改進電網諧波i_p，i_q檢測算法方法的研究

摘 要： 目前用于檢測電網中電流無功分量和諧波分量的主要方法是ip，iq算法。但此算法必須同時提取諧波分量和無功分量，計算量大，精度和延時性的缺陷也使得諧波治理效果一般。在此改進的ip，iq算法為減少計算量，利用分頻檢測方法略去三相至兩相坐標變換還有其逆變換，提高了檢測速度，且避免了原算法在三相四線制系統中會有的零序諧波泄漏誤差。仿真結果表明：改進的算法具有較好的動態性能和較高的檢測精度。

關鍵詞： ip，iq算法； 電網諧波； 諧波檢測算法； 檢測精度

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0156?03

Method of improving ip，iq algorithm to detect harmonic in power grid

TANG Xue?jun， WANG Kai

（Hengyang city product quality supervision and Inspection Institute， Hengyang 421000， China）

Abstract： At present， the main method of grid detection for reactive current component and harmonic components is ip，iq algorithm. However， this algorithm have to extract the harmonic component and reactive component at the same time， so large calculation quantity and insufficiency of accuracy and time delay made the result of harmonic control undesirable. To reduce the amount of computation， this improved ip，iq algorithm improved detection rate and avoid the zero?sequence harmonic leakage error that the original algorithm would produce in three?phase four?wire system by using frequency division detection method to omit the coordinate transformation from three?phase to two?phase， as well as its inverse transform. The simulation results testified the good dynamic performance and detection accuracy of this improved， ip，iq algorithm.

Keywords： ip，iq algorithm； harmonic in power grid； harmonic detection algorithm； detection accuracy

要使用有源濾波器治理諧波的優異特性治理電力系統的諧波，需要先解決兩個問題——諧波檢測和基波無功檢測。若能準確、實時地得到諧波及基波無功的信息，有源濾波器就可以此為參考來控制輸出，提高工作性能。最早通過模擬電路實現諧波檢測和基波無功檢測的方法，實現簡單，但是模擬濾波器會使相位和幅值產生較大的誤差。而高精度模擬濾波器極少采用，因為其對電網頻率波動十分敏感，很難設計[1]。隨著電力電子技術的飛速發展，開始使用數字檢測方法檢測諧波和基波無功。數字技術能克服模擬電路檢測技術存在的相位和幅值誤差等缺點，得到越來越廣泛的應用[2]。

1 電網諧波檢測方法

目前，檢測諧波及基波無功電流多用傅里葉和FFT算法、基于干擾對消原理的自適應諧波檢測方法、基于神經元的自適應諧波檢測方法和瞬時無功功率法等[3]。

利用快速傅里葉變換，傅里葉和FFT算法把基波分量從變換后的電流信號中去除，然后對余下分量進行反變換，最后得到諧波電流的時域信號[4]。但是這種算法對同步采樣要求很高，否則誤差較大，而且這種分析方法的延時較長，要至少一個電網周期的歷史數據來計算傅里葉級數，只適合于變化緩慢的負載[5]。自適應諧波檢測方法框圖如圖1所示，該電路等效于一個理想的頻控二階陷帶濾波器。這種方法會遇到帶通濾波器設計上的困難，因為參考信號V（t）如果在諧波檢測中發生畸變，則要用帶通濾波器進行預處理，而且由于是用一個簡單的積分環節做反饋環節的低通濾波器，動態響應較差。近年來在優化計算和自適應控制方面已獲得廣泛的應用，基于神經元的自適應諧波檢測方法如圖2所示，但由于理論上還不很完善，其快速響應的性能優勢在現有技術手段下也無法保證實現。瞬時無功功率法可用于三相系統和單相系統計算負載的瞬時功率，它包含直流分量和脈動分量，結合分布在整數倍電網周期內一定長度的歷史數據分離出脈動部分，根據三相內平均分配總電流的原則，可以得到所需的參考信號[6]。在不斷的改進中，現有p?q法、d?q法及ip，iq法幾種方法。p?q法適用于電網電壓對稱且不畸變情況的諧波電流檢測；d?q法適用于電網電壓不對稱、畸變情況的諧波電流精確檢測，且有物理概念明確、實時性強、計算量少等優點，通過不斷的研究和改進、完善，已經在許多方面得到了成功；ip，iq法不僅適用于電網電壓畸變，還適用于電網電壓不對稱時[7?8]，其檢測框圖如圖3所示。

圖1 基于干擾對消原理的自適應諧波檢測框圖

圖2 神經網絡自適應諧波檢測框圖

圖3 法檢測電網諧波電流的檢測框圖

2 改進的電網諧波ip，iq檢測方法和仿真分析

2.1 改進的電網諧波ip，iq檢測方法

對于有源濾波器，其指令電流的計算精度和速度決定了濾波性能的好壞[9?10]。

對單相電流進行檢測時，設電網單相瞬時負載電流為：

（1）

式中，和分別為瞬時基波有功、無功電流分量；為各次諧波分量之和；為n次諧波電流幅值；為n次諧波相位。在式（1）兩邊同時乘上，則：

（2）

同理，在式（1）兩邊同時乘上，則：

（3）

由式（2）和式（3）可知，要通過一個截止頻率比基波頻率低的低通濾波器，才能得到和分量。

PWM控制的APF，其逆變器的直流側電壓必須維持恒定，提供一個電壓基準，才能效地補償系統諧波電流[11?12]。但是由于要控制補償電流迅速跟蹤負載諧波電流，不僅其固有的線路電阻和開關損耗產生有功損耗，而且工作狀態變化時也將從系統吸收一定有功功率，這可能引起其直流側電壓波動或出現欠壓，影響安全運行[13?14]。因此為了使APF正常工作，引入一個直流電壓反饋環節，來保證恒定。將與參考電壓的差值通過PI控制器，再將這個值與有功直流疊加，維持直流側電容電壓穩定。

在逆變時，用合成的有功分量乘以，便得到瞬時基波有功電流分量：

（4）

綜上所述，得到補償參考電流為：

（5）

斷開計算通道，即可同時檢測諧波和無功功率。為了不使畸變電壓的諧波成分出現在運算中，采用數字PLL法跟蹤A相電網電壓，所以，改進的諧波電流檢測方法能保證電流檢測精度，不受畸變電壓的影響。其原理框圖如圖4所示。

圖4 改進后檢測諧波電流原理圖

改進的諧波電流檢測算法計算量減小，不用計算三相至兩相坐標變換及逆變換，且能避免ip，iq法在三相四線制系統中零序諧波泄漏的情況，有較好的跟蹤精度和動態響應特性。

2.2 仿真分析

穩態時的檢測精度和動態響應特性決定了諧波檢測算法的性能。在此采用Matlab/Simulink進行仿真來驗證改進的諧波電流檢測算法這兩項指標。令輸入信號為一負載電流，其余各次諧波電流成分穩定。Matlab軟件初始化時會存在一定的信號誤差[10]，仿真結果如圖6、圖7所示。頻譜圖如圖8，圖9所示。

圖5 改進后諧波電流檢測算法電路圖

圖6 負載電流波形

圖7 基波有功參考電流波形

圖8 負載電流頻譜圖

由圖6和圖7可以看出，改進的諧波檢測法可以很好地檢測到需要補償的諧波電流分量，具有較好的跟蹤精度和動態響應特性。而負載電流和基波有功參考電流的FFT分析顯示，由于受到3次、5次、7次、13次諧波的影響，負載電流波形發生畸變，總畸變率達到4.2%。經采用改進諧波電流檢測后，得到基本只含基波電流，驗證了本方法的正確性和可行性。

圖9 基波有功參考電流頻譜圖

3 結 語

本文提出的這種改進的檢測諧波電流的方法，改進了原ip，iq法在三相四線制系統中零序諧波泄漏的情況，減小了計算量，有較好的跟蹤精度和動態響應特性。且低通濾波器采用三階Elliptic型IIR，阻帶波紋衰減較大，單位階躍響應穩定時間短，超調較小。

參考文獻

[1] 李剛.單獨注入式有源電力濾波器研究與工程應用[D].長沙：中南大學，2005.

[2] 付青.大功率電網諧波有源治理的控制策略和工程應用研究[D].長沙：中南大學2004.

[3] 趙特.有源電力濾波器控制器的研制及其應用[D].長沙：湖南大學，2007.

[4] 湯賜.新型注入式混合有源濾波器的理論及其應用研究[D].長沙：湖南大學，2008.

[5] 龔芬.有源電力濾波器及其在配電網中的應用[D].長沙：長沙理工大學，2011.

[6] 盤宏斌.綜合型電能質量調節裝置的理論與技術研究[D].長沙：湖南大學，2009.

[7] 唐杰.配電網靜止同步補償器（D?STATCOM）的理論與技術研究[D].長沙：湖南大學，2007.

[8] 夏向陽.大功率注入式有源電力濾波器的理論研究及工程應用[D].武漢：華中科技大學，2009.

[9] 陳高.新型串聯混合型有源濾波器仿真研究及其相關問題分析[D].武漢：華中科技大學，2011.

[10] 趙尤斌.基于諧波磁通補償的新型并聯有源電力濾波器研究[D].長沙：湖南大學，2006.

[11] 譚甜源.配電網有源濾波技術的研究和工程應用[D].長沙：中南大學，2004.

[12] 胡凱.基于單位功率因數和微粒群算法的有源電力濾波器研究[D].長沙：中南大學，2009.

[13] 涂春鳴.新型諧振阻抗型混合有源濾波器PITHAF研究[D].長沙：中南大學，2003

[14] 饒玲娜.中性線諧波電流治理研究[D].武漢：武漢大學，2004.