两种单相电路谐波及无功电路实时检测方法的分析比较
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电气传动 2011年 第41卷 第4期 ELECTRIC DRIVE 2011 VoL 41 No.4 两种单相电路谐波及无功电路实时 检测方法的分析比较 缑新科 ,李俊勤 (1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050; 2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室,甘肃兰州730050) 摘要:针对有源电力滤波器(APF)对谐波及无功电流实时检测的要求,提出了两种单相电路谐波及无功 电流检测算法,即基于瞬时无功功率理论检测法和基于基波幅值分离检测法。给出了两种算法的检测原理并 分别对其进行了仿真研究,仿真结果表明后者算法动态响应快、检测精度高,是一种便于实现的实时检测 算法。 关键词:有源电力滤波器;瞬时无功功率理论;基波幅值分离;实时检测;谐波及无功电流 中图分类号:TN713.8 文献标识码:A Analysis and Comparison of Two Real—time Detection Algorithms for Harmonic and Reactive Current in Single—phase Circuit G0U Xin—ke ~,LI Jun—qin ’ (1.College of Electrical and Information Engineering,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,Gansu,China:2.Key Laboratory of Gansu Advanced Control for Industrial Processes,Lanzhou 730050,Gansu,China) Abstract:Aiming at active power filter(APF)requiring real—time detection on the harmonic and reactive current,two harmonic and reactive current detection methods in single—phase circuit were presented,which are based on instantaneous reactive power theory and fundamental amplitude separate.Detection principles of two algorithms were given and analyzed.Simulation results show the latter algorithm,which is of fast dynamic re— sponse and high precision,is easy tO achieve. Key words:active power filter(APF);instantaneous reactive power theory;fundamental amplitude sepa— rate;real—time detection;harmonic and reactive current 1 引言 随着现代工业技术的发展,电力电子非线性 相关。但三相电路瞬时无功功率理论使用了众多 的乘法器,计算误差大,调整困难,而且对电路的 原件参数敏感,用于单相电路检测时,其效果不理 想 ]。因此,瞬时无功功率理论不能简单、实时 地应用于单相电路是该理论的一个不足。 负载大量增加,使电网受到严重的谐波污染。有 源电力滤波器(APF)是一种动态抑制谐波、补偿 无功电流的新型电力电子装置,其补偿效果很大 程度上取决于对指令信号准确、实时地检测 ]。 1983年,赤木泰文等人提出了三相电路瞬时无功 本文在瞬时无功功率理论的基础上,从傅里 叶变换出发,引入了一种基于基波幅值分离法的 谐波检测方法。该方法利用三角函数的特性,对 畸变电流中的基波成分和无功电流分量的幅值分 别进行计算,然后通过低通滤波器把它们分离出 来,最后得到基波有功和无功电流分量。该方法 功率理论 ],以该理论为基础的谐波和无功电流 检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的 应用。但事实上由单相电路中的非线性负载引起 的谐波危害也很严重,能否实时检测单相系统谐 波及无功电流与整个有源滤波器的补偿特性直接 作者简介:缑新科(1966),男,教授,Email:gou—xk@1 63.COnl 不但解决了单相谐波及无功电流实时检测,而且 算法简单、可靠,硬件实现起来容易。 28 缑新科,等:两种单相电路谐波及无功电路实时检测方法的分析比较 电气传动 2011年 第41卷 第4期 2 基于瞬时无功功率理论的单相电 路谐波及无功电流的谐波检测 研究基于瞬时无功功率的三相电路谐波检测 方法可发现,其实质是把待检测的三相信号经线 性变换后得到有功分量及无功分量,经低通滤波 器(LPF)后再做相应的反变换,即可得到谐波和 无功电流。对于单相电路,只需再构造一个滞后 于实际电流90。的虚拟电流和实际电流形成两相 生电路,它的输出是与“ 同相的正弦信号和滞后 9O。的余弦信号一COS( £) ;LPF为低通滤波器, 用来滤掉基波以外的其他高次谐波。 坐标信号,进而可以检测出谐波和无功电流,其检 测原理如下: 设单相电网电压瞬时值为 “ (£)一UCOS(cot) / 1 \,单相电网电流瞬时值: i ( )一 I COS(ncot+ )一i。 n—l 构造口的虚拟电流: ip一 f cos[n( ̄t-詈)+ ] r cos(nwtq- ̄ ) ] . [ ]一J : 。 一号 + f ) [ipt=c[ [一sin ( co t --cos(o ̄t)][io] 一 :]+ i]一 I 1coi s  ̄1 ]+ ]cs 式中: , 为基波电流引起的有功、无功直流分 量; ,i- 为单相电网的有功、无功交流分量。 经低通滤波器(LPF)后将 和 滤掉,得到j 和 i。,再将其进行反变换可得基波有功、基波无功电 流iof, : 嘲=C-1[ 一厂sin Got)一cos(wt)]广 l co ] l—cos(cot)一sin( £)儿 1 sin l J [-i1 cos(wt+ ̄1) ] 一f .n(一号 )l 可以看出,从i (£)中减去i 可得 ;再加 。可得 即 i = h+i。 (7) 图1 基于瞬时无功功率理论的单相电路 谐波及无功电流的检测原理图 Fig.1 Harmonics and reactive current detection , / schematic in single—phase circuit baser on 2 3 \/、, instantaneous reactive power theory 0一) 基于基波幅值分离法的单相电路 谐波及无功电流的检测原理 单相电网电压: u ( )一Usin(wt) (8) 电网瞬时电流: i。( )一三J sin(nogt+ ) "=l ===I1 sin(wt47 ̄)+ J sin(mot+q ̄ ) 一il(£)+ih(£) (9) il( )一I1 COS 1 sinGot)+I1 sin 1 cos( ̄t) 一I。sin(∞£)+I。cos( ̄t) 一i (t)+i ( ) (10) 把式(10)代入式(9)得: i。(£)一IpsinGot)- ̄-Iqcos&ot)+ Lsin(ncot+q ̄) I1,一Z —i】(£)+i (£)+ (£) (11) 式中:i ( )为基波电流分量;i (t)为所有高次谐 波分量组成的谐波电流分量;i。(£)为瞬时基波有 功电流;i。(£)为瞬时基波无功电流。 将式(11)两端分别乘以2sin(叫£),则有: 2 (f)sin(wt)一2Ipsin2( )-I-2Iqcos(wt)sinGot)+ 三2Lsin(砌 + )sin(wt) 一Ip—I ̄cos(2cot)+Iqsin(2wt)+ 三L{一cos[( +1) £+ ]+ cosE(n-1)cot-t- ̄,]} (12) 式(12)是由直流分量和交流分量组成,用低通滤 波器(LPF)可得到直流分量 ,再乘以标准正弦 信号sin(∞£),就得 i。(f)一J。sin(wt)、 (13) 同理,将式(11)两边同乘以2cos( ),就有 29 电气传动 2011年 第41卷 第4期 缑新科,等:两种单相电路谐波及无功电路实时检测方法的分析比较 2i (£)cos(oJt)一2LCOS。(cot)+21。cos(wt)sin(wt)+ 三2J sin(mot+ )COSGot) "=Z 一 +Ipsin(2wt)+J COS(2wt)+ I {sin[-( +1) £+ ]+ sin[-( 一1)cot+q ̄ ]} (14) 式(14)也是由直流分量和交流分量组成,也通过低 通滤波器(I PF)分离出直流分量I。,再与cos(∞£) 相乘,得 i。(t)一J COS((cJf) (15) 把计算出的i。(f)和i。( )代人式(10)可得i (f), 再把其代入式(9),得到谐波电流: i (£)一ih( )一i (£)一i。(1) (16) 但如果对谐波和无功电流同时补偿,则要断开通 道2,再用电网电流减去基波有功电流,即 i (£)一ih(f)+i。(£)一i (f)一i。(1) ’(17) 综上所述,算法见图2。 图2 基于基波幅值分离法的单相电路 谐波及无功电流的检测原理图 Fig.2 Harmonics and reactive current detection schematic in single—phase circuit based on the fundamental amplitude 值得注意的是,在图2中,电源电压 。(£)有畸 变以及电源频率的漂移不会影响谐波及无功电流 的检测。当“ (f)畸变时,正余弦信号(sin( £), cosGot))应由 (£)的基波分量决定,i。( )和“。(f) 的基波分量同相,但i (t)和M (t)的基波分量正 交,但式(12)~式(14)的计算过程不变。当电源 频率漂移时,sin( t),cos(∞t)和i (t)中的i (f)及各 次谐波的频率也同步变化,式(12)~式(14)的计 算过程是一样的。 研究表明,当只检测谐波时,可以不必跟踪电 源电压基波分量的相位,锁相环PI I 可以省去, 只通过控制电路产生与电源电压同频率的正余 弦信号参与计算即可,实现起来更为方便,相位 可以任意 ],也就是说相位差不影响谐波电流 的检测。 30 4 系统仿真分析及结论 在以上分析的基础上,用Matlab分别对基于 瞬时无功理论和基于基波分离法的单相电网谐波 及无功电流检测算法进行仿真。仿真对象为单相 感性负载的整流电路,电路模型的主要参数为:系 统电压V (£)一5.77 kV,频率.厂一5O Hz,谐波源 含有3,5,7等高次谐波电流,LPF为二阶Butter— worth低通滤波器。仿真结果见图3。 (a)电网电流‘(f) … (b)基波电流‘(f) ^m^州 / ^ ..120I—...............———.... ........——— ..... ...........,———— .......... ^.. ^—.— —..^..^. .....一 (c)谐波及无功电流之和 釜(d1通道1和2的最终电流输出结果 图3 基于瞬时无功功率理论的仿真结果 Fig.3 Simulation results based on instantaneous reactive power theory 从图3a中可看出,电网电流中不但含有谐波 电流成分,还含有基波无功电流成分;图3b的波 形可明确看出这种检测算法是有效的;通道1检 测输出的电流为基波电流if(f),而通道2输出为 滞后于基波电流 /2的电流,因此该检测算法时 延比较大,不能满足实时检测的要求。 图4表明该算法是有效的,能够实时检测出 系统的谐波及无功分量。 由图5可知,第1条曲线是基于瞬时无功功 率理论检测算法的谐波电流,而第2条曲线是基 于基波幅值分离法的谐波电流。通过第1种检测 算法需要经过多于2个基波电流周期(0.04 s)才 能达到稳定值,而第2种检测算法仅需一个半基 波电流周期,所以很明显该算法动态响应速度快。 本文提出了2种单相电路谐波及无功电流实 时检测算法,仿真结果表明二者都能满足检测要 求。基于瞬时无功功率理论检测算法比较准确, 但时延大、动态响应慢;而基于基波幅值分离法的 (下转第38页) 电气传动 2011年 第41卷 第4期 刘栋,等:一种光伏发电系统变步长MPPT控制策略研究 参考文献 [1]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等.太阳能光伏发电及其应用 [M].北京:科学出版社,2005. [2]Hohm D P,Roop M E.Comparative Study of Maximum t/s Us Power Point Tracking Algorithms[J].Progress in Photo— voltaics:Research and Applications,2003,11(1):47—62. (a)定步长 Co)变步长 [33任碧莹,钟彦儒,孙向东,等.基于模糊控制的最大功率点 图8 在不同光照强度下的仿真结果 Fig.8 The simulation results of different light intensity 跟踪方法研究[J].电力电子技术,2008,42(11):47—48. [4] Simoes M G,Franceschetti N N,Friedhofer M.A Fuzzy Logic Based Photovoltaic Peak Power Tracking Control EC]If IEEE 踪速度快于定步长扰动观测法。 International Symposium on Industrial Electronics,1 998: 300—305. 5 结论 本文在对光伏模型进行分析的基础上,通过对 [53周德佳,赵争鸣,吴理博,等.基于仿真模型的太阳能光伏 电池阵列特性的分析[J].清华大学学报:自然科学版, 2007,47(7):1109—111 2,l1l7. MPPT算法的研究,提出了一种实现简单的变步长 扰动观测法。利用Matlab进行了仿真验证,且在 相同条件下与定步长扰动观测法相比较,验证结果 [6]张超,何湘宁,赵德安.光伏发电系统变步长MPPT控制策 略研究[J].电力电子技术,2009,43(10):47—49. [7]何薇薇,熊宇,杨金明,等.基于改进MPPT算法的光伏发 电最大功率跟踪系统EJ].电气传动。2009,39(6):39—41. 表明该算法在各种日照变化情况下均能迅速稳定 地重新输出最大功率,并有效地解决了定步长扰动 观测法搜索的稳定性和快速性相矛盾的问题。 硬福百两 而 修改稿日期:2010-11-15 (上接第3O页) 1 ≤ ~检测算法,其电路简单、所用器件少、检测精度高、 动态响应速度快,更能适合于APF动态谐波装置 tls 1 0.6O0 0.620 0 640 0.660 0.680 0.700 0.720 0.740 来检测谐波及无功电流,是值得推广的检测算法。 参考文献 (a)电网电流t(f) 120 ~120 0.600 0 620 0.640 0 660 0.680 0.700 0.720 0 740 s [1] Akagi H,Kanazawa Y,Nabae A.Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three—phrase Circuits[c]∥ In:IEEE&JIEE.Proceedings IPEC.Tokyo:IEEE,1 983: 1375 l381. (b)基波有功电流‘(f) [2] 0.600 0 620 0.640 0.660 0.680 0.700 0.720 0.740 t/s Akagi H,Kanazawa Y,Nabae A.Instantaneous Reactive Power Compensator Comprising.Switching Devices With— (c)谐波电流‘(0和基波无功电流‘(f)之和 out Energy Storage Components[J].IEEE Trans.on IA, 1 984,2O(3):625—633. 图4基于基波幅值分离法的仿真结果 Fig.4 Simulation results based on the [33 Hsu C Y,Wu H Y.A New Single—phase Power Filter with Reduced Energy—storage Capacity[J].IEEE Proc.Electr. fundamental amplitude separate Power,l996,143(1):25—30. 80 zheng.A Series Active [4] Wang Zhaoan,Wang Qun,Yao Wei≤—0 360 0.380 88 80 o 一Power Adopting Hybrid Control Approach[J].IEEE 0 400 0.420 0.440 0.460 0.480 0.500 Trans.on Power Electronics,2001,l6(3):301—310. [5] 王兆安,杨军,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北 京:机械工业出版社,1 998. 80 O 360 0 380 0.4OO 0.420 0.440 0.460 0.480 0.500 [6] 蒋斌,颜钢锋,赵光宙.单相电路瞬时谐波及无功电流实时 t/s 检测新方法[J].电力系统自动化,2000,11(21):35—37. 图5 两种算法的动态响应仿真分析 Fig.5 The dynamic response of the two simulation algorithms 百 而 而 修改稿日期:2010-11—10 38