一种混合谐波检测法在APF中的应用

一种混合谐波检测法在APF中的应用

翁俊

（上海麦巨电力电子有限公司中国上海201206）

摘要：为了使APF具有较高的谐波检测精度和较快系统的系统响应，提出了将ip-iq谐波检测与滑窗迭代DFT谐波检测相结合的一种混合谐波检测新方法。阐述了ip-iq谐波检测法原理，指出了该方法由于LPF的存在使得系统的响应速度较慢的缺陷，同时分析了滑窗迭代DFT原理，指出了其计算繁琐、计算量较大的缺点。新谐波检测算法采用滑窗迭代DFT代替LPF，解决了LPF设计难、系统响应慢的难题，又由于只需计算直流分量，计算量得以变小。最后，仿真和实验结果表明该方法使系统具有较高的检测精度的同时还具有较快的系统响应，并验证了该检测方法的有效性。

关键词：谐波检测；低通滤波器；系统响应

引言

当今社会中，电能是一种家庭、工厂、公共场所等广泛使用的能源。随着我国经济和科技的快速发展，越来越多非线性负载的电力电子装置应用于家庭、企业和工厂当中，它们带来节能与能量变换积极等好处的同时，也产生了谐波等电能质量问题，很多参数大大地超过了电气技术规程设计的标准，这些将给电网带来很大危险以及电能的巨大损耗。

目前，对于电网中的谐波，检测方法有很多。在三相电力系统中，应用比较广泛且成熟的有瞬时无功功率理论的检测方法，而有功电流分离检测方法，只是不多见地应用在单相电路的谐波检测中。笔者将有功电流分离检测方法应用于三相电网的谐波检测中，通过对两种谐波检测方法性能的比较分析得出，在稳态情况下，有功电流分离法的谐波检测效果更好，且有功电流分离法的动态检测性能也要优于瞬时无功功率理论的检测方法。

1三相四线制APF

三相四线制系统电网电压不对称且含有畸变时，能否准确检测谐波电流是消除谐波的关键。目前研究和应用的谐波电流检测方法有很多，谐波电流检测ip-iq法是典型代表，它主要由矩阵变换、锁相环、正余弦信号发生电路、低通滤波器组成。当三相四线制系统电网电压不对称且含有畸变时，得到的电压初相角与期望值存在相位差，同时锁相环易被电压波动、频率偏移等影响，出现失锁现象，其三相电压相位的准确检测是保证谐波电流准确检测的关键条件。三相四线制有源电力滤波器原理图如图1所示。

图1三相四线制有源电力滤波器原理图

图1所示的电路中，其中三相负载及中性线上产生谐波电流，它们是由四对桥臂产生的补偿电流进行补偿。

2APF的工作原理

APF作为一种能够动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置。根据其接入供电系统的方式种类不同分为并联型、串联型及混合型3类。其克服了LC无源滤波器容易引起振荡、补偿特性较为单一、易发生过载等不足，对谐波电流的补偿效果不受系统阻抗的影响。基于地铁供配电系统谐波现状及安装容量因素，并联型有源电力滤波器(shuntactivepowerfil-ter，SAPF)能够满足要求。APF一般采用电压型PWM变流器作为其主电路。主要包含电流谐波检测、直流侧电容稳压控制以及电流跟踪控制电路3大部分。其中储能元件电容C作为直流电压源为PWM变流器逆变提供所需要能量。APF的工作原理可阐述如下:电流谐波检测电路通过对0.4kV电源电压es(如ea)、电源侧电流(ia、ib、ic)和负载电流(iaL、ibL、icL)进行检测和计算，得到补偿电流指令值；直流侧电容稳压控制电路通过一定的控制策略保持电容电压动态稳定以保证补偿性能;电流跟踪控制电路对补偿电流指令值进行实时跟踪，通过动态控制PWM变流器各桥臂全控型开关器件IGBT的通断，产生与0.4kV电源电压侧的谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，注入到低压供配电系统中，补偿电流与要补偿的谐波电流相互抵消，最终得到期望的近似正弦波电流，实现动态抑制谐波从而降低地铁供配电系统谐波含量。

3谐波及无功电流的检测原理

三相电路谐波和无功电流检测的方法众多，包括传统的傅里叶和FFT算法，该方法需要严格同步采样且延时过长，后面出现改进的傅里叶级数法，使计算时间大幅缩短同时可用于单相系统;此外，还有瞬时无功功率法，在一些改变措施情况下其同样可用于单相系统，包括d-q法、p-q法和ip-iq法，其各有优点，还有同步测定法等检测方法，所以三相电路检测谐波和无功电流的方法较多，而单相电路在这方面的方法则相对较少，且大多是通过三相检测技术经过一些改变而来的。本文所述的基于有功电流分离法的检测谐波与无功电流的方法在检测原理上与ip-iq法有一定相似之处，基本是利用锁相环制造与待测电流同相位的单位正余弦信号和低通滤波器滤去高次谐波，再经过一些变换得到结果。精准无误差的检测出基波正序有功电流是所有电能质量装置实现谐波抑制和无功补偿的关键所在。为此，通过前置正负序分离模块来解决低通滤波器参数选取的困难以及通过后期的调节器来准确锁定基波正序电压的初相角。

4仿真验证

在Matlab下搭建三相全控整流电路，电源初始相位为50°，频率为50Hz，电压为220V，0.2s时电源电压相位发生突变，超前180°。三相全控整流电路的触发角为0°，直流侧负载为纯电阻，阻值Ｒ=50Ω。为验证本文提出方法的时效性和准确性，本文在上述电路环境下，分别使用本文提出的方法和传统的基于瞬时无功功率理论的ip-iq法获取有源电力滤波器的电流补偿参考信号。因为大多数情况下有源电力滤波器需要补偿无功和谐波电流，所以只需对比基波有功电流就能反映检测的精确性和实时性。

三相系统电压经过正负序同步旋转变换分离模块，消除了负序分量，只剩下了正序分量，在此模块中，在进行正负序同步旋转变换时，其中可以任选一个频率等于50Hz的旋转角来进行旋转变换，旋转角可记为ωt，正负序分离模块输出的是分离后的正序dq轴分量，根据ωt对他们进行dq/abc变换，得到三相正序电压分量，再进行相位闭环跟踪环节得到系统电压初相角。

当三相负载电流经过旋转变换后，其零序分量被相互抵消，所以该检测方法不受零序电流的影响，也就不需对零序电流进行预处理。

因此，本文提出谐波检测方法，在电网电压不对称或包含畸变时，通过前置正负序分离模块来解决低通滤波器参数选取的困难以及通过后期的调节器来准确锁定基波正序电压的初相角，从而消除误差，最终得到准确的结果。

结束语

为了使APF系统具有很快的系统响应速度和谐波检测精度，本研究从谐波检测角度出发，提出了将传统ip-iq谐波检测与滑窗迭代DFT谐波检测法相结合的新谐波检测方法。对两种方法进行了分析说明，指出了彼此的优缺点。新方法综合了两种谐波检测方法的优点，在简化计算、提高检测精度的同时也提高了系统的响应速度。仿真和实验结果表明该方法的可行性与有效性。

参考文献：

［1］魏学良，戴珂，方昕，等．三相并联型有源电力滤波器补偿电流性能分析与改进［J］．中国电机工程学报，2007，27(28):113-119．