基于i_p_i_q法的電力系統(tǒng)諧波檢測仿真研究

1、隨著電力電子技術(shù)及其裝置的發(fā)展與廣泛應(yīng)用,人類對電能的控制能力有了極大的提高能夠按照需要將電能進行任意的轉(zhuǎn)換,從而使得人類的生活有了更多的電能供應(yīng)形式。但大量非線性電子設(shè)備在電網(wǎng)中廣泛地投入使用,卻給電能的質(zhì)量造成了很大的影響,其中以諧波污染和無功功率損耗尤為嚴(yán)重,所以現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶對供電質(zhì)量提出了更高的要求,因此治理電網(wǎng)諧波污染勢在必行。目前,國內(nèi)外許多學(xué)者一直致力于這方面的研究。其中瞬時無功功率理論(p-q 理論在APF的應(yīng)用中最為成熟。本文以該理論為基礎(chǔ),根據(jù)i p -i q 轉(zhuǎn)換并利用Matlab建立仿真模型,通過該模型進行三相電流的實時檢測,成功地檢測出了三相電流中的諧波分

2、量和無功分量。仿真實驗結(jié)果表明,基于i p -i q 法的諧波檢測可以準(zhǔn)確及時地檢測出三相電路中的諧波電流和無功電流。1基于i p -i q 法的諧波和無功電流實時檢測在國際電工標(biāo)準(zhǔn)中定義:“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。由于頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù),我們也常稱諧波為高次諧波。而對諧波次數(shù)的定義為:“以諧波頻率和基波頻率之比表達的整數(shù)”。習(xí)慣上,規(guī)定電力系統(tǒng)工頻為基波頻率。本文主要采用i p -i q 法,此方法不僅在電網(wǎng)電壓畸變時適用,在電網(wǎng)電壓不對稱時也同樣有效。瞬時無功功率理論中的概念都是在瞬時值的基礎(chǔ)上定義的,它不僅適用于正弦波,也適用于非正弦波的任何情

3、況。它的基本原理是將三相坐標(biāo)x、y、z中的電壓和電流轉(zhuǎn)換到兩相坐標(biāo)、中,然后在兩相坐標(biāo)系中分別計算瞬時有功功率和無功功率,再根據(jù)計算得到的瞬時有功電流、無功電流,從而得出三相電路中的諧波電流和無功電流。i p -i q 法的最大特點是不需要檢測三相電網(wǎng)的電壓,只需要a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號sin(t和對應(yīng)的余弦信號cos(t。因此,即使當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時也能準(zhǔn)確地檢測出高次諧波電流。i p -i q 的檢測原理框圖如圖1所示。其中,C是三相瞬時無功功率理論的轉(zhuǎn)換系數(shù),由它電流可轉(zhuǎn)換成瞬時無功電流和瞬時有功電流,C 32是由三相瞬時電流轉(zhuǎn)換到兩相電流的轉(zhuǎn)換矩陣,C 23是由兩相電流轉(zhuǎn)換到三

4、相電流的轉(zhuǎn)換矩陣。e為A相電壓信號。PLL為鎖相環(huán),它的作用是連接正、余弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生與A相電壓同相位的正弦信號sin(t和余弦信號cos(t。三相電流乘以矩陣C 32得到兩相瞬時電流i ,i ;兩相瞬時電流i ,i 與C矩陣相乘得到三相瞬時有功電流i p 和無功電流i q 。i p 、i q 經(jīng)過低通濾波器LPF濾波得到三相基波正序有功電流和無功電流,也就是直流分量,再經(jīng)過反變換可得三相基波正序電流i af 、i bf 、i cf 。三相電流i a 、i b 、i c 與三相基波正序電流i af 、i bf 、i cf 的差即為三相諧波及負(fù)序電流之和ia d 、i b d、i cd 。當(dāng)

5、要檢測諧波和無功電流之和時,只需斷開圖中計算i q 的通道即可,而如果只需檢測無功電流,則只要對i q 進行反變換即可。i p -i q 法的最大優(yōu)點在于,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時也能準(zhǔn)確地測出高次諧波電流和負(fù)序電流之和i ca 、i cb 、i cc 。因為,當(dāng)三相電壓發(fā)生畸變時,e a 、e b 、e c 中會含有諧波成分。采i p -i q 法時,由于含有諧波成分的e a 、e b 、e c 不參與計算,而只是抽取sin(t和cos(t進行計算,所以檢測高次諧波和負(fù)序電流的結(jié)果不受電壓波形畸變的影響,檢測結(jié)果就更為精確。2Matlab/Simulink仿真結(jié)果的分析根據(jù)圖1的i p -i q

6、 運算方式的原理,在Matlab/Simulink環(huán)境建立仿真模型。本仿真通過電網(wǎng)連接非線性負(fù)載構(gòu)成諧波源,從電網(wǎng)中提取畸變后的電流與電壓分量通過abc-to-dq0transformation模塊進行坐標(biāo)變換,而低通濾波器則可以濾波基于i p -i q 法的電力系統(tǒng)諧波檢測仿真研究王璇1常曉穎1田雷2(1.洛陽理工學(xué)院;2.洛陽大唐首陽山電廠河南洛陽471003摘要:隨著電網(wǎng)中諧波污染的日益嚴(yán)重,諧波與無功檢測成為了提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵問題。本文對基于Akagi瞬時無功功率理論中i p -i q 法的諧波和無功檢測進行了詳細分析,并通過Matlab/Simulink對該檢測方法進行仿真分析和驗

7、證。通過仿真實驗表明:該方法可以準(zhǔn)確及時地檢測出三相電路中的諧波和無功;同時,也表明了基于i p -i q 法理論設(shè)計的有源電力濾波器能夠有效檢測諧波與無功,并且能夠改進電能質(zhì)量。關(guān)鍵詞 :諧波檢測Simulink仿真i p -i q 法瞬時無功理論中圖分類號:TM930.11;TM943文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(201106(a-0129-02圖1i p -i q 法檢測原理框圖圖3檢測出的A 相諧波與無功電流之和圖2C 相檢算諧波和實際諧波(下轉(zhuǎn)131頁所示。1.1數(shù)據(jù)采集與處理模塊數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊以D S P為核心,通過對ADC的控制實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換,然后完成預(yù)定

8、的保護算法的運算,同時,在數(shù)據(jù)計算結(jié)果滿足的情況下,控制開關(guān)量的輸出,以實現(xiàn)對外部回路的實時控制。除DSP主處理器外,A/D轉(zhuǎn)換芯片也是數(shù)據(jù)采集與處理模塊的核心。由于系統(tǒng)的模擬輸入量較多,而且其中的零序電流和零序電壓還必須同步采樣,所以采用了ADS8364芯片。它是16位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),內(nèi)部集成6個獨立的帶采樣保持地ADC,提供6個獨立的差分輸入口,每兩個通道共用一個轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號,三個轉(zhuǎn)換信號同時觸發(fā)可實現(xiàn)6通道同步采樣,最高采樣頻率為250kHz,ADS8364內(nèi)部集成6×16bit數(shù)據(jù)緩沖寄存器,通過向A0、A1、A2寫控制字可選擇直接尋址模式、循環(huán)讀數(shù)、FIFO三種方式讀取單次

9、模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。我們采用控制邏輯最簡單的FIFO方式,即讓A0、A1、A2直接接高電平,同時,讓所有的轉(zhuǎn)換信號共用一個同步脈沖啟動信號,這樣6個通道同時工作,等所有通道都發(fā)出轉(zhuǎn)換完畢中斷低電平后,D S P可按邏輯分別從F I F O中讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),ADS8364芯片和DSP的電氣接線如圖2所示。1.2DSP與89C52數(shù)據(jù)通信由于本系統(tǒng)采用了D S P與單片機雙CPU結(jié)構(gòu),因此他們之間的數(shù)據(jù)交換接口成為影響整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用了雙口R A M實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信,這種通信方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎芨?而且抗干擾性能較好。雙端口R A M提供了兩個完全獨立的端口,每個端口具有自己的

10、地址線、數(shù)據(jù)線和控制線,兩側(cè)C P U都可以將雙口R A M看作自己的本地存儲器,獨立地讀寫雙口R A M 的任一存儲單元。使用雙口R A M時有一個問題需要特別注意,即當(dāng)兩側(cè)C P U同時對雙口R A M的同一個單元進行操作時,有可能出現(xiàn)爭用沖突。通常,解決爭用沖突的方案有四種:硬件仲裁方案、中斷方案、令牌傳遞方案和軟件仲裁方案。前三種方案必須有器件內(nèi)部相應(yīng)的硬件功能的支持,而軟件仲裁方案適用于任何雙口R A M器件。在具體實現(xiàn)時,為了盡可能減少雙方讀寫沖突,將雙口R A M空間分為低地址區(qū)和高地址區(qū)兩部分,規(guī)定低地址區(qū)空間用于單片機寫入和DSP讀出,高地址區(qū)空間用于D S P寫入和單片機讀

11、出。1.3DeviceNet通信接口本文利用D S P內(nèi)部集成的C A N控制器,提供了DeviceNet通信接口。為提高通信通道的抗干擾能力和可靠性,C A N收發(fā)器和C A N控制器之間加有雙通道的高速光耦6N137,以實現(xiàn)裝置和DeviceNet總線之間的電氣隔離。CAN收發(fā)器選用Philips公司生產(chǎn)的具有多種保護的差動驅(qū)動器PCA82C250,并使其工作于高速工作方式。利用本系統(tǒng)的DeviceNet通信接口可與上位機組成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)無人化管理。1.4軟件設(shè)計整個系統(tǒng)需要完成保護、測量、通信、故障記憶、自診斷和人機交互等眾多功能,這就需要合理設(shè)計軟件,科學(xué)安排程序流程。系統(tǒng)所有軟

12、件均采用C語言編寫,采用模塊化編程技術(shù),整個程序具有結(jié)構(gòu)清晰、可移植性強和升級容易等特點。DSP主程序主要完成初始化、保護器自檢、掃描斷路器狀態(tài)、電力參數(shù)計算、各種故障的判斷、處理以及與單片機通信進行數(shù)據(jù)交換等操作。其中,初始化部分主要完成裝置內(nèi)各個模塊的初始化(包括DSP本身初始化、A D C模塊初始化、捕獲單元初始化、S C I模塊初始化以及保護器系統(tǒng)參數(shù)、保護參數(shù)和故障記憶值的初始化和將保護器的初始化數(shù)據(jù)(系統(tǒng)參數(shù)、保護參數(shù)及故障記憶值經(jīng)雙口R A M通信發(fā)送給單片機等操作。三相電流、電壓值和零序電流、電壓值的采樣在D S P的定時中斷子程序中完成。有關(guān)DeviceNet通信的數(shù)據(jù)的接收

13、、發(fā)送都在DSP的通信接收、發(fā)送中斷子程序中完成。單片機主程序流程主要完成液晶顯示和按鍵的識別與處理,采用全漢化液晶顯示,通過按鍵可以隨時查詢或設(shè)置保護器的系統(tǒng)參數(shù)、保護參數(shù)和時鐘參數(shù)等信息。D S P經(jīng)雙口R A M通信發(fā)送給單片機的數(shù)據(jù)有:初始化數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、故障信息(包括故障類型、故障發(fā)生時間以及故障發(fā)生時的電流、電壓值等。其中初始化數(shù)據(jù)單片機以查詢方式接收,而測量數(shù)據(jù)和故障信息單片機以中斷方式接收。2結(jié)語本系統(tǒng)采用基于DSP和單片機的雙CPU結(jié)構(gòu)作為硬件平臺,充分利用了兩種CPU的各自特點,軟件采用模塊化編程技術(shù),可移植性強、升級容易。本系統(tǒng)集保護、測量、控制和通信等多種功能于一體,

14、具有較高的穩(wěn)定性和實時性,并成功將DeviceNet總線應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信,對提高電力保護系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動化水平具有重要意義。參考文獻1余永權(quán).A T M E L89系列單片及應(yīng)用技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20022劉和平.T M S320L F2407x D S P C語言開發(fā)應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20033陳文會,張元豐,徐榮英.基于MSP430F149的電力保護系統(tǒng)的實現(xiàn)J.現(xiàn)代電子技術(shù),2002,9:6265.4朱國慶,付夢印.基于D S P和單片機的雙CPU數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)J.計算機工程與應(yīng)用,2005,21:113115.得到直流分量,從而可以通過

15、與全波的比較及dq0-to-abctransformation反變換模塊得到諧波分量。而本實驗中的模塊也可以根據(jù)需要直接對iq進行反變換即可達到無功電流分量。基于Akagi瞬時無功功率理論的ip -iq變換的電流矢量檢算法適用于三相三線制電路和三相四線制電路。i p -iq法得到的仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2為C相檢算諧波和實際諧波的比較,可以看出檢算諧波與給定諧波很好的重合在一起。圖3為檢算出的A相諧波與無功電流之和。由仿真結(jié)果可以看出,在此情況下可以準(zhǔn)確檢算出諧波和無功電流?？梢缘贸?在三相電壓對稱、無高次諧波的情況下ip-iq方法適用。由圖可以看出ip-iq法得到的仿真結(jié)果以下特點:當(dāng)三相電壓畸變時,ea、eb、ec含有諧波分量,這些諧波分量與ia、ib、ic中同頻率的諧波分量相互作用所得到的瞬