VK有源电力滤波器在电源电压畸变时的谐波提取方法.pdf

《 自 动 化 技术 与 应 用 》 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第7 期 电 气 传 动 El e c t r i c a l Dr iv e s V K有源 电力滤波器在 电源 电压畸 谐波提取方法 孙 丽敬 ， 乔尔敏 ， 张 皎 ( 中国电力科学研究院， 北京 1 0 0 1 9 2 1 ) 变时的 摘 要： 分析了有源滤波器( AP F ) 基于旋转坐标系下进行坐标变换的谐波检测方法。该方法在电网电压畸变情况下能很好地检测和补 偿电网中的谐波电流和无功电流。应用于三相三线制电路时， 该方法可以计算任意次谐波电流的瞬时值。仿真与实验均验证 了所提出的谐波检测方法的有效性 ， 基于旋转坐标系下进行坐标变换的谐波检测方法的有源电力滤波器具有 良好的工作性能。 关键词： 有源滤波器； 谐波电流； 坐标变换； 电压畸变 中图分类号： TM7 1 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 3 —7 2 4 1 ( 2 0 1 0 ) 0 7 — 0 0 8 0 — 0 4 Ha r mo n i c De t e c t i o n Me t h o d f o r Ac t i v e P o we r F i lt e r Co n s i d e r i n g Di s t o r t e d V o l t a g e S UN Li ~ i n g ， QI AO E r - mi n ， Z HANG J i a o ( C — E P R I ， E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u d e , B e i j i n g1 0 0 1 9 2 C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e p a p e r a n a l y s e s a d e t e c t i o n me t h o d ，whi c h i s ba s e d o n t h e c o o r d i n a t e t r a n s f o r ma t i o n o f v o l t a g e s a n d c u r r e n t s i n r o t a t i n g r e f e r e n c e f r a me ． T h e me t h o d ’ S t r a i t s c a n d e t e c t a c c u r a t e l y a n d c o mp e n s a t e h a r mo n i c a n d r e a c t i v e c u r r e n t o f p o we r n e t wo r k， e v e n i f t h e s u p p l y v o l t a g e i s d i s t o r t e d o r a s y mme t r i c ． Ap p l i e d t o t h e t h r e e p h a s e t h r e e wi r e s y s t e m， i t c a n c a l c u l a t e t h e i n s t a n t a n e ou s v a l u e o f t h e s e l e c t i v e h a r mo n i c c u r r e n t ． M a t l a b a n a l y s i s a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s d e mo n — s t r a t e d t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e c u r r e n t d e t e c t i o n me t h o d ， a c t i v e p o we r f i l t e r wi t h t h e p r o p o s e d c o n t r o l s y s t e m i s o f we l l wo r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s ． Ke y wo r d s ：a c t i v e p o we r fil t e r ； h a r mo n i c c u rre n t ； c o o r d i n a t e t r a n s f o r ma t i o n ；v o l t a g e d i s t o r t i o n 1 引言 有源滤波器是治理 电力 系统谐波污染的有效手段 之一， 其基本原理是向电网中注入一个与负载谐波电流 大小相等、方向相反的补偿电流 ， 从而消除负载谐波电 流对 电网的污染⋯。有源滤波器能够有效地补偿电网中 谐波的必要条件之一就是谐波电流的准确提取。迄今 为止 ， 已有多种谐波检测方法被提出【 2 - 6 1 。如： 基于瞬时 无功功率理论的谐波检测方法、基于 F F T ( F a s t F o u r i e r T r a n s f o r ma t i o n ) 的谐波电流检测方法、基于小波变换的 谐波检测方法、基于 i p -i q变换的谐波检测方法、基于 同步检测法的谐波检测方法【 6 3 以及基于人工神经元网络 收稿 日期：2 0 0 9 -1 2 —1 5 的谐波检测方法等。本文采用的基于旋转坐标系下进 行投影变换的方法 ， 通过对 电网电压和 电流矢量在 d— q坐标系下进行投影变换 ， 实现谐波和无功电流的提 取 ， 提高了谐波检测精度 。该方法在 电网电压畸变情 况下仍能够很好地检测和补偿 电网中的谐波电流和无 功 电流 。 2 基于旋转坐标 系下进行投影变换的 谐波电流检测方法 2 ． 1 理论分析 如图 1 ， a b c ／ d q代表旋转坐标变换 ， L P F为低通滤波 器， P L L 为锁相环。输 人为待检测三相电 流屯、 、 和 电 气 传 动 El e c t r ic aI Dr i v e s 自动化技术 与应用》2 0 1 0年第 2 9卷第 7期 电源 电压 U 、 U 、 ， 输出三相电流中除了基波正序有 功分量之外的全部电流分量 、 、 ， 有学者称其为 有害电流。该 电流即为有源滤波器的补偿电流指令。谐 波提取过程如下： 电流信号经 d — q正变换、低通滤波器 和 d —q反变换 ， 得到基波正序电压和正序电流分量 ， 补 偿电流参考指令为负载电流与基波正序有功电流之差。 图 1 补偿电流指令计算原理 在三相三线系统中， 电压( ， ， ) 和电流( 屯， ，之) 量变换到d - q 坐标系下， 有 ～ 褂 ro~o O+ u+_00)J0)]+历 『聋 + 历 。os[ 1)“ + 。] l (1) u I 口 0 n i n [ ]_ ，料 历 障 ] _ l】 吐 [ 1 ]_ l - 血 [(n 一 -)nr + 一 oo ]一 s-m [(n + )“ + + ]J 式( 1 ) 和( 2 ) 中 ， = 瓜 - 1 ／ ， 2 ： -1 ／ ， 2 2 J 1 ， D 幽 ， = 瞄 s inO 。] 其 中0=O J t +0 。， 。 为 电网同步参考正弦初相角 ， C O 为电网基波角频率。上标 “ + ”表示正序分量 ， “ 一 ”表 示负序分量表示 ； 下标 n表示 n次谐波分量 。式( 1 ) 和( 2 ) 经低通滤波器滤波提取直流分量分别为 U d瓜 s in ( ip ~+ 0 ~o；] 历 二 绷 ㈤ 对式( 3 ) 和( 4 ) 进行 d - q反变换， 可得基波正序电压分 量和 基 波正序 分 量 ： 删=I+cos 扎 其 中C ， =c ， ， ， D 叩， 由=D ／ 叩 、 分别为基波正序电压矢量和基波正序 电流矢 量； i p d 和 i 分别为基波有功电流分量 在 d轴和q轴上 投影。对 i p d 和 i 进行 d —q反变换， 可求得三项基波正 序有功电流分量 i 、 i 、 i ， 如式( 7 ) 。 也 ] 补偿 电流参考指令为负载 电流与基波正序有功电 r． { ． ． I 1 z a一 向 I ． ● ． ‘ 1 c b 6 叫归 ( 8 ) l c c= i 一 要得到基波无功 电流 ， 只需将电流矢量 在与电压 矢 量 垂 直方 向上投 影 即可 得到 。 要提取任意次( 如 k次) 谐波电流， 坐标变换中基波 角频率 ∞用k O D ( 或 一 k O D ) 来代替 ， 则 d - q坐标系将以k 倍基波角频率作正向( 或逆向) 旋转。 2 ． 2 仿真模型 采用 MATL AB软件建立有源滤波系统数字仿真模 型 ， 见图2 。模型主要包括 ： 电源( S o u r c e ) 、非线性负载 ( No n l i n e a r L o a d ) 、 谐波提取模块( Ha r mo n i c E x t r a c t i o n ) 、P WM信号产生模块( P WM G e n e r a t o r ) 。电路参数为： 电源相 电压 2 2 0 V r ms ／ 5 0 Hz ， 直流侧 电容 5 0 0 0 F ， 直流 侧参考 电压 8 O O V， 逆变器输出电感 0． 5 mH， 控制周期 1 O 0“S， 可控整流桥直流侧 电阻 1 ． 5 Q， 电感 2 0 mH。 图 2 有源电力滤波器仿真系统整体结构 一 ∞ u ∞ ∞ 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第7 期 电 气 传 动 El e c t r ic al Dr iv es 2 。 3 仿真结果 图3为补偿前电源电流波形及其对应频谱分析 ， 电 流波形接近方波， 总畸变率约为 2 6． 7 ％。图4为补偿后 电源 电流波形及其频谱分析 ，电流波形对称且接近正 弦， 总畸变率约为 7 ％， 谐波含量大大降低。 图3 补偿前 A相电源电流波形及其频谱 8 1 0 寓 葛S 邑 0 图 4 补偿后 A相电源电流波形及其频谱 图 5 非理想电源电压波形 非理想 电源 电压波形如图 5所示 ：电源中均含有 1 0 ％的 5次谐波和 5 ％的7次谐波， 形成非理想电压源， 其它 电路参数不变。负载电流波形及其频谱如图 6所 示， 电流总畸变率约为2 3 ％， 补偿后电源电流波形及其频 谱分析如图7所示， 电流总畸变率约为 6． 1 ％。 !∞ 搠 o 喁 & 斡j 摩 纂瓣孽 势 } 幻 ， 枷 |‘ - Ⅲ 1 ．． 膏 0 一 一 d 气 整 ： ： ： ⋯ - - ’《 ⋯ i ‘一 ● t __川 - ? l ’ 泓 图6 负载电流波形及其频谱 ( 非理想电压条件下) } ； -11 3 1I B 娩O 静 瓤 一哉 舞0 ．3 5 嚼巍静0 J 1 1 -椭 两 。 i i d _ lI 争 H { 卜 净 ； ： ； ： { — ： ～ ： ⋯ ⋯- { ⋯⋯， ； ⋯ ■ ； ： ： ⋯ ⋯； ⋯ ⋯ _ ⋯ ． ． ． i ． j ： ： t 图7 电源电流及其频谱 ( 非理想电压条件下) 3 实验系统与实验结果 开发了容量为 2 kVA 的并联型有源电力滤波器实 验装置， 主要参数如下： 电源电压 1 5 0 V／ 5 0 Hz ， 直流侧电 压 4 0 0 V， 逆变器输出电感 1 ． 2 5 mH， 控制周期 1 0 0“S ， 谐波源为三相全桥二极管整流桥 。实验结果如下图。 注： 以下波形图( 图9 图 1 2 ) 横坐标均为 1 0 ms ／格； 其中 频谱波形横坐标均为 2 0 0 Hz ／格。 图8与图9由上而下波形依次是不对称三相输入电 压( 幅值不等) 、原边 电流、原边电流频谱 。显然补偿后 的原边 电流接近正弦 ， 图 9与 图 8相 比， 5次、7次、1 1 次、1 3次及更高次谐波已消除。实验结果表明， 电网电 压存在不对称情况下， 采用该电流检测方法能很好地补 偿谐波。 图 1 0与图 1 1由上而下波形依次是对称三相交流输 人电压、原边电流、原边电流频谱。图 1 1是只补偿了 1 1 次谐波的 电流波形 ， 从频谱可 以看到 ， 5次谐波分量非 常接近零， 与图 1 1 相比， 补偿后 5次谐波明显减小。说 明该方法可以很好的补偿单次谐波 。 电 气 传 动 El e c t r i c a l D r iv e s 《 自动 化技术与应用 》2 0 1 0年第 2 9卷第 7期 图 8 三相电压 ( 上) 、补偿前电源电流 ( 中) 及其频谱 ( 下) 图9 三相电压 ( 上) 、补偿后电源电流 ( 中) 及其频谱 ( 下) 图1 0 三相电压 ( 上) 、补偿前电源 电流 ( 中) 及其频谱 ( 下) -1■ l - -’ — _ lr 1 i ． ． ． ． ⋯ I _ _ ． ． 、I ． _ ． ． ’ ’ V 。 ． Ii ●t O ^ I I●． ． ． ：． ． ． ： q _5 嘴 ： ： 势 U b鲫嘲 I ．n‘ _ l c ． 5 嘲蔷． ． ．． ： 。． ．二 ： 5 ) 晦旗 膏 ： ： ： 图 儿 三相电压 ( 上) 、补偿 5次谐波后的 电流波形 ( 中)， 频谱 ( 下) 4 结束语 本文介绍了有源滤波器的谐波电流检测方法。理 论分析 、仿真、试验结果均表明， 基于该检测方法的有 源电力滤波器在 电网电压对称情况下能够准确地补偿 非线性负载产生的谐波电流 ， 具有 良好的滤波性能， 并 且 可 以补偿 任 意次 谐 波分量 。 参考文献 ： 【 1 ]顾建军， 刘汉奎， 公茂忠， 徐殿国． 基于电源电压瞬时相 位检测的并联型有源滤波器研究【 J 】 ． 电气传动， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 2 ) ： 4 5 — 47． 【 2 】 L． L ． L A I ， W． L． C HAN． R e a l — t i me f r e q u e n c y a n d h a t — mo n i c e v a l u a t i o n u s i n g a r t i f i c i a l n e u r a l n e t wo r k s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n p o we r d e l i v e r y． 1 9 9 9 ， 1 4 ( 1 ) ： 5 2 - 5 9 ． 【 3 】叶忠明， 董伯藩， 钱照明． 谐波电流的提取方法比较 ． 电力系统自动化． 1 9 9 7 ， 2 1 ( 1 2 ) ： 2 1 - 2 4 【 4 】杨桦 ， 任震． 基于小波变换检测谐波的新方法[ J ] ． 电力系 统自动化． 1 9 9 7 ， 2 1 ， ( 1 0 ) ： 3 9 - 4 2 ． [ 5 ]郝瑞祥． 基于全数字控制的有源电力滤波器研究[ D 】 ． 博 士论文 ， 河北工业大学 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】游小杰， 李永东． V i c t o r Va l o u c h． 郝瑞祥． 并联型有源 电力滤波器在非理想电源电压下的控制[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 4 ， ( 2 ) ： 4 3 - 4 7 ． 【 7 ]罗安． 电网谐波治理和无功补偿技术及装[ M】 ． 北京： 中 国电力 出版社 ， 2 0 0 6 ． 作者简介： 孙丽敬 ( 1 9 8 1 一 ) ， 女， 硕士研究生， 主要从事新能 源 、 电 能质 量 方 面 开 发 工 作 。 ( 上接第6 8页) 参考文献： 【 1 】华北电网通信电源维护管理办法【 z 】 ．华北电力调度局． 1 9 9 7． 【 2 】 朱松然． 铅蓄电池技术[ M] ． 北京： 机械工业出版社． 2 0 0 2 ． 【 3 ]丁元杰． 单片微机原理及应用【 M】 ． 北京： 机械工业出版 社 ． 1 9 9 9 ． 作者简介： 董红政 ( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 硕士学位， 研究方向： 嵌入式 系统应用 ， R FI D技术 。