改进同步谐波检测法在有源电力滤波器中的应用.pdf

94ElectricalAutomationMeasurement&Detecting Technology测量与检测技术电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期改进同步谐波检测法在有源电力滤波器中的应用王峰，张旭隆，曹言敬（徐州工程学院完电气与控制工程学院，江苏徐州221018)摘要：谐波检测是决定有源电力滤波器工作性能的关键环节，检测结果准确与否直接影响到其补偿精度及相关性能。提出一种基于改进同步谐波检测算法，通过控制算法实现基波电流与基波正序电压同步，从而达到消除谐波的目标。采用基于对称分量法的基波正序电压提取方法，无需使用锁相环以及坐标变换，整个基波正序电压分离过程简洁快速，并且可以根据电力用户对谐波补偿的需求，实现谐波的完全谐波消除和单位功率因数补偿，并提高系统功率因数。最后通过搭建MATLAB仿真模型和试验平台对所提方法在有源滤波器中的应用进行验证。结果表明能够达到良好的补偿效果。关键词：有源电力滤波器；电网不平衡；谐波检测；改进同步法D0I:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.030中图分类号 TN713【文献标志码A1文章编号10 0 0-38 8 6(2 0 2 3)0 4-0 0 9 4-0 4Application of Improvedynchronous Harmonic Detection Method in APFWang Feng,Zhang Xulong,Cao Yanjing(School of Electrical and Control Engineering,Xuzhou University of Technology,Xuzhou Jiangsu 221018,China)Abstract:Harmonic detection is a key link in determining the performance of active power filters,and the accuracy of the detection resultsdirectly affects its compensation accuracy and related performance.An improved synchronous harmonic detection algorithm wasproposed.The fundamental current and the fundamental positive sequence voltage were synchronized through the control algorithm,soas to achieve the goal of eliminating harmonics.The fundamental positive-sequence voltage extraction method based on thesymmetrical component method was adopted,without the use of phase-locked loop and coordinate transformation,the entirefundamental positive-sequence voltage separation process was simple and fast.According to the needs of power users for harmoniccompensation,complete harmonic elimination and unit power factor compensation can be realized,and the system power factor can beimproved.Finally,the application of the proposed method in active power filter was verified by building MATLAB simulation modeland experimental platform.The results show that it can achieve well.Keywords:active power filter;unbalanced grid voltage;harmonic detection;improved synchronization method00引言电力电子技术的进步与发展为能源的高效清洁利用提供了技术保证，但同时由于电力电子装置本身存在的时变性以及非线性问题，必将导致电网电压波动、三相不平衡以及谐波污染等问题，造成电网电能质量下降。有源电力滤波器（activepowerfil-ter，A PF)作为电网谐波治理的重要装备，在现阶段电网无功补偿、电网电压稳定以及谐波治理中得到广泛应用，是一种理想的谐波治理装置2 谐波检测结果的精确与否直接影响APF的补偿效果与跟踪的快速性3。针对电网电压不平衡时APF系统谐波检测问题，国内外学者进行大量研究，得出了很多不同的研究成果与方法。文献4 提出一种改进的自适应谐波检测算法，该方法根据负载电流特性并结合最小方均差算法实现对APF谐波电流的快速检测并具有良好的稳态性能，但计算量大。文献5 提出了一种基于虚拟旋转坐标系的无功功率及谐波检测方法，该方法在提取特定次谐波时由于不需要电压锁相，可以解决电压畸变情况下的谐定稿日期：2 0 2 2-0 4-2 1基金项目：国家自然科学基金煤炭联合基金培育项目（U1610113）；教育部产学合作协同育人项目（2 0 2 10 12 2 2 0 2 3）波检测以及检测精度低的问题，但由于引人幅值和相位补偿环节，并需要进行电压和电流信号的变换，计算量大，不利于工程实现。本文利用电网为满足单位功率因数控制，系统电流会与系统电压保持同步变化的原理，提出一种基于改进同步谐波检测方法。该方法采用新的基波正序电压提取方法，不需要采样计算基波电压幅值，同时可根据补偿要求调整控制目标，在电网电压畸变时，灵活选择实现完全谐波消除的目的。由于该方法可以应用于三相不平衡电网的谐波检测与补偿，在工业生产中具有重要意义。1改进同步谐波检测原理首先，假定在三相电网不平衡系统公共连接点（pointofcom-moncoupling，PCC）的电压表达式为：V2Exnsin(not+xn)(1)eS.X式中：ex为系统公共连接点电压；x为a、b、c 三相；n为谐波次数；h为最高谐波次数；E为各次谐波电压的有效值；中为各次谐波电压的初相角。对式（1）进行正序电压提取，可以求得PCC处电压的平衡分量表达式为：ElectricalAutomation95Measurement&DetectingTechnology测量与检测技术电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期(2)sXsxnn=i式中：esxn为不平衡电压中提取出的n次电压平衡分量。在三相电网电压不平衡的APF系统中,对于谐波补偿的效果有公认的两个标准：完全谐波消除（completeharmonicelimination，CH E）和单位功率因数补偿（unitpowerfactorcompensation,UPFC）。为了有效表达网侧电压和电流之间的关系，引入电导因子G，后，其关系如式（3）所示。Gieal*CHESXh(3)G*x+UPFCeSXnsxnn=2式中：x为a,b,c三相;i为APF系统补偿后网侧电流参考值。由文献6 可知,在APF系统工作稳定后,其本身不消耗功率，根据功率守恒原理可以得出式（4）。Plad+PalG,E20(4)3nsnn=1式中：Pla为APF工作时平均功率损耗，该损耗主要用来维持系统直流侧电压稳定;Pal为APF系统中负载侧平均功率;Esn为n次谐波电压中平衡分量的有效值，当n=1,E，表示基波正序电压有效值。根据CB/T145491993电能质量公用电网谐波的要求，电网电量畸变率均应限制在合理的范围内，假定工程限定的奇、偶次谐波电流畸变率上限分别为THDiomax、T H D i ma x 定义该APF系统实际的奇、偶次谐波畸变率THD。、T H D 为：hG?E0=3,5.THD,G/EO(5)G?E2THD=e=2.seGE因此在一般情况下,THDiomax和THDiemax的选取，应满足下列ma条件：THDiostdTHD,THD,THDiostd(6)iomaxLTHDelseTHDTHDTHDiestdiestdveTHD,(7)iemaxTHD,elsetve式中：THDisd、T H D i e a d 分别为国标限制的电网电流谐波畸变率；THDro、T H D e 为实际的电压谐波畸变率。考虑APF系统工作时，电网电流谐波含量在允许范围内的极限值为：hG?ET2-GPE?THD0iomax0=3,5(8)hG?E?-G?E?THD?0一iemax可构造一个目标函数，此值为视在功率的平方值：hf=ECE2(9)snsnn=1n=1当系统带载情况一定时，求出一个系统在满足功率守恒及谐波畸变率限制条件下的最小视在功率，视在功率越小，则功率因数越高。功率最小值的求法可通过式（4）和式（8）构建拉格朗日函数求条件极值获得。hhh+LZE2G,E2PlossPavgEP-+snG.n=in=13n=1hY2G?E?-GPE.?THD+lomax=3.5.hY3GE?-CE?THD.(10)maxe=2.4对上述方程进行求解，可以得到相应的电导因子，如式（11）所示。C,=3E;(1+THDuPal+PladTHDu+THD,THDe)omaxemaTHD,G。iomaxTHDG(11)THDGiemaxGTHDve将结果代人式（3）即可求得目标电网电流，与负载电流做差并取反就可得到补偿电流指令值。该改进同步谐波检测法的原理如图1所示负载es采集非线性负载abc三相电流采集交流电网电压引入电导因子3/2坐标变换构造满足功率守恒及谐波畸变率限值条件的拉格朗白函数经低通滤波器主电路得出目标电网电流及APF补偿电流指令值2/3坐标反变换电流跟踪驱动电路控制电路图1改进同步谐波检测法框图2MATLAB仿真验证在MATLAB/Simulink环境下搭建三相三线制APF仿真模型,由参考文献7 得系统中对应的三相不平衡电压设置如式(12)所示。rea=60sin(wt)+10sin3(ot+5)+7sin5(wt-5)+3sin(7ot)eb=60sin(ot-2/3)+10sin3(wt-115)+7sin5(ot-125)+3sin7(ot+120)(12)=660sin(ot+2/3)+10sin3(ot+125)+7sin5(ot+115)+3sin7(wt-120)为了验证改进同步谐波检测算法的效果，建立基于三相三线制APF模制APF模型，仿真参数如表1所示。图2（a）为三相不平衡时电96ElectricalAutomationMeasurement&Detecting Technology测量与检测技术电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期网电压波形，图2（b）为采用本文提出的改进同步谐波检测法得出的谐波电流波形表1系统仿真参数表参数数值参数数值APF投入时间/s0.06APF输出电抗器/mH1.5直流侧母线电压/V180APF直流侧电容/F2200平波电抗器/mH0.45APF直流侧电压给定/V180不可控整流桥带负载/Q8开关频率/kHz12.580A相B相相40q0-40-8000.020.040.060.080.10t/s（a）三相不平衡电网的电压波形2010-10-208.100.110.120.130.140.150.160.170.180.190.20t/s（b）采用改进同步法检测出的谐波电流波形图2三相不平衡电网波形图图3给出了采用完全谐波消除（completeharmonicelimina-tion，CH E)时的仿真波形。从图3（a）可以看出，系统投入后，在小于一个周波的时间内（0.0 6 s）达到稳定，且补偿后的电网电流为三相对称的工频正弦电流，波形无畸变；从图3（b）和图3（c）对比可知，电网电流谐波畸变率降低，小于5%的谐波畸变率限值要求，满足补偿精度；从图3（d）可以看出，系统直流侧稳压效果良好，纹波电压很小，满足APF工作时直流侧母线电压稳定的要求。图4给出了采用单位功率因数补偿（unitpowerfactorcom-pensation，U PFC)时的系统仿真波形。在进行UPFC方式仿真时，系统设定参数不变，三相电网不平衡电压波形图与图2（a）所示波形完全相同。从图4(a)可以看出，电压和电流波形基本上保持同相位。从图4（b)可以看出，补偿后电网功率因数在0.991.00之间变化，基本满足功率因数为1的补偿标准。从图4（c）可以看出，在0.0 6 s时，一旦APF系统投人，直流侧电网电压很快稳定在18 0 V，系统脉动很小，能够满足谐波补偿快速性的要求。3试验验证为了验证本文提出的改进同步谐波检测法在有源电力滤波器中的应用，搭建了如图5所示的试验电路。该试验平台采用DSP+FPGA+CPLD的核心控制器，DSP采用德州仪器公司的TMS320F2812FPGA采用Xilinx公司XC2S200，CPLD 芯片采用XC95144。试验参数除了三相电网不平衡时线电压有效值分别选50A相B相C相252qes0-25-5000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20t/s（a）补偿前后网侧三相电流波形对比Fundamental(50 Hz)=13.87,THD=30.78%252015105山山0LL010 2030 405060 708090100Harmonic order（b）补偿前网侧电流谐波含量值Fundamental(50 Hz)=14.13,THD=3.77%1.51.00.500102030 405060708090100Harmonicorder（c）补偿后网侧电流谐波含量值180Ue之90000.060.100.150.200.25t/s（d）直流侧电压波形图3电网电压不平衡时CHE补偿仿真波形60U补偿前补偿后V/INn300-30_6000.020.040.060.080.100.120.140.16t/s（a）A 相电网电压、电流补偿前后波形1:88掌率0.950.908.080.100.120.140.160.180.20t/s（b）U PFC方式，补偿后网侧功率因数200180150之10050%0.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20t/s（c）直流侧电压波形图4电网电压不平衡时UPFC补偿仿真波形ElectricalAutomation97+XMeasurement&DetectingTechnology测量与检测技术电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期T非线性负载APFdePTAD采样电路AD采样电路PWM11电流跟踪指令信号eal控制模块计算模块一egle.图5试验电路图择90 V、6 0 V、90 V外，其他参数选取与表1参数一致。采用表1所示参数下进行试验的波形图见图6。图6（a）为三相不平衡电压波形图，三相电压的峰值分别为：A相7 3.5V;B相49 V;C相7 3.5V。图6(b)为在系统用图6(a)所示输人电压并且负载对称情况下，采用改进同步法进行谐波检测时的电流波形图，测得三相电流的峰值基本相同。经补偿后网侧电流波形有明显改善，由电压幅值不对称造成的电流幅值不对称得到校正。通过图6(c)和图6(d)对比可以看出，经补偿后的网侧电流谐波含量A相由补偿前2 1.5%的降为5.1%，B相由补偿前的33.6%降为4.9%，C相由补偿前的2 4.8%降为5.1%，相比补偿前有大幅下降，满足APF补偿精度，可见在电网电压不对称时采用改进的同步检测法检测谐波应用到APF中，能够达到良好的补偿效果。4结束语本文基于三相三线制有源滤波器补偿设备在电网三相电压存在不平衡不对称的应用条件下，针对现有谐波检测方法存在的不足之处，提出了一种改进同步谐波检测算法。该方法在进行正序电压提取时，没有使用锁相环以及坐标变换，具有计算过程简洁快速和延时小的优点；同时将该方法适用于三相电网电压不平衡的情况，并且可以根据电力用户对谐波补偿的需求，实现谐波CHE和UPFC,并尽可能提高系统功率因数。最后，通过在MAT-LAB/Simulink中搭建仿真模型并建立试验平台，对提出的算法进行验证，表明了方法的有效性。参考文献：1王峰，张旭隆，何凤有，等.基于复合模型预测控制策略的三电平APF研究J.电力系统保护与控制，2 0 14，42（11）：7 9-8 5.2 王峰，张旭隆.基于复合型自适应广义积分器三电平APF研究J.电气自动化，2 0 14，36（5）：6 2-6 4.【3杨立军，毛宇阳，杨志，等高性能谐波电流检测及控制方法J.10570350-35-70-1050.010.040.080.11t/s（a）三相不平衡的电网电压波形604530150pqes-15-30-45-600.010.040.080.11t/s（b）补偿后网侧电流波形谐波表格谐波表格8:00:42UP国0:00:17AmpL3AmpL3THDXF21533.624.8THD%f5.14.95.1H3%f6.811.79.1H3%f2.81.41.9H5%f14.529.118.7H5%f130.912H7%f1191111H7%f1.91.432H9%f4.3923.3H9%f1.41.90.6H11%f1.55.73.7H11%f0.71.10.5H13%f5.04.15.0H13%f1.00.61.2H15%f2.93.51.6H15%f120.80.707/16/1516:40:05400U50Hz38VEGS5016007/17/1516:40:38400U50Hz38UVEGS50160*PREUBACKNEXTPRIHTUSEPREUBACKHEXTPRINTUSE（c）补偿前网侧电流谐波分析（d）补偿后网侧电流谐波分析图6电网不平衡时补偿效果图电力电子技术，2 0 19，53（8）：1-3.【4张建忠，耿治，徐帅，等一种有源电力滤波器的改进自适应谐波检测算法J电工技术学报，2 0 19，34（2 0）：432 3-4333.【5魏中伟，粟忠来，杨波，等基于虚拟旋转坐标的无功功率及谐波检测方法J电力电子技术，2 0 2 0，54（8）：136-140.【6 王峰，张旭隆，纪雯.有源电力滤波器直流侧母线电压控制策略研究J电力电子技术，2 0 17，51（6）：40-42.7 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会：CB/T15543一2 0 0 8 电能质量三相电压不平衡S.北京：中国标准出版社,2 0 0 8.【作者简介】王峰（197 8 一），男，河南人，副教授，专业：电力电子与电力传动。智能提醒于行,科技关爱于心