一种在线检测基波无功电流和谐波电流的简便方法

第26卷 第14期 中 国 电 机 工 程 学 报V ol.26 No.14 Jul. 2006 2006年7月 Proceedings of the CSEE©2006Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号0258-8013 (2006) 14-0071-04 中图分类号TM76 文献标识码A 学科分类号470⋅40一种在线检测基波无功电流和谐波电流的简便方法陈秋明(合肥工业大学电气与自动化工程学院安徽省 合肥市 230009)A Simple On-line Method of Detecting Reactive Currentand Harmonic CurrentCHEN Qiu-ming(Electric and Automation Engineering Department of Hefei University of Technology, Hefei 230009,Anhui Province, China)ABSTRACT : Imaging the voltage of electrified wire netting is sine wave,this article gives two basic principles of on-line detecting reactive current and harmonic current:(1)The difference of active current from load current current is reactive current and harmonic current;(2) If the voltage of electrified wire netting is sine wave,then the definite integral of the product of this voltage multiplied by reactive current and harmonic current is zero on the area of a basic term.On the basis of adaptive canceling technology,this article puts forward a simple on-line new method of detecting reactive current and harmonic current in according to these two principles. This new method uses a integer to calculate and needn’t reference transformation or artificial neural network. This new method has the character of brief calculation,simple hardware,rapid response and high precision. This new method would have wide applications. Computer simulation has proved this new method advantageous through comparation.KEY WORDS: power electronics; active power filter; current detection; adaptive canceling technology摘要在电网电压为正弦波的前提下该文提出了在线检测基波无功电流和谐波电流的2条基本原理负载电流减去基波有功电流剩下的就是基波无功电流和谐波电流之和电网电压与基波无功电流和谐波电流之和的乘积在一个基波周期区间上的定积分为零在自适应对消技术的基础上根据这2条基本原理该文提出了一种简便的在线检测基波无功电流和谐波电流的新方法这种新方法使用积分器进行计算不需要坐标变换也不需要人工神经网络具有计算简单硬件简单响应速度快和检测精度高的特点具有很大的实用价值通过计算机仿真对比证明了新方法的优越性关键词电力电子有源电力滤波器电流检测自适应对消技术0 引言当前有源电力滤波器在电力系统中的应用前景日益看好[1-3]有源电力滤波器分串联型和并联型2种并联型有源电力滤波器的基本原理是从负载电流中检测出基波无功电流和谐波电流由补偿装置产生一个与该电流大小相等而极性相反的补偿电流注入电网从而使电网电流中只包含基波有功电流显然能否快速而准确地检测出负载中的基波无功电流和谐波电流是并联型有源电力滤波器成功应用的前提条件关于基波无功电流和谐波电流的检测目前主要有2类方法一是基于瞬时无功功率理论的方法[4-5]二是基于自适应对消技术的方法[6-8]此外还有其他一些非主流的方法如快速傅里叶变换的方法[9]小波变换的方法[10-12]基于瞬时无功功率理论的方法的原理是检测负载三相电流和A 相电压经坐标变换得到两相静止坐标系中的电流值算出瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流i q 再经过坐标变换得到三相基波有功电流最后用负载电流减去基波有功电流得到基波无功电流和谐波电流i a h i b h i c h 原理框图见图1图1中C 32代表三相变两相的静止坐标变换C 代表两相变两相的旋转坐标变换LPF 代表低通滤波环节C 23代表两相变三相的逆变换PLL 代表取电压与电流相位的差值sin 和cos 代表取该相位差值的三角函数72 中 国 电 机 工 程 学 报第26卷ii i r i a h b h c h图1 基于瞬时无功功率理论的检测原理框图 Fig. 1 Principle detection diagram based on instantaneousreactive power theory基于自适应对消技术的方法的原理是根据电压采样信号u*s (t )应用前馈型人工神经网络构造一个基波有功电流信号i r (t )把负载电流信号i l (t )减去基波有功电流信号得到补偿电流信号i d (t )按误差函数的平方和最小的原则不断调整该人工神经网络的权值则补偿电流的大小可以非常接近基波无功电流和谐波电流之和原理框图见图2图2 基于自适应对消技术的检测原理框图Fig. 2 Principle detection diagram based on adaptivecanceling technology图2中ANN 代表人工神经网络对比这类方法可以发现基于瞬时无功功率理论的方法需要多次用到坐标变换计算复杂硬件复杂基于自适应对消技术的方法需要用人工神经网络而且当负载大小或性质发生变化时神经网络必须重新训练来确定权值这大大影响了它在线检测的速度和精度1 一种新的简便的方法改进的自适应对消技术本文提出的在线检测基波无功电流和谐波电流的方法是一种改进的自适应对消技术它基于以下2条基本原理1负载电流减去基波有功电流剩下的就是基波无功电流和谐波电流之和以A 相为例有i a −i a p =i a q +i a h 2设电网电压为正弦波则电网电压与基波无功电流和谐波电流之和的乘积在一个基波周期区间上的定积分为零仍以A 相为例有a a a 0()d Tq h u i i t +∫=0原理的证明见附录根据上述2条原理可得a a a 0()dTq h u i i t +∫= a a a 0()d Tp u i i t −∫=a a 0d Tu i t ∫− a a 0d Tp u i t ∫=0由于i a p 与u a 同频率同相位i a p 可写成i a p =k u a (k 为比例系数)因此a a 0d Tu i t ∫− a a 0d Tp u i t ∫= a a 0d Tu i t ∫−k 2a d u t ∫=0,可得k =2a aa 0d d Tu i tu t ∫∫ (1)且a a a 0()dTq hu i i t +∫=a a 0d Tu i t ∫−k 2a d u t ∫ (2)构造基波无功电流和谐波电流检测电路如图3所示图3 新方法的检测原理框图Fig. 3 Principle detection diagram of new method该电路的原理是用积分器来计算aa 0(Tq u i +∫a )d h i t 的值当积分器的输出大于0通过调节器增大比例系数k 当积分器的输出小于0通过调节器减小比例系数k 经过反复调整积分器输出趋于0此时电路的输出i ′a q +i ′a h 就代表了基波无功电流信号和谐波电流信号之和通过以上分析可看出这种新方法的特点是思路清楚硬件简单调整方便只要用加法器积分器调节器等常用的模拟电子元件就能检测出变化的基波无功电流和谐波电流之和如果负载大小和性质一定比例系数k 可直接根据式(1)确定下来不必应用积分器和调节器2 仿真对比运用MATLAB 语言编程分别对基于自适应对消技术和本文提出的新方法进行仿真结果如图4~6所示图4代表负载电流图5是理论计算得出的负载电流中的谐波成分(假定负载电流中不含基波无功成份)图6中的虚线代表用自适应对消技术检测到的谐波电流与理论计算得到的谐波电流的均方差值实线代表用新方法检测到的谐波电流与理论计第14期 陈秋明 一种在线检测基波无功电流和谐波电流的简便方法 73算得到的谐波电流的均方差值显然改进后的新方法的响应速度和检测精度明显优于改进前0 0.02 0.04 0.06 0.08 t /s −20 2 i L /A图4 负载电流波形Fig. 4 The waveform of load current0 0.02 0.04 0.06 0.08 t /s 0 −11 i Ls /A图5 负载电流的谐波成分Fig. 5 The harmonic parts of load current−检测误差/A图6 2种方法误差的对比Fig. 6 The error comparing of the two methods不仅如此当负载电流大小发生变化时新方法的抗干扰能力也优于旧方法图7就是2种方法抗干扰能力的对比虚线代表基于自适应对消技术方法的误差的均方值实线代表新方法的误差的均方值开始时系统处于稳态2种检测方法的精度大致相同在时刻等于40ms 时负载大小突然发生变化新方法能较快恢复稳定而旧方法则需要较长的时间−检测误差/A图7 当负载扰动时2种方法误差的对比Fig. 7 The error comparing of the two methodswhen load changes3 结论在自适应对消技术的基础上根据2条基本原理本文提出了一种改进的在线检测基波无功电流和谐波电流的简便方法本方法使用积分器进行计算不需要坐标变换也不需要人工神经网络本方法既适用于恒定负载的情况也适用于变化的负载的情况与文献[13]相比本方法能同时检测出基波无功电流和谐波电流与文献[14]相比本方法非常简单实用本方法具有计算简单硬件简单响应速度快和检测精度高的特点具有很大的实用价值本方法适用于电网电压为正弦波的情况(这种情况比较常见)当电网电压含有谐波成分时情况变得复杂此时谐波电流既包含无功的成分也包含有功的成分而有功的成分只能来自于电源这时有源滤波器的作用是补偿基波无功电流和谐波中的无功电流成分本方法不再适用但本方法采用积分器进行计算的思路对今后这方面的研究仍然有启迪作用参考文献[1] Akagi H Trends in active power line conditions[J]IEEE Trans onPower Electron19949(3)263-268[2] Akagi HKanazawa YNabe AGeneralized theory of theinstantaneous reactive power in three-phase circuits[C]In IEEE&JIEE Proceedings IPEC IEEE Tokyo 1983[3] 谭甜源罗安唐颀等大功率并联混合型有源滤波器的研制[J]中国电机工程学报200424(3)41-45Tan Tianyuan Luo An Tang Xin et al Development of high-capacityhybrid power filter[J]Proceedings of the CSEE 200424(3)41-45(in Chinese)[4] 何益宏卓放一种基于瞬时无功功率理论谐波检测的离散滤波方法[J]电工电能新技术200221(4)13-1550He Yihong Zhuo Fang A discreted filtering method of harmonicsdetection based on instantaneous reactive power theory AdvancedTechnology of Electrical Engineering and Energy 200221(4)13-1550(in Chinese)[5] 刘开培陈艳慧张俊敏等基于p-q-r 法的电力系统谐波检测方法[J]中国电机工程学报200525(14)25-29Liu Kaipei Chen Yanhui Zhang Junmin et al Harmonic detectionmethod for power system based on p-q-r theory[J]Proceedings of theCSEE200525(14)25-29(in Chinese)[6] 王群姚为正王兆安一种基于神经元的自适应谐波电流检测法[J]电力系统自动化199721(10)13-10Wang Qun Yao Weizheng Wang Zhaoan An adaptive detectionmethod of harmonic current based on neural unit[J]Automation of Power System199721(10)13-10(in Chinese)[7] 占勇丁屹峰程浩忠等电力系统谐波分析的稳健支持向量机方法研究[J]中国电机工程学报200424(12)43-4674 中 国 电 机 工 程 学 报第26卷Zhan Yong, Ding Yifeng, Cheng Haozhong et al A robust supportvector algorithm for harmonics analysis of electric power system [J]Proceedings of the CSEE 200424(12)43-46(in Chinese)[8] 陶骏刘正之谐波及无功电流检测方法的研究[J]电力系统自动化200125(1)31-34Tao Jun Liu Zhengzhi Study on detection method of harmonic andreactive current[J]Automation of Power System[J]200125(1)31-34(in Chinese)[9] 庞浩李东霞俎云霄等应用FFT 进行电力系统谐波分析的改进算法[J]中国电机工程学报200323(6)50-53Pang Hao Li Dingxia Zu Y unxiao et al An improved algorithm forharmonic analysis of power system using FFT technology [J]. Proceedings of the CSEE200323(6)50-53(in Chinese)[10] 张介秋梁昌洪陈观圃等基于卷积窗的电力系统谐波理论分析与算法[J]中国电机工程学报200424(11)48-51Zhang Jieqiu Liang Changhong Chen Guanpu et al Power systemharmonic theory analysis and algorithm based on convolution windows[J]Proceedings of the CSEE200424(11)48-51(inChinese)[11] 杜天军陈光禹雷勇等基于混叠补偿小波变换的电力系统谐波检测方法[J]中国电机工程学报200525(3)54-59134Du Tianjun Chen Guangyu Lei Yong et al A novel method for powersystem harmonic detection based on wavelet transform with aliasing compensation [J]Proceedings of the CSEE 200525(3)54-59134(in Chinese)[12] 李圣清周有庆朱英浩等基于加权一阶局域理论的综合电力滤波器谐波电流预测方法[J]200424(6)19-23Li Shengqing Zhou Y uoqing Zhu Yinghao et al Harmonic currentprediction method of combined power filter based on weighted first-order local area theory [J]Proceedings of the CSEE 200424(6)19-23(in Chinese)[13] 杨柳刘会金陈允平等三相四线制系统任意次谐波电流的检测新方法[J]中国电机工程学报200525(13)41-44YangLiuLiu Huijin Chen Y unping et al A new algorithm for random harmonic current detection in three phase four wiresystem[J]Proceedings of the CSEE200525(13)41-44(inChinese)[14] 李红雨吴隆辉卓放等一种新型的快速电流检测方法的研究[J]中国电机工程学报200525(13)57-62Li hongyu Wu Longhui Zhuo Fang et al Study on the novel fastcurrent detection method[J]Proceedings of the CSEE 200525(13)57-62(in Chinese)附录关于2条基本原理的证明设电网电压u a =Csin ωt 又设负载电流i a 为正负半波对称的周期性电流把i a 按傅里叶级数展开成i a =A 1sin ωt+B 1cos ωt +21211[sin(21)cos(21)]k k k Ak t B k t ωω∞++=+++∑式中 第1项就是基波有功电流第2项就是基波无功电流第3项就是谐波电流即i a = i a p +i a q +i a h所以有i a − i a p =i a q +i a h第1条原理得证又a a a 0()d Tq h u i i t +∫=121 01sin {cos d [sin(21)Tk k C t B t t A k t ωωω∞+=+++∑∫21cos(21)]}d k B k t t ω++= 1 0sin cos d TCB t t t ωω∫+21 01sin sin(21)d Tk k CA t k t t ωω∞+=+∑∫+ 21 01sin cos(21)d Tk k CB t k t t ωω∞+=+∑∫=0+0+0=0第2条原理得证收稿日期2006-02-15作者简介陈秋明1963-男博士研究生讲师研究方向为电力电子与电力传动和人工神经网络cqm123772@编辑 王彦骏。