一種多波諧波檢測方法的研究

一種多波諧波檢測方法的研究

0基于fps的諧波檢測算法隨著能源電子技術的快速發(fā)展，各種互聯(lián)能源裝置在能源系統(tǒng)中得到廣泛應用，導致無序噪聲污染和功能增加。有源電力濾波器(APF)作為治理諧波的一個重要手段也越來越受到重視,而APF的補償性能與諧波檢測的精度直接相關。諧波檢測伴隨著電力系統(tǒng)發(fā)展的全過程,誕生了頻域理論和時域理論,形成了多種檢測方法,如基于傅立葉分析的FFT檢測法、基于Fryze時域分析的廣義無功電流分離法、基于自適應干擾對消原理的自適應檢測法和瞬時無功功率理論檢測法。文獻在傳統(tǒng)FFT諧波檢測法的基礎上,提出一種基于兩根譜線的加權平均來修正幅值的雙峰譜線修正算法,利用距諧波頻點最近的兩根離散頻譜幅值估計出待求諧波的幅值,同時利用多項式逼近方法獲得了頻率和幅值修正的計算公式。該方法能在一定程度上降低泄露和噪聲干擾,提高諧波分析的準確性,但FFT諧波檢測法的一些固有缺陷并沒有得到改善,如具有較長的時間延遲,實時性差,不能分開有功電流和無功電流等。文獻提出一種基于Fryze功率理論的三相系統(tǒng)廣義無功實時檢測方法,采用動態(tài)系數(shù)法,能在一定條件下改善傳統(tǒng)Fryze檢測法至少需要一個周期延時的不足,但該方法存在各種工況下延時不確定的缺點,且在系統(tǒng)不平衡電壓無畸變而電流畸變時過渡過程仍需一個周期。文獻提出的變步長自適應算法在保持了自適應算法原有魯棒性強的優(yōu)點,并在保證檢測精度的前提下提高了動態(tài)響應速度,但該方法計算復雜,同時也不能對有功和無功進行分離。基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法是目前應用最為廣泛的方法,其具體實現(xiàn)方法有p-q法和ip-iq法兩種。在系統(tǒng)電壓無畸變的情況下,兩種方法都能準確的檢測出系統(tǒng)電流中的諧波和基波的有功及無功電流,但在系統(tǒng)電壓畸變的情況下,只有ip-iq法能檢測出系統(tǒng)電流的諧波,但并不能分離出基波中的有功及無功電流。這兩種方法在文獻中都有比較詳細的研究,在傳統(tǒng)方法上做了一些改進,但都只是在提高檢測的精度上做了努力,并沒有解決在任何工況下都準確檢測出諧波和基波的有功及無功電流的問題。本文在兩種方法的基礎上提出一種無鎖相環(huán)ip-iq法檢測系統(tǒng)正序電壓,然后再利用p-q法檢測出系統(tǒng)電流中諧波和基波的有功及無功的新方法。該方法能在系統(tǒng)電壓電流都畸變的情況下準確檢測出系統(tǒng)電流中的諧波和基波的有功及無功,且實現(xiàn)過程無需鎖相環(huán),只需基本的數(shù)學代數(shù)運算,實現(xiàn)過程簡單,具有很強的實用性。1電壓波形無畸變時,以油氣價為基波電壓特性分析,其產(chǎn)生的電流有p-q運算式檢測框圖如圖1所示,該方法根據(jù)瞬時無功功率定義算出p、q,經(jīng)低通濾波器LPF得p、q的直流分量。電網(wǎng)電壓波形無畸變時,為基波有功電流與電壓作用產(chǎn)生,為基波無功電流與電壓作用產(chǎn)生。于是,由即可計算出被檢測電流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf,有:圖1中,該方法能在電壓無畸變的情況下分離出諧波和基波有功無功電流,但在電壓畸變的情況下存在較大的誤差。2ip-iq檢測法及其鎖相環(huán)的實現(xiàn)2.1基于lpf濾波、進路、出ip、igf、及icf的方法,把所有ip-iq諧波檢測法的原理圖2所示,該方法中,需要用到與a相電網(wǎng)電壓ea同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號-cosωt,它們由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到。根據(jù)定義可以計算出ip、iq,經(jīng)LPF濾波得出ip、iq的直流分量是由iaf、ibf、icf產(chǎn)生的,因此由即可計算出iaf、ibf、icf,進而計算出iah、ibh、ich。該方法能在電網(wǎng)電壓無畸變的情況下分離出諧波和基波有功無功電流;在電壓畸變的情況下也能檢測出諧波和基波,但不能分離基波中的有功和無功。2.2電壓電流的初始頻率c從圖2可知,ip-iq法需要通過鎖相環(huán)來獲得變換矩陣C中的ω,但鎖相環(huán)會增加電路板的面積和調(diào)試設計時間,且由鎖相環(huán)獲得初始相角和基頻會受輸入信號的影響。根據(jù)ip-iq諧波檢測法的特點可以發(fā)現(xiàn),通過鎖相環(huán)來獲得變換矩陣C中的ω是多余的,我們可以通過預設頻率ω0來替代ω,從而達到簡化電路的和節(jié)約調(diào)試時間的目的。在實際電力系統(tǒng)中,電壓電流的基波頻率都是固定的,以我國的電力系統(tǒng)為例,其電壓電流的基波頻率為50Hz,經(jīng)過APF補償后也希望得到50Hz的電流,因此可以預設矩陣C中的ω為ω0=2πf=314。設在三相三線制系統(tǒng)中,系統(tǒng)電流瞬時值ia、ib、ic為:式中in+、in-分別為n次諧波電流的正序、負序和零序分量的幅值;φn+、φn-分別為正序、負序和零序的初始相位;ω為基波頻率。則可以由圖2運算得到ip、iq如下:由于電網(wǎng)頻率偏差很小,ω和ω0之間的偏差一般不超過0.5Hz,而低通濾波器并不是完全只通過直流,一般都設定某一較底的截止頻率,例如10Hz,頻率高于截止頻率的交流信號都被濾除。所以圖2中經(jīng)低通濾波后的為:反變換得到基波電流:由此可見,通過預設變換矩陣C中的ω為電網(wǎng)額定頻率ω0,同樣可以準確檢測出諧波電流。3ip-icp法的原理在第1、2節(jié)的基礎上,綜合p-q法和ip-iq法的優(yōu)點,本文提出一種能在電壓畸變的情況下仍能準確檢測出系統(tǒng)諧波及基波有功和無功的新檢測算法,其算法原理圖如圖3所示。三相系統(tǒng)電壓ea、eb、ec經(jīng)過無鎖相環(huán)ip-iq法運算后得到與系統(tǒng)基波電壓對應α-β坐標系的分量eα0和eβ0,去替代普通p-q法中只經(jīng)過C32變換得到eα和eβ,然后按p-q法的規(guī)律計算出系統(tǒng)電流ia、ib、ic中的基波iaf、ibf、icf,進而得到諧波iah、ibh、ich。如果需要檢測出基波有功則將圖3中斷開,即用0代替,則所得iaf、ibf、icf即為基波有功電流,同理將圖3中斷開,即用0代替,則所得iaf、ibf、icf即為基波無功電流。4無鎖相環(huán)正序諧波電壓仿真為了驗證理論分析的正確性,用matlab7.0/simulink對上述方法進行建模分析。在額定頻率為50Hz的三相三線制系統(tǒng)中,系統(tǒng)電壓含有幅值為220V的基波正序、幅值為110V的基波負序和50V的三次正序諧波,負載為一個帶電感性負載(R=100Ω,L=20mH)的三相二極管整流橋,其系統(tǒng)電壓電流波形如圖4所示。變換矩陣C中的ω0設定為49Hz,低通濾波器的截止頻率為5Hz,仿真結果如圖5所示。由圖5(a)可知,檢測出的基波電壓與期望值一致,即無鎖相環(huán)ipiq法能準確檢測出畸變電壓中的基波。由圖5(b)可知,新方法檢測出的電流基波有功分量與基波電壓相位一致,為純有功電流,證明所提出的新方法的準確性;而傳統(tǒng)ip-iq檢測的基波有功電流(圖5(c))不但相位上與基波電壓相位不一致,幅值也與實際值存在偏差。5基于ip-icp-q的諧波檢測法本文總結了應用廣泛的幾種諧波檢測方法存在的缺陷,介紹了基于瞬時無功功率理論的兩中諧波檢測方法(即p-q法和ip-iq法)。在p-q法和ip-iq法的基礎上提出一種新的諧波檢測法,即通過預定ip-iq法中變換矩陣