基于i_p_i_q法的电力系统谐波检测仿真研究

1、随着电力电子技术及其装置的发展与广泛应用,人类对电能的控制能力有了极大的提高能够按照需要将电能进行任意的转换,从而使得人类的生活有了更多的电能供应形式。但大量非线性电子设备在电网中广泛地投入使用,却给电能的质量造成了很大的影响,其中以谐波污染和无功功率损耗尤为严重,所以现代工业、商业和居民用户对供电质量提出了更高的要求,因此治理电网谐波污染势在必行。目前,国内外许多学者一直致力于这方面的研究。其中瞬时无功功率理论(p-q 理论在APF的应用中最为成熟。本文以该理论为基础,根据i p -i q 转换并利用Matlab建立仿真模型,通过该模型进行三相电流的实时检测,成功地检测出了三相电流中的谐波分

2、量和无功分量。仿真实验结果表明,基于i p -i q 法的谐波检测可以准确及时地检测出三相电路中的谐波电流和无功电流。1基于i p -i q 法的谐波和无功电流实时检测在国际电工标准中定义:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。由于频率是基波频率的整数倍数,我们也常称谐波为高次谐波。而对谐波次数的定义为:“以谐波频率和基波频率之比表达的整数”。习惯上,规定电力系统工频为基波频率。本文主要采用i p -i q 法,此方法不仅在电网电压畸变时适用,在电网电压不对称时也同样有效。瞬时无功功率理论中的概念都是在瞬时值的基础上定义的,它不仅适用于正弦波,也适用于非正弦波的任何情

3、况。它的基本原理是将三相坐标x、y、z中的电压和电流转换到两相坐标、中,然后在两相坐标系中分别计算瞬时有功功率和无功功率,再根据计算得到的瞬时有功电流、无功电流,从而得出三相电路中的谐波电流和无功电流。i p -i q 法的最大特点是不需要检测三相电网的电压,只需要a相电网电压同相位的正弦信号sin(t和对应的余弦信号cos(t。因此,即使当电网电压发生畸变时也能准确地检测出高次谐波电流。i p -i q 的检测原理框图如图1所示。其中,C是三相瞬时无功功率理论的转换系数,由它电流可转换成瞬时无功电流和瞬时有功电流,C 32是由三相瞬时电流转换到两相电流的转换矩阵,C 23是由两相电流转换到三

4、相电流的转换矩阵。e为A相电压信号。PLL为锁相环,它的作用是连接正、余弦信号发生电路产生与A相电压同相位的正弦信号sin(t和余弦信号cos(t。三相电流乘以矩阵C 32得到两相瞬时电流i ,i ;两相瞬时电流i ,i 与C矩阵相乘得到三相瞬时有功电流i p 和无功电流i q 。i p 、i q 经过低通滤波器LPF滤波得到三相基波正序有功电流和无功电流,也就是直流分量,再经过反变换可得三相基波正序电流i af 、i bf 、i cf 。三相电流i a 、i b 、i c 与三相基波正序电流i af 、i bf 、i cf 的差即为三相谐波及负序电流之和ia d 、i b d、i cd 。当

5、要检测谐波和无功电流之和时,只需断开图中计算i q 的通道即可,而如果只需检测无功电流,则只要对i q 进行反变换即可。i p -i q 法的最大优点在于,当电网电压发生畸变时也能准确地测出高次谐波电流和负序电流之和i ca 、i cb 、i cc 。因为,当三相电压发生畸变时,e a 、e b 、e c 中会含有谐波成分。采i p -i q 法时,由于含有谐波成分的e a 、e b 、e c 不参与计算,而只是抽取sin(t和cos(t进行计算,所以检测高次谐波和负序电流的结果不受电压波形畸变的影响,检测结果就更为精确。2Matlab/Simulink仿真结果的分析根据图1的i p -i q

6、 运算方式的原理,在Matlab/Simulink环境建立仿真模型。本仿真通过电网连接非线性负载构成谐波源,从电网中提取畸变后的电流与电压分量通过abc-to-dq0transformation模块进行坐标变换,而低通滤波器则可以滤波基于i p -i q 法的电力系统谐波检测仿真研究王璇1常晓颖1田雷2(1.洛阳理工学院;2.洛阳大唐首阳山电厂河南洛阳471003摘要:随着电网中谐波污染的日益严重,谐波与无功检测成为了提高电能质量的关键问题。本文对基于Akagi瞬时无功功率理论中i p -i q 法的谐波和无功检测进行了详细分析,并通过Matlab/Simulink对该检测方法进行仿真分析和验

7、证。通过仿真实验表明:该方法可以准确及时地检测出三相电路中的谐波和无功;同时,也表明了基于i p -i q 法理论设计的有源电力滤波器能够有效检测谐波与无功,并且能够改进电能质量。关键词 :谐波检测Simulink仿真i p -i q 法瞬时无功理论中图分类号:TM930.11;TM943文献标识码:A 文章编号:1672-3791(201106(a-0129-02图1i p -i q 法检测原理框图图3检测出的A 相谐波与无功电流之和图2C 相检算谐波和实际谐波(下转131页所示。1.1数据采集与处理模块数据采集与数据处理模块以D S P为核心,通过对ADC的控制实现模拟量转换,然后完成预定

8、的保护算法的运算,同时,在数据计算结果满足的情况下,控制开关量的输出,以实现对外部回路的实时控制。除DSP主处理器外,A/D转换芯片也是数据采集与处理模块的核心。由于系统的模拟输入量较多,而且其中的零序电流和零序电压还必须同步采样,所以采用了ADS8364芯片。它是16位的数据采集系统,内部集成6个独立的带采样保持地ADC,提供6个独立的差分输入口,每两个通道共用一个转换触发信号,三个转换信号同时触发可实现6通道同步采样,最高采样频率为250kHz,ADS8364内部集成6×16bit数据缓冲寄存器,通过向A0、A1、A2写控制字可选择直接寻址模式、循环读数、FIFO三种方式读取单次

9、模数转换的数据。我们采用控制逻辑最简单的FIFO方式,即让A0、A1、A2直接接高电平,同时,让所有的转换信号共用一个同步脉冲启动信号,这样6个通道同时工作,等所有通道都发出转换完毕中断低电平后,D S P可按逻辑分别从F I F O中读取转换数据,ADS8364芯片和DSP的电气接线如图2所示。1.2DSP与89C52数据通信由于本系统采用了D S P与单片机双CPU结构,因此他们之间的数据交换接口成为影响整个系统数据处理能力的重要环节。本系统采用了双口R A M实现高速数据通信,这种通信方式数据传输的速率很高,而且抗干扰性能较好。双端口R A M提供了两个完全独立的端口,每个端口具有自己的

10、地址线、数据线和控制线,两侧C P U都可以将双口R A M看作自己的本地存储器,独立地读写双口R A M 的任一存储单元。使用双口R A M时有一个问题需要特别注意,即当两侧C P U同时对双口R A M的同一个单元进行操作时,有可能出现争用冲突。通常,解决争用冲突的方案有四种:硬件仲裁方案、中断方案、令牌传递方案和软件仲裁方案。前三种方案必须有器件内部相应的硬件功能的支持,而软件仲裁方案适用于任何双口R A M器件。在具体实现时,为了尽可能减少双方读写冲突,将双口R A M空间分为低地址区和高地址区两部分,规定低地址区空间用于单片机写入和DSP读出,高地址区空间用于D S P写入和单片机读

11、出。1.3DeviceNet通信接口本文利用D S P内部集成的C A N控制器,提供了DeviceNet通信接口。为提高通信通道的抗干扰能力和可靠性,C A N收发器和C A N控制器之间加有双通道的高速光耦6N137,以实现装置和DeviceNet总线之间的电气隔离。CAN收发器选用Philips公司生产的具有多种保护的差动驱动器PCA82C250,并使其工作于高速工作方式。利用本系统的DeviceNet通信接口可与上位机组成网络监控系统,实现无人化管理。1.4软件设计整个系统需要完成保护、测量、通信、故障记忆、自诊断和人机交互等众多功能,这就需要合理设计软件,科学安排程序流程。系统所有软

12、件均采用C语言编写,采用模块化编程技术,整个程序具有结构清晰、可移植性强和升级容易等特点。DSP主程序主要完成初始化、保护器自检、扫描断路器状态、电力参数计算、各种故障的判断、处理以及与单片机通信进行数据交换等操作。其中,初始化部分主要完成装置内各个模块的初始化(包括DSP本身初始化、A D C模块初始化、捕获单元初始化、S C I模块初始化以及保护器系统参数、保护参数和故障记忆值的初始化和将保护器的初始化数据(系统参数、保护参数及故障记忆值经双口R A M通信发送给单片机等操作。三相电流、电压值和零序电流、电压值的采样在D S P的定时中断子程序中完成。有关DeviceNet通信的数据的接收

13、、发送都在DSP的通信接收、发送中断子程序中完成。单片机主程序流程主要完成液晶显示和按键的识别与处理,采用全汉化液晶显示,通过按键可以随时查询或设置保护器的系统参数、保护参数和时钟参数等信息。D S P经双口R A M通信发送给单片机的数据有:初始化数据、测量数据、故障信息(包括故障类型、故障发生时间以及故障发生时的电流、电压值等。其中初始化数据单片机以查询方式接收,而测量数据和故障信息单片机以中断方式接收。2结语本系统采用基于DSP和单片机的双CPU结构作为硬件平台,充分利用了两种CPU的各自特点,软件采用模块化编程技术,可移植性强、升级容易。本系统集保护、测量、控制和通信等多种功能于一体,

14、具有较高的稳定性和实时性,并成功将DeviceNet总线应用于现场数据通信,对提高电力保护系统的网络化、智能化、自动化水平具有重要意义。参考文献1余永权.A T M E L89系列单片及应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,20022刘和平.T M S320L F2407x D S P C语言开发应用M.北京:北京航空航天大学出版社,20033陈文会,张元丰,徐荣英.基于MSP430F149的电力保护系统的实现J.现代电子技术,2002,9:6265.4朱国庆,付梦印.基于D S P和单片机的双CPU数据处理系统J.计算机工程与应用,2005,21:113115.得到直流分量,从而可以通过

15、与全波的比较及dq0-to-abctransformation反变换模块得到谐波分量。而本实验中的模块也可以根据需要直接对iq进行反变换即可达到无功电流分量。基于Akagi瞬时无功功率理论的ip -iq变换的电流矢量检算法适用于三相三线制电路和三相四线制电路。i p -iq法得到的仿真结果如图2、图3所示。图2为C相检算谐波和实际谐波的比较,可以看出检算谐波与给定谐波很好的重合在一起。图3为检算出的A相谐波与无功电流之和。由仿真结果可以看出,在此情况下可以准确检算出谐波和无功电流。可以得出,在三相电压对称、无高次谐波的情况下ip-iq方法适用。由图可以看出ip-iq法得到的仿真结果以下特点:当三相电压畸变时,ea、eb、ec含有谐波分量,这些谐波分量与ia、ib、ic中同频率的谐波分量相互作用所得到的瞬