Park变换在有源电力滤波器电压谐波检测中的应用.pdf

2 0 1 0年笫 5期 r = 业仪表 与 自动化装置 6 3 P a r k变 换 在 有 源 电力滤 波器 电压谐 波检 测 中的应 用 缑新科 ， 尹发根 ， 郭永忠 ， 肖玺 ( 1 兰州理 工大学 电气与信 息工程学院， 兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 宜春学院 理工学院， 江西 宜春 3 3 6 0 0 0 ) 摘要 ： 谐波检测的准确与快速决定了有源电力滤波器的补偿效果， 阐述 了 P a r k变换 的基本思 想与运 算规 律。 以 电压 谐 波 为研 究对 象， 采 用 了基 于 P a r k变化 的检 测方 法 ， 设 计 了谐 波检 测过 程 中的低通滤波器。用 M u h i s i m仿真软件对这种检测方法进行 了仿真， 仿真结果表明该 方法的准确 性、 快速性能够满足要 求， 具有一定的合理性。 关键词： P a r k变换 ； 谐波检测； 有源电力滤波器，o M u h i s i m仿真 中图分类号： T M 9 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 6 3 0 3 Th e a p pl i c a t i o n o f Pa r k t r a n s f o r m a t i o n i n v o l t a g e h a r mo n i c wa v e de t e c t i o n o f a c t i v e po we r fil t e r GOU Xi nk e ，Y1 N Fa g en 一，GUO Yo n g z ho n g ， XI AO Xi ( 1 C o l l e g e o f E l e c t r ic a l a n d h r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u U n i v e r s i t y of S c i e n c e a ll d T e c h n o l o g y ， l mz h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ； 2 Y i c h u n U n i v e r s i ty， J i a n g x i Y i c h u n 3 3 6 0 0 0 ， C h i n a) Abs t r a c t： Th e c o mp e n s a t i o n e f f e c t o f a c t i v e p o we r fil t e r i s d e t e r mi n e d b y t h e a c c ur a c y a nd r a p i di t y o f h a r mo n i c wa v e d e t e c t i o nBa s i c i d e a a n d a r i t h me t i c r n l e s o f P a r k t r a n s f o r ma t i o n i s i l l u s t r a t e d De t e e t i o n me t h o d b a s e d o n Pa r k t r a n s f o r ma t i o n i s a p pl i e d t o a n a l y z e t h e h a r mo n i c wa v e o f v o l t a g e s i g n a l ，l o w p a s s fi l t e r i s d e s i g n e d f o r t h e de t e c t i o n p r o c e s s Th i s d e t e c t i o n me t h o d i s s i mu l a t e d b y Mu hi s i m s i mu l a t i o n s o f t wa r e a n d r e s u l t S H O WS t h e a c c u r a c y a n d r a p i di t y c a n me e t t he d e ma n d a n d i s r e a s o n a b l e a s we l 1 Ke y wor d s： Pa r k t r a i l s f o r ma t i o n；h a r mo ni c wa v e de t e c t i o n；a c t i v e p o we r fil t e r ；Mu hi s i m s i mu l a t i o n 0引言 1 P a r k变换 的基本 思想 在有源电力滤波器的研究 中， 谐波检测是一 个 极其关键的问题 ， 只有先检测出各次谐波 ， 才能产生 相应的补偿量， 对系统进行补偿。所以， 正确检测出 谐波 ， 是决定补偿效果 的重要环节。现有 的谐波检 测方法有很多 ， 例如傅立 叶分析法 、 同步测定法 、 自 适应检测法 、 瞬时空间向量法 、 小波变换检测法等。 基于瞬时无功功率理论 的 P a r k检测法 由于无须对 相电压进行锁相 ， 此避免 了由此带来 的检测误 差 ， 而且可在电网电压不对称的情况下精确地检测 出畸变波形 ， 所以该方法十分适合于i相有源电力 滤波器的谐波检测- ， 。 收稿 日期 ： 2 0 1 O - 0 2 0 8 作者 简介 ： 缑新科 ( 1 9 6 6 ) ， 男 ， 什肃天水 人， 教授 ， 硕士生导 帅 从事振动控制和 电力系统稳定的研 究。 P a r k ( d q ) 变换 ， 是一种将参考 坐标 自旋转 电 机的定子侧转移到转子侧 的坐标变换。假设旋转电 机定子 a b c j相绕组在空 间上互 差 1 2 0 。 作 正弦分 布， 转子 d轴 、 q轴绕组通以直流电流， 所产生的磁 场沿气隙作正弦分布。则定子绕组通以平衡的 相 交流电流所产生 的旋转磁场 ， 与定子绕组通 以直流 电流并 以同步角频率顺相序旋转所产生的旋转磁场 有相同的效应 。其 中 相当于定子 三相基波有 功电流的作用 ， 而 相当于定 子i相基波无功电流 的作用 ， 这就是 d q变换 的基本思路 。文 中将 电压 谐波作为检测对象 ， 采用 三相四线制电路结构 ， 进行 分析和仿真。由于电路结构为 三相四线制 ， 所 以电 路中可能产生零序电流 ， 所以该变换加入 0轴 ， 即 d q - O变 换 。 6 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 0年第 5期 根据 P a r k变换 的基本思想最终可以得 到标 准 变换矩阵方程式 ： ， 2叮 T 、 。 ( t o t - z ) ， 2 IT 、 一 ”( 一T) 1 , 2 c o s ( ) - s i n ( + ) j l 2 P a r k变换在 电压谐波检测 中的应用 2 1 d - q 一 0电压检测法原理 P a r k ( d q 一 0 ) 变换运算有如下规律 ： ( a b c ) 系统 中的第 1t次正序分量将变换成 d q系统中的第 n 一 1 次分量 ， 而第 n次负序分量将变换成第 + 1次分 量 ， 只有( a b c ) 系统中的基波正序分量通过变换才变 换成 d q系统 中的直 流分量 。d q 一 0检测法原 理如图 1所示。 图 1 d q 一 0电压 检 测 法 的原 理 图 1中 、 M 6 、 u 为三相输入电压 ， u a f , M h i , M 为 计算基波输 出电压 ， 它们 之差 即为 三相谐波 电压 “ 扪 “ 。由于变换后 的信号与原信号频率相差 一 个基波频率 ， 所以若信号为典型的三相特征谐波 1 t h ( 基波 ) 、 5 t h 、 7 t h等 ， 则分别对应于 d q 一 0坐标 系 中的直流 、 4 t h 、 6 t h等。低通滤波器滤除所有交流谐 波后 ， 其直流成分通过 d - q反变换 ( C ) 即可得到基 波 电压 。 2 2 低 通滤 波器 ( L P F) 的设计 低通滤波器( L P F ) 是一个通过低频信号而抑制 高频信号的部件 ， 在 d q 一 0电压检测法中， L P F的 设计相 当重要 ， 如果设计不好 ， 就无法将谐波滤除干 净 ， 导致检 测失 败。最 常用 的可实现 的滤波器 有 B u t t e r w o r t h滤波器 、 C h e b y s h e v滤波器和 B e s s e l 滤波 器 。B u t t e r w o r t h也称 w a g n e r 低通滤波器 ， 通带 内响 应最为平坦 ， 且具有 良好的线性相位特性优点 ， 又由 于它对构成滤波器的元件 Q值要求较低 ， 易于达到 设计性能 ， 所 以文中采用 B u t t e r w o r t h二阶低通滤波 器 。 在求取滤波器 的元件参数值 时， 一般依据归一 化 L P F设计数据 ， 通过简单计算求得， 具体步骤如 下 ： 待设计滤波器的截止频率 ” 一基准滤波器的截止频率 待设计滤波器的特征阻抗 “一 基准滤波器的特征阻抗 ， J ( w) = L ( O L D)一 x K ，C ( =丽C ( o L m ，基 准滤 波器 的 截止频率为 H z ， 基准滤波器 的特征阻抗为 1 Q， 基准 电感 L ( 0 I _ ) 1 =1 4 1 4 2 l H， 基准 电容 C f o L D ) = 1 41 4 21 F E 3实验及仿真 为了验证 d q - 0检测法在谐波检测 中的准确 性 ， 根据该检测法的原理构建数学模 型进 行仿真。 设 相基 波 电压 为 ： 2 2 0 s i n ( to t ) 2 2 0 s in ( ) 2 2 0 s in ) 叠加谐波电压为 ： 5 sin ( 2 t+ 1 可 ) + 8 s in ( 3 + l41 竹 ) + 8 s in ( 4 + 了2 ) + 2 s in ( 5 抖 了 1 ) + 0 s in ( 6 H ) 5 s in ( 2 + ) + 8 s in 3 + 8 s in ( 4 一 ) + 1 2 s in ( 5 + ) + in c 6 t 5 s in ( 2 一 ) + 1 8 s in c 3 + 8 s in ( 4 十 ) + 1 2 s in ( 5 一 ) + 1 0 s in ( 6 所以输入 电压 M =M ， + ， 其 中 to=1 0 0 ,r r 。在滤 波器参数的选择上 ， 由于只希望直流电压通过， 所以 可以采用 L P F归一化设计方法中的基准参数 ， 即电 感 = 1 4 1 4 2 1 H， 电容 C=1 4 1 4 2 1 F ， 根据上述参 数用 Mu l t i s i m仿真软件进行仿真 ， 得到 的仿真图形 见 图 2图 4 。 = 、 n b c M ， 。 。 C = 、 d q 0 ， ， 。 J 曲 U ： 中 其 l 1 _己 一 l l l C 2 0 1 0年第 5期 工业仪表与 自动化装置 6 5 趟 逝 蟮 幽 洫 嚣 潲 嚣 t | s 图 2 A相输 入电压波形 j f ： j V 0 1 20 2 40 3 6 0 4 8 o 6 0 0 m t 囹 3 A相给定谐波与实际检测谐波波形 图 4 A相 给定 基波与实际检 测基 波波形 通过图 2图 4可以看到 ， 输入 电压畸变 比较 严重 ， 给定的谐波、 基波与实际检测 出的谐波 、 基波 波形无论是在幅值还是相位上都重合 的比较好 ， 由 此可以知道 ， d - q 一 0检测法在电力谐波 的检测中能 够 比较准确地检测出谐波， 具有很大的应用价值。 4结论 通过对 P a r k变换 基本思想的 阐述 ， 将 P a r k变 换应用到电压谐波检测中。利用 Mu h i s i m软件搭建 电路仿真图， 仿真结果表明 d q 一 0电压检测法能准 确 、 快速地检测出电压谐波， 为有源电力滤波器的研 发提供了 良好的基础 。 参考文献 ： 1 杨柳 ， 孙建 军 ， 刘 会金 ， 等 基 于 d - q变换 的三相 不对 称系统 任 意 次 谐 波 电 流 的 检 测 方 法 J 继 电 器 ， 2 0 0 4， 3 2 ( 2 4) ： 2 2 2 4 2 勾松波 ， 王震 ， 刘伟波 基于 d - q变换 的有源滤 波器并 联运行 分析 J 电力 自动化 设 备， 2 0 0 8 ， 2 8( 3 ) ： 4 6 4 8 3 郝瑞祥 ， 傅 仲 文 ， 程 志 光 ， 等 用 于谐波 电流检 测 的新 型同步检测法 J 电气传动， 2 0 0 5 ， 2 3 5 ( 1 ) ： 3 8 3 9 4 李钟慎 ， 洪 健 基 于改进 型 B u t t e r w o r t h传 递 函数 的高 阶低通滤波器的有源设计 J 电子测量 与仪器学报 ， 2 0 0 8 ， 2 2 ( 1 ) ： 5 2 5 5 5 徐金富， 张振环， 王建勋 ， 等 一种改进的任意次谐波 电流检测 方法 J 电力 电容 器与 无功 补偿 ， 2 0 0 8 ， 2 9 f 4)： 2 9 3 1 ( 上接第 2 3页) 4 结论 图4 仿真曲线 该控制系统 已在哈市某换热器厂的翅片管生产 线中得到 了应用 ， 控制效果 良好 ， 缩短 了调试 时间， 大大减少了压带轮的磨损 ， 提高了翅片管的焊接质 量。同时可根据不 同的生产需要进行修改 ， 且修改 参数容易 ， 不需增加硬件设备 。 参考文献 ： 1 黄靖 同 高频焊螺旋翅 片管 的制 造及在 石化工业 中 的 应用 J 广州 化T ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 3 ) ： 5 6 5 8 2 林维 勇 S A 3 3 5 P 9 1管 对 0 C r l 3钢带 螺旋 翅 片管 的高 频焊接研究 J 电焊机 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 1 3 1 7 3 N K a n a g a r a j ， P S i v a s h a n m u g a m， S P a r a n l a s i v a m A f u z z Y l o g i c b a s e d s u p e r v i s o r y h i e r a r c h i c a l c o n t r o l s c h e me f o r r e a l t i m e p r e s s u r e c o n t m l J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A u t o m a t i o n a n d C o mp u t i n g ， 2 0 0 9 ， 6 ( 1 ) ： 8 8 - 9 6 4 陈峦， 李显西 基于变结构模糊控制器的钢轨闪光焊 电源 的设计 J 装备制造技术 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 2 0 2 4 5 诸静 模糊控制原理与应用 M 北京： 机械工业出版 社 ，2 0 0 5 0 3 7 0 7 3 O 鲫