基于瞬时无功功率理论的谐波电流并行检测算法

基于瞬时无功功率理论的谐波电流并行检测算法

为了更准确、快速检测中国的高科技研究和开发项目（2008aa052421），提出了几种检测方法。自适应谐波电流检测方法具有自适应跟踪检测能力,但存在动态响应慢等缺点。基于神经网络的谐波检测方法和基于小波分析的谐波检测方法是目前发展较快并具有潜力的新型谐波检测方法,已在有源电力滤波器中获得了成功应用,但大部分还处于实验研究阶段。基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法具有硬件结构简单、实时性好、延时小和既能治理谐波又能补偿无功功率的特点。但是传统的ip-iq法,仅检测基波分量,谐波分量通过电流的减法运算获得,可能导致高次谐波检测精度较差,使得有源滤波器的高次谐波电流补偿效果不佳,甚至造成高次谐波的放大。本文采用基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法,分别检测各次高次谐波电流,并在变换矩阵C-1中加入预测补偿角,由此产生指令电流信号,可以有效滤除电网电流中的谐波,同时避免高次谐波检测误差造成的高次谐波放大现象,并通过仿真实例与实验进行了对比验证。1转换电路基波分量的检测瞬时无功功率理论首先在有源电力滤波器谐波检测方面获得了成功的应用。在三相电路谐波检测中,首先把检测到的三相信号变换到互相垂直的α-β坐标系中,得到互相垂直的两相信号式中ia、ib、ic——分别为三相电路各相瞬时电流;iα、iβ——分别为转换后α-β坐标系中的瞬时电流。按ip、iq运算方式可得转换系数C=C32Cωt,且当电网电压对称无畸变时有式中n=3k+1时取上面的符号,n=3k-1时取下面的符号,k为零和正整数。ip、iq经低通滤波器(LPF)滤波后得式中ipf、iqf——分别为瞬时有功电流和瞬时无功电流的基波分量;I1——基波电流的有效值。将式(4)求逆变化可得式中C-1——C的逆矩阵;iaf、ibf、icf——分别为被检测电流ia、ib、ic的基波分量。将检测到的三相电流信号减去基波电流信号便得谐波电流信号。2中性点两相谐波通道的计算基于传统瞬时无功功率理论的谐波电流检测算法,除了之前分析所述及的缺陷外,并且该算法中的控制器存在延迟时间,它会引起谐波检测误差,使得补偿效果变差。因此,本文提出了基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法,为了叙述方便,以5、7、11次谐波为例,来说明基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法,该算法的原理如图1所示。算法步骤如下。(1)通过PLL电路获得A相电网电压ea的相位ωt,产生对应的正弦信号和余弦信号,得到变换矩阵C5、C7、C11(2)根据预测延迟时间ΔT计算各次谐波通道的预测补偿角Δθ5、Δθ7、Δθ11,得到变换矩阵C5Δθ、C7Δθ、C11Δθ其中Δθ5=5ωΔt,Δθ7=7ωΔT,Δθ11=11ωΔT(3)将三相电流ia、ib、ic经3/2变换,得到静止α-β两相坐标系的电流。(4)将两相电流iα、iβ经Clark变换,得到各次谐波的有功分量ip5、ip7、ip11和无功分量iq5、iq7、iq11。(5)将有功分量ip5、ip7、ip11和无功分量iq5、iq7、iq11经LPF得到其直流分量,再经变换矩阵C5Δθ、C7Δθ、C11Δθ得到静止α-β两相坐标系下的各次谐波电流iα5、iβ5、iα7、iβ7、iα11、iβ11。(6)将静止α-β两相坐标系下的各次谐波电流相加,得到α-β坐标系下的指令电流iαC、iβC。(7)如果系统有需要,可以将α-β坐标系下的指令电流iαC、iβC经2/3变换,最终得到三相指令电流iaC、ibC、icC。上述方法能够并行地检测各次谐波电流,提高谐波电流的检测精度,这是有源电力滤波器能够正常工作的关键因素。3两种检测算法比较为了验证基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法的有效性,本文应用Matlab仿真软件,对算法进行了仿真验证。仿真参数如下,电源电压为如式(8)所示在Matlab仿真中,分别采用传统的ip-iq法和基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法对负载电流的谐波分量进行了检测,将理论计算得到的参考谐波电流与两种算法的检测结果分别相减,就可以比较出两种检测算法的检测误差。图2示出了两种检测方法在整段仿真时间内的检测误差。图3和图4分别示出了两种检测算法的稳态检测精度和动态响应速度的仿真波形图。由图2可以看出,在整段仿真时间内,基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法的检测精度均明显优于传统的ip-iq法。由图3可以看出,在5、7、11次谐波的峰值分别为200A、143A、91A的条件下,采用传统的ip-iq法的平均检测误差约为20A,为采用基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法谐波检测的平均误差不到10A,可见基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法的稳态检测精度明显优于传统的ip-iq法。由图4可以看出,当检测电流在0.3s处突然增大1倍时,采用传统的ip-iq法大约需要4个工频周期(80ms)的延迟后才能正确检测谐波电流,而采用基于推广ip-iq法的谐波并行检测算法时,仅需2个工频周期(40ms),动态响应速度明显比传统的ip-iq法的动态响应速度快。4基于实验结果的分析本文设计了一台并联电抗式混合有源电力滤波装置(PITHAPF),电网相电压为220V,三相四线制,基波频率为50Hz,负载采用三个单相整流桥带阻感性负载,其中电阻为5Ω,电感为10mH。该装置的电路结构原理如图5所示。为了验证本文所提出基于推广ip-iq法谐波电流并行检测算法的可行性,对如图5所示的实验装置采用了基于推广ip-iq法谐波电流并行检测算法来检测谐波算法,所得实验结果如下。图6和图7分别是补偿前和补偿后的电网侧电压波形、电流波形和网侧电流总畸变率。从图6可以清晰的看出,由于非线性负载的存在,网侧电流存在波形畸变并且电流总畸变率比较大达到了25.0%,其中存在5、7、11和13次谐波;利用本文提出的基于推广ip-iq法谐波电流并行检测算法来检测谐波电流,从图7可以看出电网电流波形在补偿后已经为正弦波形,并电流总畸变率明显下降至4.3%,其中5、7、11和13次谐波几乎不存在。经过对比可以看出,本文提出的基于推广ip-iq法谐波电流并行检测算法检测精度高,稳态误差小,具有很好的应用价值。5谐波并行精准法本文以瞬时无功功率理论为基础,提出了基于推广ip-iq法谐波电流并行检测算法。该算法首先通过锁相环电路获得电网电压相位并得到并行检测的各次谐波的变换矩阵;其次根据预测延迟时间计算各次谐波通道的预测补偿角;最后根据瞬时无功功率理论并行检测谐波电