一种新的谐波电流检测方法

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第 3 4卷第 1期 20 0 8年 1月

高

电

压

技

术

Vo. 4 1 3 N O 1 .

Hi h Vo t ge En i e rn g la g n e i g

J n a.

20 8 0

一

种新的谐波电流检测方法荣飞，罗安，范卿

(南大学电气与信息工程学院，沙 4 0 8 )湖长 1 0 2摘要：有源电力滤波器要求能够实时、确地检测出电网中实时变化的谐波电流。针对现阶段对电网谐波电流准

检测方法中普遍存在的时延、计算量大等不足，出了一种基于瞬时无功功率理论的改进一换法。该方法的提变特点为：去了传统 i i换中三相到两相的变换及其反变换，计算过程大大简化；用单相电压构造同步旋转省 p -变使利

角，管在三相对称系统还是不对称系统中都能有效检测出电网谐波电流；需要锁相环电路就可以获得得同步不不旋转角，除了传统 i i换过程中锁相环带来的影响。仿真与实验结果表明，算法能有效提高系统的实时性、消 p -变该目标跟随能力，适合于有源电力滤波器的工程应用。更 关键词：谐波检测；瞬时无功功率；i一 i换；同步旋转角；有源电力滤波器；锁相环 变中图分类号： TM7 1 1文献标志码： A文章编号： 0 36 2 ( 0 8 0 - 1 80 1 0—5 0 2 0 ) 10 3— 4

No e a m o i r e t c i g Al o ih v lH r n c Cu r ntDe e tn g r t mRONG i Fe,LUO An,F AN n Qig( h olo e tia nd I f r a i n Eng n e i g,H u n Uni e st Cha Sc o fEl c rc la n o m to i e rn na v r iy, ngs a 4 0 2,Ch na h 1 08 i )Abtat sr c:Re l i n c u aerfr n ec re tsg a svtlf ra t ep we i e ( a tmea da c rt ee e c u rn in li i o ci o rfl r APF) S a lto to a v t . oI o fmeh dfrh r o a mon c c r nt

de e tn a e op e o i pr vet e f r a c c ie p i ur e t ci g h vebe n pr os d t m o he p r o m n eofa tv owe it r To a oi o e rfle . v ds m s ora s h t ge whih e i ti h r o c c r ntde e tn e ho w,s c s tm edea c x s n t e ha m ni ur e t ci g m t dsno u h a i ly,lr e c pu a i a g om t ton,a O nd S o n,a m pr ve p i g ih a e ns a a e s r aci e p ni o d i-qalort m b s d on i t nt n ou e tv ow e he y i e e t d. A tfr t hi l ort m r t or s pr s n e is,t s a g ih c i pl i rt om pu a i y om itn he p oc s ha i g b t e hr e p s n wo p s . A ts c d, an sm i e he c f t ton b ti g t r e sofc ng n e we n t e ha e a d t ha e e on t salort m a t c he h r o c c r e f e tvey n y und rt e b l n d p hi g ih c n de e tt a m ni u r ntef c i l otonl e h a a ce owe yse,b lo un r r s tm utas de

t e u b l n e o rs s e t o h n aa c d p we y t m o .Atl s,t i ag r h c n o t i h y c r n u o a y a g e u e n t e i-q a t h s l o i m a b an t e s n h o o sr t r n l s d i h p i t ta f m a i n ag ihm i he sn e p s olag r nsor to lort by usng t igl ha ev t e,S lm i t s t n l e e b o htby t i e d l y o O e i na e hei fu nc r ug he tm e a f PII whe i r dto li - ta f r ato l ihm . Si u a i

nd e n usng t a ii na p i r ns o m in agort m l ton a xpe i e e uls v lda e t a h p o— rm ntr s t a i t h t t e r p e ag ih a nha c n os d l ort m c n e n e otonl h r a tm e e p y t e e l i r s ons c i p ' ofa tve owe it r, bu l o t ur e ta ki e r fle t a s is c r nt r c ng efc fe t,a d s ist h PF’ ng n e i g a lc ton m or . n u t o t e A Se i e rn pp ia i eKe r s: h r y wo d a moni t c i cde e tng;i t t ne nsan a ous r a tve p e c i ow e he r rt o y;i-q tan f m a i p i r s or ton; s nc o us r a y a y hr no ot r n—

g e ci e p we i e;p a e lc o p l;a t o rf t r h s o k lo v l

0引言

电流瞬时值中直接分离出谐波分量，来越显示出越其优越性， p但 q变换法和 i-变换法都是基于瞬 i p

有源电力滤波器 ( F是一种向电网注入与电 AP )网谐波电流大小相等方向相反的谐波电流，而实从现滤波目的的装置。为了提高有源电力滤波器的工作性能，电网谐波电流的快速、对准确检测显得至关重要。

时无功功率理论提出的，变换过程中的三相到两其相及其反变换都是为了求得无功功率值，这在谐波检测中并不需要。此外传统的 p q变换法和 i一变 i 换法都需要锁相环 ( L获取同步旋转角，可避 PI )不免地带来延时误差；年来随着人工智能技术的发近

目前，用于 AP应 F的谐波电流检测方法主要有傅立叶变换法 。和基于瞬时无功功率理论的 p q变换法、p i i变换法。以及一些智能检测方法] -。 。

展，出现的智能检测方法毫无疑问可以提高检测精度，其实现必须通过一系列复杂的计算过程，算但计量巨大，以在工程应用中实现。为此，文提出了难

本一

傅立叶变换法基于对周期数据的分析，计算量大，不适宜于快速实时控制； q变换法和 i一变换法能从 p i

种基于瞬时无功功率理论的改进 i-变换法， pi。以

快速、准确地检测出电流谐波分量。1瞬时无功功率理论基础

基金资助项目：国家自然科学基金 ( 0 7 0 1;家 8 3计划 6444)国 6项目 (0 4 2 0 AA0 1 3。 0 0 2) Prjc S p o td b to lNa u a S in e oe t u p re y Naina t rl ce c Fo nd to f u ain oCh n ( 0 7 0 1 ( 0 4 i a 6 4 4 4 ), 2 0 AA0 0 2 . 01 3 )

三相电流 i、、瞬时无功功率变换可得： i经

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L『 一o『 m s卜 ]。

J—CS￡ i儿。 2一/j l L O )一s O n 2 1c j

l(,1 )

低通滤波器后，可获得其直流分量即和：一

<

‘ 2 2 c√/。

o。

\ ( u/ 8)

其中，为同步旋转角，由锁相环电路捕获，叫t经能实时跟踪电网电压基波频率的变化；。 i分别是经变 i、换后得到的有功和无功电流。这种变换将三相电流

l一一 (g 2 1O 1 ,/ ) S / C由式 ( )以看出， 8可在与中包含了基波电流的幅

值和相位信息，而不包含其他各次谐波信息，因此容易求得基波电流的瞬时值。:1一

投影到与叫t同频率旋转的坐标系下，由于叫t时实跟踪电网基波频率的变化，因而使得三相电流的基波分量在该坐标系下保持相对静止从而变为直流

-

√ Ic s￣t 9 )一 2 1o (+ 1

2√ O 1Owt2} 2 1i n 2一 (2 1 S S _ n s wt ) C C/ -√ s 1i/2 1 C S) (。 O a t— l sn ) p i wt。 q () 9

量。谐波分量在该坐标系下仍然为交流正弦量即：

群其中，、 i i电流基波分量经 d 为 q变换后得到的直流分量；、 ~ l i p q为谐波分量经 d q变换后得到的交流

令 C一 ( c s一2 iot, 2 2 o￣t s J )则式 ( ): n 9为r 1

i一C J 1 2。 l

(o 1)

通过式 ( 0求得基波电流后，从总电流中减 1)再去基波电流就可以得到瞬时谐波电流。这种变换省

正弦量。将 i、通过一个高通滤波器可以得到其 i交流分量 ( 2 3程实际中一般采用低通滤波器获得直流分量，然后再从总电流中减去直流分量获得其交流分量 )然后采用 p/ b反变换就可以得到负载， qa c

去了三相到二相的变换，大大降低了计算的复杂度。3同步变换角的获取

由式 ( ) ( 0可见， 7、1)该变换的核心是要获取与

电流的各次谐波分量。由于 i i在瞬时无功功率 p -是理论的基础上发展起来的，瞬时无功功率理中三而相向二相 ( b/ q的变换是为了方便计算瞬时有功 a cp )

电网电压同频的旋转角叫t传统做法是采用锁相环，电路捕获，不可避免地会带来延时影响。故本文这直接利用单相电压构造同步旋转角，式 ( )示，如 3所 将 P过一个微分器得到 P一A叫 i叫t令：经 sn,一

功率和瞬时无功功率值而设计的。在用 i i法检测 p -瞬时谐波电流的时候，由于并不需要获取有功电流

和无功电流的确切值，此 i-算法中的三相至两因 pi 相的坐标变换及其反变换也就显得多余。2改进 i-变换法 p i

[ 4 co,… ] As] 一 ot c( 2) 1

式中，以 3 4是为了使 U、幅值保持大致相 e除 1 U的等，以减小误差。设：

设单相瞬时电压和单相瞬时电流分别为：P— A c s o￣t, ( 3)

CS一‰/￣“+‰ O 0/:,

s 一/￣:; i0 n/+““结合式 ( 1可见， (2中的 0一与叫t同步的旋 1)式 1)为转角。将式 (2代入 c、。中得： 1)。c式

i一∑

cs￣+。 o( t ) k

() 4

定义三相坐标系下瞬时有、功电流分别为：无io￣ cs otI

妻 (( ) c( O㈣ s+一1

鳓一

㈦

同样， (3中 i、也可以表示为一个直流量式 1) i

j c

仇 O一叫+ S (妻 ( (州呦￡一

l

=1

, ( 5 ) )一

和一个交流量之和，中直流量是由负载电流的基其波分量变换而来，流量则是由负载电流的各次谐交波分量变换而来。从 i、分离出直流分量后，过 i 经反变换即可得基波电流：

【 s (志 ) t ) i (一1c+ ) n o式中，、已无原有有、 ii 无功电流的含义。令：

C 1一 j.则式 () 5可以写为：

L lc J s not_

1,

() 6

[ 。 2 a。 U 4仿真分析

]

整个检测原理图见图 1。需要说明，过一定通运算还能检测特定次谐波分量以满足不同需要。

c

() 7

将式 () 5得到的瞬时有功和瞬时无功电流通过

为了验证所提出方法的正确性和有效性，文本

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Vo1 3 . . 4 No 1

谐振支路输出滤波器图 1检测原理图Fi.1 Dig a o e e tn he r g a r m fd t ci g t o y

图 3 AP F电路结构图Fi. Cic tsr cur fAPF g3 r ui t u t e o

、

5 00

j型

坚一

05 0 0

《~罂 1 审 ()统f i换法控制后的 b传 pq—变 5母线电流 5O O O

、

5 00

j型

坚.

05 00

()文检测算法控制后的母线电流 c本~ 5 0 0

j型

鉴一

050 0

()文检测算法控制后的注入支路电流 d本

0

0 0l .

0 02 .

0 03 . t| S

0. 4 0

0 05 .

0. 6 0

图 2电源电压对称时检测波形图 Fi . De e tn v f r s o a a c d v lag g2 t c i g wa e o m f b l n e o t e

图 4负载电流、线电流和注入支路电流波形图母Fi 4 Cu r n v f r so o d,s u c g. r e twa e o m fl a ore

利用 Malb . t 6 5进行了仿真分析，与传统的 i i a并 p -变换法进行了比较。仿真参数如下：电源电压 5 OHz8 3 0V 0,。

容量 6k VA,传输线电阻为 0 1Q, .电感为 0 1mH;载为 1电阻并带一个 1 0Hz 0 .负 OQ 0 l

a dijcigc r e t n netn u rn

振支路和注入支路组成。实验参数如下：网线电电压 3 0V,波源为整流桥带阻感性负载。实验中 8谐测得到的电流波形见图 4从上至下依次为 a相负，

A 0的电流源。仿真结果见图 2其中，、、。 。, 分别为负载电流、统的 i i变换法检测的谐波电流传 p -和本文方法检测的谐波电流，单位为 A。 从仿真波形可以看出，用传统的一变换法采 。和本文所提出的检测方法都有较好的检测精度，检测误差均< 3,足工程实际要求；本文检测方 满但法的响应速度要快得多，只需 2个周波即可以稳定， 而传统的 i i变换法则需要 5多周波。 p -个5实验结果

载电流波形、用传统 i i变换法控制后的母线电采 p。 -流波形、用本文检测算法控制后的母线电流波形采

和采用本文检测算法控制后的注入支路电流波形。

从图中可以看出，用本文检测算法控制后的母线采电流波形平滑，并优于传统的一检测算法，凸现了本文提出的谐波电流检测方法的有效性。6结语

针对工程实际中大功率有源电力滤波器对谐波

电流参考信号实时性、准确性的综合要求，出了一提种改进 i i变换法，省去了传统 i i变换中三相到 p - p -两相的变换及其反变换，使计算过程大大简化。此外，了克服 i i变换过程中锁相环带来的影响，为 p -本

根据所提出的检测方法，文研制了一台有源本

电力滤波器实验样机，电路结构见图 3由电压型逆，

变器 ( I、出.波器、合变压器、波串联谐 VS )输’滤耦基

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文直接利用电压构造同步旋转角；一步分析还发进现，如果在检测过程中对式 ( 2的进行适当的变 1)换，可以检测出特定次谐波，还从而大大增强系统应

trep aec c i[] Hih Votg n ier g 0 5 1

he—hs i ut J . g l e E gnei,2 0,3 r s a n( ) 3:4— 6 44 .

[O 1]周林，元兴，甘雷

鹏， .于瞬时无功功率理论的谐波检等基

测新方法[]高电压技术，0 5 3 ( O:77 . J. 2 0,1 1 ) 6—0ZHoU n,GAN a - ig,LEIPe g,e 1 No e a mo is Ii Yu n x n n ta . v lh r n c d t c ig me h d a e n t ei s a t n o sr a tv o rt e r e e tn t o sb s d o h t n a e u e c ie p we h o y n

用的灵活性。仿真分析和试验结果验证了所提出方法的有效性。参考文献E]王兆安， 1杨君，进军.波抑制和无功功率补偿[]刘谐 M .北京：

[] J.Hi otg n ier g 0 5 3 (0: 77 . g V l eE gnei,20, 1 1 ) 6—0 h a nr1 1]Ka i ,Kai— a tma ,Ia a iM ,e 1 An a rmiH rmi gh re niM rv n R ta .—d p i e f t rf r s n h o o s e t a t n o a mo is a i— a tv i e o y c r n u x r c i f h r n c nd d s l o

tri sJ.I E a s nP ot n r] E ETrn WRD,20,1 ( ) 3 01 5 . o o 0 3 84:1 5—3 6

机械工业出版社， 9 8 19.

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sa tn o srat ep we hoy J .HihVotg n ier tna eu eci o rter r] v g l e gn

e— a Ei g,2 0 n 0 6,3 2) 2(:9— 01 81 .

teat e o r ie i recp ct[] h ci we l rw t l g aai - .HihVotg — vp ft ha yJ g l e a Eng n e i g,2 0 i e rn 0 6,3 2) 2(:7— 5 07 .

[3 1]李

辉，亦斌，云屏， .种新的变步长自适应谐波检测李邹等一

- I]张一斌，向阳， 3夏蔡

灏 .于 P I线的有源滤波器控制电路基 C总

算法[]电力系统自动化，0 5 2 ( ) 6—3 J. 2 0,9 2:97 .I t Yi i, O Yu - ig ta.A n v l d p i a— Hu,I— n Z U npn,e 1 o e a a t eh r I I b v

_]高电压技术，0 63 ( )8—0 J. 20,2 5:79 .ZHANG— i Yib n,XI Xi n— n A a g ya g,CAI H a . Ac i e p we i~ o tv o rf l

m ncdtciga oi m bsdo ai lse-z MS J.Au o i eet l r h ae nvr be tps eI[] n g t a i .—t ma in o l crcPo r S s e,2 0 o to f E e ti we y tm 0 5,2 (:6— 3 9 2) 9 7 .

tr c n r lc c i b sd o CIb s J . Hih Votg n i e o to i u t a e n P u[] r g la e E g~nei e rn,2 6 00,3 5) 2(:8 - 0 79 .

[4 1]李圣清，玉楼，友庆 .种改进型自适应谐波电流检测方法彭周一的研究[]高电压技术，0 2 2 ( 2:-. J. 2 0,8 1 ) 35II S e g q n h n— i g,PENG—o Yu l u,ZHOU You q n . S u y o n— ig td na

E]S b si reh z Al e fr 4 6at nMai o, f dCRue.Op nlo n lsdlo e t r e pa dc e p o o o

seta feu nyat eftr g J.I E rn nP 2 0, p crlrq e c ci l i[] E E T a s E, 0 2 v ie n o1 ( ):5 4 5 3 7 4 6—7 .

i r v d

a a t e amo i u rn d tcig me h d[] mpo e d p i h r nc re t ee t t o J . v c nHi h Vo t g g n e i g,2 0 g la e En i e rn 0 2,2 1 ):3 5 8( 2 -.

[]蒋剑波，贤兴，德明. F和小波变换在电力系统谐波检测 5刘王 F T中的应用 E]高电压技术，0 5 3 ( 1:58 . J. 2 0, 1 1 )8—7JANG in b, LI Xin xn, WANG Demig Ap l ain f I Ja— o U a—ig - n. pi t o c oF FT n v lt ta so m o me s r me t o a mo is i o r a d wa ee r n f r t a u e n fh r n c n p we

[]夏 1 5

雪，周林，蕴杰 .波变换在三相不对称系统谐波检测万小

中的应用[]高电压技术，0 7 3 ( ) 19 12 J. 2 0,3 3:0—1 .X A Xu, H I e Z OU i,WAN u -i, ta Ham ncmes r— In Y nj e 1 e . roi au eme to h e - h s s mme rc ls s e b s d o v lt ta s n ft rep a ea y t ia y t m a e n wa e e r n—

ss mE] yt J.Hi otg n ier g 2 0, 1 1 ) 8—7 e g V l e gnei, 0 5 3 ( 1: 58 . h a E n E]李圣清， 6朱英浩，有庆 .网谐波检测方法的综述 E]高电压周电 J.技术，0 4 3 ( ) 3—2 2 0,3 3:94 .IISh n - i g,ZHU n - o,ZHOU e g q n Yi g ha You q n,e 1 Th - ig ta. e。

fr J.HihVo aeE gneig 0 7 3 ( ) 0— 1. omE] g l g nier,20, 3 3:1'12 t n 9

[ 6曾酷昭， 1]文卉，耀南 .种高精度的电力系统谐波智能分析王一方法[]中国电机工程学报，0 6 2 (0:32 . J. 2 0,6 1 ) 2—7ZENG e z a Zh— h o, W EN H u,W ANG o n n An a p oa h i Ya— a . p r c wih h g c u a y f ri t l g n n l ss o

o rs s e h r t i h a c r c o n e l e ta ay i fp we y t m a— i

o e i w fd t c i g m e h d o a mo i n p we y t m p v r v e o e e tn t o s f r h r n c i o r s s e

[] J .HihVotg n ier g 0 4 3 3: 94 . g l eE gn ei,2 0,3 ( ) 3—2 a nE]邹江锋，涤尘，子求， .于 F T算法的分次谐波测量与 7刘谭等基 F分析 E]高电压技术，0 3 2 ( )2—1 J. 2 0,9 9:93 .Z OU in—e g,I Ja g fn AU—h n,TAN— i Die e Ziqu,e 1 ta.Thea ay i n lss

mo isJ .P o edn so h S E,2 0, 2 1 ) 32 . nc[] rce ig f eC E t 0 6 2 (0:2—7 荣飞 1 7一，,士生， 98男博主要从事电力系统无功功率补偿及谐波抑制方面的研究。电话： 03 ) ( 7 188 3 6 E— i: f h n 2 9 4; ma l r u u@ 1 6. 2—

admes rme t f o r y tm s bh r ncJ.HihV l— n au e n we se u— amo j] op s[ g ota e En i e rn g g n e i g,2 0 0 3,2 ( ):2— 1 9 9 93 .

[]B atc ay,Dv nD.S n ho o sf mebsdc nrl r 8 h t h raS ia a y c rn u l ae o t l a oe i lme tt nfrah b i sr sat eftr ytm1￣ r— mpe nai y r ei ci ie se - .P o o o d e v l s Cc e ig f19 E E I n u l e d n s o 9 5 I E/ AS a n a Me t g ei .Ora d,US n ln o A,19 9 5:2 3— 4 51 25 0.

co r n

罗

安

15一，,士，授，导， 97男博教博主要从事电气工程和控制科学与

工程方面的教学和科研工作。电话： 0 3 )8 2 7 0 E ma: ( 7 1 8 3 0;— i la—u n lo@ hn . o u cr n

E]郝江涛， 9刘

念，晋渝， .相及三相电路谐波和无功电

流的幸等单

检测研究[]高电压技术，0 5 3 () 4—6 J. 2 0,1 3:44 .H A( in -a )Ja gt o,I U a 1 Nin,X1 NG i— u, e 1 S u y on t e Jn y ta. t d hd t c l n f rha mon c ai e c i e c r e t fs n l— h s n ee t o r o i r r a tv u r n s o i g e p a e a d d

稿日期

2 0—50 0 70—9

编辑

任

明

(接第 7上 2页 )[ 1]黄成军，惟镛 .基于小波分解的自适应滤波算法在抑制局部 5郁放电窄带周期干扰 1的应用[] J .中国电机工程学报，0 3 2 2 0,3( ): 0~ 1 .】 1 7 1 1

[7 1]唐

炬，周倩，中荣， .GI许等 S超高频局放信号的数学建模 .

[]中国电机工程学报，0 52 ( ) l6】 0 J. 2 0,5 1:O一l . 9

TANG u,ZH (U Qtn, XU Z on—o g, e a. Esa ls— J ) a h grn t 1 t bihme to t e a i a mo e or p r i ld s h r e i S u i g n fma h m tc l d lf a ta ic a g n GI s n

HUAN Ch n— n G e g j,YU We—o g t d f d p ie i e l u t n .S u yo a t l r— y a v ft ag t _ a e v lta ay i ns prs igPD’ eidc orih b sdonwa ee n l ssi up e sn m sp r i o

UHF meh d J . P o e dn s o h E t o r] r ce ig ft eCS E,2 0,2 ( 9: 05 51)l 6】 0 0一】.

n ro b n wit osE] rceig f h;E arw a d dhn ieJ .P oedn so e(S E,20, t 0 32】: 1 7 1 1 3( ) 0—1.

薛雪东

18~,,理讲师，要从事信号分析与处理。电话： 93男助主(2 ) 7 7 5 0 7 51 7 4 7;E— i:x d m al2 8 1 6 c r mal x my i1 2@ . o 2 n

[6 1]飞思科技产品研发中心 .MATt 7辅助信处理技术与应 AB用[]

M .北京：电子]业出版社，2 0 .: 05

收稿日期

2 0—30 0 70—5

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蔡爱姣

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