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谐波及无功电流的直接检测方法

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谐波及无功电流的直接检测方法孙生鸿,李　鹏,陈志业(华北电力大学电力工程系,河北省保定市071003)摘要:分析了现有的谐波及无功电流检测方法,提出了一种快速的谐波及无功电流直接检测新方法。该直接检测方法引入比例微分环节(PD)作为负反馈,可以补偿滤波环节的延时,显著提高动态响应速度,并具有较好的检测精度。当电网电压不对称时该方法同样适用。最后,通过MATLAB仿真,验证了快速直接检测方法的有效性。关键词:谐波电流;无功电流;检测;负反馈;MATLAB中图分类号:TM93

收稿日期:2002204211。教育部博士点专项科研基金资助项目(1999007904)。0　引言随着电力电子及非线性负荷的广泛应用,如何抑制电网谐波、提高电能质量问题已经提上日程。目前现场大多采用无源滤波补偿装置和APF等有源滤波补偿装置,而有源滤波器具有能够实现动态连续实时补偿、不受电网元件影响等特点,在抑制电网谐波、提高电能质量方面显示出了强大的生命力。为了实现有源滤波器件的实时性及良好的补偿性能,谐波及无功电流的实时检测就显得非常重要。目前提出的各种检测方法可能在某一方面具有优越性,但都不尽完善。现有的检测方法[1～4]主要有:自适应干扰对消法及基于人工神经网络的自适应检测法,这两种方法动态性能不够理想,适合负荷变化缓慢的情况;基于小波分析的检测法,在实时性方面有了改善,但在兼顾动态性和补偿效果两方面还有待进一步研究;基于瞬时无功功率理论的AB0变换方法和dq0变换方法,物理意义清晰、易于实现,但AB0变换方法受电压畸变的影响较大,dq0变换方法需要三角函数发生器,使实现变得复杂。为改进以上方法的不足,本文在瞬时无功功率理论的基础上,对现有的谐波及无功电流检测方法进行简化,使检测过程更简洁、方便,力求兼顾并保证谐波及无功电流检测的动态效果和检测精度。1　检测原理1.1　算法公共电网电压的畸变率往往很低,因此研究中假定电网电压为三相对称正弦电压。由瞬时无功功率理论[5]可知,三相瞬时功率可由下式求得:p=uaia+ubib+ucic(1)式中:ua,ub,uc为三相瞬时电压;ia,ib,ic为三相瞬时电流。经分析可知,当电流畸变时p中将含有交流量,即:p=pq+p(2)式中:pq对应基波正序有功电流;p对应基波不对称电流、谐波电流、基波无功电流的总和。将p经过低通滤波器(LPF)后,可提取直流分量pq,这样就可以得到基波正序有功电流(以A相为例):i(1)afp=pq3Ua2ua(3)式中:i(1)afp为A相基波正序有功电流;Ua为A相电压有效值。下面给出电压瞬时值的计算公式。设三相电压为:ua=2UacosXtub=2Ubcos(Xt+120°)uc=2Uccos(Xt-120°)(4)式中:Ua=Ub=Uc=U。那么,瞬时相电压有效值为:u2a+u2b+u2c=3U2(5)由式(5)和式(3),得到基波正序有功电流i(1)afp(以A相为例)。因此,需要补偿的谐波及无功全电流ic可由下式求得:ic=ia-i(1)afp(6) 此直接检测方法在本质上与基于瞬时无功功率25第26卷　第19期2002年10月10日 电力系统自动化AUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMS Vol.26　No.19Oct.10,2002

© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.理论的检测方法是相同的,但避免了正反两次变换,结构更简单,简化了计算,比基于瞬时无功功率理论更易于实际应用。1.2　检测原理图谐波及无功电流检测原理图如图1所示。图1　检测原理图Fig.1　Principlediagramofdetection1.3　PD反馈环节为了提高负荷变动时的动态检测性能,受文献[6]的启发,提出了闭环PD负反馈结构,如图1所示。考虑到在负荷变动时,由于LPF的固有延时,暂态过程的检测结果中将含有基波有功电流,它与电压作用将产生瞬时功率直流分量。若引入该直流分量作为反馈,可以对仅由网侧电压和电流形成的瞬时功率直流分量起到补充作用。另外,微分环节能够反映网侧电流的变化趋势,可以提供超前修正信号。因此,可选取检测到的谐波及无功电流(负荷变化时将含有基波有功电流)作为负反馈信号,并对反馈信号进行比例微分调制,以提高检测系统的动态速度。稳态时,谐波及无功电流与电压作用,将只产生瞬时功率的交流分量,可被LPF滤除,因此PD反馈环节不会影响检测结果。而暂态时,由于PD负反馈环节的存在,可以对测量实际有功电流的突变起到补偿和预测的作用。因此,可使检测的动态性能大大增强。PD反馈参数的设置,可利用数字PID控制技术,采用人工智能方法自整定:a.初始确定PD反馈参数。首先,利用MATLAB仿真,只采用比例调节来确定系统的临界比例系数Ks和振荡周期Ts,再根据经验公式Kp=0.6Ks,TD=0.125Ts可初步确定反馈参数。b.在初定的PD参数基础上,根据检测系统的仿真检测目标,利用人工智能方法自动修正初定参数,直至达到检测要求。自整定主要规则有:①适当地逐渐减小Kp,保证既降低了超调量、减少了振荡次数,又不致影响系统的稳态精度及系统的稳定性;②调整微分时间常数TD时应逐渐增大TD,在不影响系统抗干扰能力的前提下,增大微分控制作用,改善系统动态特性;③以检测到的基波有功电流的畸变率和幅值为主要整定依据。2　检测中的两个问题2.1　检测电路模式的选择由以上分析可知,若采用模拟电路,需要多个乘法器和LPF等延时较大的环节,而且模拟元件易受频率与温度的影响,这将降低检测效果。随着数字信号处理器(DSP)的飞速发展,一次乘法只需几十ns,运算延时与算法本身延时相比可以忽略。因此,为了提高检测效果及减少检测延时,本文考虑采用以DSP为核心的数字电路来实现谐波及无功电流的检测。2.2　LPF的选择该检测方法中,数字LPF是一个关键环节。LPF算法对检测性能和实时性都有一定影响,但只要设计合理,可以得到满意的实时性和检测效果[7]。本文中考虑:①谐波及无功电流检测不需要考虑线性,选取简单易行的ButterworthLPF,即可兼顾实时性和检测效果;②截止频率过高会使性能下降,反之则延时加大,综合考虑之后,选取截止频率为25Hz;③ButterworthLPF的阶数越高,检测精度越高,但延时将增大,因此选取2阶～3阶较合适。3　仿真研究使用MATLAB仿真软件对第1节提出的方法进行了仿真实验,按照如图2所示的实验原理对6脉冲晶闸管整流负载进行了检测谐波及无功电流的仿真实验。

图2　仿真实验图Fig.2　Diagramofexperimentsimulationt从0时刻开始,稳态时A相谐波及无功电流波形的检测结果如图3所示。证明了稳态时该方法可以很好地检测出谐波及无功电流。当负载变化时,将引起谐波及无功电流的变化。仿真时,当t=60ms,使负荷突然增加,动态变化的检测结果如图4所示。由检测结果可以看出,检测出的基波有功电流基本为正弦波,且随着负荷电流趋于稳定而迅速稳定。说明该检测方法具有较快的跟踪响应速度。35・电能质量控制技术专题・　孙生鸿等　谐波及无功电流的直接检测方法

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图3　稳态时仿真结果Fig.3　Simulationresultsofsteady-state

图4　动态时仿真结果Fig.4　Simulationresultsoftransient-state4　检测方法的改进虽然前面给出的检测方法简单易行,但前提是电网电压对称。电网电压在不对称运行时,检测效果将有所下降,可以检测到基波(Iafp)有明显畸变。这主要是由于电网电压不对称造成的,只要能提取电压的基波正序分量就可以解决[8]。为此,引入基波正序检测模块T1,如图5(a)所示。三相电压信号经过滤波预处理后,通过基波正序检测模块T1,输出瞬时基波正序电压ua+,ub+,uc+为:ua+=13ua-12ub-12uc+36Xdubdt-ducdtub+=13ub-12uc-12ua+36Xduadt-dubdtuc+=13uc-12ua-12ub+36Xduadt-dubdt(7)采用改进方法后,仿真电路及结果如图5所示。从仿真结果可以看出,加入序分量模块后,使得本检测方法在电压畸变的情况下仍然能很好地检测出谐波及无功电流。

图5　改进后的检测框图及仿真结果Fig.5　Blockdiagramofimproveddetectingmethodandsimulationresults5　结语本文在分析各种谐波及无功电流检测方法后,提出了改进算法,简化了复杂的检测过程。该直接检测方法可以检测出除基波有功电流以外所有需补偿的电流,延时小于12工频周期,可以在线应用。由45 电　力　系　统　自　动　化　

© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.于加入了微分环节,使动态检测效果明显好于不带微分环节的效果;而且加入正序检测模块T1后,电压不对称时该检测方法仍然适用。因此,该直接检测方法适用于检测具有随机性和动态性的谐波源。参考文献1　李　鹏,陈志业,尹华丽,等(LiPeng,ChenZhiye,YinHuali,etal).统一电能质量控制器及其控制信号检测方法探讨(StudiesofUnifiedPowerQualityControllerandControllingSignalDetectingMethod).华北电力大学学报(JournalofNorthChinaElectricPowerUniversity),2002,29(2):1～52　FujitaH,AkagiH.TheIntegrationofSeries2andShunt2activeFilters.IEEETransonPowerElectronics,1998,13(2):315～3223　马大铭,朱东起,高景德(MaDaming,ZhuDongqi,GaoJingde).三相电压不对称时谐波和无功电流的准确检测(AccurateDetectionforHarmonicsandReactiveCurrentsintheCaseofUnsymmetricalThree2phaseVoltages).清华大学学报(自然科学版)(JournalofTsinghuaUniversity(Sci&Tech)),1997,37(4):7～104　李庚银,陈志业,丁巧林,等(LiGengyin,ChenZhiye,DingQiaolin,etal).dq0坐标系下广义瞬时无功功率定义及其补偿(DefinitionofGeneralizedInstantaneousReactivePowerindq0CoordinatesandItsCompensation).中国电机工程学报(ProceedingsoftheCSEE),1996,16(3):176～1795　AkagiH,KanazawaY,NabaeA.InstantaneousReactivePowerCompensatorsComprisingSwitchingDevicesWithoutEnergyStorageComponents.IEEETransonIndustrialApplication,1984,20(3):625～6306　陶　骏,刘正之(TaoJun,LiuZhengzhi).谐波及无功电流检测方法的研究(StudyontheDetectionApproachofHarmonicsandReactiveCurrents).电力系统自动化(AutomationofElectricPowerSystems),2001,25(1):31～33,347　王　群,姚为正,王兆安(WangQun,YaoWeizheng,WangZhao’an).低通滤波器对谐波检测电路的影响(EffectofLowPassFilteronHarmonicsDetectionCircuit).西安交通大学学报(JournalofXi’anJiaotongUniversity),1999,33(4):5～8,128　杨万开,肖湘宁,杨以涵(YangWangkai,XiaoXiangning,YangYihan).不对称三相电路畸变电流和负序电流的一种实时检测方法(AReal2timeDetectingMethodforDistortionandNegativeCurrentinUnbalancedThree2phaseCircuit).现代电力(ModernElectricPower),1997,14(3):27～32孙生鸿(1977—),男,硕士研究生,主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。E2mail:sunshenghong@sina.com.cn李　鹏(1965—),男,博士研究生,副教授,主要从事统一电能质量控制器及其在配电系统中的应用的研究。HARMONICANDREACTIVECURRENTSDETECTIONFORACTIVEPOWERFILTERSunShenghongYLiPengYChenZhiye;NorthChinaElectricPowerUniversityKBaoding071003KChinaGAbstractPTheexistingmethodsfordetectingharmonicandreactivecurrentareanalyzedandanewspeedydirect2detectingmethodisbroughtforward.InthismethodKthePDnegativefeedbackisproposedKwhichcancompensatefortheinherentdelayofLPFandquickenthedynamicresponsespeedevidently.Meanwhilethismethodhasbetterdetecting2precision.FurthermoreKitcanalsobeappliedtotheunsymmetricalvoltages.FinallyKtheeffectivenessofthisspeedydirect2detectingmethodisverifiedbyMATLABsimulation.ThisprojectissupportedbyDoctoralFundKMinistryofEducationKChina;No.1999007904G.KeywordsPharmoniccurrentMreactivecurrentMdetectionMnegativefeedbackMMATLAB(上接第47页　continuedfrompage47)ANEXPERIMENTALSTUDYONUNIFIEDPOWERQUALITYCONDITIONERGuJianjunYLiuHankuiYXuDianguo;HarbinInstituteofTechnologyKHarbin150001KChinaGAbstractPTheunifiedpowerqualityconditioner;UPQCGisakindofnovelharmonicandreactivecompensationequipmentbycombiningtheseries2activefilterandshunt2activefilter.Thispaperdiscussesitssystemconfigurationandworkingprinciples.Thenaprototypeisdevelopedaccordingtothedetectingandcontrolstrategyproposed.TheexperimentalresultsshowthatitcannotonlycompensateforthereactiveandharmoniccurrentcausedbythenonlinearloadandnegativesequencecomponentofthesourcevoltageKbutalsoregulatetheamplitudeoftheloadvoltage.KeywordsPunifiedpowerqualityconditionerMactivepowerfilterMharmoniccurrentMpositive2sequencecomponent55・电能质量控制技术专题・　孙生鸿等　谐波及无功电流的直接检测方法

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基于PQ法的谐波电流与无功电流检测方法设计

基于PQ法的谐波电流与无功电流检测方法设计

基于PQ法的谐波电流与无功电流检测方法设计

作者：翟文鹏 李嗥

来源：《科技视界》 2013年第26期

翟文鹏 李 皞

（河南登封市电业〈集团〉有限公司，河南 登封 452470）

【摘 要】抑制谐波和提高功率因数是涉及电力电子技术、电气自动化技术和电力系统的一个重大课题。本文首先对谐波的危害进行了简述，分析了谐波的定义，重点讨论了三相瞬时无功功率理论，并对以此为基础的谐波电流检测法PQ法进行了理论分析和仿真验证。

【关键词】功率因数；谐波抑制；瞬时无功功率

0 引言

电力电子技术在推动电力系统发展，灵活高效地利用电能的同时，其设备又成为电力系统中最主要的谐波源，同时消耗无功功率[1-2]。谐波的危害是多方面的，主要体现在：1）对供配电线路的危害：主要是影响线路的稳定运行和电能质量；2）对电力设备的危害：包括对电力电容器的危害、对电力变压器的危害和对电力电缆的危害；3）对用电设备的危害：包括对电动机的危害、对低压开关设备的危害和对弱电系统设备的干扰。4）对人体和电力测量准确性的影响：目前采用的电力测量仪表当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围的电器环境带来极大影响并对人体健康存在潜在危害，被公认为电网的危害和人体生命的杀手。

1 电力谐波的定义

目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍[3]。以正弦波电压为例，可以表示式（1）：式中U是电压有效值，θ是初相角，ω是角频率，T为周期；对于周期为T的非正弦波信号，在满足狄里赫利的条件下，可分解为如式（2）的傅立叶级数。

PQ法的理论基础是三相瞬时无功功率理论。三相电路瞬时无功功率理论最早在1983年由赤木泰文提出，它是以瞬时实功率P和瞬时虚功率Q的定义为基础。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时有功功率、瞬时无功功率等瞬时功率量。

一种改进的ip-iq谐波与无功电流检测方法

一种改进的ip-iq谐波与无功电流检测方法

微电机２００７年第４０卷第８期（总第１６４期）　

中图分类号：ＴＭ３４３　．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－６８４８（２００７）０８－００６８－０４　

一种改进的　一ｉｑ谐波与无功电流检测方法　

罗邵屏　，罗　安　

（１．邵阳学院信息与电气工程系，邵阳４２２０００）　（２．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２）　

摘　要：针对有源滤波器工程应用的需要，提出了对ｉ　一ｉ　方法在检测谐波和无功电流应用上的　

改进，不仅减少了计算量，还能直接应用于三相三线制、三相四线制和单相系统谐波和基波无　功电流的检测。仿真结果表明这种改进的方法能更好的适应电网谐波和基波无功电流检测的需　

要，可以获得良好的检测精度和令人满意的动态响应速度。　

关键词：　一ｉ　谐波；无功电流；检测；三相异步电动机　

Ａｎ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　

ＬＵＯ　Ｓｈａｏ．ｐｉｎｇ　，ＬＵＯ　Ａｎ　（１．Ｓｈａｏｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｏｙａｎｇ　４２２０００，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　

ｉｐ—ｉｑ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｉｐ—ｉｑ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｄｅ—　

ｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｂｅ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｔｈｒｅｅ—ｗｉｒｅ，ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｆｏｕｒ—ｗｉｒｅ　

两种单相电路谐波及无功电流检测方法的比较

两种单相电路谐波及无功电流检测方法的比较

嘭羔量胡２００７年第２６卷第５期

两种单相电路谐波及无功电流检测方法的比较

盂庆波１王志国２张相志３（１．西南交通大学电气学院６１００３１２．中铁十一局集团电务公司电气化分公司４３００７１３．成都交大许继电气公司６１００３１）

摘要基于有源电力滤波器对谐波及无功电流检测的实时性和准确性的要求，本文对单相电路谐波及无功电流检测提出了两种方法，即基于瞬时无功功率理论检测法和基于有功电流分离法的检测方法，给出了两种方法的检测原理，并分别对其进行了仿真研究。仿真结果表明，前者的检测结果时延大，动态响应速度慢，但其检测结果更准确。关键词有源电力滤波器瞬时无功功率理论有功电流分离法

１引言

有源电力滤波器（ＡＰＦ）作为抑制谐波进入电网及提高电网功率因数的一种电力电子装置，其基本原理是：检测出负载电流中的谐波及无功电流，将其作为控制电路的指令电流，控制逆变器使其产生出与指令电流大小相等、相位相反的补偿电流，以抵消负载电流中的谐波及无功电流，进而使电网电流接近正弦。ＡＰＦ中的关键技术之一是谐波及无功电流的实时检测，其检测结果直接关系到整个ＡＰＦ系统的补偿效果。三相电路谐波及无功电流的检测方法较多，基于瞬时无功功率理论检测法是其中比较成熟的一种。该方法是日本学者赤木泰文于１９８３年针对三相电路首先提出的，此后经过不断研究逐渐得到了完善，现已成为三相ＡＰＦ的主要理论基础之一，其主要方法包括Ｐ．ｑ法、ｉｐ－ｉ。法和ｄ－ｑ法。但对于单相电路，需要首先对单相的电流进行适当分解后才能用其理论进行检测，分解的方法主要有如下三种Ｌ３Ｊ：（１）由单相电流构造三相电流，即令ｅ。＝ｅ。，ｉ。＝ｉ。。将ｅ。滞后１２０。后得ｅｂ，滞后２４０。后得ｅ。。同样，将ｉ。滞后１２０。得到ｉｂ，滞后２４０。得到ｉ。。得到的三相电流ｉ小ｉｂ和ｉ。再经过三相一两相变换后得到两相电流ｉ。和ｉ８，再应用三相瞬时无功功率理论检测法即可检测出谐波及无功电流。（２）由单相电路直接构造两相电路，将ｉ。滞后后９０。后得ｉ口，即ｉ。＝等ｉ。ｅ—ｊ９０。，进而可以检测出

电网中谐波电流检测方法综述

电网中谐波电流检测方法综述

电网中谐波电流检测方法综述

摘要：近年来，随着电力电子技术的快速发展，大量含有电力电子装置的元器件被运用到电力系统工业中，如整流器、逆变器等。然而，这些装置的运用会产生诸如谐波、无功电流等污染电网的电流，使得电网的电能质量下降;除此之外，电网负载端的大量非线性负载也会产生谐波污染电网。对于如何抑制谐波和补偿电网成了如今学者们研究的重点。

关键词：电网；谐波电流；检测方法

1前言

传统的高压输电线路谐波检测方法采用有线方式，在变电站中将谐波检测仪接入PT/CVT二次侧，通过检测PT/CVT二次端的小电压信号来检测母线上的电压，间接获得线路中谐波含量。据统计，在国外72.5kV以上的电压等级的电压互感器几乎全部采用电容式电压互感器CVT。在国内，110kV及以上电压等级互感器也广泛采用CVT。目前广泛采用在互感器二次侧采样的方式进行电网电压的监测，但由于受CVT传输特性的固有影响,导致该方法在谐波分析中并不适用国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》及IEC相关标准都明确规定，CVT不能用于谐波测量。原因是通过测量CVT二次测电压信号谐波含量，再按照比例折算出线路谐波含量，这种测量方法由于CVT本身电容特性，会对不同频率的谐波按不同比例衰减，而衰减比例并不成线性比例关系，导致测量结果存在很大的偏差，最大偏差量可达36.70%，因此从CVT测取的谐波电压测试结果，会造成许多公共连接点供电电压不合格的虚假现象，因此，传统借助CVT检测高压线路谐波的测量结果不能采用，并且也只能对变电站内部线路借助CVT测量，对于站外高压线路由于没有安装CVT柜将无法测量谐波。同时对于10kV高压线路，由于电压互感器一次侧中性点有串接一只消谐电阻接地，可能对体现零序特性的谐波电压的测量结果造成影响，最终影响谐波电压总畸变率的测试结果。

为了更方便、更安全、更可靠地对输电线路电能质量进行检测，提出了运用便携式高压输电线路谐波检测仪，精准地测量2-32次及3-31次谐波，并克服传统测量方法只能在变电站内测量的局限性。