基于瞬時無功功率的諧波和無功電流檢測理論

基于瞬時無功功率的諧波和無功電流檢測理論

1電力系統(tǒng)諧波問題20世紀80年代后，電氣電子技術發(fā)展迅速。各種變頻器、變流器、開關電源和電抗器的應用日益增多。隨之產(chǎn)生的諧波污染也日益嚴重，造成電力系統(tǒng)電壓、電流嚴重畸變，影響儀器儀表正常工作，增加電力器件損耗，危及電力系統(tǒng)安全運行。目前，諧波污染已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的嚴重公害之一，解決電力系統(tǒng)諧波問題顯得尤為迫切。電力系統(tǒng)諧波問題涉及面很廣，包括諧波檢測、諧波分析、諧波源分析、電網(wǎng)諧波潮計算、諧波抑制、諧波標準等。諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支，是解決其他諧波問題的基礎。電力系統(tǒng)的諧波由于受隨機性、分布性、非平穩(wěn)性等因素影響，對其進行準確檢測并非易事。隨著電力電子裝置的廣泛應用，使得諧波和無功問題成為了研究的熱點。日本學者赤木泰文于1983年提出了三相電路瞬時無功功率理論，又稱為pq理論，為三相電路諧波和無功檢測提出了新的方法。2雙向電流的在線反演為了克服pq理論檢測時受電壓質(zhì)量影響的不足之處，pq理論經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，形成ip-iq為基礎的三相瞬時無功功率理論。該理論的核心思想在于把滿足ia+ib+ic=0的三相電流經(jīng)過不含零序分量的Park變換得到ip,iq。即:可以看出，此時電流的檢測只與A相電壓的電角度ω有關，而電壓波的畸變對檢測結果沒有影響。其中C32是三相到兩相的坐標變換陣;Cpq是旋轉(zhuǎn)坐標變換陣。當三相電流對稱時，被檢測電流為:式中，k為整數(shù)，ω是角頻率,Ikm和θk為各次電流的幅值和初相。將（2）式代入（1）式得下式:當k=l、7、13…時取上符號;k=5、11、17…時取下符號。若濾去（3）式中的交流分量可得:由(4)式可知,與傳統(tǒng)意義上的基波分量的有功電流和無功電流相對應。因為可經(jīng)LPF分離而得到直流分量若將同時反變換,可得到基波分量iaf,ibf,icf如下式:式中C23是兩相到三相的坐標變換陣。進而可得諧波電流iah,ibh,ich為:對諧波電流iah,ibh,ich進一步分析，可得出三相交流電中所含的高次諧波的具體情況，從而可實現(xiàn)對高次諧波實時檢測和有針對性的濾波控制。如果只將iq作（1）式的反變換，得到無功電流分量的瞬時值iaq,ibq,icq，如下式:由式（7）可無延時地分離出三相交流電中的瞬時無功電流，在實踐中可根據(jù)該電流值設計控制系統(tǒng),實現(xiàn)快速的無功補償。可以看出，三相電路瞬時無功功率理論的提出，為快速的檢測無功電流和高次諧波電流提供了理論基礎。3定歸p-q循環(huán)檢測三相瞬時無功功率理論提出后，由于其在檢測電流時的實時性，很快被用于電力系統(tǒng)諧波和無功電流的檢測。并隨著該理論的進一步發(fā)展，派生出各種檢測方法。其中具有代表性的有:p-q檢測法、ip-iq檢測法。下面討論p-q的檢測方法：該方法根據(jù)定義算出p-q，當電壓波無畸變時(即為標準正弦波)，而電流中含有無功分量和諧波分量：式中，k為整數(shù)表示諧波次數(shù)，ω是角頻率;Ikm和φk為各次電流的幅值和初相。將（8）式變換到αβ坐標系中并代入（5）式中得:式中，n=3k±1。當n=3k+1時，計算式（9）中取上符號;當n=3k-1時，計算式（9）取下符號?？梢钥闯觯?）式可以分成兩部分，其中前半部分為直流分量對應n=1時，即功率中的基波有功和基波無功。后半部分為交流部分的功率對應n>1時，即功率中的高次諧波有功和無功。用該檢測方法檢測諧波時的計算框圖如圖1所示。該檢測方法簡述如下，首先對采樣得到的三相電壓、電流值ua、ub、uc和ia、ib、ic進行αβ變換，得到uα、uβ和iα,iβ;再由定義算出p,q;通過低通濾波器得到p,q中的直流分量p軋，q軋;將p軋，q軋互進行反變換得到三相電流中的基波電流分量iaf、ibf、icfㄢ用三相電流ia、ib、ic減去基波電流分量iaf、ibf、icf得到電流中的高次諧波分量iah、ibh、ich。當電網(wǎng)電壓無畸變時，從上面的推導可以看出基波電流分量iaf、ibf、icf的檢測是準確的，從而高次諧波分量iah、ibh、ich的檢測值也是準確的。下面討論當電網(wǎng)電壓有畸變時的檢測情況。設電網(wǎng)電壓為:p軋q軋=23Ump,q中的直流分量為：由上式可以看出，直流分量p軋，q軋不僅含有基波有功功率(無功功率)還含有高次諧波產(chǎn)生的有功功率(無功功率)，因此由該式算出的三相電流中的基波電流分量iaf、ibf、icf必然存在誤差，從而使檢測到的高次諧波分量iah、ibh、ich也必然出現(xiàn)誤差。這也是p-q檢測算法最大的不足之處。要檢測諧波電流和無功電流的和電流，從而進行綜合補償，則可采用圖2檢測框圖。在該檢測檢測框圖中,只對p進行了低通濾波處理,而q不進行濾波。將進行反變換得到三相電流中的基波電流分量iaf、ibf、icf,此時iaf、ibf、icf中只含有基波有功電流分量;用三相電流ia、ib和ic減去基波電流分量,iaf、ibf、icf得到電流中的高次諧波和無功電流的和電流iah+q、ibh+q和ich+q。4無功補償?shù)臋z測準確、實時地