，有时为了满足谐波 指标，存在着过补偿的情况，因此必须装设适当的相控电抗器或自饱和电抗器以 进行必要的调节，从而使滤波装置的容量不能有效的得到利用。同时，无源滤波 器是在给定的谐波电流条件下进行设计，当各次谐波电流有较大的变化时难以适 应。有源滤波器由于捋无功补偿和谐波抑制统一起来考虑，不仅可以消除任何次 数值较大的谐波电流。也不受谐波频次和电流大小变化的影响。无源滤波器投资 大，而且在运行过程中损耗也大，容量利用率不高，运行状态受系统影响大。采 用有源滤波器由于仅针对谐波和无功电流，无须经过很大的有功电流，因此装置 容量小、损耗小，经济效益高。 第- - 章滤波器的类型 2 5 有源电力滤波器的发展现状和趋势 国外有源电力滤波器的发展以日本为代表，在e l 本，有源电力滤波器已经步 人大量实用化的阶段。随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐 波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在美国、德国等工业发 达国家已得到了高度重视和广泛的应用。目前，世界i - a p f 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。从近年来的研究和应 用中可以看出a p f 具有如下发展趋势：通过采用p w m 调制和提高开关器件的开 关频率，实现对高次谐波的有效补偿：大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用 a p f 与l c 无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减少a p f 的容量，达 到降低成本，提高效率的目的：从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速 发展，尤其是i g b t 器件的广泛应用，串一并联a p f m 于其功能强、性价比高， 将是一种很有发展的有源滤波装置【，3 】o 1 2 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 准确地、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是a p f 进行精确补偿的 关键。谐波及无功电流的检测方法取决于非正弦条件下有功功率和无功功率和无 功电流的定义和理论分析。目前传统与现代的谐波电流检测方法主要有以下几 种：模拟带通滤波器( 或陷波器) 检测法、f r y z e b , t 域分析法、基于频域分析的快 速傅立叶变换( f f t ) 检测法、基于小波变换的谐波估计法、基于鉴相原理的谐 波检测法、基于瞬时无功功率理论检测法和基于自适应抵消技术诣波检测法等， 本章主要介绍几种非主流检测方法f 1 4 1 7 】。 3 1 非主流的检测方法 3 1 1 基于f r y z e 时域分析的有功电流分离法 s f r y z e 提出了时域定义，其基本思想是电压电流波形相似的原则。该方法 的基本原理是捋负荷电流分解为两个正交分量：一个是与电压波形完全一致的分 量，即有功电流：另一个分量作为广义无功电流，也就是电流与有功电流的差值。 由于f r y z e 功率定义是建立在平均功率的基础上。所以要得到有功分量的幅值需 要进行一个周期的积分，故该方法的缺点是，要计算有功电流，必须对上一个电 源周期的电压和电流进行积分运算，再加上其他运算电路所需要的时间。此方法 的特点是计算量较小，但实时性差，一般该方法检测出的广义无功电流瞬时值至 少有一个周期以上的时间延迟。 3 1 2 基于频域分析的f f t 分解法 基于f e t 的谐波电流检测，是一种建立在傅立叶分析基础上的数字化分析 1 4 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 方法。其工作原理是在同步脉冲作用下将模拟信号进行离散化处理，通过模拟转 换器变为数字量，再用数字分析的方法，快速傅立叶变换( f f t ) 进行处理，最后 得到各次谐波幅值和相位系数，经低通滤波器( l p f ) 检测出所需要的信号，对于 检测出的信号作f f t 反变换即得补偿电流信号旧o 3 1 3 不平衡三相系统的同步检测法 该方法主要用于不平衡三相系统中无功和谐波电流的检测。其基本思想是分 别考虑各相的情况，并把补偿分量分配到三相中，统一确定各相的补偿电流。该 方法不是从电流的分解出发。而是从功率平衡的角度来确定补偿电流。该方法采 用三种不同的原理确定每一相的补偿电流，补偿的方法分为：等功率法、等电流 法和等电压法。从3 种方法补偿后的线路损耗来看，等电流法最优，该方法对不 同的三相不平衡电流均能得到较好的补偿效果。对三相系统来说，同步检测法在 补偿无功及谐波和无功电流的同时，还具有平衡三相电流的作用，对不同的运行 情况具有较大的灵活性。但是，该方法检测过程中延时较大，而且该方法也仅适 用于三相电压均为正弦波的情况。若电压波形存在畸变，会影响检测精度。此外， 该方法检测出的补偿电流包含无功电流、谐波电流和一些不平衡分量。无法将他 们分离出来。因而大大限制了它的应用范围。 3 1 4 基于小波变换的谐波分析 傅立叶变换是一个纯频域的分析方法，它在频域的定位是完全准确的( 即频 域分辨率最高) ，而在时域无任何定位性( 或分辨能力) ，也即傅立叶变换所反映的 是整个信号全部时间下的整体频率特性，而不能提供任何局部时间段上的频率信 息。相反，当一个函数用占函数展开时，它在时间域的定位性是完全准确的，而 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 在频率域却无任何定位性( 或分辨能力) ，也即万函数分析所反映的只是信号在全 部频域上的整体时域特征，而不能提供任何频率段所对应的n , - t 间信息。小波函数 和傅氏变换同时在频域和时域具有局限性。若将离散信号按小波变换进行分解和 重构。用基于能量最, j q l 巴的最d , - - 乘法得到基波分量的估计，就可以既能检测信 号，又能使能量消耗最小，敖此方法主要用以分解函数和作时频分析1 1 明。 3 1 5 基于鉴相原理的谐波检测法 所谓鉴相是利用乘法器及低通滤波器提取两个输入信号相位差的信息，经乘 法器运算后，经低通滤波器l p f ，得到了相位差信息。再经乘法、放大与比较环 节。得出待检测的谐波信号。由于该方法是基于各项独立检测，因此可以解决三 项不对称谐波电流的检测问题，这也是该方法的独特优越之处【，研。 3 2 基于f f t 的谐波电流检测 3 - 2 1f f t 的基本原理 离散傅立叶变换d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 在实际应用中非常重要， 利用它可以计算信号的频谱、功率谱和线性卷积等。但是当n 很大时，d f t 的 计算量太大。这样使d f t 的应用受到限制。19 6 5 年j w c o l l e y 和j w t u k e y 提出快速傅立叶变换，大大减少了计算量。f f t 并不是d f t 的另一种变换，而 是为了减少d f t 计算次数的一种有效的快速算法【1 訇。 设长为n 的有限长序列x ( n ) 的d f t 为： 反变换为： k = 0 ，1 ，2 ，n - 1 ( 孓1 ) 1 6 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 x ( 刀) 鲁上n 铲k o 石( k ) 陈h n = 0 , 1 ，2 。n 一1 ( 3 - 2 ) 比较上述两式不难发现，二者的差别仅在于w n 的指数符号不同，仅差一个 1 比例因子去。只要讨论其中之一的算法，则另一式的算法便与它极为相似。 v 若x ( n ) 、时都是复数，x ( k ) 也是复数，且有n 点，直接用( 3 1 ) 式来计算 某个x ( k ) 的值，就需要n 次x ( n ) 时的复数乘法及n 一1 次复数加法运算。由于 x ( k ) 共有n 个点，所以完成d f t 的总运算量为n 2 次复数运算及n ( n - 1 ) 次复 数相加。而复数运算实际上是由实数运算来完成的。所以式( 3 - 1 ) - i 表示为： 一1n - 1 x ( k ) = x ( , 0 w 7 = r 。x ( 刀) + 。x ( 刀) 】【尺。时+ y i 。时】 7 1 = 1 0n = o ：艺魄x ( 玎) r 。时一，。x ( 胛) 时】+ 以r x ( 胛) r 。时+ l 工( 刀) 时】 ( 3 _ 3 ) 由上式以看出。一个复数乘法运算必须用4 个实数乘法和2 个实数加法来 实现。因此，整个d f t 运算量就不难想象了。当取n = 1 0 时，需要进行1 0 0 复 数次乘法，而n = 1 0 2 4 时，需要进行复数乘法1 0 0 万次，这对实时性很强的信 号处理来说，就必须对d f t 的计算方法加以改进，减少总的运算次数。 3 2 2 改善d f t 运算的基本方法 研究d f t 计算，发现在d f t 计算中有很多重复的计算可以省去。利用系数 咛的对称性和周期性，可以提高d f t 的运算速率。 ( 1 ) 时的对称性 ( 2 ) 时的周期性 嘭”) = w - 勐= ( 时) 时= 嘭枷州) _ 嘴州加 1 7 ( 纠) ( 3 5 ) 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 利用时的周期性和对称性，d f t 运算中有些项就可合并。由前面分析 可知，对于虚、实部而雷，有r ，矸管- 吣= r 矸玄，j 。阿焉1 = - i 。矸侈，故式( 3 3 ) 中的对称项可合并为： r 。x ( n ) r 。阡方+ r 。x ( 一n ) r 。陟管一町= 【r x ( ，z ) + r x ( n - n ) r , 黟方 和 - i 。x ( ，z ) l f 矿妒- i 。x ( n - n ) i 。阡葛一”= - - 1 m x ( n ) 一，。x ( n 一拧) 】，咿 式中，其他各项也可以找到类似的合并方法。这样，乘法次数大约可减少一半。 利用时的周期性和对称性，使长序列的d f t 可分解为更小点数的d f t 。 由于d f t 的运算是与n 2 成正比的，如果一个大点数n 的d f t 能分解成为若干 点数的组合。则显然可以达到减少运算工作量快速地计算序列的d f t 的目的。 f f t 算法正是基于这一思想发展起来的。 3 _ 2 - 3 基于f f t 的谐波电流检测原理图 基于f f t 的谐波电流检测。是一种建立在傅立叶分析基础上的数字化分析方 法。其工作原理如图3 1 所示。其中i 1 表示负载电流。i c 表示所检测的谐波电流。 圈3 1f f t 谐波检测的原理图 图孓1 的工作原理是：在同步脉冲作用下捋模拟信号进行离散化处理。通过模 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 拟转换器变为数字量，再用数字分析的方法，快速傅立叶变换( f f t ) 进行处理， 最后得到各次谐波幅值和相位系数，经低通滤波器( l p f ) 检测出所需要的信号， 对于检测出的信号作f f t 反变换即得补偿电流信号。如果需要得到其模拟量，需 要用到数模转换器再把数字量转化为模拟量。采用这种方法需要有高精度的数模 转换器。r a j b 寸要求输入信号有较高的信噪比。 基于傅立叶的数学化分析方法，要求被补偿的波形是周期变化，否则会带来 较大的误差这种方法的优点是可以选择拟消除的谐波次数。缺点是：采样、计 算量大，较长的时间延迟，实时性差，存在栅栏效应和泄漏现象，从而使算出的 信号参数频率、幅值和相位不准。尤其是相位误差很大，无法满足准确的谐波测 量要求。 3 3 基于鉴相原理的谐波检测法 所谓鉴相是利用乘法器及低通滤波器提取两个输入信号相位差的信息1 1 9 1 ， 如图3 2 所示。 1 1 3 ( t ) 乘法器 l p f 设输入信号分别为： 图3 - 2 鉴相原理示意图 “l ( r ) = 厨l c o s ( _ o r 材2 0 ) = 互秒2c o s ( 纠+ 秒) 式中，口为输入信号“。( f ) 和的u 2 ( f ) 相为差。经乘法器运算后得： 1 9 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 甜3 ( f ) = 三u lc o s c o t , c r 2 u 2c o s ( 研+ p ) = u i u 2 c o s 0 + c o s ( 2 c o t + 0 ) ( 3 8 ) 经低通滤波器l p f ，则输出信号为 u d = u l u 2 c o s o( 3 - 9 ) 由式( 3 9 ) 即得到了( f ) 和“：( 力的相位差目的信息。 基于上述原理的瞬时谐波电流检测方法的原理图如图3 3 所示 圈3 3谐波电流检测原理示意图 图中，f p ) 为具有琦变的负载电流，即 i ( t ) = o ) + o ) = 2 ，c o s ( 耐+ 9 ) + o )( 3 - 1 0 ) 这里，正、余弦信号发生器产生与电流基波信号同频率的c o s o j f 与s i n c a 信号。 以此信号作为电压参考信号。检测运算过程如下： 只= c o s o 甜f i t ) = c o s 2 ，c o s ( 耐+ 妒) + ( f ) 】 = 鱼2j c o s 伊+ 鱼2j c o s ( 2 耐+ 咖+ 泓删 ( 3 1 1 ) 昱= s i l l 耐f o ) = s i n c o f 4 2 i c o s ( 耐+ 缈) + 厶( f ) 】 = 一知n 缈+ 譬脚删椰删s 洫耐 ( 3 - 1 2 ) 式( 3 11 ) 、( 3 - 1 2 ) 表a , e je l 和忍中舍有直流分量和交流分量。 第三章传统谐波和无功功率的检测方法 置和最通过两个参数完全相同提取直流的低通滤波器l p f1 、l p f2 后。 得 到其直流分量分别为 将式( 3 - 1 3 ) 和( 3 1 4 ) 分别乘以c o s d 茸、s i n 研则得到 将( 3 15 ) 和( 3 - 16 ) 相加则有 g 3 ：( g i + g 2 ) = 孚s ( 哪) ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 式( 3 - 1 7 ) 表明，g 3 舍有f ( f ) 中的基波分量，c o s ( 耐+ 纠的信息。把g 3 放大两倍可 以得到具有畸变的负载电流i ( t ) 中的基波分量，即 g 4 = 2 g 3 = 豇c o s ( 研+ 咖= f 1 0 )( 3 1 8 ) 用具有畸变的负载电流减去其基波分量就可以得到要检测出的谐波电流i 。o ) 即 i h ( t ) = i ( t ) 一i t ( t ) = 6 ( t ) + i h ( t ) 一( f ) 从而得到要补偿的谐波分量。 2 1 ( 3 - 1 9 ) s 兮 m r t c一、|一，知萼 出 气 最 3 h 咀 螂 卿 s 随 r i 一1、l一_知萼 第四章主流谐波与无功电流检测方法 第四章主流谐波与无功电流检测方法 三相瞬时无功功率理论是日本学者赤木泰文于19 8 3 年首先提出来的，此后 经不断的研究逐渐得到了完善。基于瞬时无功功率理论的检测法包括p 祜、锄 法和蜥，p 祜应用最早，适用于三相对称无畸变的公用电网，耐不仅适 用于三相不对称公用电网，而且对电网电压畸变也有效。基于同步旋转p a r k 变换 的口l 祜，简化了对称无畸变情况下的电流增量检测，同时也适用于不对称、有 畸变情况下的电流增量检测。基于瞬时无功功率理论的检测法由于具有较高的精 度和较好的实时性，目前该方法在三相a p f 的电流检测方法中占据了主导地位。 4 1瞬时无功功率的基础理论 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为白，勃6 b 和舀反后，为分 析方便，把它们变换到口一两相正交的坐标系上研究刚。由下面的变换可以得 到口、两相瞬时电压、和口、两相瞬时电流屯、 * 圈 阱：豳 铲罐磅矧 ( 4 1 ) ( 4 2 ) 式 在图4 1 所示的口一平面上，矢量e a 聊反秽别可以合成为( 旋转) 第四章主流谐波与无功电流检测方法 电压矢量e 和电流矢量， e = e a + e 8 = e 么9 c i = i 。+ i8 = i l q ) ， 式中，e 为矢量文，的模。 ；磅曹 躺。一 i 。 ，7 i 7 i q 图牛1a - # 坐标系中的电压、电流矢量 ( 4 - 3 ) 三相电路瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流白分别定义为矢量，在矢量e 及 其法线上的投影，即 式中伊= 纯一仍。三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量e 的 模和三相电路瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积。即 阱乏乏阱嘲 c 蚓 根据上面几式可求得p 、9 对于三相电压和电流的表达式 p = e 0 4 + e b i b + e c i c g = 去- e c ”( p c 训州驴啪】 们 从式( 4 - 6 ) 可以看出，三相电路的瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 44 茹 = = k，k。 第四章主流谐波与无功电流检测方法 4 2 三相电路谐波和无功电流实时检测 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，以计算p 9 或易南为出发点即可 得出三相电路谐波和无功电流检测的方法，广泛应用的有a9 运算方式、氟 白运算方式和基于d - q 变换的运算方式p 1 - 2 3 o 4 2 1 p - q 运算方式 该检测方法的框图如图4 2 所示。 根据前面的理论算出p q ，经低通滤波器l p f 得p 9 的直流分石 石。电网电压波形无畸变时，；为基波有功电流与电压作用所产生，石为基波无 功电流与电压产生。于是。由p 、q 即可计算出被检测电流后易，后的基波分 量苏觫将苏缸詹与后易店相减，即可得出后，易店谐波分量锄 锄，锄。 圈4 - 2 p - q 运_ 算方式原理图 当有源电力滤波器用于同时补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对 象中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需断开图4 - 2 中计算q 的通道即可。 这时由p 即可计算出被检测电流后易易的基波有功分量锄锄锄： 第四章主流谐波与无功电流检测方法 z 万 z 啊 z 谚 咆嚷图 ( 4 7 ) c ：，= c 三，捋锄锄切与后易店相减，即可得出厶b 毛的谐波分 量和基波无功分量之和钒饥白。 4 2 2 i p - 运算方式 该检测方法的原理如图4 3 所示。 图4 - 3i p - i q 运算方式原理图 盹c = 嚣c o s c o t 墨s m o ) t l 一 一 j 由图中可知，a 相电网电压p 。首先经过一个锁相环，再经过一个正余弦信 号发生电路得到与其同相位的正弦信号s i n o x 和余弦信号c o s o j t 。根据前面的 理论算出电路的瞬时有功电流和瞬时无功电流。，经过低通滤波器l p f 滤波后可得到它们的直流分量i 、i 。此处的直流分量i 、i 是由基波电流0 ， 0 、0 产生的，因此由i 、i 可以算出负载电流中的基波分- 缸撅詹，进 而得出谐波分量、屯。 第四章主流谐波与无功电流检测方法 k k 白 一1 圈 ( 4 - 8 ) 与肛9 运算方式相似，当要同时检测出谐波和无功时，只需断开图牛3 中 计算白的通道即可。而如果只需检测无功电流，则只要对白进行反变换即可。 上述两种方法都可用模拟电