基于瞬時無功功率理論的諧波電流并行檢測算法

基于瞬時無功功率理論的諧波電流并行檢測算法

為了更準(zhǔn)確、快速檢測中國的高科技研究和開發(fā)項目（2008aa052421），提出了幾種檢測方法。自適應(yīng)諧波電流檢測方法具有自適應(yīng)跟蹤檢測能力,但存在動態(tài)響應(yīng)慢等缺點?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法和基于小波分析的諧波檢測方法是目前發(fā)展較快并具有潛力的新型諧波檢測方法,已在有源電力濾波器中獲得了成功應(yīng)用,但大部分還處于實驗研究階段?；谒矔r無功功率理論的諧波電流檢測方法具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、實時性好、延時小和既能治理諧波又能補(bǔ)償無功功率的特點。但是傳統(tǒng)的ip-iq法,僅檢測基波分量,諧波分量通過電流的減法運算獲得,可能導(dǎo)致高次諧波檢測精度較差,使得有源濾波器的高次諧波電流補(bǔ)償效果不佳,甚至造成高次諧波的放大。本文采用基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法,分別檢測各次高次諧波電流,并在變換矩陣C-1中加入預(yù)測補(bǔ)償角,由此產(chǎn)生指令電流信號,可以有效濾除電網(wǎng)電流中的諧波,同時避免高次諧波檢測誤差造成的高次諧波放大現(xiàn)象,并通過仿真實例與實驗進(jìn)行了對比驗證。1轉(zhuǎn)換電路基波分量的檢測瞬時無功功率理論首先在有源電力濾波器諧波檢測方面獲得了成功的應(yīng)用。在三相電路諧波檢測中,首先把檢測到的三相信號變換到互相垂直的α-β坐標(biāo)系中,得到互相垂直的兩相信號式中ia、ib、ic——分別為三相電路各相瞬時電流;iα、iβ——分別為轉(zhuǎn)換后α-β坐標(biāo)系中的瞬時電流。按ip、iq運算方式可得轉(zhuǎn)換系數(shù)C=C32Cωt,且當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱無畸變時有式中n=3k+1時取上面的符號,n=3k-1時取下面的符號,k為零和正整數(shù)。ip、iq經(jīng)低通濾波器(LPF)濾波后得式中ipf、iqf——分別為瞬時有功電流和瞬時無功電流的基波分量;I1——基波電流的有效值。將式(4)求逆變化可得式中C-1——C的逆矩陣;iaf、ibf、icf——分別為被檢測電流ia、ib、ic的基波分量。將檢測到的三相電流信號減去基波電流信號便得諧波電流信號。2中性點兩相諧波通道的計算基于傳統(tǒng)瞬時無功功率理論的諧波電流檢測算法,除了之前分析所述及的缺陷外,并且該算法中的控制器存在延遲時間,它會引起諧波檢測誤差,使得補(bǔ)償效果變差。因此,本文提出了基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法,為了敘述方便,以5、7、11次諧波為例,來說明基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法,該算法的原理如圖1所示。算法步驟如下。(1)通過PLL電路獲得A相電網(wǎng)電壓ea的相位ωt,產(chǎn)生對應(yīng)的正弦信號和余弦信號,得到變換矩陣C5、C7、C11(2)根據(jù)預(yù)測延遲時間ΔT計算各次諧波通道的預(yù)測補(bǔ)償角Δθ5、Δθ7、Δθ11,得到變換矩陣C5Δθ、C7Δθ、C11Δθ其中Δθ5=5ωΔt,Δθ7=7ωΔT,Δθ11=11ωΔT(3)將三相電流ia、ib、ic經(jīng)3/2變換,得到靜止α-β兩相坐標(biāo)系的電流。(4)將兩相電流iα、iβ經(jīng)Clark變換,得到各次諧波的有功分量ip5、ip7、ip11和無功分量iq5、iq7、iq11。(5)將有功分量ip5、ip7、ip11和無功分量iq5、iq7、iq11經(jīng)LPF得到其直流分量,再經(jīng)變換矩陣C5Δθ、C7Δθ、C11Δθ得到靜止α-β兩相坐標(biāo)系下的各次諧波電流iα5、iβ5、iα7、iβ7、iα11、iβ11。(6)將靜止α-β兩相坐標(biāo)系下的各次諧波電流相加,得到α-β坐標(biāo)系下的指令電流iαC、iβC。(7)如果系統(tǒng)有需要,可以將α-β坐標(biāo)系下的指令電流iαC、iβC經(jīng)2/3變換,最終得到三相指令電流iaC、ibC、icC。上述方法能夠并行地檢測各次諧波電流,提高諧波電流的檢測精度,這是有源電力濾波器能夠正常工作的關(guān)鍵因素。3兩種檢測算法比較為了驗證基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法的有效性,本文應(yīng)用Matlab仿真軟件,對算法進(jìn)行了仿真驗證。仿真參數(shù)如下,電源電壓為如式(8)所示在Matlab仿真中,分別采用傳統(tǒng)的ip-iq法和基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法對負(fù)載電流的諧波分量進(jìn)行了檢測,將理論計算得到的參考諧波電流與兩種算法的檢測結(jié)果分別相減,就可以比較出兩種檢測算法的檢測誤差。圖2示出了兩種檢測方法在整段仿真時間內(nèi)的檢測誤差。圖3和圖4分別示出了兩種檢測算法的穩(wěn)態(tài)檢測精度和動態(tài)響應(yīng)速度的仿真波形圖。由圖2可以看出,在整段仿真時間內(nèi),基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法的檢測精度均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的ip-iq法。由圖3可以看出,在5、7、11次諧波的峰值分別為200A、143A、91A的條件下,采用傳統(tǒng)的ip-iq法的平均檢測誤差約為20A,為采用基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法諧波檢測的平均誤差不到10A,可見基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法的穩(wěn)態(tài)檢測精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的ip-iq法。由圖4可以看出,當(dāng)檢測電流在0.3s處突然增大1倍時,采用傳統(tǒng)的ip-iq法大約需要4個工頻周期(80ms)的延遲后才能正確檢測諧波電流,而采用基于推廣ip-iq法的諧波并行檢測算法時,僅需2個工頻周期(40ms),動態(tài)響應(yīng)速度明顯比傳統(tǒng)的ip-iq法的動態(tài)響應(yīng)速度快。4基于實驗結(jié)果的分析本文設(shè)計了一臺并聯(lián)電抗式混合有源電力濾波裝置(PITHAPF),電網(wǎng)相電壓為220V,三相四線制,基波頻率為50Hz,負(fù)載采用三個單相整流橋帶阻感性負(fù)載,其中電阻為5Ω,電感為10mH。該裝置的電路結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。為了驗證本文所提出基于推廣ip-iq法諧波電流并行檢測算法的可行性,對如圖5所示的實驗裝置采用了基于推廣ip-iq法諧波電流并行檢測算法來檢測諧波算法,所得實驗結(jié)果如下。圖6和圖7分別是補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的電網(wǎng)側(cè)電壓波形、電流波形和網(wǎng)側(cè)電流總畸變率。從圖6可以清晰的看出,由于非線性負(fù)載的存在,網(wǎng)側(cè)電流存在波形畸變并且電流總畸變率比較大達(dá)到了25.0%,其中存在5、7、11和13次諧波;利用本文提出的基于推廣ip-iq法諧波電流并行檢測算法來檢測諧波電流,從圖7可以看出電網(wǎng)電流波形在補(bǔ)償后已經(jīng)為正弦波形,并電流總畸變率明顯下降至4.3%,其中5、7、11和13次諧波幾乎不存在。經(jīng)過對比可以看出,本文提出的基于推廣ip-iq法諧波電流并行檢測算法檢測精度高,穩(wěn)態(tài)誤差小,具有很好的應(yīng)用價值。5諧波并行精準(zhǔn)法本文以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ),提出了基于推廣ip-iq法諧波電流并行檢測算法。該算法首先通過鎖相環(huán)電路獲得電網(wǎng)電壓相位并得到并行檢測的各次諧波的變換矩陣;其次根據(jù)預(yù)測延遲時間計算各次諧波通道的預(yù)測補(bǔ)償角;最后根據(jù)瞬時無功功率理論并行檢測諧波電