三相電壓不對稱時精確檢測方法研究

2019-11-03 09:55:00

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供稿：網友

楊杰1，賴聲禮1，李心廣2，秦華標1
1．華南理工大學電信學院　廣州510640
廣州大學物理與電子系　廣州510405

　　摘要：當三相電壓不對稱時ip－iq檢測法會產生誤差，本文對ip－iq檢測法在三相電壓不對稱時存在的誤差進行了分析。之后提出了一種改進的ip－iq檢測法，在該檢測法中用基于低通濾波的A相正序電壓提取單元代替原ip－iq檢測法中的鎖相環，以提取A相正序電壓。仿真與試驗證明在三相電壓畸變且不對稱時該檢測方法仍然能正確地檢測出諧波與基波有功、無功電流。

　　關鍵詞：電力有源濾波器；　諧波；　無功電流

　　1　前言

　　隨著我國經濟的不斷發展，越來越多的非線性、沖擊性負載的投入使用，使得電網的諧波污染日益嚴重。電網諧波的治理目前主要有LC無源濾波和基于電力電子技術的電力有源濾波器（APF）兩種方式。與LC無源濾波器比較，有源濾波器具有反應速度快，能對變化的無功及電網諧波電流實現連續動態的跟蹤補償，濾波特性不受系統阻抗的影響等優勢［1］。為了獲得電力有源濾波器控制電路所需的補償參考電流指令信號，實時檢測非線性負載電流中的諧波分量和基波有功、無功分量是技術關鍵，其準確性將影響到電力有源濾波器的濾波性能。

　　目前，應用于有源濾波器中的補償參考電流檢測方法大致有以下幾種。文獻［2］提出基于瞬時無功功率理論的p－q法，但該方法只適用于電網電壓對稱且無畸變情況下諧波電流的檢測。文獻［3］提出基于快速傅立葉變換（FFT）的檢測方法，該方法延遲時間長，實時性差。文獻［4］提出用小波變換提取基波分量的方法，由于難于構造分頻嚴格、能量集中的小波，其檢測精度有待改善［5］。文獻［6］提出自適應電流檢測方法，其缺點是動態響應速度慢且不能濾除基波負序電流［7］。文獻［8］提出ip－iq檢測法，該方法具有較好的實時性，計算量少，更適合電流的快速檢測。但當三相電壓不對稱時，該方法對基波有功、無功電流的檢測存在誤差。本文在分析ip－iq法檢測誤差的基礎上，提出了一種改進的ip－iq檢測法，該方法在電壓三相不對稱且畸變的情況下仍能正確檢測諧波與基波有功、無功電流。

　　2　ip－iq檢測法原理簡介

　　ip－iq檢測法如圖1所示。圖中ea為A相電壓信號，PPL為鎖相環，由鎖相環控制其后的正弦、余弦發生電路，產生與A相電壓同相位的正弦和余弦信號，以此消除電壓畸變對檢測精度的影響。對應圖1簡介ip－iq檢測法原理。由于在三相電流不對稱情況下ip－iq法仍然能正確檢測到正序基波電流，為了簡便起見本文均以三相電流對稱為例進行說明。設電網三相瞬時電流ia、ib、ic除基波電流外還包含高次諧波電流，可表示為：

　　式（1）中n＝3 k±1，k為整數，n＝1時為基波，其余為各次諧波。ω為角頻率，In、φn分別為各次電流的有效值及初相角。圖1中變換矩陣為：

　　電網三相瞬時電流與矩陣C相乘，得到瞬時有功電流ip與瞬時無功電流iq。

　　ip、iq經低通濾波（LPF）后得到，它們經反變換后得到基波電流ia1、ib1、ic1，

　　最后，由電網電流減去基波電流ia1、ib1、ic1得到高次諧波電流。

　　3　三相電壓不對稱時ip－iq檢測法誤差分析　　

　　當三相電壓不對稱時，A相電壓的初相角與A相正序電壓的初相角間存在相位差。ip－iq檢測法中的鎖相環只能提取出A相電壓，而不是A相正序電壓。現設A相電壓的初相角與A相正序電壓的初相角間的相位差為θ，進行誤差分析。由于存在相位差θ，矩陣C變為：

　　將式（5）與式（12）比較，可見相位差θ的出現，對基波電流的檢測沒有影響，由于諧波電流由式（6）計算，因此對諧波電流也沒有影響。將式（7）、式（8）分別與式（13）、式（14）比較，對于三相基波有功、無功電流，相位差θ的出現使得基波有功、無功電流的幅值和相位都產生了誤差。

　　4　改進的ip－iq檢測方法

　　由前面誤差分析可知，當三相電壓不對稱時，ip－iq檢測方法對基波有功、無功電流的檢測存在誤差。在有源濾波器中，如果要對諧波和無功同時進行補償，控制電路所需的補償參考電流由電網電流減去基波有功電流得到，因此，精確檢測基波有功電流對有源濾波器具有重要作用。為了精確檢測基波有功、無功電流，必須對傳統的ip－iq檢測方法的參考電壓提供電路進行改進，使其能夠提取出A相正序基波電壓ea1。本文提出了一種改進的ip－iq檢測方法，其采用了基于低通濾波器的A相正序基波電壓提取單元，用以代替傳統ip－iq檢測法中的鎖相環單元。基于低通濾波的A相正序基波電壓提取單元如圖2所示。該單元在三相電壓畸變且不對稱時，仍然能正確地提取A相正序基波電壓ea1。現分析其工作原理。設電源電壓畸變且不對稱，即含有高次諧波和負序電壓，如式（15）所示。

　　式（15）中下標1 n表示正序，2 n表示負序，當n＝1時表示基波。經過對稱分量變換單元T，可提取A相正序電壓信號ean。

　　式（17）中es、ec分別為：

　　其中含有直流分量，經低通濾波（LPF）后即可得到它們的直流分量Es、Ec

　　最后，由ea1控制正弦、余弦產生電路，為ip－iq檢測系統提供與A相正序基波電壓同相位的正弦、余弦信號。

　　基于響應速度和濾波效果方面的考慮，A相正序電壓提取單元中的LPF采用二階巴特沃茲（But－terworth）低通濾波器。截止頻率為25 Hz，延時為一個工頻周期（20 ms）。

　　5　仿真與試驗結果

　　現通過仿真對比研究兩種檢測方法。在系統仿真中，三相電壓畸變且不對稱。三相畸變電流如圖3所示，其中基波電流幅值為100 A，含20％的5次與7次諧波。分別采用傳統的ip－iq檢測法與本文提出的改進ip－iq檢測法對三相畸變電流進行檢測。仿真結果表明，兩種方法檢測到的諧波電流相同，如圖4所示。圖5為三相畸變電流所含有的基波有功、無功電流。圖6為兩種方法得到的基波有功、無功電流波形，其中虛線為傳統的ip－iq檢測法得到的電流波形，實線為改進的ip－iq檢測法得到的電流波形。比較圖5、圖6，可見傳統的ip－iq檢測法檢測到的基波有功、無功電流在幅值和相位上都存在誤差，而改進的ip－iq檢測法檢測的效果比較理想。仿真結果與理論分析一致。

　　將本文提出的改進ip－iq檢測法應用于并聯型有源濾波器實驗系統中。諧波源為三相二極管橋式整流電路。有源濾波器主要由功率電路單元和控制單元構成。功率電路單元是一個PWM逆變器，逆變器中的IGBT采用富士通公司的智能功率模塊IPM，該模塊額定電壓為1200 V，額定電流為50 A。為了調試方便，目前實驗系統的控制單元由工控機與研祥公司的818HD工控卡組成。工控機完成檢測運算并產生PWM脈沖控制信號，通過工控卡控制IGBT動作。試驗的結果如圖7所示。圖7（a）中為a相和c相電壓波形，可見電壓不對稱且含有高次諧波。

　　6　結束語

　　ip－iq檢測法由于其具有電路結構簡單，動態響應特性好等優點，在電流有源濾波器中得了一定的應用。但是在三相電壓不對稱時，基波有功、無功電流的檢測存在較大誤差。針對這一的缺點，本文提出了改進的ip－iq檢測方法。仿真和試驗結果表明，改進的ip－iq檢測方法，在電網三相電壓畸變且不對稱的情況下，仍然能精確地檢測諧波和基波有功、無功電流，值得在電力有源濾波系統中推廣應用。

　　參考文獻

　　［1］　胡銘，陳珩．有源濾波技術及其應用［J］．電力系統自動化，2000，24（3）：66－70．

　　［2］　Akagi H，Nabae A．Instantaneous Reactive Power Compensa－tors ComPRising Switching Devices Without Energy StorageComponents［J］．IEEETrans on Industry applications，1984，20（3）：625－630．

　　［3］　候振程，陸治國，鄒言，等．一種新的諧波和無功電流實時檢測方法［J］．重慶大學學報，1991，14（6）：28－31．

　　［4］　楊曄，任震，唐卓堯．基于小波變換檢測諧波的新方法［J］．電力系統自動化，1997，21（10）：39－42．

　　［5］　王建賾，冉啟文，紀延超，等．諧波檢測中小波變換頻域特性分析［J］．電力系統自動化，1998，22（7）：40－43．

　　［6］　王群，吳寧，謝品芳．一種基于神經元的自適應諧波電流檢測法［J］．電力系統自動化，1997，21（10）：13－16．

　　［7］　秦梅，周林，葉一麟．三相平衡和不平衡系統中有害電流的檢測技術［J］．電工技術雜志，2000，（6）：4－6．

　　［8］　楊君，王兆安．三相電路諧波電流兩種檢測方法的對比研究［J］．電工技術學報，1995，（5）：43－48．

　　
摘自　北極星電技術網

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