（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器谐波与无功电流检测方法的研究.pdf

薅安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：s t u d yo nd e t e c t i n gm e t h o r d sf o rh a r m o n l ca n d r e a c t i v ec u r r e n ti na c t l v ep o w e rf l l t e r m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d n a m e ：w a n gd a n g s h u a i a u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f 。t o n gx i a n g q i a n a b s t r a c t s i g n a s i g n a t t h ew i d eu s eo fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n tm a k e sh a r m o n i cp r o b l e md e t e r i o r a t e d i n c r e a s i n g l y , a n dh a r m o n i cb e c o m e st h ep r i m a r yf a c t o ri n f l u e n c i n gp o w e rq u a l i 够a c t i v ep o w e r f i l t e ri sc o n s i d e r e da sa ne f f e c t i v em e t h o dt or e s t r i c th a r m o n i c r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na r e w i d e l ys t u d i e d a na c c u r a t ea n dr e a l t i m ed e t e c t i n ga p p r o a c hi sc r i t i c a lf o ra p f t oa c c u r a t e l y c o m p e n s a t eh a r m o n i cc u r r e n t s t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n g m e t h o r d s b a s e e do nt h ee x i s t i n gd e t e c t i o nm e t h o d so fh a r m o n i cc u r r e n t s ，an o v e lh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i n gm e t h o du s e df o ra c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) w a sp r e s e n t e d ，b yt h i sm e t h o di nt h e t h e s i s ，t h ea m p l i t u d eo ff u n d a m e n t a lp o s i t i v e s e q u e n c ea c t i v ec o m p o n e n to fl o a dc u r r e n t ( 1 1 p ) i s c a l c u l a t e da c c o r d i n ga si n s t a n t a n e o u sr e a lp o w e r , a n dt h e nm u l t i p l yb yt h eu n i ta m p l i t u d e s u p p l yv o l t a g et oo b t a i nt h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o m p o n e n t s 。 a n o t h e rn o v e lh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o da i m e da tt h eh a r m o n i cc u r r e n t so f r e s i s t a n c e - i n d u t a n c el o a dr e c t i f i c a t i o nc i r c u i tw a sp r e s e n t e d i nt h i sm e t h o d ，t h ed cs i d e c u r r e n to fr e c t i f i c a t i o nc i r c u i ti sd e m a n d e dt od e t e c t f i r s t l y , t h e n t h ef u n d a m e n t a l p o s i t i v e s e q u e n c ea c t i v ec o m p o n e n to fl o a dc u r r e n t ( i l p ) i sc a l c u l a t e db yas i m p l ec a l c u l a t i o n p r o c e s s ，t h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o m p o n e n t sw o u l db eo b t a i n e d m o r e o v e r , s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r sc o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y z e di nd e t a i l ，as i m u l a t i o n m o d e lf o r 鲥fb a s e do np s i mw a sb u i l t ：( 1 ) s i m u l a t i o ns t u d yw a sc a r r i e do u ta td i f f e r e n tl o a d c h a r a c t e r i s t i c sa n df l u c t u a t i n gl o a dc o n d i t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a n q u i c k l ya n da c c u r a t e l yd e t e c tt h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p o n e n t so ft h el o a dc u r r e n t ；( 2 ) i n o r d e rt oa n a l y s i sc o r r e l a t i v ef a c t o r se f f e c t i n ga p f c o m p e n s a t i o ne f f e c t i v e n e s s ，m u c hs i m u l a t i o n s t u d y a r ea c h i e v e do np a r a m e t e r s i n c l u d i n ga cs i d e i n d u c t a n c e 、d cs i d ev o l t a g e 、 c o m p e n s a t i o nc a p a b i l i t ya n ds w i t c h - f r e q u e n c yo fa p fm a i nc i r c u i t ，a n dd i s c o v e r i n gs o m e i m p o r t a n tc o n c l u s i o n n et h e s i sb u i l tas h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nw i t h d s eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ss t r u c t u r ea n df u n c t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l a n de x p e r i m e n t r e s u l t sv e r i f yv a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：h a r m o n i cr e s t r a i n i n g ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ： h a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p o n e n t so fc u r r e n t sd e t e c t i n g u 独创性声明 秉承祖国优照道德传统翻学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他入的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成累的任何贡献均已在论文中作了明确的说嬲并己致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担切相关责任 论文作者签名：至! 塑些2 6 嫠年3 月处匿 学位论文使用授权声明 本人乏：匏! 披 在导师的指导下剖作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交窜届舨和电子舨学位论文，学校可以采用影印、缩印或其链复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园霹上供校蠹痔生阅读、测览。 方人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密酶学位论文在解密焉，适用本授权说鞠) 论文作者签名：墨! 塑生垒： 导师签名： ! ：三蝰 8 年多 月，f1 3 绪论 1 绪论 1 引言 目前，世界各国电力工业几乎都是采用交流供电方式，理想电阏可近似为一个线性时 不变系统，系统中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的 量。但随着科学技术的发展，电力系统中菲线性负荷的比重不断增大，理想系统的近似程 度变差，直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生周期性畸变。从频域的观点来看， 在这些电流和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分量) ，而且 出现了一系列频率为基波频率整数倍的正弦波分量( 高次谐波分量) ，这一系列正弦分量统 称为电力谐波 1 0 2 | 。 2 0 世纪7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、 工业、交通及家电中的应用日益广泛，尤其是大功率整流在电气化铁道以及电弧炉在炼钢 中的应用等。所有这些非线性的电力电子装置都不可避免地向电网注入谐波电流，使公共 连接点( c p c c ) 的电压波形严重畸变，并产生很强的电磁干扰( e m i ) ，对电力系统的安全、 优质、经济运行构成直接的或潜在的危害，给周围电气环境带来极大的污染。 解决电力电子装置及其它非线性负载产生的谐波污染问题，需要通过装设谐波补偿装 置来抵消非线性负载产生的谐波，减少谐波源对电力系统公共连接点及其它负荷的影响， 这就是所谓的谐波抑制1 3 1 。目前，我国对谐波进行处理的主要措施是装设l c 无源滤波器， 这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，且具有投资少、效率高、结构简单、运 行可靠及维护方便等优点。但是由于其虑波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因 而存在着很大的缺点：如滤波特性受系统参数的影响较大，易和系统发生并联谐振，导致 谐波放大：只能消除固定频率的谐波以及体积大等等。由于无源滤波具有以上缺点，随着 电力电子技术的不断发展，抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v e p o w e rf i l t e r - a p f ) 。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个 与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量，达到实 时补偿谐波电流的目的。有源滤波技术在很多方面有着无源滤波所无法比拟的优点，如不 易和电网阻抗发生谐振、可实现动态补偿且响应速度快、储能元件容量不大等等。目前， 有源滤波技术已经成为国内外一个研究热点1 4 。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时补偿负载的基波无功功率，那么只要在补 偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。谐波和无功功率 的综合枣 、偿闷题也是近年来各方面关注的热点之一，在日本己投入的a p f 中就有2 0 f i 是同 时补偿无功聃。另外，由于我国的电能质量公用电网谐波只是推荐性标准，而非强 制性标准，对大多数用电户来讲，装设a p f 并不能带来直接的经济效益，单独的谐波治理 功能不会弓l 起用户的兴趣。以上表赡能够综合治理谐波和无功的装置是将来的一种趋势， 是一种有前途的滤波装置，因此，研究这类具有兼做无功补偿的有源滤波技术有着非常重 要的意义和前景。 韵安理工大学硕士学位论文 1 2 。谐波的定义、产生及危害 谐波问题总是和波形畸变联系在一起的。在电力系统中，当在一个非线性电阻上施加 正弦电压时，所产生的电流的波是非歪弦的、畸变的；或者，当菲正弦的电流流过某线性 电阻时，该电阻上所呈现的电压是非正弦的、畸变的。应用数学分孝斤方法一傅立时变换 对一畸变波形进行处理，则它可以被表示为一系列频率为基波频率整数倍的理想正弦波形 之和。 ， 1 2 1 谐波的定义 谐波： 一个周期电气量中频率为基波频率大于1 整数倍的正弦波分量。 i e c 5 1 9 定义as i n u s o i d a lc o m p o n e n to fap e r i o d i cw a v eo rq u a n t i t yh a v i n ga f r e q u e n c yt h a ti sa ni n t e g r a lm u l t i p l eo ft h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c y 分数次谐波：次数为分数的分量 次谐波：+ 与基波次数之比小于l 的分量 间谐波：与基波次数之比大予1 但不为整数的分量 分数次谐波、次谐波、间谐波都不是谐波，因为次谐波、问谐波和谐波有共性，可统称 为广义谐波n 6 1 。 | l 。2 2 谐波的产生 系统中产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性特征的用电设备。当前，电力系统的 谐波源就其非线性特性而言主要有两大类玎： ( 1 ) 传统非线性设备，包括变压器、旋转电机及电弧炉等。电力变压器是一种谐波源， 通常，变压器所使用的磁性材料在接近非线性或者就在非线性区运行，它主要产生3 次谐 波。旋转电机的线圈被嵌入线槽，由于这些线槽不可能严格按正弦形分布。从而使得产生 的磁动势是畸变的，因此旋转电机也被认为是谐波源，电弧炉的谐波主要是由起弧的延时 和电弧的严藿非线性引起的，其谐波频率分布范围主要在0 1 - - 3 0 h z 之间，熔炼期间谐波 电流大，精炼期间谐波电流小。 ( 2 ) 现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广泛使用的 电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。其中晶闸管控制设备包括整流器、逆变 器、静止无功补偿装置、变频器、高压直流输电设备等。有关谐波源的调查报告显示，电 力电子装置已经成为电力系统最主要的谐波源。荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因 此引起严重的谐波电流，其中3 次谐波含量最高。在各种电子装置中，整流装置所占比例 最大，目前常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流或二极管不可控整流。带感性负载 的电流型整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后己为人们所熟悉，而直流侧采用电容 滤波的不可控整流电路随着开关电源( 如电视机、个人电脑等) 和电压型逆变器( 如变频器、 u p s ，感应加热电源等) 的广泛应用也产生越来越严重的谐波污染。 2 绪论 1 。2 。3 谐波的危害 ( 1 ) 使电动机产生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩和噪声。 ( 2 ) 谐波会对断路器、漏电保护器、熔断器、继电器等保护、自动控制装置产生干。 ( 3 ) 使照明设施的寿命缩短，特别是对白灯光源的影响。 ( 4 ) 电压表、电流表、电能表等仪器受谐波影响造成测量误差， ( 5 ) 对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰。 ( 6 ) 谐波容易引起电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生串并联谐振。 ( 7 ) 谐波电流使配电线路损耗增大，输电能力降低。 1 。3 无功功率的定义及其对电力系统的影响 传统的无功功率是描述能量交换的幅度大小的量，并不“消耗 能量，从这个角度来 讲，它跟有功功率是对立的，有功功率表示单位时闻内消耗能量的大小。无功并非无用的 功率，只要电路中含有储能元件，如电感，电容，毫路中就会流动无功功率，它是j # 纯电 阻电路的必须品。例如，对于单相隰感负载，电阻消耗有功功率，恧电感则在一个周期内 的一部分时闻把从电源吸收的能量储存起来，在另部分时闻把它释放掉，电感本身并不 消耗能量( 理想情况) ，无功功率的大小表示了电源和负载电感之间交换能量的幅度。 1 3 1 无功功率的定义 a 。正弦电路中的无功功率 在电压和电流都为正弦波形，负荷为线性时， 掰= 知s i n 彩l t i = 扬s i n ( c o l t 一妒) 电压和电流的瞬时值表达式可写成： ( 1 。l 式中u ，l 和牵分别为电压的有效值，电流的有效值和电流滞后电压的相焦。 定义无功功率为； q = u l s i n 筝i 。 当s i n e 0 时，认为该端目“吸收 无功功率；当s i n 簪； 2 屯= i b 1 + ( 3 1 6 ) 是2 2 1 f 2 l e l + 乙喙 七2 2 如果三相负载不平衡，可将负载电流分解为正序、负序和零序分量，则基波电流表示如下： l = i l + s i n ( c o t 一妒l + ) + 厶一s i n ( c o t 十鱿一) + os i n ( c o t 一妒l o ) 毛l # ，l + s i n ( c o t 一仇+ 一1 2 0 。) + ( 3 1 7 ) 1 1 一s i n ( r o t + 张一+ 1 2 0 。) + 五os i n ( c o t 一伊i o ) i c l = i l + s i n ( 耐一魏+ + 1 2 0 0 ) + i l s i n ( c o t + p l 一- 1 2 0 。) + i l # s i n ( c o t 一9 撙) 式中，磊+ ，磊，五。分别是基波歪序、负序、零序分量的幅值，驴i + 是基波正序的初始相位，1 是基波负序酶初始相位，妒1 0 是基波零序的初始相位。 谐波电流也分解为正序、负序帮零序，k 次谐波电流可表示如下： 乙= j “s i n ( k c a t 一最+ ) + j i s i n ( k c o t + 酿一) + 气s i n ( k c o t o k o ) k = i k + s i n ( k c o t 一致一1 2 吩+ ( 3 1 8 ) 丘一s i n ( k c o t + 以一十1 2 0 0 ) + os i n ( k c a t - 铱o ) & = 以+ s i n ( k c a t 一吼+ + 1 2 0 0 ) + i k s i n ( k c a t + 吼一一1 2 0 。) + i k os i n ( k 耐- 见o ) 式中，砧，缸，如分别是k 次谐波正序、负序和零序分量的幅值，讯，o k ，o k o ，分别是k 次谐 波正序、负序和零序的初始相位。 三相瞬时有功功率p 由( 3 。1 9 ) 式得到： 谐波与无功电漉镌检测方法 p 2 u 4 i a + i i b l b + u c i c = u m i + s 伊一w m f i e 。s ( 2 掰饶 ( 3 1 9 ) 昙kc o s 【( k 1 ) 耐+ 卜 七2l 二 要厶一c o s ( k + 1 ) c o t + o k 一】 上式中，p 包含一个壹流分量和一系列交流分量，直流分量由基波正序分量构成，其值为： ；= 要u 。+ c o s 妒l + ( 3 2 0 ) 交流分量由基波负序分量和谐波分量构成，其中，最低频率为5 0 h z 。因此，瞬时有功功 率通过一个低通滤波器( l o wp a s sf i i t e r ，l p f ) 后，可以提取出基波正序有功功率。 负载电流的基波正序有功分量的幅值王：。可由下式得到： 2 i i + c o s 纯+ 2 番 ( 3 2 1 ) 通常情况下，电源电压的波形正弦度良好，可由( 3 2 2 ) 式求出三相电压的单位同步 信号。如果电源电压存在畸变，则可先利用带通滤波器加以解决。 i i - = u _ _ q a ， 砜 牧 嘞2 贡 u c 冁2 贡 ( 3 。2 2 ) 于是，进一步得到三相负载电流的谐波与无功分量，负载电流与基波有功电流做差，即得 到a p f 的补偿指令： 一 z c 厨2f 口一l a l 2 z 口一1 1 r u a 6 = 屯一”= 毛f iv l l ：(323)lbl i m p l f 6 2 b 一 2 b 矗 l j t l f + e2 i c l c l 拦l c 一l p 材c 按照上述算法，谐波与无功电流分量的检测原理图如图3 - 4 所示。 图3 4 谐波与无功电流分鼙静检测原理圈 f i 擎- 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p o n e n to fl o a dc u r r e n t 2 i 两安理工大学硕士学位论文 3 3 2 检测算法仿真 瓠仿真模型 p s i m ( p o w e r s i m ) 是专门用于电力电子系统的仿真软件。利用该软件可快速地对电 力电子装置的模型进行准确、直观、高效的仿真。在仿真模型中，系统电源采阁正弦波电 压源，线电压幅值为3 8 0 v ，设非线性负载电流波形为方波。仿真模型如图3 - 5 所示： 图3 5 谐波检测与无功电流检测算法仿真电路 f i 9 3 5s i m u l a t i o ns c h e m a t i c o ft h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p o n e n to fl o a dc u r r e n t 谐波检测算法的好坏，有两个关键的性能指标。一个是稳态的检测精度，另一个是谐 波源负载变化时谐波检测的跟踪速度。为了检验这种谐波检测算法的性能，用p s i m 软件 对其稳态精度和动态响应速度进行仿真。根据上述算法，负载谐波与无功电流分量检测的 关键在于负载基波有功电流i l o 的检测性能。因此，下列仿真中主要论述基波有功电流分 量的稳态检测精度和动态响应速度。 b 谐波源负载时的检测特性 对谐波电流检测的仿真结果如图3 6 所示，蚝为电源a 相电压，存在一定畸变；i l 为负载电流，其初始幅值为i o o a 。为了检验算法的跟踪速度，让负载电流6 0 m s 时突变为 2 0 0 a ：f l 参为负载电流理论上的基波有功分量；，l 参为检测出的基波有功电流，l 瓣为检测褥 到的总谐波电流。因为i * h = 蠢- i l 争，所以检测出的基波有功电流广l 爹精度的高低直接决定 着谐波电流的检测精度。图3 - 6 中( 厂z l 器) 曲线反映了谐波检测的总体误差，其稳态相 对误差不大于l ，动态响应时间小于8 m s 。 谐波与无功电流的检测方法 4 0 0 2 器蚤 o - 2 0 0 4 0 0 o 。 3 0 0 1 5 0 o 1 5 0 一3 0 0 乜。垒i 蝣地 ：。 ： 皇惑耋兰蹴x 点：* x 一i k ，一i r 。 一 v ：h 0 20 o 羹0 0 4o 。0 50 0 60 8 70 0 80 0 9 u s ( a a 誊舅电压“纛，负载吃流 口0 2d 0 3 3 0 0 1 5 0 o 1 5 0 3 0 8 o 3 0 0 1 5 0 o l s o - a o o 3 a o l s o o _ 1 5 0 一3 0 0 o o o a 5 s a o b o o t o _ o o _ o 日o i o ( b a 相羹渡正序有功电流理论值 0 2o a 3 0 0 48 0 5 0 0 s0 0 t 0 0 80 口l鑫1 鑫 t s c a 檑蒺波茏窿膏功耄流裣潮僖广琢 、以曩卜一；刊一“。 。、：，一a - 。i i r 了 ，一一一一一、- 、 0 0 2垂。0 3 0 0 48 0 5 0 。0 80 。曩f 0 。0 80 o 警0 。1 0 t s e 1 ) a 毒嚣憨谴渡宅漉i 嚣 0 0 2 0 0 30 0 40 a 5 0 。a 5 狂0 7 0 0 00 。0 = j 0 1 0 t s e a 相谐波检测总体误差( f 。扣- ， 图3 - 6 谐波电流检测的仿真结果 f i 酪一6s i m u l a t i o nr e s u l t sf o rt h ed e t e c t i o no fh a r m o n i cc u r r e n t c 无功负载时的检测特性 对无功电流的检测仿真结果如图3 - 7 所示，负载为纯感性无功负载，在0 0 4 s 时刻投 入。 图中铴为a 相的相电压，而为滞后嘞9 0 。的纯无功负载电流，幅值为2 0 0 a ；广l p 为检 测出的的基波正序有功电流；负载电流理论上的基波正序有功分量i l p 为o a 。图3 7 中 ( i i p - - i l p ) 曲线反映了无功检测的总体误差，动态响应过程中的最大相对误差不超过 _ i q 婚 _ ；：。l氍，0 5 铸 r 转毳辨。l t s 氛，a 捆慨焱我吃漉，i l 尊 巷 2 o _ 2 啃 - i t 髓t 纛键 l 籽心赫 t 酊 t 辩积纛秘 b a 翱秃功梭溅慧律误差g 颦蝴 图3 一? 无功恕流检测的仿真结果 f i 妒- 7s i m u l a t i o nr e s u l t sf o rt h ed e t e c t i o no fr e a c t i v ec u r r e n t s 1 。 曲安理工大学硕士学位论文 d 谐波与无功综合负载时的检测特性 谐波与无功电流的综合检测仿真结果如图3 - 8 所示，为电源a 相电压，存在一定 畸变；磊为负载电流，滞盾于相电压4 5 0 ，初始幅值为i o o a ，为了检验算法的跟踪速度， 让负载电流6 0 m s 时突变为2 0 0 a ：f i p 为负载电流理论上的基波正序有功分量；广1 p 为检测 出的基波正序有功电流，f h 为检测得到的总谐波电流。因为i * h = i l 一 p ，所以广l p 精度的 高低直接决定着谐波电流的检测精度。图3 - 8 中( 广l p f l p ，) 曲线反映了谐波与无功电流 检测的稳态误差和动态响应速度，其稳态相对误差不大于1 ，动态响应速度小于8 m s 。 4 0 0 2 0 0 o 2 0 0 - 4 0 0 0 o z8 口l口鑫| 0 0 50 0 5 o 0 7 0 a l0 0 9 0 i 0 s 纛 a 相电压负载电流缸 2 0 0 i o o 鑫 一l o o 一2 a o d 4 0 0 2 a o 口 一2 荔o 一4 口a o a o - a 5 珧o - 惦o a 7 o o 日d a 90 l a ( b ) a 相基诚正序有功电流理论值f m ( c ) a 相基波芷序有功电流棱测值f m 8 8 2o 8 3 鑫- 嚣毒8 f8 5 魄o 髓器l 鑫o 囊8 鑫l_ l o 畦)轰枣爨总谐波无功电流张 1 2 0 l o 4 0 o 一4 0 0 0 z0 0 3 0 0 40 0 5 0 0 5 0 0 t0 ，0 i l0 0 9 0 1 0 s o a 相谐波检澍总体误差c f 。瑶- h p ) 图3 - 8 谐波与无功电流综合检测的仿真结果 f i 驴- 8s i m u l a t i o nr e s u l t sf o rt h ed e t e c t i o no fh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p o n e n t so fl o a dc u r r e n t e 结论 补偿电流检测是有源电力滤波器实现的基础。本节提出了一种基于负载基波有功电流 幅值检测的补偿电流检测方法，它可以在电网电压存在一定畸变的情况下，检测出包括基 波无功电流和谐波电流在肉的待补偿电流分量。这种检测方法不需要锁相环和矩阵交换， 减小了计算量，实现简单。仿真结果表明该检测方法其有很高的稳态精度和动态响应速度。 谐波与无功电流的检测方法 3 。5 阻感负载整流电路谐波与无功电流检测新方法 电力电子技术是2 l 世纪科学技术发展的重要支柱，然而，电力电子装置所产生的谐波 污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。由于长期以来阻感负载整流电路一直是应 用最广、数量最多的电力电子装置，因此，研究阻感负载整流电路谐波( 与无功) 电流的 补偿有着重要的意义“。本节通过对阻感负载整流电路的谐波进行分析，针对这类负载， 提出了一种新型的谐波( 与无功) 电流检测方法。该方法通过检测整流电路直流侧的电流， 根据这类负载基波电流的特点，得到基波( 基波有功) 电流幅值，然后乘以单位幅值电匝 信号，得到基波正序有功电流的瞬时值，进而从负载电流中分离出谐波和无功电流分量。 3 5 。1 检测方法的基本原理 根据阻感整流电路谐波的特点，分别对三相桥式整流电路和单相桥式整流电路进行研 究。 8 三相桥式整流电路 阻感负载的三相桥式整流电路忽略换相过程和电流脉动时如图3 - 9 ( a ) 所示，i 。为a 相负载电流，i 。为整流电路盘流侧电流，交流侧电抗为零，直流侧电感k 为无穷大。设电 网三相电压蠡、骗和乏正弦对称，即 交流侧电压和电流波形如图3 9 ( b ) 所示，嘞为a 相电压的波形，蠢为a 相电流的波形， 口为触发延迟角。电流为正负半周各1 2 0 0 的方波，三相电流波形相同，且依次相差1 2 0 0 。 为了研究三相整流电路谐波电流的特点，以a 相电流为例，将电流波形分解为傅立叶级 数。在图3 - 9 ( b ) 中，若蒋电流正、负两个半波之间的中点作为时间零点，则蠢为： 艺= 芋ls i n r i 1 s i n5m t - 亍1 s i n7t ot + 行1s i nl lo ot + 万1s 3 彩， 一1 s i n1 7 掰f 一1 s i 蘸19 搿f l ( 3 2 5 ) 1719 l 若以a 相电压过零点作为时间零点，则矗为： 如= 等卜c a t - c t ，一知5 r o t - o l ，一净7 m r - c r ，+ 六s 斌l lm t - a ， + 击s 3 列一专s i 烈7 烈一古s i n l 扎。l 。2 6 42c - j o o 2 2 一 + 窿 g 礴 + + +f|f 缈 彩 国 诞 辩 艇 。爨 辨 m 辫 u 汐 l | l l = 鼯 籍 嚣 西安理工大学硕士学位论文 岛 r l j f 镪l ：如、i l l 拶越 _ 一i 一 口i a )b ) 圈3 9 三相桥式整流电路及其波形 f i 驴- 9w h r c cp h a s er e c t i f i c a t i o nc i r c u i ta n di t sw a v e f o r m 由式( 3 2 5 ) 和( 3 2 6 ) 可以看出，无论时闻的原点取在哪里，因为波形来变，所以基波 和各次谐波的幅值也不变，只是如果时间原点左移了口角，基波初相角减少翻角。更为 重要的是，基波电流的幅值重l m 和整流电路直流侧电流有一个非常明确的比例关系，如 ( 3 2 7 ) 式所示： 1 l 。：奎生，d ( 3 2 7 ) 基波有功电流的幅值 m p 为： i t m 口= 1 1 骶毒c o s 通常情况下，电源电压的波形正弦度良好，即使电舔存在些许畸变，也可通过简单的 方法加以校正。三相电压的单位同步信号可电( 3 2 8 ) 式得到。 甜：2 责，域絮彘，勰：2 责 ( 3 2 8 ) 如果要同时补偿谐波与无功，那么只需要给基波有功电流的幅值i n 螂乘以相电压的单 位同步信号，保证基波有功电流与相电压同相位，即可得到三相基波有功电流的瞬时值， 如( 3 2 9 ) 式所示： l a l p = l 卿 ； 一， ，? ( 3 2 9 ) 1 6 l p 黑i l 嘟掰务 w 。 l c l p 燃j 1 御甜c 如果只补偿谐波而不补偿无功，那么需要给给基波电流的幅值i ，。乘以滞后口角相位 电压的单位同步信号，保证基波电流与负载电流同相位，即可得到三相基波电流的瞬时值， 如( 3 3 0 ) 式所示： l 群l 2 1 1 掰u a ( 一球) 艺l ：? l 掰嚣：( 一口) ( 3 3 0 ) 乇l 2i n 埘u c ( 一0 ) 谐波与羌功电流的检测方法 式中材： 一瑾) 、龆三 电流分量检测的关键在于受载基波( 有功) 电流i 纛l 的检测。因此，下列仿真主要针 对基波( 有功) 电流分量进行检测。图3 。1 3 中，负载电流i 8 滞螽电压u 。3 0 0 ，蠢l 为检测得 到的基波电流。从图中可以看出i 8 l 与负载电流i 。网楣位，正弦度非常好。图3 一1 4 为负 载电流及其基波电流幅频图，可以看出蠢l 中的谐波分量几乎为零，检测精度非常高。 、 图3 - 1 3a 相基波电流检测仿真 一 f i 9 3 1 3t h ed e t e c t i o no f a p h a s ef u n d a m e n t a lw a v ec u r r e n t o x l o0 0 60 1 0 o 1 50 2 0o 2 5o 3 0o 3 6o o 4 60 礴o0 e 嗒o o oo 6 5o 。7 do 稻 o 0 1 3o o q | oo o o1 o f ，q u n l o yj 掣 l 萄 图3 - 1 4a 相负载电流及其基波电流的幅频图 f i 9 3 1 4t h eb o d ed i a g r a mo fap h a s el o a dc u r r e n t sa n di t sf u n d a m e n t a lw a v ec u r r e n t 西安理工大学硕士学位论文 图3 一王5 中，负载电流i s 滞后电压u 3 0 。，i a l p 为检测得到的基波有功电流。从图中可 以看出i 1 p 与负载电流同相位，正弦度非常好。图3 一1 6 为负载电流及其基波有功电流 ，、蠢魁毫 。! a i 一一一一一一一一一八 ；八!；、i ln 矗lnlli ll ；矿i | 一 ? i |n 卅 l i 。弋0 7 iviiviivi一v 一 3 5 曩o 0 0 蠲加 2 0 j 6 d b o 。 5 由o o 加 f i 9 3 。1 5t h ed c t e c t i o no f ap h a s ef u n d a m e n t a lw a v ea c 6 v ec u r r e n t 一：j 下。： ： ： l ： 。j f ? ，4 。r 。r 。 1 - - f - 。j 二一：一。! ! ! ! 一i 一：二土一2 - ：一一i 一一i 一一一一i 一一一一j 一一一： ll 。 _ 。j - _ _ 。 。：。囔。_ 。 。j 。j f - | 。二；- _ ； _ j ，j - o o - - - lll 矗；矗 ； !l一j 0 棚辱五i 霸- 1 0 骚- 50 2 0 器2 50 蕊l 舀j 辱o k ) 0 月露0 5 00 5 5o 囊c l0 0 60 7 0 叠7 0 8 00 b 60 0 9 61 0 0 f r e q u e n c y 翻3 - 1 6a 相负载电流及其基波有功电流的幅频图 f i 豁一1 6t h eb o d ed i a g r a mo f ap h a s el o a dc u r r e n t sa n di t sf u n d a m e n t a lw a v ea c t i v ec - s a 珊e n t 坟单相桥式整流电路检测算法仿真 ；单相桥式整流电路仿真实验中电源采用正弦波电压源，电压幅值为1 1 0 v ，整流电路 直流侧电阻为2 2q ，电感为0 i h 。图3 1 7 中，a ) 图皆负载电流i 滞怎电压u3 0 0 ，i l d 为 检测褥到的基波有功电流。从图中可以看班i 鑫轴与电压u 同相位，正弦度非常好。b ) 毽中 负载电流i 滞后电压u3 0 0 ，i l 为检测德到的基波电流。从图中可以看出i & l 与负载毫流i 凰相位，正弦度非常好。c ) 圈为负载电流与基波电流幅频溪，从圈中可以看斑它们的谐波 含量情况理论分析帮仿真结果证明了这种新的谐波电流检测方法的可箭性。 谐波与无功电流的检测方法 髑n 脚 l 瞄 o 8 舶 d 脚 - 钮0 伪 1 5 0 肭 啦瑚 2 口加 o 瑚 2 d 藤a - 4 0 稍 o d o d ，o 抛 1 叩 繇髓 o d o 5 0 舶 1 0 1 1 , 0 0 1 5 0 o o l 瑚 驰m d d 瑚 - 5 d 卫d 1 0 0 曩o 7 a 朋 0 0 5 0 a d 舶 3 0 o d 2 0 0 0 l 鑫0 0 o o o 弦瓣 o d o o 5 0 d o 稻 3 0 0 d 2 0 德。0 0 0 0 0 _ ， 7 彬翔一， ， ， 、一 ， 。vy 。y 。y v 。y 、 矿 、 x；zz：xz入z再。 i ：f 磊： 、z 二| 二 、! i 、 一，。， i 、，7 ；- ， n ，0 0 0 , 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 00 0 70 , 0 1 10 0 0 1 1 0 l ，暑 a ) 基波有功电流检测 o 0 0 0 0 1 0 0 20 0 3 o n 4 j d a 5 a 0 00 0 70 0 1 1o 0 0 o 1 0 f s b ) 基波电流检测 。： ： ，：。 ： ： ! ! ：蠢；。 i：a lli- l 一； ；： i ：；：； 1 1 _ ：? 。： 8 0 1 ao + 2 0o 3 0 c s 8青08 7 0j i b8 j l 露b f r e q u e n o y ( k c ) 负载电流与基波电流幅频图 图3 - 1 7 单相桥式整流电路检测算法仿粪图 f i 9 3 “1 7t h ed e t e c t i o nm e t h o ds i m u l a t i o nr e s u l to fs i n g l ep h a s er e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 3 5 3 结论 针对阻感负载整流电路，本节所提出的谐波无功电流检查方法只需检查出整流电路直 流侧的电流，便能精确地计算出谐波和无功电流，理论上检测精度和响应速度特别高。该 方法既能适用于三相电路，也能适用于单相电路；既能只检测出谐波，又能做到谐波与无 功的同时检测。仿真结果证实了该方法的正确性和有效性。 -