（电力电子与电力传动专业论文）基于自适应滤波技术的有源滤波器谐波电流检测的研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：恤 叫1 年6 月恤日 学位论文作者签名：杏- j 垒金 伊1 年6 月1 f 日 国学术期刊( 光盘 子文档，可以采用 和纸质论文的内容 息研究所将本论文 中国学术期刊( 光 全文数据库并向 生处办理。 指导刻币签名- m - 1 圆灯 刀l f 年6 月j 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子设备的广泛使用，电力系统中的谐波污染问题越来越引起人 们的重视和关注。由于传统的无源电力滤波器只能吸收固定频率的谐波，且体 积大、容易和系统发生谐振，使得其必将被有源电力滤波器所取代。与传统的 无源l c 滤波器相比较，有源电力滤波器具有响应快、补偿效果好和能够实现 动态补偿等优点。 首先，介绍了有源电力滤波器的发展历程、研究趋势、工作原理和常见的 拓扑结构。对常用的谐波检测算法和控制策略进行了简单概述，详细分析了基 于瞬时无功功率理论的p - q 法和i p i q 法。 其次，以三相三线制对称电路为研究对象，介绍了一种l m s ( 最小均方) 自适应滤波结合i p i q 法的谐波电流检测方法，提出了一种基于改进l m s 算法的 自适应滤波器来替代传统的l p f ( 低通滤波器) 。对影响步长迭代的参数进行限 定，确保参数的选取不会影响算法的收敛性。通过仿真研究，证明了这种新算 法与传统i p i q 法相比，在略微降低检测精度的同时大大提高了动态跟踪能力。 再次，概述了l m f ( 最小四阶矩) 算法的原理结构，提出了一种l m s l m f 算法结合i p i q 法的谐波电流检测法，即采用i p - i q 法进行谐波检测，但用l m s l m f 自适应滤波器来完成传统l p f 的功能。为了确保自适应算法的检测精度和动态 响应速度，采用了当前误差信号和上次误差信号的自相关估计来进行算法的步 长迭代。通过算法的性能分析和仿真验证了算法的有效性。 最后，基于d s p ( 数字信号处理器) 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，设计了一个三相 三线制谐波电流检测系统，并对其软硬件构成进行了详细的介绍。实验结果表 - 明，采用改进l m s l m f 自适应滤波器结合i p i q 的谐波电流检测算法能够较好 。 地检测出输入电流中所含的谐波和无功成份。 关键词：有源电力滤波器，谐波电流检测，低通滤波器，l m s 算法，l m f 算法， d s p ，i p i q 法 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cd e v i c e s ，p o w e rq u a l i t yp r o b l e m si n p o w e rs y s t e mh a v ea l r e a d yb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mt ow h i c hm o r ea n dm o r e p e o p l eh a v ep a i dc l o s ea t t e n t i o n t r a d i t i o n a lp a s s i v ep o w e rf i l t e r sc a no n l ya b s o r b t h eh a r m o n i c so ff i x e df r e q u e n c ya n de a s i l ym a k ep a r a l l e lr e s o n a n c e c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lp a s s i v ep o w e rf i l t e r s ，a c t i v ep o w e rf i l t e r so w nt h em e r i t si nr a p i d r e s p o n s e 、b e t t e rc o m p e n s a t i o nr e s u l ta n dt h ea b i l i t yi nd y n a m i cc o m p e n s a t i o n f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n t ，t r e n d ，p r i n c i p l ea n dt h et o p o l o g ys t r u c t u r eo fa c t i v e p o w e rf i l t e r s a r ei n t r o d u c e d c o m m o n l yu s e dh a r m o n i c sd e t e c t i n ga l g o r i t h m sa n d c o n t r o ls t r a t e g i e sa les i m p i l ye x p l a i n e d t h e nt h ep - qm e t h o da n dt h ei p - i qm e t h o d w h i c ha r eb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yh a v eb e e ne x p l i c i t l y a n a l y z e d s e c o n d l y , t a k i n gt h et h r e e p h a s et h r e e w i r es y m m e t r i c a lc i r c u i t sa st h er e s e a r c h o b j e c t ，ah a r m o n i cd e t e c t i n ga l g o r i t h mb a s e do nl m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) a l g o r i t h m c o m b i n e dw i t hi p - i qm e t h o di si n t r o d u c e d i tu s e sa na d a p t i v ef i l t e ra d o p t i n ga n i m p r o v e dl m sa l g o r i t h mt or e p a l c et h et r a d i t i o n a ll p f ( l o wp a s sf i l t e r ) t h e p a r a m e t e r so fi t e r a t i o ns t e p l e n g t hw e r ed e t e r m i n e dt oe n s u r et h a tt h es e l e c t i o no f p a r a m e t e r sh a dn oa d v e r s ee f f e c t o nt h ea l g o r i t h mc o n v e r g e n c e t h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ep r o p o s e dm e t h o dh a saf a s t e rd y n a m i cr e s p o n s ew i t h o u t r e d u c i n gt h ed e t e c t i o na c c u r a c yc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l 易一岛m e t h o d t h i r d l y , l m f ( l e a s tm e a nf o u r t h ) a l g o r i t h ma r e d i s c u s s e d ah a r m o n i c d e t e c t i n ga l g o r i t h mb a s e do na ni m p r o v e dl m s l m fa l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hi p - i q m e t h o di sp r o p o s e d t h el m s l m fa d a p t i v ef i l t e rt a k e st h ep l a c eo ft h et r a d i t i o n a l l p fi ni p - i qm e t h o d i no r d e rt oe n s u r et h ed e t e c t i o na c c u r a c ya n dd y n a m i cr e s p o n s e ， t h es t e p - l e n g t hw a sa d j u s t e db ym e a n so fa u t o c o r r e l a t i o ne s t i m a t i o no ft w oe r r o r s i g n a l t h ea n a l y s i so fa l g o r i t h m sp e r f o r m a n c ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h a t t h i sm e t h o di se f f e c t i v e f i n a l l y , b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12 ，at h r e e - p h a s et h r e e - w i r eh a r m o n i cc u r r e n t u 江苏大学硕士学位论文 d e t e c t i o n s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h i ss y s t e m a r e i n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o db a s e d o ni m p r o v e dl m s l m fa l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hi p - i qm e t h o dc a l lc o m p e n s a t e h a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n tw e l l k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , h a r m o n i c sd e t e c t i n g ，i p i qm o h o d ，l p f ( l o w p a s s f i l t e r ) ，l m sa l g o r i t h m ，l m fa l g o r i t h m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 大学硕士学位论文 目录 i i i 1 1 1 1 ：! ：! ：； 的发展历程3 1 3 2 有源电力滤波器的研究现状4 1 3 3 有源电力滤波器的发展趋势5 1 4 本文内容安排6 第二章有源电力滤波器的原理及检测方法、控制策略研究。8 2 1 有源电力滤波器的原理及分类8 2 1 1 有源电力滤波器的原理8 2 1 2 有源电力滤波器的分类。8 2 2 谐波检测方法概述一9 2 3 基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法1 1 2 3 1 三相瞬时无功功率理论基础一1 2 2 3 2p - q 法1 4 2 3 3i p i q 法15 2 4a p f 的补偿电流控制策略1 6 2 4 1 三角载波线性电流控制1 6 2 4 2 滞环控制17 2 4 3 无差拍控制一1 7 2 4 4 自适应控制18 2 4 5 单周控制。18 江苏大学硕士学位论文 2 4 6 滑模便结构控制。1 8 2 4 7 模糊控制19 2 5 本章小结1 9 第三章一种基于改进l m s 的i p i q 谐波检测方法2 0 3 1 自适应滤波概述2 0 3 1 1 自适应滤波算法发展历程的概述一2 0 3 1 2 自适应滤波的主要算法2 0 3 1 3 自适应滤波器的基本原理2 2 3 2 基于l m s ( 最小均方) 的自适应算法2 2 3 2 1 最速下降法一2 2 3 2 2l m s 算法介绍2 3 3 3 基于改进l m s 结合i p - i q 法的谐波检测2 5 。 3 3 1 变步长l m s 实现的低通滤波器2 6 3 3 2 算法参数的设定2 7 3 3 3 算法性能分析一2 7 3 4 仿真研究一2 8 3 4 1 仿真模型2 8 3 4 2 仿真结果及分析3 0 3 5 本章小结3 2 第四章一种基于l m s l m f 的i p i q 谐波电流检测方法3 3 4 1 最小四阶矩( l m f ) 算法3 3 4 2 基于l m s l m f 的i p i q 谐波电流检测方法3 3 4 2 1 定步长l m s l m f 算法3 4 4 2 2 改进的变步长l m s l m f 算法3 5 4 2 3 算法性能分析一3 6 4 3 仿真结果研究3 7 4 3 1 仿真模型一3 7 4 3 2 仿真结果3 9 4 3 3 仿真分析3 9 4 4 本章小结4 0 玎 江苏大学硕士学位论文 第五章基于d s p 的谐波电流检测系统设计4 1 5 1 数字信号处理器( d s p ) 的选择4 l 5 2 实验设计思路4 3 5 3 硬件电路设计4 4 5 3 1 信号采样滤波电路4 4 5 3 2 同步过零检测电路一4 5 5 3 3a d 转换电路4 6 5 4 软件设计4 7 5 4 1 软件开发环境4 7 5 4 2d s p 系统的初始化4 7 5 4 3a d c 模块的初始化4 9 5 4 3 主程序51 5 4 4 中断服务子程序5 2 5 4 5 谐波电流计算子程序5 4 5 5 实验结果一5 5 5 6 本章小结5 6 第六章总结与展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 展望5 7 参考文献5 9 致j 射6 3 攻读硕士期间发表的论文6 4 n i 江苏大学硕士学位论文 1 1 谐波的定义及危害 1 1 1 谐波的定义 第一章绪论 “谐波”一词源于声学，它在数学上的含义是指周期函数或周期性的波形 中不能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合 表达的部分。国际上公认的谐波含义为：谐波是非正弦周期波形所含的频率 为基波频率整数倍的正弦分量【卜2 1 。在电力系统中，除了有谐波，还存在着 次谐波( 频率与基波频率之比大于l 但不为整数的分量) 和间谐波( 频率与基 波频率之比小于1 的分量) 。次谐波和间谐波与谐波存在着共性，可统称为广义 谐波1 3 】o 1 1 2 常见的谐波源 电力系统稳态方式下的谐波，都来自各种谐波源。谐波源主要来自以下三 个方面：由于发电装置质量不高而产生的谐波、输配电系统产生的谐波、用电 设备产生的谐波。发电装置和输配电系统中产生的谐波都比较少，主要的谐波 源还是用电设备，尤其是各种大容量变流设备以及其它非线性负载的存在。用 电设备中的谐波源主要有以下几种【4 西】： ( 1 ) 整流设备。目前常见的整流电路一般都采用相控整流电路或者二极管 整流电路，其中又以单相桥式整流电路和三相桥式整流电路为最多。除此之外， 带阻感负载的整流电路和直流侧接电容的整流电路也是严重的谐波源。另外周 波变流器、大功率逆变器、直流斩波器、电压型变频器等电力电子装置也会在 输入侧产生大量谐波电流。 ( 2 ) 工业用电弧炉。工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率， 且由于电弧不稳定性，因而会产生大量的谐波电流。 ( 3 ) 电气化铁道。电气化铁道牵引负载是直接接入高压电力系统的大宗用 户之一，它产生的大量谐波直接注入电网。牵引负载与电力系统中其它非线性 江苏大学硕士学位论文 负荷相比，最大的区别在于它具有随机波动性和不对称性的特点，因此其产生 的谐波随基波负荷剧烈波动。 ( 4 ) 家用电器和办公设备，虽然这些设备单台功率很小，但数量却非常巨 大，其所造成的谐波问题同样不能小视。 1 1 3 谐波的危害 谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生一定影响，严重时甚至会 造成设备的损坏和系统事故。尤其近年来随着电力电子设备的迅速增长，谐波 的危害日趋严重。谐波对电力系统和用户设备的危害主要有以下几个方面1 7 心1 ： ( 1 ) 谐波的注入降低了发电、输电、配电及用电设备的使用效率，增加了 系统中元件的附加谐波损耗。在三相三四线制系统中，大量3 次谐波流经中性 线可能造成负载发生过热，严重的还会烧坏中性线。 ( 2 ) 谐波会影响各种电气设备的正常工作。谐波会使电机引起附加损耗， 产生机械振动、噪声，导致其过电压，使变压器局部严重过热。谐波也会使电 容器、变压器、电缆等设备局部过热、绝缘老化、使用寿命缩短，甚至会使电 力电子设备损坏。 ( 3 ) 谐波会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出 现偏差。 ( 4 ) 谐波对通信系统和电子设备会产生严重的干扰，轻者在通信系统中产 生噪声，降低通话的清晰度；重者导致信号的丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 5 ) 谐波会引起串并联谐振，放大谐波电流，使得损耗增加，设备过热， 严重的还会导致设备故障。 1 2 谐波抑制的方法 由于谐波对电网系统和用电设备造成的危害日益严重，世界各国都对谐波 污染问题十分关心和重视，很多国家已制定了电力系统和用电设备谐波和电流 电压波形畸变的国家标准或电力部门的规定，对公用供电系统电压畸变允许值 和允许注入供电点的谐波电流值作出了规定，并对谐波的治理采取了不少措施。 传统的谐波抑制方法主要有以下三种p 1 1 l ： 2 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 对产生谐波的装置本身进行改造，目前较为常见的有：增加整流相数； 采用多重化接线方式；采用先进的控制技术如p w m 技术，谐波消去优化法； 限制变流装置的容量；加入滤波环节等。尽管这些措施可以有效地减少谐波， 但由于一些电力电子装置的工作机理所决定，必然要产生一定量的谐波。 ( 2 ) 接入无源滤波器，装设l c 调谐滤波器即无源电力滤波器一直是传统 补偿无功及谐波的主要手段。l c 调谐滤波器结构简单，容量较大，成本较低， 使用较方便，在补偿无功同时又能抑制谐波从而一直被广泛使用至今。但l c 调谐滤波器也存在着一些缺陷：比如滤波补偿特性对电网及负载参数依赖较大； l c 参数的漂移会导致滤波特性改变；体积大、重量大、容易和系统发生谐振。 ( 3 ) 在电网负载端加入一个电力电子变换装置来滤除谐波，这种装置就叫 有源电力滤波器( a p f ) 。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电 力电子装置，与无源电力滤波器相比，它能对不断变化的负载谐波电流进行实 时的补偿，具有较强的选择性。有源电力滤波器可以弥补无源电力滤波器的缺 点，获得比无源电力滤波器更好的补偿效果，是一种较理想的谐波抑制及无功 补偿装置。 1 3 有源电力滤波器概况 1 3 1 有源电力滤波器的发展历程 有源电力滤波器的发展最早要追溯到1 9 6 9 年，b i r d 和m a r s h 等人提出通过 向电网注入三次谐波电流来减少电流中谐波成分，从而改善电流波形的思想【1 2 1 ， 这是有源电力滤波器技术的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中，首次完整地描述了有源电 力滤波器的基本原理【1 3 】：通过产生与负载谐波和无功电流大小相等方向相反的 补偿电流，来抵消负载谐波和无功电流，从而达到净化电网的目的。但由于当 时是采用线性放大方式产生补偿电流，损耗大、成本高，因此仅在实验室中研 究，未能应用到工业中。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 等人提出用大功率晶体管p w m 逆变器 关注，确立了有源电力滤波器基本主电路 江苏大学硕士学位论文 拓扑结构。 1 9 8 3 年，日本长冈科技大学的h a k a g i 等人基于p q 分解理论，提出了三 相电路瞬时无功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理 论依据。与此同时，大功率晶体管( g t r ) 、大功率可关断晶闸管( g t o ) 、静 电感应管( s i t h ) 、静电感应晶体管( s i h ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、场控 晶闸管( m c t ) 及绝缘栅型双极性晶体管( i g b t ) 等新型快速大容量功率开关 器件相继问世；p w m 调制技术以及数字信号处理技术都取得到了长足进步。 这些都极大地促进了有源电力滤波技术的发展，使有源电力滤波器真正进入了 工业实用阶段。 1 9 8 8 年，f z p e n g 等人提出了串联混合型有源电力滤波器。这种设备是在 并联的负载和l c 滤波器与电源之间串入有源电力滤波器，谐波基本上由l c 滤 波器补偿，有源滤波器的作用主要是改善l c 滤波器的滤波特性。 1 9 9 6 年，日本学者赤木泰文提出了统一电能质量调节器( u p q c ：u n i f i e d p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 的概念。它又称之为统一电能质量控制器，是由一 个串联型a p f 和一个并联型a p f 组成，两者通过公共的直流母线连接在一起。 这种系统结合了串联型a p f 和并联型a p f 的优点，具有较高的性价比，是谐 波抑制发展的最新趋势。 1 3 2 有源电力滤波器的研究现状 在国外，a p f 的研究以日本为代表，由于其理论研究比较早，已进入工业 应用阶段，有很多工业应用方面的实例。随着a p f 容量的不断提高，其应用范 围和性能也得到扩展。 1 9 7 6 年美国西屋公司的l g y u g y i 率先研制出8 0 0 k v a 的有源电力滤波器 【1 4 1 。在此后的几十年里，有源电力滤波器的实践应用得到了快速发展。 1 9 9 0 年，h f u j i t 等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的综合有 源滤波方案【”】，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电源电流中谐 波分量成比例的电压，由于注入变压器联结在y 型联接的无源滤波器中性点上， 保护和隔离方便，因此更适合于高压系统应用。 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出一种综合串联有源电力滤波器和并联有源电力 滤波器的综合有源滤波系统，该方案从拓扑上实现了两个方法的结合【1 6 1 。 4 江苏大学硕士学位论文 近年来，a p f 在欧美国家和日本都有了一定的普及。在日本，换流装置的 数量在2 0 0 0 年为1 9 8 7 年的2 5 倍，谐波电流和电力系统容量的比例与1 9 9 0 年 相比上升了2 倍左右。目前，国外学者已经将有源电力滤波器实际应用范围从 对系统端与用户端进行谐波和无功的抑制，转向从整体上改善电力系统的供电 质量。开始针对不同的谐波源，研究最优配置有源电力滤波器和无源滤波器的 结合方式以及有源电力滤波器的各种拓扑结构l l 卜1 8 】。 我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的 文章【悖l 。9 0 年代以来，一些高等院校和科研机构才开始进行有源电力滤波器的 研究【2 0 1 。到目前为止，国内的研究基本还是处在理论及实验室阶段，也有部分 产品面世。近几年从事这方面研究的单位在逐渐增加，研究主要集中在并联型 和混合型上，并联型a p f 的研究最为成熟。理论上涉及到了功率理论的定义， 各种谐波电流的检测方法、a p f 的稳态和动态特性分析等。实际应用方面，国 内的研究主要是在低压方面，高压有源滤波器目前还没有直接做的案例。1 9 9 1 年，电科院、北京供电局和冶金部自动化研究所研制的国内第一台4 0 0 v 5 0 k v a 的有源电力滤波器在北京某中心变电站投运 随着我国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 进行电能质量治理会有巨大的市场应用潜力。在补偿滤波、无功 功率、中线电流和不平衡电流等方面，有源滤波技术必将得到广泛应用。 1 3 3 有源电力滤波器的发展趋势 随着现代社会对电能质量要求的日益提高，a p f 的应用也将日益广泛。但 目前a p f 在对电网电能质量进行补偿时还存在许多缺陷，有许多需要进一步研 究解决的问题，如提高装置容量、解决控制系统延时、降低设备损耗、提高补 偿效果及性能、提高性价比等。基于解决这些问题的要求，a p f 的发展近期主 要在以下几个方面【2 1 2 3 】： ( 1 ) 降低装置的价格 目前电力电子装置的价格已成为推广应用的关键。但是从长远的角度考虑， 一方面a p f 可以显著地改善供电质量，且可以提高系统的稳定性；另一方面随 着电力电子工业的发展，器件的性能价格比在不断地提高。因此a p f 经济合理 性将日益明显。 ( 2 ) 进一步增大装置的容量 江苏大学硕士学位论文 大容量的a p f 随着需求的增加变得越来越重要。由于电力系统大容量和高 电压的特点，目前应用中功率最大的开关管g t o ( 6 0 0 0 v 4 0 0 0 a ) 不论从电压 或功率上均远远满足不了要求。为了解决此问题，g t o 串联技术的开发成为必 要。日本推出的产品中有用到1 2 支g t o 串联的实例。而又由于大功率的g t o 工作频率较低( 数百赫兹) ，为了降低损耗，提高等效的开关频率，就必需采用 多重化技术，这些技术的开发是当前实现大容量化的关键。 ( 3 ) 控制系统的数字化 模拟控制响应快，但精度低，抗干扰能力差。数字控制精度高，抗干扰性 强，因而有源电力滤波器的数字化控制是其发展方向。有源电力滤波器要求能 够达到良好的滤波特性，其谐波检测算法要求具有很强的实时性。数字信号处 理器( d s p ) 是一种适合进行实时数字信号处理运算的微处理器，它能实时快 速地实现各种数字信号处理算法。在a p f 中采用d s p 进行电流检测和复杂的 数据处理及系统控制，完全可以满足a p f 对实时性的要求，并能充分发挥d s p 的数字控制特点。 ( 4 ) 多功能化 a p f 不仅可以用作高次谐波补偿，同时还可以用来抑制闪变、稳定系统电 压、补偿无功功率等，一机多能显然从经济上更合理。 ( 5 ) 降低损耗 采用合理的开关频率，选择适当的吸收回路( 如能量反馈吸收回路) 以及 功率损耗较低的功率开关器件等，以提高装置效率。 ( 6 ) 提高系统的可靠性 包括过压、过流等保护技术，故障诊断技术及电磁兼容技术的研究和开发。 1 4 本文内容安排 第一章为绪论，主要阐述了谐波抑制的背景、意义和常用方法，介绍了有 源电力滤波器国内外研究现状及其发展趋势。 第二章主要介绍有源滤波器的基本工作原理、分类，以及常见的谐波电流 检测算法和控制策略并分析了它们的优缺点。着重介绍瞬时无功功率理论及其 检测算法，分析各种算法的优缺点。 6 江苏大学硕士学位论文 第三章主要提出一种基于传统一法的改进算法，即用改进变步长l m s 自 适应滤波器来替代传统算法中的低通滤波器( l p f ) ，并用仿真对改进算法进行 了验证。 第四章提出一种基于传统一法结合l m s l m f 的谐波电流检测算法，它 同样是用一种自适应滤波器来替换传统的l p f ，利用m a t l a b 进行仿真，并与传 统一法和第三章所提算法进行比较，验证其有效性。 第五章设计基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的谐波电流检测系统，对其软硬件构成 进行详细地介绍。通过实验研究验证传统f ，一法结合l m s l m f 的谐波电流检 测算法的正确性。 第六章总结本文所做的主要工作，并对今后一些需要进一步研究的问题进行 简述和展望。 7 偿电流发生电路放大，得到补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无 功电流大小相等、相位相反，相互抵消，最终得到期望的电网电流。 2 1 2 有源电力滤波器的分类 从不同角度出发，a p f 具有不同的的分类划分标准【2 5 之7 】。 ( 1 ) 根据应用场合不同，a p f 可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器 8 江苏大学硕士学位论文 两大类。前者主要是用来消除高压直流( h v d c ) 系统中换流器直流侧的电流、 电压谐波；后者广泛应用于交流电力系统。 ( 2 ) 根据变流器直流侧储能元件的不同，a p f 可分为电压型a p f 和电流 型a p f 。电压型a p f 的直流侧接有大电容，在j 下常工作时，其电压基本保持不 变，可以看成一个电压源；电流型a p f 的直流侧接有大电感，在正常工作时， 其电流基本保持不变，可看成为一个电流源。 ( 3 ) 根据拓扑结构的不同，a p f 又可分为并联型、串联型和统一电能质量 调节器( u p q c ) ，具体分类如图2 2 所示。 2 2 谐波检测方法概述 图2 2a p f 的分类 由a p f 的构成可知，要想滤除系统中的谐波，就必须首先通过指令电流运 算电路计算出补偿对象的谐波电流分量，谐波电流检测方法的检测精度和实时 响应速度在很大程度上影响着a p f 的补偿性能，只有准确地检测出补偿对象的 谐波电流分量，才能有效的进行补偿。目前，一般采用的谐波电流检测方法主 要有： ( 1 ) 模拟带通滤波器法【2 8 】 最早的谐波电流检测方法是采用模拟低通或高通滤波器来检测谐波电流。 9 江苏大学硕士学位论文 基本原理是：用带通滤波器来获取基波分量，再与被检测电流相减后得到谐波 电流分量。该方法的原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐 波。但这种检测方法有很多缺陷：检测误差大，当电网频率变化时尤其明显； 对电路元件参数十分敏感，参数变化时检测效果明显变差；无法分离出基波电 流中的有功与无功分量。 ( 2 ) 基于f r y z e 传统功率定义的谐波电流检测法1 2 9 1 该检测方法的原理是将负荷电流分解为两个分量，一个是与电压波形一致 的分量，其余分量作为广义无功电流分量( 包括谐波电流) 。它的缺点是：因为 f r y z e 功率定义是建立在平均功率的基础上，传统计算平均功率的方法是通过一 个周期数据的积分得到，这样会给瞬时无功电流的检测带来至少一个周期的延 时，这对于实时性要求高的场合就不能够满足要求，不适于负载变化频繁的场 合。而且只能同时检测出谐波及无功电流，不能只检测谐波电流或只检测无功 电流，有很大的局限性。 ( 3 ) 基于傅里叶变换的谐波检测法【3 3 1 】 这种方法的基本思想是用频域滤波器首先分离出负载电流中的基波分量 和谐波分量，然后再使用电路理论中的计算方法将基波电流分解为基波有功分 量和基波无功分量。这使得在一个电流检测的过程中需要两次变换，增加了算 法的计算量，对硬件的处理速度和存储空间都有比较高的要求。而且傅立叶变 换的谐波检测方法有较为严苛的条件：满足采样定理；需设计合适的抗混叠滤 波器；采样与基波保持同步；选取合适的窗函数等。 傅里叶变换种类繁多，较多应用于谐波检测的算法是快速傅里叶算法 ( f f t ) 。f f t 算法是离散f o u r i e r 变换d f t 的改进算法。该方法需要至少一个 周期的电流采样值并且谐波电流在这个周期内需要保持不变，才能计算出谐波 与无功功率，延时在一个基波周期以上，而且f f t 存在着栅栏效应和泄漏现象， 使得算出的频率、幅值和相位不准，相位误差很大，无法满足准确的谐波测量 要求。此外，由于f f t 变换是对整个时间段的积分，时间信息得不到充分利用， 无法定位任何的信号突变。因此，作为实时检测方法时，f f t 延时比较大、精 度有限、无法处理突变的信号，一般用于一段稳态信号的频谱分析。 ( 4 ) 基于小波变换的谐波检测法f 3 2 1 1 0 江苏大学硕士学位论文 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w t ) 是一种比较新的谐波检测技术， 它是针对f f t 在分析非稳态信号方面的局限性的基础上形成和发展起来的一种 十分有效的时频分析工具。w t 采用不同尺度的分析方法，能在信号的不同部 位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率，为非稳态信号的分析提供了一条新的 途径。但是小波变换并不能完全取代傅立叶变换，这是因为小波变换在稳态谐 波检测方面并不具有理论优势。 ( 5 ) 基于神经网络的谐波检测法1 3 3 】 神经网络用于谐波检测，是利用神经网络对任意的连续函数的逼近能力和 学习能力，通过构造多层前馈神经网络，建立相对应的谐波检测电路。神经网 络应用于电力协同谐波检测的研究目前还很不完善，主要还是处于仿真研究阶 段，而且其在谐波检测时需要大量的样本进行训练，计算量较大，所以目前也 难以满足a p f 对实时性的要求，但在谐波预测和谐波源识别方面表现出了较好 效果。 ( 6 ) 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法1 1 6 】 瞬时无功功率理论是由日本学者赤木泰文等人提出的，它是目前运用广泛 的一种谐波电流检测方法，进行的大都是瞬时值运算，特别适合于变化快、冲 击大的无功和谐波补偿，具有检测精度高，检测速度快等特点。但该方法计算 工作量大、需要使用复杂的变换电路和众多的乘法器，且由于是开环工作，对 系统参数变化的影响适应性较差。 ( 7 ) 基于自适应滤波的谐波检测法【3 4 - 3 5 】 该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原 始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波 与无功分量。这种算法具有较强的鲁棒性，不受电压畸变，频率变化等因素的 影响，而且结构简单，具有较高稳态精度和动态响应性能。但是同时传统的算 法中步长的选择需要在收敛速度和稳态精度之间折衷考虑，大大降低了算法的 实用性，且由于计算量较大，动态响应速度较慢。 2 3 基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法 瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文( h a k a g i ) 提出口6 1 ，此后该理 江苏大学硕士学位论文 论经不断研究逐步完善。它突破了传统功率理论中以平均值定义功率量的局限， 实现了对传统功率理论的拓展。该理论系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功 率等瞬时功率量，经发展完善又补充了瞬时有功电流和瞬时无功电流等瞬时电流 量。目前基于该理论的检测方法主要有p g 检测法和一检测法。 2 3 1 三相瞬时无功功率理论基础 h a k a g i 提出瞬时无功功率理论主要是为了解决如何快速计算无功功率， 从而对其快速补偿。具体的理论如下【i 】： 设三相电路三相电源电压、电流瞬时值分别为e 口、e b 、e 。和o 、。分 别把它们变换到两相正交的口一坐标系上，设两相瞬时电压为e a 、，两相瞬 时电流为乞、，即： 讣层 ： ：层 式中定媳= 店 1 1 1 22 o 鱼一鱼 22 1 1 三 22 o 鱼一笪 22 1 1 1 22 o 鱼一鱼 22 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 在如图2 3 所示口一坐标系下，矢量两相电压、和电流乞、略可合成 旋转电压e 和电流i ： e = e 。+ e 8 = e 么屯 i = i 。+ i 8 = i 么屯 式中，e ，为矢量p 、i 的模；唬、谚为e 、i 的幅值。 1 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 乞丘 lbt p_-l-_。-。_-_-_。-_l 一 一 江苏大学硕士学位论文 过q 图2 3 口一夕坐标系下电流电压矢量图 h a k a g i 的瞬时功率理论定义三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分 别为电流合成矢量i 在电压合成矢量e 及其法线上的投影。即 = c o s ( 2 6 ) = i s i n ( 2 7 ) 式中，矽= 统一谚。 定义三相电路瞬时有功功率p ( 瞬时无功功率g ) 为电压矢量p 的模和三瞬 时有功电流( 三相电路瞬时无功电流) 的乘积。即 p = ( 2 8 ) g = 啊 ( 2 9 ) 把式( 2 6 ) 、( 2 8 ) 和= 唬一谚代入，即可得： q - 一e 。 j l 朝a 眨 1 3 波电流分量乙、如和。 ( 2 1 5 ) 一p g q h kb0 = 1j ：v，谚v 一 0b0 | 1 锄 江苏大学硕士学位论文 热小硼 。 2 3 3i ：i q 法 图2 4 p g 法的谐波检测原理框图 i p 一法是在p q 法的基础上推得的。该方法中，需得到口相电压乞同相位 的正弦信号s i n t o t 和对应的余弦信号一c o s t o t ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个 正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算出、，