混合有源电力滤波器的畸变电流新型检测方法.pdf

第 5 1卷第 8期 2 0 1 4年4月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r ume n t at i o n Vo 1 51 NO 8 Ap r 2 5 ， 2 01 4 混合有源电力滤波器的畸变电流新型检测方法 李圣清，曾欢悦， 栗伟周， 徐文祥 ( 湖南工业大学 电气与信息工程学院， 湖南 株洲 4 1 2 0 0 7 ) 术 摘要： 提出一种t 昆 合有源电力滤波器( H y b r i d A c t i v e P o w e r F i l t e r ， HA P F ) 畸变电流检测新方法。首先建立一个主 从结构元素选取模型，合理地选择主结构元素和每一级从结构元素的形状和长度，构造两种主从迭代滤波器 ( M a s t e 卜s l a v e I t e r a t i v e F i h e r ， M I F ) ；用基准正弦计算模块获取与电网电压正序基波分量同步的正余弦信号， 取 代了传统的锁相环( p h a s e l o c k l o o p ， P L L ) 以提高检测准确性； 正余弦信号同时作为权系数与主从迭代滤波器结 合构成广义加权形态滤波器( G e n e r a l i z e d We i g h t e d M o r p h o l o g ic a l F i l te r ， G WM F ) ， 取代传统的低通滤波器以提高 检测实时性。仿真和实验结果表明， 该方法可以快速、 准确的检测畸变电流信号。 关键词： 混合有源电力滤波器； 主从迭代滤波器 ； 结构元素 ； 广义加权形态滤波器 ； 基准正弦计算模块 中国分类号： T M9 3 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 7 5 0 5 A No v e l Di s t o r t i o n Cu r r e n t De t e c t i o n M e t h o d f o r HAP F L I S h e n g q i n g ， Z EN G Hu a n y u e ， L I W e i z h o u ， XU We n x i a n g ( C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， H u n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z h u z h o u 4 1 2 0 0 7 ， H u n a n ， C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i s p a p e r p r e s e n t s a n e w d i s t o r t i o n c u r r e n t d e t e c t i o n m e t h o d f o r h y b r i d a c t i v e p o w e r fi l t e r( H A P F ) F i r s t ， a ma s t e r - s l a v e s t r u c t u r a l e l e me n t s s e l e c t i o n mo d e l i s e s t a b l i s h e d ， i n wh i c h t h e s h a p e a n d l e n g t h o f t h e ma s t e r s t ruc t u r a l e l e me n t a n d e a c h s l a v e s t ruc t u r a l e l e me n t s a r e r a t i o n a l l y c h o s e n t o c o n s t ruc t t wo ma s t e r - s l a v e i t e r a t i v e fi l t e r s ( MI F ) T h e n t h e r e f e r e n c e s i n u s o i d a l c a l c u l a t i o n mo d u l e i s u s e d i n s t e a d o f p h a s e l o c k e d l o o p ( P L L )t o o b t a i n s i ne a n d c o s i n e s i g n a l s s y n c h r o ni z e d wi t h g r i d v o l t a g e p o s i t i v e s e q u e n c e f u n da me nt a l c o mp o n e n t t o i mpr o v e d e t e c t i o n a c c u r a c y As w e i g h t e d c o e ffic i e n t s ， t h e s e s i g n a l s a r e c o mb i n e d w i t h t wo MI F s t o e s t a b l i s h t h e g e n e r a l i z e d w e i g h t e d m o r p h o l o g i c a l fi l t e r ( G WMF ) 。 w h i c h i s u s e d i n s t e a d o f t h e l o w- p a s s fi l t e r ( U) F )t o i m p r o v e r e a l - t i me p e rf o r ma n c e S i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t r e s u l t s s h o w t h a t t h i s me t h o d c a n a c h i e v e f a s t a n d a c c u r a t e d e t e c t i o n o f d i s t o rte d c u r r e n t s i g n a l s Ke y wo r d s ： HAP F ， MI F ， s t ruc t u r a l e l e me n t s ， GWMF ， r e f e r e n c e s i n u s o i d a l c a l c u l a t i o n mo d u l e 0引 言 由于现代电力电子技术的高速发展 ， 以及大量非 线性 电气设备的投入使用 ，使电网中出现大量电压 、 电流等 电能质量问题 ， 同时 ， 随着分布式发 电等大量 间歇性和随机性很强的新能源在电网中渗透程度的 不断提高 ，电网的运行稳定性将受到极大的冲击 ， 电 能质量污染显著加剧 ， 近年来特高压 电网的发展对电 r1 能质量也提出了严格要求 。在众多电能质量调节 装置中，混合有源电力滤波器 由于其突出的优势得 到广泛的应用 ， 而其关键技术之一就是对补偿量进行 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目f 5 1 0 7 7 0 4 6 ) ； 湖南省自然科学基金资助项 目 ( 1 4 J J 2 1 1 6 ) ； 湖南省重点建设学科 项 目( 2 o r 1 7 6 ) 实时 、 准确的检测。 检测算法 以及滤波器性能的选择对检测 的有效 运行起着至关重要的作用。 文献 4 】 提出了将谐波检测 环节 中锁相环 的鉴相部分 与P a r k 变换相结合的新型 谐波检测算法，该方法不使用电压信息直接提取谐 波 ， 降低了谐波提取环节的运算量 ， 可快速 、 准确地检 测出谐波 ； 文献 5 】 提出了一种利用小波包变换和广义 形态滤波器结合 的新方法对含有强 噪声的局部放 电 信号进行去噪处理 ， 该方法能很好地保 留原信号的特 征，也能顺利的过渡到对其他信号的检测处理中； 文 献6 直接对信号进行数学形态学运算， 并借鉴小波软 阈值算法的消噪方法构建了扰动信号检测方法， 该方 法计算简单， 易于硬件实现， 但较难实现合适的阈值， 一 75 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 S l卷第 8期 2 0 1 4年4月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s ur e me n t& I ns t r u m e n t a t i o n V0I 5 1 No 8 Apr 2 5 2 01 4 有检测失效 的可能性。 本文通过主从结构元素选取模 型 ， 设计 了一种广义加权形态滤波器 ， 权系数取 自基 波正序电压的同步正余弦信号值， 用一个基准正弦计 算电路进行同步获取， 恰好取代传统方法中锁相环， 提高了检测的准确性和实时性 。 1 广义加权形态滤波器 1 1 基本运算 数学形态学是以随机集合论， 积分几何论以及递 增 映射学为理论基础建立起来 的一种非线性 图像处 理与分析方法 ， 其利用具有一定形态的“ 滤波窗” 通过 不断移动来收集信号中的有用信息， 用以分析描述信 号特征 ， 这种“ 滤波窗” 称为结构元素 。该方法对应着 两种基本运算 ， 即腐蚀和膨胀。 设厂 ( n ) 为输人信号， g ( m) 为结构元素，它们是分 别定义在定义域为 1 ， 2 ， ， 、 和G = 1 , 2 ， ， M 上的 离散函数，且有 。则用g ( m) 对厂 ( n ) 进行腐蚀运 算 ， 可定义为 ： V o g ) n ) _ in f 【 一 g ( ) ： ( 1 ) 相应 的， 用g ( m) 对厂 ( n ) 进行膨胀运算 ， 可定义为 ： ) ( s u p 一 g ( ( 2 ) 式 中 i n f N s u p 分别为取极小值与极大值运算 ， 但 由于 电力系统变量一般为一维多值离散信号， 所以可将极 小 、 极大值用最小 、 最大值代替。由式 中可看出 ， 腐蚀 和膨胀是互不可逆 的两种运算 ， 所以对它们按不同顺 序进行级联复合运算， 可得到不同的滤波效果。先腐 蚀再膨胀起到对信号“ 削峰” 的作用， 即为“ 开” ( o p e n ) 运算 ： 【 ， 。 g ) 【 ) =【 (f og ) 0 g ( n ) ( 3 ) 先膨胀再腐蚀起 到对信 号“ 填谷 ” 的作用 ， 即为 “ 闭” ( c l o s e ) 运算 ： 。 g ) ( n ) = 【 l 厂 0 g ) O g 】 ( n ) ( 4 ) 通过采用相同的结构元素 ， 对开 、 闭运算采用不 同顺序进行级联 ， 可得两种基础迭代滤波器 ： 开一 闭迭代滤波器为 ： 【 ) = V o g 。 g ( n ) ( 5 ) 闭一 开迭代滤波器为 ： 【 J = c ， g o g ) ( 凡 ) ( 6 ) 由于开运算的非扩展性和闭运算的扩展性， 导致 开一 闭滤波器的输出幅度偏小 ， 而闭一 开滤波器的输 出 幅度偏大 ， 为减弱这种输 出偏移现象 ， 将两种迭代滤 波器线性组合并取均值 ， 即得到传统的形态滤波器 ： 一 7 6 【 n J 。 ( n ) n 一 一 一一 ( 7) 1 2广义加权 形 态滤波 器 实际上 ， 形态滤波器的滤波效果的一个关键 因素 是结构元素的选取。 一种结构元素往往适合滤除一种 信号， 只有与结构元素形状和尺寸相匹配的信号才能 被检测。结构元素有扁平结构如直线型和曲线型， 非 扁平结构有圆形 ， 三角形以及多边形等。随着信号采 样频率的增加 ，结构元素尺寸应按线性规律递增 ， 而 随着干扰频率的增加 ， 结构元素尺寸反而按照线性规 律递减 ， 窄带干扰适合选取非扁平结构元素， 宽带干 扰则适于扁平结构元素， 所以应综合考虑采样频率和 干扰频率选取最优结构元素， 使滤波误差达到最小。 针对电网畸变 电流的特性 ， 此时输入信号包括基 波电流、 还有各次谐波电流以及负序、 零序电流等干 扰。传统形态滤波器由于只采用了一种结构元素， 只 对某种畸变电流有较好 的滤除效果 ， 达不到滤除所有 干扰的效果 。所 以， 本文提出一种基于主从结构元素 选取模型的广义形态滤波器。 根据基波 电流的特点 ， 采样频率为l O k H z ， 首先选 取5 5 个采样点的宽度较短的直线型结构元素作为主结 构元素，再选取6 4 个采样点的宽度稍长的余弦型结构 元素作为一级从结构元素 ，抑制主结构元素处理后波 形中出现的非奇异点 ； 二级从结构元素则选为5 个采样 点的半圆型结构 ， 半径介于其幅值的1 5 0 1 1 0 ， 以适应 变化较快的干扰。可得主从开一 闭迭代滤波器为 ： ( n ) = 。 G g 1 g 2 ) ( n ) ( 8 ) 主从闭一 开迭代滤波器为 ： ( n ) = L ， G o g t g 2 ) ( n ) ( 9 ) 式 中 G 为主结构元素 ， g ， 为从结构元素。 本文将两种主从迭代滤波器输出加权求和 ， 权系 数为基波正序电压的正余弦值 ， 相 比与传统的线性均 值组合， 使滤波实时陛更佳， 滤波误差更小， 从而输出 信号也更接近于原始信号。 1 3 权 系数计算 考虑到传统检测方法使用锁相环获得与A相 电 压同频率、 同相位的正弦信号， 而实际电网电压会存 在波动、畸变以及频率偏移等现象， A 相电压与其正 l 7 口 序分量会存在一定的相位差 ， 锁相环经常失锁 。 因 此本文提出用基准正弦计算 电路代替锁相环获取基 波正余弦信号提高检测精度。 假设三相 电压 、 电流发生畸变 ， 可通过对称分量 法分解为正序、 负序和零序分量 ， 令A 相的正 、 负、 零 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 8期 2 0 1 4年4月 2 5日 电测与仪表 El e c t r l c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r u me nt a t l o n Vo 1 5 1 NO 8 Ap r 2 5 ,2 01 4 序分量分别为 。 、 、 ， 得出： 。 1 3 ( 1 0) 2 4 竹 舸 表示电压、电流的分量 ， ： e 了 ，。 ： 。 了 ，B、 C 两相与A 相 的关系为 ： 2 1 = 0 ral ， l = 0 1 2 2 =0 2 ， 2=n 2 。 = 。 = 。 则三相分量 、 、 可表示为基波正序分量与畸 变分量的和 ： s i n + ) + + ) + F h F s in ( + ( 1 2 ) 式 中 、 、 分别为三相电压 、 电流的负序 、 零序以 及谐波分量 的总和 ，将 电压变换 到仅 B 坐标系n 。 。 ，可 c ) c 尝 、 1 一 一 2 2 0 一 2 2 上式的正余弦信号n 卜 就构成了广义加权形态 滤波器的两个权系数。 广义加权形态滤波器的原理图 如图1 所示。 图1 广义加权形态滤波器结构框 图 F i g 1 Bl o c k di a g r a m o f GW MF 图中 ( n ) 为输入信号 ； ( r t ) ， X ， ( n ) 分别为经 开一 闭 ， 闭一 开滤波器处理后 的信号 ； r ( n ) 为加权后 的 输出信号； 5 ( ) 则为原始参考信号。 2 畸变电流检测 将本文设计的广义加权形态滤波器代替传统的 基 于瞬时无 功功率理论的 检测方法 中的低通滤 波器， 其权系数的选取来 自 基准正弦计算模块则取代 了锁相环 电路 ，电流经过广义加权形态滤波器处理 后， 畸变交流分量被滤除， 再将剩余的直流量经过d q 反变换和仅 B 反变换 ， 与负载 电流相减 ， 即得 出本文所 要检测的畸变电流 ， 检测框图如图2 所示 。 图2 畸变电流检测框 图 ( 1 4 ) F i g 2 B1 。 c k d i a g r a m 。 f di s t 。 r t e d c uI T e n t d e t e c t i 。 n 图中： 将 e B 滞 后9 0 。 ， 进一 步得 e ， e B 的 基波正序 分量 可 f 。 ( + ： ) 表 示 为： C 堂 f + ： s in ； 由此得到A 相 电压的基波正序正余弦分量为 ： fsin ( + ) = 二 二 一 j ) ) 1 0、) + 。 。 + l十 ) = I 、 ( e 二 ) + ( e ) ( 1 7 ) 本 文建 立 了H A P F的MA T L A B 整 体 仿 真模 型 。 HA P F 为一3 8 0 v 1 0 0 k v A 滤波器系统 ；其直流侧 电容 大小为5 0 0 0 x F ；有源电力滤波器交流侧L c 输出支路 参数为L = 5 mH、 C = 1 0 5 2 1x F；负载交流侧系统平波 电 抗为， J ： = 2 m H； 其中负载为整流桥带阻感负载， 电阻为 1 0 Q， 而电感为l mH。 一 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 8期 2 0 1 4年4月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt I ns t r u m e n t a t i o n VoI 5 1 NO 8 Apr 2 5 , 2 0 1 4 对本文所提 出的广义加权形态滤波器 ， 其滤波器 特性如图3 所示 ，该滤波器对基波分量衰减和相移几 乎零 ， 而对谐波有大幅度衰减 ， 起到很好的低通滤波 效果。 1 0 l F r e q u e n c y ( r a d d s e c ) ( a ) 幅频特性曲线 F r e q u e n c y ( r a d s e c ) ( b ) 相频特性 曲线 图3 广义加权形态滤波器滤波特性 Fi g 3 Fi l t e r c h a r a c t e r i s t i c s o f GW MF 图4 为补偿前负载电流波形和电流频谱图，负载 电流波形严重畸变 ， 谐波含量高达2 4 0 9 ， 远达不 到 国家电能质量的标准；图5 则分别为采用传统方法和 本文方法得到 的补偿后的三相负载电流及其电流频 谱 图， 可看出使用传统方法得 出的补偿后电流波形含 有 明显毛刺 ， 谐波畸变率有5 3 0 ， 而使用本文方法得 出的补偿后 电流波形则近似于正弦波 ， 且谐波畸变率 只有3 0 5 ， 从而验证了本文方法 的有效性 。 3 2实验分析 为验证本文检测方法的有效性 ，在某企业HA P F 上 进行了实验。图6 为实测的网侧A 相电流波形( 2 0 Md i v ) ， T H D分 J rJ 2 6 ， 4 5 ， 4 ， 由此可知， 本文检测方法较传 t s ( a ) 补偿前负载 电流波形 F u n d a me n t a l ( 5 O H z ) = 2 8 5 6 ， T HD= 2 4 0 9 ： l I l 。 0 2 0 0 40 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 ( b ) A 相 电流频谱 图 图4 补偿前 负载电流波形及A 相频谱 图 F i g 4 Cu r v e o f l o a d c ur r e n t a n d i t s s p e c t r a l f i g u r e o f p h a s e A b e f o r e b e i ng c o mp e n s a t e d 一 78一 t s ( a ) 传统方法补偿后电流波形 Fr e qu e n c y Hz ( h ) 传统方法 A相频谱图 l ( c ) 本文方法补偿后电流波形 Fr e q u e n c y Hz ( d ) 本文方法 A相频谱图 图 5 补偿后 负载 电流波形及 A相频谱 图 F i g 5 Cur v e o f l o a d c u r r e n t a n d i t s s p e c t r a l f i g u r e o f p h a s e A a f t e r b e i n g c o mp e n s a t e d ( a ) 补偿前 网侧电流波形 ( b ) 传统方法 补偿后 电流波形 ( c ) 本文方法补偿后 电流波形 图6 补偿前后 网侧 电流波形 F i g 6 C u rve s o f s y s t e m c u r r e n t b e f o r e& a f t e r be i n g c o mpe ns a t e d 统检测方法能取的更好补偿效果 ， 验证了其有效性。 4 结束语 针对HA P F 的传统检测方法存在延时和误差的问 加 m 5 O ( 1 口 罩 暑 t l 堪 芷 摹 0 加 m 5 O a l 暑 l l 基 p t l n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m