改进的谐波和无功电流检测方法

键入文字中图分类号： TM714.5 文献标识码：A改进的谐波和无功电流检测方法董爱华1，康小燕1，王运毅2（1河南理工大学电气与自动化学院，河南焦作，；2.国电荥阳煤电一体化有限公司，河南郑州 ）摘要：三相电压不对称时，由于A相正序电压与A相电压存在相位差，使传统ip-iq法检测的无功电流有误差，同时低通滤波器的存在使得检测产生延时，因此，本文提出了一种改进的ip-iq无功电流检测法。该改进法利用延时法来快速获取A相电压的正序分量，然后利用正序基波提取器获得电流正序基波信号，省去了滤波器环节。本文利用了MATLAB/SIMULINK仿真软件进行了建模仿真，仿真结果表明，该改进法在三相电网电压不对称时能准确、实时地实现谐波和无功电流的检测。关键词：相位差；低通滤波器；延时法；平均值法 Improvement of Harmonic and Reactive Current Detection Method DONG Ai-hua1, KANG Xiao-yan1，WANG Yun-yi2（1.School of Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan ；2Xingyang state electricity integration co., LTD, Zhengzhou Henan )Abstract: For three-phase system, in the case of asymmetrical three-phase voltage, the phase-lock loop in the traditional ip-iq detecting method cannot be used to detect the phase of the positive sequence voltage. At the same time, present in real-time low-pass filter such that the detected poor. As a result, there exist errors in the transient reactive currents. To solve this problem, an improved detecting method is put forward in this paper. In this method, the improvedmethod toobtainthe positive sequence componentA phasevoltage by usingtime delay method. Meanwhile, use the wave of positive sequence extractorinstead of low-pass filter to attain the DC component of current.eliminating thefilterlink. In this paper, using the MATLAB/SIMULINK simulation software for modeling and simulation, the simulation results show that the improved reactive current test in the asymmetric three-phase grid voltage can accurately, real-time implement reactive current detection used in the static reactive power generator.Key word: The phase difference; Low pass filter; Delay method;The averagevalue method0 引言随着电力系统非线性元件的增加，谐波污染和无功功率变得越来越严重，影响了电力系统的安全稳定的运行12。因此，为了提高电能质量，必须对无功和谐波电流进行准确、快速的检测及补偿。作为改善电能质量的一种重要手段，有源滤波器是目前最主要的谐波和无功电流补偿装置34，其中谐波和无功电流实时准确的检测是有源滤波器的核心环节，它直接影响到有源滤波器补偿的效果。 基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（）作者简介：董爱华（1955-），男，河南鹿邑，教授，主要研究现从事电工、电子技术教学和自动控制等方面的科研工作，E-mail：,通讯地址：河南省焦作市河南理工大学电气学院，邮编：，电话：谐波和无功电流检测的方法主要有5：基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测法、基于傅里叶分析的检测方法、基于小波分析法和基于神经网络的检测方法，其中瞬时无功功率理论被广泛采用。瞬时无功功率理论主要包括p-q法、ip-iq无功电流法，其中p-q检测法在三相对称电压下能够准确检测到谐波和无功，但是在三相电压发生畸变或不对称时，检测到的谐波和无功有较大的误差； ip-iq检测法可用于电压发生畸变的情况，但当三相电压不对称时，该方法在有功和无功电流的提取上有较大的误差67，并且低通滤波器的存在使得检测的实时性效果较差，因此瞬时无功功率理论中的两种方法都具有局限性。针对基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测方法在三相电压不对称时不能准确检测无功电流的不足之处，本文在现有ip-iq无功电流检测方法的基础上，提出了一种改进的谐波和无功电流检测方法。该方法通过信号延迟算法将正、负序电压电流分离，实现正序分量的提取，然后利用平均值法来获取电流直流分量，省去了低通滤波器环节，最后经过简单的坐标变换便可直接得到有功和无功电流信号，为有源滤波器的谐波和无功补偿奠定了基础。 1 谐波和无功电流检测法分析1.1 传统ip-iq检测法传统方法原理图如图1所示8，使用了与a相电网电压 同相位的正弦信号和对应的余弦信号-，它们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。根据瞬时无功功率理论可以得到瞬时有功电流和瞬时无功电流，经LPF滤波的到对应的直流分量、，再分别对其进行逆变换可得到基波有功和基波无功电流。 （1）式中 （2） （3）然后经过低通滤波器进行滤波，得到对应的有功直流分量和无功直流分量，之后，对和直接进行坐标变化即可得到基波分量： （4） 三相电流量、减去基波分量即可得到谐波分量。断开有功直流分量，只对无功直流分量进行坐标变换即可得到三相负载的无功电流： （5）式中 （6）图1 传统-检测算法原理图1.2 传统的ip-iq检测法误差分析三相三线制系统中，根据瞬时无功电流的定义，基波正序电流矢量在基波正序电压法线上的投影为基波正序无功电流,基波正序电流矢量在基波正序电压方向上的投影为有功分量。图2是电压、电流的旋转矢量图：图2 电压、电流旋转矢量图由图2可得，坐标系下的电流矢量在电压矢量的投影即为瞬时有功电流，在电压矢量法线上的投影为瞬时无功电流，即： （7）式中， ，三相电网电压对称时，在坐标系下，正序基波电压矢量与矢量相位相同，基波正序无功电流与无功电流矢量同相位，所以经过滤波器和坐标逆变换即可得到坐标系下的基波正序有功电流信号，经滤波器滤波和坐标逆变换即可得到坐标系下的基波正序无功电流信号。当三相电压畸变时，变换矩阵只取和参与变换，避免了谐波成分的出现，传统ip-iq法仍然适用。但是三相电压不对称时，A相电压中包含了正序和负序分量，并与A相正序电压存在相位差。由于锁相环提取的是A相电压初相位，而非其正序电压的初相位，导致正序基波电压与矢量不再同相位，不再与基波正序无功电流同相位，传统ip-iq无功电流检测算法检测出的无功电流与实际值存在相位差。并且检测的无功电流因滤波器而存在1-2个电源周期的延时，因此降低了有源滤波器补偿的快速性和准确性。2 改进的谐波和无功电流检测法为了解决三相电网电压不对称时无功电流检测不精确以及低通滤波器产生延时的问题，本文提出了改进的ip-iq检测法，结合改进模型图，准确叙述其原理。2.1 正序电压分量提取三相电压不对称时，由于负序分量的存在，使得锁相环获取的A相电压出相位与A相正序分量存在相位差，因此必须检测出电压正序分量。在三相电网电压不对称时，由T/3延迟法9可知：在两相静止坐标系中，将电网电压延迟1/3个工频周期，然后根据三相对称原则进行相结合，最终达到三相电网电压中正序、负序分量分离的目的，实现A相电压正序分量的提取。 （8）、正、负序基波电动势的最大值；、正、负序电动势的初始相位角；可以对其进行时间延迟，可以得出以下公式： （9） （10）最后联立式（8）、（9）和（10）可得到A相电压正序分量： （11） 将得到作为的输入量，可消除三相电网电压不对称时由于负序分量引起的相位差的问题，以便得到真确的谐波和无功电流分量。针对传统方法中利用低通滤波器来提取直流分量所引起的延时性问题，本文采用正弦幅值积分器（sinusoidal amplitude integrator，SAI）10来进行基波的提取。图3.正弦幅值积分器设正弦信号的幅值积分为 ，将正弦信号 延时900 后得到辅助信号 ，对这三个式子进行Laplace变换后，得到： （12） （13） （14）联立（12）-（13）式，有： （15）可以得到传函： （16）当时，式（16）有幅频特性会在角频率处产生谐振，即正弦幅值积分器有选频特性。因此利用幅值积分器可得到正序基波提取器如图4所示：图4 正序基波提取器2.2 改进的ip-iq检测法模型改进后的谐波和无功电流检测原理如图5所示，图5 改进的ip-iq检测原理图其具体过程：设三相电压为，经过T/3延迟法可得到A相电压正序分量，此时不用锁相环，只需要一个函数变换即可得到对应的A相电压的相位角，其中 ， ，即 （17） （18）消除了电压不对称时，由相位差产生的误差，再由这些函数组成ip-iq检测系统中坐标变换的矩阵C和D，其中 （19）设三相电流分别为 , 经过、变换得到： （20）再由Park变换得到ip、iq。经过正序积分其提取器，可以直接得到电流的直流分量,经过坐标变换即可得到三相坐标系下的基波电流分量。 （21） 三相电流量、减去基波分量即可得到谐波分量。 断开直流有功通道，只对直流无功进行坐标变换即可得到无功电流。 （22） 3 仿真分析 本文在MATLAB/SIMULINK环境下，针对三相电网电压不对称且有畸变的情况，对本文改进的ip-iq检测法进行了仿真实验研究，并与传统ip-iq法检测结果进行了对比。实验中负载为三相整流桥，其中电感 电阻。电压源选为对称的有效值为220V的电压，A相初相角为0o.在三相对称电压的基础上加入在三相对称电压基础上，加入一定量的负序分量，令A、B、C相的初相角分别为20o、-125o、120o；参考电能质量公用电网谐波的标准，又在三相电压上分别加上10%的5次谐波分量。 图6是传统方法测得的谐波波形，图7是改进法测得的谐波波形图。图8和9中分别为三相电网电压不对称且有畸变的情况下用传统方法和改进的方法得到的A相的无功电流的波形图，加入的低次谐波不影响两种方法对无功电流的检测。两图中（a）均为去除基波负序与5次谐波，即只有基波正序电压时的准确无功电流波形图。对比图8中两图可以看出，当电压不对称且有5次谐波时，传统法检测到的无功电流的幅值和相位都存在很大的误差；对比图9两图证明了本文改进的方法在三相电网电压不对称且有5次谐波加入时，仍能准确的测得无功电流的波形。图6 传统法测得的谐波波形图7 改进法测得的谐波波形图8 传统法测得无功电流波形与实际波形图对比图9 改进法检测的无功电流波形与实际波形对比4 结论本文对改进的ip-iq谐波和无功电流检测法进行了理论分析，并在MATLAB/SIMULINK环境下对其进行了建模仿真，仿真结果验证了该改进方法在三相电网电压不对称且有畸变时能快速准确检测无功电流分量，提高了检测精度；同时无需低通滤波器，避免了因低通滤波器而产生时延的问题，实时性能也有很大提高。为有源滤波器实现谐波和无功电流实时补偿提供合适的参考电流奠定了基础。参考文献：1 李波，黄纯，方达意等.改进的单相谐波和无功电流检测算法J.电力电子技术，2009,43（7）：5-7.2 Maryam Saeedifard. A space vector modulated STATCOM based on a three-level neutral point clamped converterJ.IEEE, Transactions on POWER DELIVERY, 2007,22(2):1029-1035.3 周林，孟婧，刘强等基于瞬时无功理论的谐波和无功电流检测方法J. 高电压技术.2009,35（2）：385-392.4 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿M.北京：机械工业出版社，2002.5 DaiXiao-zhong，Liu Guo-hai，Gretsh Ralf.Generalized theory of instantaneous reactive quantity for multiphase power systemJ.IEEE Transactions PowerDelivery,2004,19(3)：965-972.6 杨浩，叶明