基于積分組合的FBD諧波檢測法

羅 鵬,張 威,高貴亮

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

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基于積分組合的FBD諧波檢測法

羅 鵬,張 威,高貴亮

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

常規電力濾波器諧波電流檢測方法利用鎖相環檢測電壓定向角,這樣在參數設計時會非常復雜,不利于工程應用,除此之外,常規方法在濾波時還采用低通濾波器,它本身的固有延遲會造成系統實時性下降。為克服上述缺陷,在傳統FBD檢測方法的基礎上提出一種改進方法。該方法在檢測過程中采用廣義積分器取代鎖相環檢測電壓相位,采用積分均值法取代傳統的低通濾波方式來濾除畸變電流中的諧波分量,與傳統方法相比,提高了電流幅值和相位檢測的精確性,縮短了響應時間。同時,仿真實驗驗證了該方法的正確性和可行性。

FBD法;積分均值;廣義積分;諧波檢測;無鎖相環

FBD諧波檢測法與目前常用的瞬時無功檢測法相比,計算量顯著減少,且適用于單相和三相系統[1-3]。大量研究已經證明FBD諧波檢測法與瞬時無功檢測法在檢測結果方面具有一致性[4]。但以上傳統方法的相似之處是都用到鎖相環檢測基波電壓相位,并且使用低通濾波器濾去交流分量,這樣就使得檢測的實時性下降,不僅如此,當三相電壓畸變嚴重時還會造成基波相位提取不準確,進而影響到諧波和無功的檢測[5-6]。針對上述缺陷,本文提出將積分均值法和廣義積分原理應用于FBD諧波檢測法,省去了鎖相環節和低通濾波環節,簡化了傳統檢測方法。分別討論了積分均值方法中積分區間的選取問題以及廣義積分器不同增益下對諧波檢測的影響效果,通過MATLAB仿真證明了新方法適用于三相不對稱情況且具有更好的檢測精度和更快的動態響應速度。

1 基于積分組合的FBD檢測方法

基于積分均值與廣義積分原理的諧波檢測方法如圖1所示。

1.1 基于廣義積分器的無鎖相環控制

圖1 基于積分組合的FBD檢測算法

對上述信號采用拉氏變換能夠得出

在網側頻率有小的變動Δω時,三種信號都會發生變化,其中電網信號會變為

e′(t)=Asin[(ω+Δω)t+φ]

那么會有

圖2 廣義積分器諧波檢測

從圖2可以看出,該過程中沒有鎖相和低通濾波環節,這就省去了電壓運算,所以在電網畸變時提高了檢測精度。在廣義積分器所采用的閉環系統中,增益k取值不同時會對諧波檢測性能產生影響,分別取k=10和k=100分析系統檢測性能。采取不同k值所得到的頻率特性曲線如圖3所示。

圖3 k=10和k=100的幅頻和相頻曲線

從圖3能夠發現,當f=50 Hz時,無論k取10還是100,系統增益都約為0 dB,也就是說明系統對正弦頻率為50 Hz的信號基本不衰減。進一步分析k=10和k=100時系統的相頻特性發現,后者的效果要優于前者,檢測精度會隨著k的減小而增大,而響應速度則會隨之變慢,因此為保證響應的快速性,需要在滿足一定條件的情況下適當增加k值。

1.2 基于積分均值法的濾波方式

在基波電流的提取環節中,改進檢測方法采用積分均值法來代替低通濾波,以此濾去電網畸變嚴重時的諧波分量。設T是工頻周期,id、iq為dq變換后的有功與無功分量,那么電流可表示為

經傅里葉級數展開后得

將有功電流與無功電流的交流部分都按其正余弦的方式展開,展開后個各諧波在各個周期內的積分均值都為零,即

積分區間可根據實際情況設定,因為在實際中多用三相整流器,諧波電流次數多為6k+1次,依次為5、7、11次等。經過變換后負序諧波會增加一次,正序諧波會減少一次,這樣可得到諧波變化的規律,進而設置積分區間是基波周期的1/6。積分后可得到與基波分量對應的直流分量,應當注意的是相應區間的調整應參照實際應用中的諧波電流次數。

2 仿真分析

為了驗證積分均值法的濾波效果,將它與傳統方法采用的二階低通濾波器進行對比,用三相橋式整流電路作為諧波源,相電壓為220 V,頻率f=50 Hz,R=8 Ω,L=2mH,并在經過0.1 s后,電路參數變為R=4 Ω,L=1 mH。將畸變電流經dq變換后所得出的有功部分分別通過本文設計的積分均值模塊與低通濾波器模塊進行比較,得到的濾波效果如圖4所示。

由圖4可知,將有功電流分別流經兩種方法設計的濾波器的電流波形后,在三相電流對稱時,積分均值法在三相對稱電流穩態情況下能較快濾除交流諧波分量,而在電流發生突變時也可以在較快時間內跟上電流的變化(約1/6個周期),而低通濾波則需要花費大約一個周期的時間,經過比較可知積分均值法濾波動態響應更快。

圖4 積分均值法與LPF濾波性能圖

為了對改進方法檢測的實時性和準確性進行驗證,用MATLAB軟件進行了仿真?？紤]到實際應用中,在負載變化的情況下,電網電壓幅值會產生波動,波動范圍一般在10%以下,在設置參數時,分別設置三相電壓為uA=129∠0°,uB=148∠-120°,uC=148∠120°,負載電阻R=8 Ω,負載電感L=1 mH。分別利用ip-iq法、傳統FBD方法以及改進FBD檢測方法檢測出的基波電流如圖5所示。

圖5 三種方法下檢測出的基波電流

從圖5中能夠看出,在給定電路參數相同的情況下,相對于常規的ip-iq法和傳統FBD檢測法,改進后的FBD檢測方法能夠更加迅速地跟上電流的變化,具有更快的響應速度,并且在電路達到穩定狀態時,三種方法在最終結果上一致。

為進一步對基于積分組合的改進FBD方法的檢測精度進行驗證,給出了三種檢測方法下基波電流的FFT分析。負載電流FFT分析如圖6所示,常規FBD檢測方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析如圖7所示,改進FBD檢測方法檢測的基波電流在t=0.02 s～0.04 s的FFT分析如圖8所示。

圖6 負載電流FFT分析

圖7 常規FBD檢測方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析

圖8 改進FBD檢測方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析

從圖6可知,在t=0.02 s～0.04 s內對A相電流進行頻譜分析之后發現電路主要存在6k±1次諧波,k=1,2,3,…,電流的基波分量有效值為32.55 A,諧波畸變率為28.76%。

從圖7可知,采用傳統的FBD檢測方法在第二個周期(t=0.02 s～0.04 s)所檢測到電流的畸變率是2.55%,而在之后的檢測中發現畸變率逐漸降低,最終在第四個周期內穩定為0.33%,從中分析出傳統方法在t=0.02 s～0.04 s時未達到穩態。

從圖8可知,采用積分組合的改進方法在t=0.02 s～0.04 s時電流畸變率是0.12%,經過對比可以發現改進方法不僅響應速度快,而且在檢測精度上也要優于傳統方法。

3 結 語

本文提出了一種基于積分組合的FBD改進方法,該方法用廣義積分器對基波電壓正序分量進行提取,省去了鎖相環,簡化了傳統FBD檢測算法;用積分均值法取代傳統的低通濾波方式,提高了響應速率。同時,仿真結果也證明了該改進算法能用于三相電壓不對稱時的諧波和無功檢測,與傳統方法相比實時性更好,精度更高。

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(責任編輯 侯世春)

FBD harmonic detection method based on integral combination

LUO Peng, ZHANG Wei, GAO Guiliang

(School of Electrical &Control Engineering, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150022, China)

The conventional method uses phase-locked loop to detect the voltage orientation angle, by which the parameters are very complicated to design, leading to bad effects in engineering applications.Besides, the low pass filter adopted, which has an inherent delay lowering the real-time while filtering.In order to overcome the above shortcomings, this paper proposed the improved method on the basis of the traditional FBD method.It is a method that replaces the phase-locked loop by the generalized integrator to detect voltage phase, and the traditional low pass filter by the integral average method to remove distortion harmonic and to extract the DC component.Compared with the traditional method, the improved method makes the detection of the current amplitude and phase more accurate with the shortened response time.The simulation results verify the correctness and feasibility of the improved method.

FBD method;integral average;generalized integral;harmonic detection;non phase-locked loop

2016-04-24。

羅 鵬(1992—),男,碩士研究生,研究方向為電力系統及其自動化。

TM935

A

2095-6843(2016)05-0439-04