有源电力滤波器的谐波检测研究
2022-04-17
来源:二三四教育网
第33卷第5期 电力电容器与无功补偿 Power Capacitor&Reactive Power Compensation 2012年10月 Vo1.33 No.5 Oct.2012 有源电力滤波器的谐波检测研究 袁浩悦,曹以龙 (上海电力学院电力与自动化T程学院,上海200090) 摘 要:目前电网的谐波污染越来越严重,有源电力滤波器由于能实时抑制谐波,所以得到外 界广泛关注。谐波电流检测的好坏对有源电力滤波器的性能有很大的影响,所以,本文就目前 的几种谐波检测方法:基于傅里叶变换、基于瞬时无功功率理论、基于同步参考坐标系原理、基 于频域分析的模拟带通或者带阻、基于采样保持原理、基于Fryze时域分析、基于小波变换、基 于Prony/Kalman估计、基于神经网络的谐波检测法/自适应滤波理论谐波检测法进行了概括 和比较分析。 关键词:谐波检测;有源电力滤波器;电能质量 中图分类号:TM72 TN713 .8文献标识码:A文章编号:1674—1757(2012)05-0017-06 Research on HarnloniC Detection Of ACtive Power Filter YUAN Hao・yue,CAO Yi—long (School of Electirc Power and Automation Engineering, Shanghai University of Electirc Power,Shanghai 200090,China) Abstract:The current harmonic pollution is increasingly serious and active power filter get the out— side world wide concern due to its real—time harmonic suppression.The quality of harmonic current detection has a great influence on the active power filter.In this article,the present several kinds of harmonic detection methods based on Fourier transformation,transient reactive power theory,syn- chronous reference coordinate system theory, ̄equency domain analysis based on analog bandpass or bandstop,the sample and holding principle,Fryze time domain analysis,wavelet transformation, Prony/Kalman estimation,neural networks/adaptive filtering theory are summarized,compared and analyzed. Keywords:harmonic detection;active power filter;power quality 0 引言 随着现在各种非线性设备的大规模应用,其 负面影响日渐突出。电网中被注入了大量的谐波 和次谐波,导致电网中的电压和电流波形严重失 真,有源电力滤波器由于能实时抑制谐波,所以得 到外界广泛关注。它能对不规则的谐波进行实时 的跟踪补偿,电流补偿的给定值为谐波电流的检 决于谐波电流检测方法的精确性和快速性,电流 补偿的稳态精度与谐波检测方法的精确性有关, 电流补偿的动态响应速度对谐波检测方法的快速 性要求很高¨ 。本文主要对目前工程上常用的 几种谐波检测方法进行了着重介绍。 1谐波电流检测方法 1.1 基于傅里叶变换的谐波检测方法 1.1.1传统的傅里叶变换(DFT) 测值。有源电力滤波器的性能好坏很大一部分取 收稿日期:2012-05-22 由于该方法的原理是通过DFF将检测到的一 ・17・ 2012年第5期 电力电容器与无功补偿 2 ,11-cos ・第33卷 个完整周期的谐波信号进行计算的,所以被检测的 电流波形必须是周期变化的,不然结果误差会很大。 DFT法的优点是可以任意选择某次谐波进行 消除,不需要同步锁相环,由于知道负载电流基波 sa(n)+sin 2 'IT・.s (n)+ (n+1)一 ( 一 }+1)=S (n+1) 2 'ITc。s・分量与电网电压基波分量的相位关系,所以它还 能求出负载电流的基波有功和无功电流。它的缺 点是计算量很大,受电网波形畸变影响严重,只能 Sa(n)一sin2 ,w・Sb( )=s ( +1) 该方法的理论依据在于正弦波形的特性: ^, 检测整数次谐波,对间谐波(非整数次谐波)的检 测必须依靠其他方法如S变换、Prony谱线估计 等,而且它必须要有一个完整的周期才能开始计 算,所以动态响应至少延时1个周期 J。 1.1.2滑窗迭代傅里叶变换(RDFT) 由于DFT有一个将Ⅳ个数进行叠加的过程, (r/,一Ⅳ+1)=一 (n一 }+1)。 二 它比RDFT更进了一步,将动态响应时间减 少到了半个周期,计算量与RDFT相同_4j。 几种对傅里叶变换的改进都使它的性能得 到了大大改善,但是作为以傅里叶变换为基础 的检测方法,它的一些缺点还是没有得到 解决。 所以相邻两个DYF计算有N一1个重复累加的部 分,所以只需要计算新的采样点,其他N—1个数据 保持不变,使得计算量大幅减少。其公式如下-3 J: ,, Ntur—N 1.2基于瞬时无功功率理论的检测方法 该理论是以瞬时有功功率P和瞬时无功功率 g的定义为基础,即为pq理论,该方法受电网波 形畸变影响严重,所以很少应用于实际工程中。 后来发展为i:i。法,它原理简单,动态响应速度 A = {二 (打)eos(衙)-x((』vt -N) ̄-]・ 』T ttu COS[ (N 一N)下]+ (Ⅳf ,r)COS(o)Nt )) ’ ⅣtIIr—I1f B = {.』'㈤三x(i'r)sin(to/ ̄')一 [(^‘ -N)z]・ ml一。 快,不受电网波形畸变影响,计算量小,可以进行 谐波与无功功率的分别检测,所以目前很多APF sin[to( -N),r]+ (Ⅳ Ⅲ下)sin(似『v 丁)) 该方法建立在傅里叶变换的基础上,其优缺 点与Dlrl"基本相同,唯一改进的地方在于引入了 滑窗迭代法,使得计算量大大降低,降低了谐波检 测时间,提高了有源滤波器的效率。 1.1.3 新型滑窗迭代傅里叶变换 产品都是使用这种方法 j。 1.2.1 一 谐波检测法 图1为ip-i。谐波检测法的原理图,通过各种 变换将负载电流转换为有功电流i。和无功电流 i ,经过低通滤波器得到基波对应的直流分量,然 后通过反变换得到各相基波,跟负载各相电流相 减,即为各相谐波 _10]。 新型滑窗迭代傅里叶变换引入了一个新的迭 代公式 : 图1 ip-i 谐波检测法原理图 Fig・1 Principle diagram of ip-iq harmonic detection ・18・ 2012年第5期 ・无功补偿・ 袁浩悦,等有源电力滤波器的谐波检测研究 (总第143期) 1.2.2 电流平均值谐波检测法 一 。法需要两个低通滤波器来把交流部分滤 除,直流部分进行反变换即为基波部分了,由于交 流部分电流值在一个周期内相加之和是为零的, 所以我们可以把一周期内的采样值求和再除以一 周期的采样点数,这样得出的结果就是直流部分 的电流值,再通过反变换就能求出基波值了。电 流平均法的好处在于省去了两个低通滤波器,而 低通滤波器的质量直接影响了谐波检测的精度, 从而影响整个有源滤波器的性能,所以电流平均 值法直接改善了有源滤波器的性能¨ 。 在simulink里创建一个电流平均值模块用来 替代两个低通滤波器模块,该模块由积分模块、时 间延迟模块和增益模块构成,如图2所示 图2电流平均值模块 Fig.2 Module of average current 1.3基于同步参考坐标系原理的谐波检测法 同步参考坐标系法又称为dq法,负载电流由 a.b.C坐标系转变为旋转坐标系d-q上,通过d-q 变换,正序的分量在d-q坐标系上的谐波次数将 减一,而负序分量则加一。由此可见基波分量变 换到d-q坐标系上则变为直流分量,所以通常使 用两个低通滤波器将直流滤除,然后将剩余部分 进行d—q反变换得到的波形与负载波形相减即为 各相谐波。 dq法中的低通滤波器同样可以用电流平均 值法代替,但是使用低通滤波器存在响应速度慢 和滤波不彻底的问题,而平均法虽然滤波彻底且 响应速度快,但当频率波动时将出现检测误差,所 以该方法只适用于三相系统,不适用于单相系统 和次谐波的检测。该方法在实际工程中得到了广 泛的应用¨ 。 dq法与ip-i。法的检测效果经过验证结果基 本相同,同样不受电压波形畸变影响,而且经过公 式推导,两者实质是相同的,只是变换矩阵不同。 1.4 基于频域分析的模拟带通/带阻滤波器检 测法 该方法是最早被采用的谐波检测方法,它是 用于分离被测信号中指定的某一频率分量,是用 模拟的方法实现频域分析的一种方法,该方法电 路结构简单,成本低,容易实现,而且输出阻抗低。 但是这种检测方法有很多缺点:幅频相频特 性不理想,中心频率对元件参数的设定十分敏感, 受外界环境的影响比较大,检测的精度受电网频 率波动影响也很大,而且该方法无法将基波有功 和无功区分开来,因此该方法目前基本已经被淘 汰了[18-19]。 1.5基于采样保持原理的谐波电流检测法 采样保持原理顾名思义需要经过输入采样和 保持电路得到基波瞬时值相应的数字信号,基波 瞬时值由带通滤波器获得。采样保持电路与相电 压峰值同步,获得的直流信号与电流有功分量幅 值成正比。另外两相的直流信号可以用同样的方 法获得。根据负载的有功功率,对这三相直流信 号进行平均,平均后的直流信号与3个对称的正 弦参考波形相乘,可以获得各相对称基波有功电 流,然后与负载电流相减得到了所需的补偿电 流值。 该方法得到的检测电路既可以用于谐波抑 制、补偿功率因数,又可以平衡系统三相功率,计 算量小、原理简单,但对电路元件精度要求较高, 调整较为困难 。 1.6基于Fryze时域分析的有功电流检测方法 该方法的基本原理是将负载电流分解为两部 分:一部分是与电网电压波形一致的电流分量,称 为有功电流分量;另外一部分为负载电流与有功 电流的差值,包含基波无功分量和谐波分量,称为 广义无功电流分量。 基于对称三相电路功率定义的Fryze方法受 电源结构的影响,计算结果与瞬时无功功率理论 的结果相同,与瞬时无功功率理论相比,它没有 3/2变换,计算量相对较少。但是该理论仍是基 于平均功率之上,所以需要计算整个周期的功率, 所以该方法有一个周期的延时。除此之外,Fryze 功率定义的方法只能计算出谐波与无功电流总 和,而无法分别确定它们的大小,所以只有全补偿 ・19・ 2012年第5期 电力电容器与无功补偿 第33卷 的场合能用到该方法u22彩J。 该方法经过后来的改进,形成了现在的FBD 法,FBD法的基本思想是:把实际电路中的各相 这两种方法由于计算量大,算法复杂,所以难 以应用到APF中,但是由于它们的检测精度比较 高,所以可以跟F兀'一样用于电能质量分析中。 1.9基于神经网络谐波检测法/自适应滤波理论 谐波检测法 负载等效为串联在各相的等值电导,电路中的功 率都消耗在这个等值电导上,没有其他的能量损 失。根据等效电导对电流分解,可以计算出需要 补偿的电流分量。该方法经过验证与ip-i。法的 检测效果是一致的。而且与Fryze法相比FBD法 不受电压畸变的影响,所以比Fryze法有了很大 的提高 j。 1.7基于小波变换谐波检测法 神经网络与自适应滤波技术均具有自我学习 能力,不受电压畸变、频率变化等因素的影响。而 且具有较高稳态精度和动态响应性能。神经网络 计算量还少,实时性非常好。 但是传统的自适应方法需要大量的时间来训 练样本,这就使得该方法难以满足实时的要求。 小波变换发展了短时傅里叶变换局部化的思 想,而且它可以随着频率的变化调整窗口大小,可 神经网络法的精度对样本有很大的依赖性,目前 还没有规范的神经网络构造方法,如何确定样本 数也没有一个确定的规范,所以这两种方法目前 都很难应用于实际工程中[30-31]。 以对信号在时间频域都精确定位,所以它不仅适 用于稳态信号的研究,也适用于时变信号的研究。 由于小波变换是利用频带的方式处理频域信号 的,所以信号的少量波动对处理结果不会产生多 少影响,而且不需要进行周期采样。 但是由于小波变换在谐波检测应用中尚处于 初级阶段,很多方面没有完善,比如最佳小波基的 选取没有一种系统的规范,很难构造分频严格、能 2 结论 本文对目前主要的谐波检测方法进行了总 结,对各种方法的优缺点和适用范围进行了大概 的描述。傅里叶变换是目前测量仪器中广泛应用 的理论依据,神经网络法和小波比较适用于谐波 测量,实时性不好,仍在改进中。瞬时无功功率法 和dq法是目前工程中广泛应用的两种方法,实时 量集中的小波函数,所以测量精度难以得到改善, 所以无法完全取代傅里叶变换 。 目前有种方法是将小波变换与傅里叶变换相 结合,结合了两种方法的优点,检测效果精确性得 性好,计算量也很小。其他方法都有各自的优缺 点,应用于不同的场合,在此不一一说明。 到了提高,但是由于计算量的增加,所以难以得到 工程上的应用 。 笔者认为,广泛应用的几种传统方法由于算 法的局限性,很难有大的提高,目前谐波检测法的 发展方向应该是对新方法的改进,比如神经网络 法,对神经网络构造方法制定一个可行的规范,改 善它的实时性等等,使它能应用于APF中,诸如 此类,用于提高APF的电流补偿性能、提高电网 的电能质量,更好地为国家建设服务。 参考文献 [1]王兆安,杨君.谐波抑制和无功功率补偿(第二版) 1.8基于Prony/Kalman估计的谐波检测法 Prony计算的复杂度比ROrr要大一些,不过 小于F丌。Prony谱线估计算法对幅值和相位的 估计精度也明显高于RDFT算法。但该算法对噪 声很敏感,构造样本函数矩阵计算量也偏大。同 DFT方法一样,Prony方法的动态响应时间为一个 周期 引。 Kalman算法是根据前一个观测数据和最近 一个观测数据,利用状态方程和递推方法对当前 [M].北京:机械工业出版社,2006. [2]刘开培,张俊敏.基于DFT的瞬时谐波检测方法[J]. 电力自动化设备,2003,23(3):8—10. LIU Kai-pei,ZHANG Jun—rain.Instantaneous harmonic 过程状态进行实时估计的。它的动态响应时间与 RDFT算法一样,为半个周期,而且检测精度与 RDFF也相同。但是它对参数的选取要求比较 高,参数选取不当会产生很大的误差,而且它的计 算量比较大,所以很少在工程中被应用 。 ・detection based on DFT[J].Electric Power Automation Equipment,2003,23(3):8—10. [3]郁祠;琳,徐永海,刘晓博.滑窗迭代DF'I"的谐波电流检 20・ 2012年第5期 ・无功补偿・ 袁浩悦,等有源电力滤波器的谐波检测研究 (总第143期) 测方法[J].电力系统保护与控制,2011,39(13): 78.82. [11]李鹏,高金峰,刘绍峰.电流平均值检测法SIMULINK 仿真研究[J].微计算机信息,2004,20(8):43 . LI Peng,GAO Jin-feng,LIU Shao—feng.Simulation stud— Y in current—average harmonic detecting approach using YU Yi-lin.XU Yong—ha1.LIU Xiao—bo.Study of harmonic current detection based on sliding・・window iterative algo—・ rithm of DFT[J].Power System Protection and Control, 2011,39(13):78-82. simulink[J].Control&Automation,2004,20(8): 4344. [4]刘聪,戴珂,张树全,等.RDFT算法在有源电力滤波 器中的应用[J].电力自动化设备,2011,31(7): [12]王群,姚为正,王兆安.低通滤波器对谐波检测电路 的影响[J].西安交通大学学报,1999,33(4):5-8. 96.100. LIU Cong,DAI Ke,ZHANG Shu—quan,et a1.Application ofRDFr algorithm in active filtersf J].Electirc Power Automation Equipment,2011,31(7):96—100. [5]AKAGI H.AKAGI.New ̄ends in active filters for pow— er conditioning[J].Industry Applications,IEEE Trans. actions on,1996,32(6):1312—1322. [6]粟时平,郑龙,吕振梅,等.一种基于三相电压畸变的 p-q电流检测法[J].长沙理丁大学学报(自然科学 版),2008,5(1):53-56. SU Shi—ping,ZHENG Long,LV Zhen—mei,et a1.A p-q current detection method based on three—phase voltage distortion[J].Journal of Changsha Univesrity of Science &Technology(Natural Science),2008,5(1):53-56. [7]张金斗,张勇,程新功.三相四线制系统谐波检测p-q一 0法的研究[J].继电器,2006,34(20):53-56. ZHANG Jin—dou,ZHANG Yong,CHENG Xin—gong. Three--phase four--iwre system harmonies detection by the p-q-O method[J].Relay,2006,34(20):53-56. [8]李东旭.基于DSP三相四线制有源电力滤波的研究 [J].电力科学与T程,2010,26(6):11-14. LI Dong-xu.Research on 3-phase 4・wire active power fil- ter based on DSP[J].Electirc Power Science and Engi— neering,2010,26(6):11—14. [9]张耀文,刘海.基于ip-i。算法的DSP电力谐波检测仪 的设计[J].中国仪器仪表,2007(1):53-56. ZHANG Yao-wen,LIU Hai.Design of power harmonic measurer based on DSP and ip-i arithmetic[J].China Instrumentation,2007(1):53-56. [10]陆廷信,郁建中.三相电路瞬时电流中有功、无功及 畸变电流的快速检测装置及其仿真的研究[J].电气 传动,1991(1):32—39. LU Ting—xin.YU Jian-zhong.Researches on the fast measurement device for instantaneous active、reactive and distorted currents in three--phase systems and exami-- nation of computer simulation[J].Electirc Drive,1991 (1):32.39. [13]戴朝波,林海雪,雷林绪.两种谐波电流检测方法的 比较研究[J].中国电机T程学报,2002,22(1): 80.84. DAI Chao—bo,LIN Hai—xue,LEI Lin—xu.A study on the comparison of two harmonic current detecting meth— ods[J].Proceedings ofthe Csee,2002,22(1):80.84. [14]杨万开,肖湘宁,杨以涵.电网中的三相电压不对称 谐波及负序电流检测方法的研究[J].电网技术, 1997(11):45-48. YANG Wan・kai,XIAO Xiang—ning,YAN Yi—han A de- tectingmethod for harmonic and nnegative sequence cur- rent under unsymmetircal power system voltage[J]. Power System Technology,1997(1 1):4548. [15]TEPPER J S,DIXON J W,VENEGAS G.A simple fre— quency independent method for calculating the reactive and harmonic current in a nonlinear load『J 1.IEEE Trans on Industirla Electronics,1996,43(6):647-654. [16]张桂斌,徐政,王广柱.基于空间矢量的基波正序、负 序分量及谐波分量的实时检测方法[J].中国电机工 程学报,2001,21(10):1-5. ZHANG Gui—bin,XU Zheng,WANG Guang—zhu.Stud— Y and simulation of real・-time detecting method for funda・・ mental positive sequence,negative sequence components nad hamronic components based on space vector[J]. Proceedings of the Csee,2001,21(1O):1—5. [17]唐蕾,陈维荣.有源电力滤波器三种电流检测方法的 深入探讨及仿真[J].继电器,2006,34(5):4348. TANG Lei,CHEN Wei—rong.Thorough discussion of three current detection methods in active power filters [J].Relay,2006,34(5):4348. [18]HABROUK M.DARWISH M K.MEHTA P.Active pow— er filter,a review[J].IEEE Proc Electr Power Appl, 2000,147(5):403-413. [19]ASQUERINO J C,IBANEZ M C,OJEDA A L.Meas— urement of apparent power components in the frequency domain[J].IEEE Trans on Industry Application,2000, 36(2):596-603. ・21. 2012年第5期 电力电容器与无功补偿 第33卷 [20]NEDELJKOVIC D,NASTRAN J,VONCINA D.Syn. Current detections for three—phase power system based chronization of active power filter current reference to on FBD method『J].Automation of Electirc Power Sys the network[J].IEEE Trans on Industirla Electronics, tems,2004,28(24):23-27. 1999,46(2):333—339. [26]杨晔,任震,唐卓尧.基于小波变换检测谐波的新方 [21]DIXON J W,GARCIA J J,MORAN L.Control system 法[J],电力系统自动化,1997,21(10):39-42. for three phase active power filter which simultaneously [27]琚香雪,智泽英.基于傅里叶一小波检测的并联型有 compensates power factor and unbalanced loads[J]. 源电力滤波器[J].电气技术,2011(5):25.29. Trans on Industiral Electronics,1995,42(6):636-641. JU Xiang—xue,ZHI Ze-ying.Based on fourier—wavelet [22]陈艳慧,黄海鲲.基于Fryze功率理论的谐波检测算法 detection of shunt active power filter『J].Electircal En— 与p-q算法的一致性[J].山东电力技术,2006(3): gineering,2011(5):25-29. l5.16. [28]COSTA F F,CARDOXO J M,Darlan a femandes.har- CHEN Yan—hui,HUANG Hai—kun.p-q detection theory monic analysis based on Kalman filtering and Pmny’S based on fryze power theory[J].Shandong Electirc Pow- method[J].Powereng,2007:196-701. er,2006(3):15—16. [29]KAY S M,MARPLE S L J r.Spectrum analysis a modern [23]侯世英,潘种,吕厚余,等.三相四线制系统瞬时功率 perspective[J].Proceedings of the IEEE,1981,69(11): 理论的比较研究[J].高电压技术,2007,33(5): 1380.1419. 1l4.117. [3O]王莉娜,姜勇.有源滤波器参考电流的无延时的生成 HOU Shi一)ring,PAN Chong,LV Hou-yu,et a1.Comparative 方法[J].电气传动,2003(1):61-64. study of three—phase fourwire system instantaneous power WANG Li—na,JIANG Yong.Delayless method to gener- theory[J].High Voltage En ̄neering,2OO7,33(5): ate current reference ofr active power filter[J].Electirc l14.117. Drive,2003(1):61—64. [24]王杰,郑建勇,梅军,等.基于FBD法的谐波检测方 [31]粟梅,王莉娜,张泰山,等.基于白适应滤波器的电 法和低通滤波器的优化设计[J].电测与仪表,2010, 网谐波电流预测法[J].控制与决策,2004,19(12): 47(7):50-55. 1429—1432. WANG Jie,ZHENG Jian—yong,MEI Jun,et a1.Harmonic SU Me ̄,WANG Li—na,ZHANG Tai・shan,et a1.Har- detection method based FBD and low pass filter's opt ̄- monic prediction method based on adaptive filter[J]. mized design[J].Electrical Measurement&Instrumen. Control and Decision,2004,19(12):1429—1432. tat ̄on,2010,47(7):50-55. 作者简介: [25]陈峻岭,姜新建,孙卓,等.基于FBD法的三相电力 袁浩悦(1989一),男,硕士研究生,主要研究方向为 系统电流检测方法的应用[J].电力系统自动化, 有源电力滤波器的谐波检测。 2004,28(24),23-27. 曹以龙(1964一),男,教授、博士生导师,主要研究方 CHEN Jun—ling,JIANG Xin ̄ian,SUN Zhuo,et a1. 向为电力电子传动和电力电子在电力系统中的应用。 西电西变研制成功锦苏工程首台 ̄800 kV特高压换流变压器 锦屏一苏南±800 kV特高压直流输电线路工程,是国家电网公司特高压直流输电通道的重要组成 部分,也是特高压直流输电工程的样板工程和引路工程。1O月1 Ft,锦屏一苏南±800kV特高压换流 变压器所有试验项目全部结束。 继西电西变为锦屏——苏南±800 kV特高压直流输电工程设计制造的14台(低端)换流变压器产 品投入运行后,该公司自主研发的首台±800 KV特高压换流变压器在国网监造和技术专家的现场见证 下,于1O月1日在常州基地一次通过全部试验项目,各项性能指标全部符合技术要求,以低局放,高质 量的产品性能,受到了见证专家的一致的高度称赞。西电西变以实际行动和优异成绩向国庆献礼,也为 后续承接的哈密南一郑州±800kV特高压直流输电工程产品的研制打下坚实的基础。 ・22・