一种多波谐波检测方法的研究

一种多波谐波检测方法的研究

0基于fps的谐波检测算法随着能源电子技术的快速发展，各种互联能源装置在能源系统中得到广泛应用，导致无序噪声污染和功能增加。有源电力滤波器(APF)作为治理谐波的一个重要手段也越来越受到重视,而APF的补偿性能与谐波检测的精度直接相关。谐波检测伴随着电力系统发展的全过程,诞生了频域理论和时域理论,形成了多种检测方法,如基于傅立叶分析的FFT检测法、基于Fryze时域分析的广义无功电流分离法、基于自适应干扰对消原理的自适应检测法和瞬时无功功率理论检测法。文献在传统FFT谐波检测法的基础上,提出一种基于两根谱线的加权平均来修正幅值的双峰谱线修正算法,利用距谐波频点最近的两根离散频谱幅值估计出待求谐波的幅值,同时利用多项式逼近方法获得了频率和幅值修正的计算公式。该方法能在一定程度上降低泄露和噪声干扰,提高谐波分析的准确性,但FFT谐波检测法的一些固有缺陷并没有得到改善,如具有较长的时间延迟,实时性差,不能分开有功电流和无功电流等。文献提出一种基于Fryze功率理论的三相系统广义无功实时检测方法,采用动态系数法,能在一定条件下改善传统Fryze检测法至少需要一个周期延时的不足,但该方法存在各种工况下延时不确定的缺点,且在系统不平衡电压无畸变而电流畸变时过渡过程仍需一个周期。文献提出的变步长自适应算法在保持了自适应算法原有鲁棒性强的优点,并在保证检测精度的前提下提高了动态响应速度,但该方法计算复杂,同时也不能对有功和无功进行分离。基于瞬时无功功率理论的谐波检测法是目前应用最为广泛的方法,其具体实现方法有p-q法和ip-iq法两种。在系统电压无畸变的情况下,两种方法都能准确的检测出系统电流中的谐波和基波的有功及无功电流,但在系统电压畸变的情况下,只有ip-iq法能检测出系统电流的谐波,但并不能分离出基波中的有功及无功电流。这两种方法在文献中都有比较详细的研究,在传统方法上做了一些改进,但都只是在提高检测的精度上做了努力,并没有解决在任何工况下都准确检测出谐波和基波的有功及无功电流的问题。本文在两种方法的基础上提出一种无锁相环ip-iq法检测系统正序电压,然后再利用p-q法检测出系统电流中谐波和基波的有功及无功的新方法。该方法能在系统电压电流都畸变的情况下准确检测出系统电流中的谐波和基波的有功及无功,且实现过程无需锁相环,只需基本的数学代数运算,实现过程简单,具有很强的实用性。1电压波形无畸变时,以油气价为基波电压特性分析,其产生的电流有p-q运算式检测框图如图1所示,该方法根据瞬时无功功率定义算出p、q,经低通滤波器LPF得p、q的直流分量。电网电压波形无畸变时,为基波有功电流与电压作用产生,为基波无功电流与电压作用产生。于是,由即可计算出被检测电流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf,有:图1中,该方法能在电压无畸变的情况下分离出谐波和基波有功无功电流,但在电压畸变的情况下存在较大的误差。2ip-iq检测法及其锁相环的实现2.1基于lpf滤波、进路、出ip、igf、及icf的方法,把所有ip-iq谐波检测法的原理图2所示,该方法中,需要用到与a相电网电压ea同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt,它们由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算出ip、iq,经LPF滤波得出ip、iq的直流分量是由iaf、ibf、icf产生的,因此由即可计算出iaf、ibf、icf,进而计算出iah、ibh、ich。该方法能在电网电压无畸变的情况下分离出谐波和基波有功无功电流;在电压畸变的情况下也能检测出谐波和基波,但不能分离基波中的有功和无功。2.2电压电流的初始频率c从图2可知,ip-iq法需要通过锁相环来获得变换矩阵C中的ω,但锁相环会增加电路板的面积和调试设计时间,且由锁相环获得初始相角和基频会受输入信号的影响。根据ip-iq谐波检测法的特点可以发现,通过锁相环来获得变换矩阵C中的ω是多余的,我们可以通过预设频率ω0来替代ω,从而达到简化电路的和节约调试时间的目的。在实际电力系统中,电压电流的基波频率都是固定的,以我国的电力系统为例,其电压电流的基波频率为50Hz,经过APF补偿后也希望得到50Hz的电流,因此可以预设矩阵C中的ω为ω0=2πf=314。设在三相三线制系统中,系统电流瞬时值ia、ib、ic为:式中in+、in-分别为n次谐波电流的正序、负序和零序分量的幅值;φn+、φn-分别为正序、负序和零序的初始相位;ω为基波频率。则可以由图2运算得到ip、iq如下:由于电网频率偏差很小,ω和ω0之间的偏差一般不超过0.5Hz,而低通滤波器并不是完全只通过直流,一般都设定某一较底的截止频率,例如10Hz,频率高于截止频率的交流信号都被滤除。所以图2中经低通滤波后的为:反变换得到基波电流:由此可见,通过预设变换矩阵C中的ω为电网额定频率ω0,同样可以准确检测出谐波电流。3ip-icp法的原理在第1、2节的基础上,综合p-q法和ip-iq法的优点,本文提出一种能在电压畸变的情况下仍能准确检测出系统谐波及基波有功和无功的新检测算法,其算法原理图如图3所示。三相系统电压ea、eb、ec经过无锁相环ip-iq法运算后得到与系统基波电压对应α-β坐标系的分量eα0和eβ0,去替代普通p-q法中只经过C32变换得到eα和eβ,然后按p-q法的规律计算出系统电流ia、ib、ic中的基波iaf、ibf、icf,进而得到谐波iah、ibh、ich。如果需要检测出基波有功则将图3中断开,即用0代替,则所得iaf、ibf、icf即为基波有功电流,同理将图3中断开,即用0代替,则所得iaf、ibf、icf即为基波无功电流。4无锁相环正序谐波电压仿真为了验证理论分析的正确性,用matlab7.0/simulink对上述方法进行建模分析。在额定频率为50Hz的三相三线制系统中,系统电压含有幅值为220V的基波正序、幅值为110V的基波负序和50V的三次正序谐波,负载为一个带电感性负载(R=100Ω,L=20mH)的三相二极管整流桥,其系统电压电流波形如图4所示。变换矩阵C中的ω0设定为49Hz,低通滤波器的截止频率为5Hz,仿真结果如图5所示。由图5(a)可知,检测出的基波电压与期望值一致,即无锁相环ipiq法能准确检测出畸变电压中的基波。由图5(b)可知,新方法检测出的电流基波有功分量与基波电压相位一致,为纯有功电流,证明所提出的新方法的准确性;而传统ip-iq检测的基波有功电流(图5(c))不但相位上与基波电压相位不一致,幅值也与实际值存在偏差。5基于ip-icp-q的谐波检测法本文总结了应用广泛的几种谐波检测方法存在的缺陷,介绍了基于瞬时无功功率理论的两中谐波检测方法(即p-q法和ip-iq法)。在p-q法和ip-iq法的基础上提出一种新的谐波检测法,即通过预定ip-iq法中变换矩阵