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一種多功能性諧波檢測方法的研究

0瞬無功功率檢測目前,廣泛應(yīng)用于多段地震資料的波形檢測方法。對比仿真分析傅立葉變換、卡爾曼濾波變換和瞬時無功功率理論發(fā)現(xiàn)瞬時無功功率理論檢測法受電源頻率變化的影響最小,能更好的協(xié)調(diào)檢測精度和實時性間的矛盾。以ip~iq法為代表的瞬時無功功率理論的突出優(yōu)點是電路較簡單,延遲少,實時性好。但此法計算量大,矢量變換復雜,特別是目前數(shù)字控制趨于取代傳統(tǒng)模擬控制,如何讓此法更好地適應(yīng)數(shù)字器件的要求需深入研究。下面分別介紹幾種新方法。1改進算法本身的新方法1.1基于d-q的諧波檢測改進方案通常情況下,ip~iq法電路對參數(shù)的精度要求較高,特別是對標準正、余弦信號的依賴性很強,實際的正余弦電路產(chǎn)生絕對精確的信號很困難。為降低系統(tǒng)對參數(shù)精度的依賴性,可在低通濾波器后加PI調(diào)節(jié)器來降低系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度。文對傳統(tǒng)的ip~iq法電路作了改進,見圖1。在低通濾波器(LPF)后增加2個PI調(diào)節(jié)器,由于PI調(diào)節(jié)器可降低擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,系統(tǒng)主要參數(shù)對濾波檢測精度的靈敏度下降明顯。仿真研究表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度相應(yīng)提高。該思路適用于d-q法諧波檢測電路中,為了降低系統(tǒng)對參數(shù)的依賴性,文針對傳統(tǒng)d-q檢測電路中受部件參數(shù)波動影響較大的問題,提出基于d-q理論的諧波檢測改進方案,在低通濾波器后面加PI調(diào)節(jié)器,形成一閉環(huán)系統(tǒng)。經(jīng)SABER軟件仿真分析發(fā)現(xiàn),標準正、余弦幅度的靈敏度降低了很多。1.2波器和apf的混合系統(tǒng)的研究實際工程中,諧波檢測時如能具體分離出某次諧波,則對改進電路和治理諧波有更大的指導作用。同時,單獨使用有源電力濾波器(APF)初期投資大,運行效率低,無源電力濾波器(PF)和APF的混合系統(tǒng)則能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,但PF只能治理特定次諧波,因而分離出具體次諧波很必要。文基于ip~iq法提出了一種檢測任意指定次數(shù)諧波電流的算法。傳統(tǒng)ip~iq法基于基波頻率為一恒值,不考慮基波的動態(tài)過程而給出的,據(jù)此及傅立葉級數(shù),可視各次諧波頻率為一恒定值,由此,經(jīng)倍頻后用鎖相環(huán)(PLL)獲得需要檢測的某次諧波頻率由旋轉(zhuǎn)變換得到旋轉(zhuǎn)坐標上的該次諧波幅值,電路原理見圖2。APF要補償某幾次諧波時可將它們并行計算,應(yīng)用上述方法分別求出后將各次諧波相加。1.3補償時間延遲時間數(shù)字式控制器需要至少一個采樣周期的運算時間,同時PWM逆變器的輸出也需一采樣周期時間來建立電壓,因而從電流采樣到諧波補償至少存在一采樣周期的時間延遲,在此延遲時間內(nèi),設(shè)基波角頻率為ω,n次諧波在此采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)過的弧度為:△θ=nω△T=2nπf△T,其中,△θ為一個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)過的弧度;ω為基波角頻率;△T為延遲時間;n為諧波次數(shù)。如果不補償這個延遲時間,則旋轉(zhuǎn)變換C和其逆變換C-1不再是恒等變換,嚴重時某個高次諧波的補償甚至會形成正反饋,此時的△θ可能接近180°,在檢測諧波時不但不能補償?shù)糁C波,還有可能增強諧波,因此需補償延遲時間。通常情況下,希望通過提高硬件計算速度來減少延遲時間,這樣使APF的價格更加昂貴,文在C?155-1矩陣中將△θ加入5ωt以補償時間延遲,其中加入△θ的C5為:。其中,△θ為補償時間延遲的補償角。該補償角以補償由于數(shù)字式控制器的時間延遲引起的檢測誤差,實用性很強,仿真研究發(fā)現(xiàn),算法預(yù)置了延遲時間補償角,補償?shù)碾娏鹘咏谡也ā?.4cu3000加入c/n低通濾波器后,計量參數(shù)a.重采樣即兩次采樣,諧波檢測原理見圖3,周期信號經(jīng)第一次采樣后,頻譜會出現(xiàn)周期延拓。為避免周期延拓使基波出現(xiàn)頻率混疊,當?shù)谝淮尾蓸右粋€周期內(nèi)的采樣點數(shù)為N1時,重采樣最小頻率應(yīng)為ωmin=(N1/4)ω0。這樣,通過改進電路,將一周期的采樣點減少到原1/4。通常選擇最小采樣頻率,采樣頻率越低越好,使計算量大大減少。實驗表明,將重采樣環(huán)節(jié)放在C32、Cpq前或后對諧波檢測無影響,如在前,則減少了數(shù)字信號處理器(DSP)存儲正、余弦信號的容量,軟件開銷大大降低,根據(jù)三相三線制電網(wǎng)的有功電流ip和無功電流iq只含3n次諧波特征設(shè)計數(shù)字均值低通濾波器,采用數(shù)字Butterworth濾波器的階次最高為3階,計算量減少,大大縮短了動態(tài)響應(yīng)時間。從仿真結(jié)果看,引入重采樣的諧波檢測方式在取消第2組濾波器時,處理效果幾乎不受影響,簡化了系統(tǒng)設(shè)計。1.5基于matlab的濾波仿真文在設(shè)計數(shù)字低通濾波器時,考慮了APF本身的特點及在相應(yīng)的DSP控制芯片中的實現(xiàn)問題,利用該方法采用二階Butterworth型IIR濾波器,低通濾波特性良好,快速性與通帶通過及阻帶阻斷能力強,在實現(xiàn)DSP時,選擇采樣直接II型實現(xiàn)結(jié)構(gòu),占據(jù)內(nèi)存小,運算簡便。用MATLAB軟件仿真研究發(fā)現(xiàn),截止頻率較低時,同樣階數(shù)的濾波器中Butterworth濾波器的檢測精度最高,如要求截止頻率大一些,則Elliptic濾波器最好,而用Bessel濾波器時動態(tài)響應(yīng)過程最快。實際應(yīng)用中應(yīng)視諧波補償要求、補償波形、使用場合等來選擇低通濾波器類型和參數(shù)。文基于瞬時無功功率理論,提出了一種諧波電流的離散檢測新方法,用具有滑動時窗的復化積分濾波法取代傳統(tǒng)的低通濾波法,在該方法中,用矩形滑動時窗截取檢測信號以獲取基波信號。截取時為減小頻譜泄漏帶來的誤差,作者采用加Hamming窗的方法。該方法不受截止頻率及階數(shù)選擇的影響,截止頻率特性好,檢測結(jié)果穩(wěn)定,響應(yīng)速度快,適合在DSP上編程實現(xiàn)。1.6零序電流的去除在檢測不對稱三相四線系統(tǒng)的有害電流時,很多文獻均事先剔除零序電流,然后再采用ip~iq法。理論分析證明,ip~iq法經(jīng)3/2變換后,iα、iβ中都不含零序電流分量,且基波正序分量不受影響,因此含有3/2變換的p~q法、d-q法、ip~iq法都不會受到零序電流的影響,所以這些檢測方法都不用先剔除零序電流而直接用于不對稱三相四線系統(tǒng)有害電流檢測。理論和仿真結(jié)果表明,這種方法能正確檢測出基波零序、負序及諧波分量,改變了長期認為ip~iq法不能直接用于三相四線系統(tǒng)的觀點。2混合控制的新方法包括其他檢測法,以組成新的混合控制方法2.1基于混合控制的諧波控制基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法具有較好的實時性,但在負載電流波形拐點處的補償效果并不理想,出現(xiàn)了鋸齒抖動現(xiàn)象。文針對此問題,在負載電流突變處引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法,系統(tǒng)采用混合控制方式,將瞬時無功功率理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合,利用瞬時無功功率理論補償諧波電流,發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性控制中的優(yōu)勢。檢測諧波和無功的工作主要由瞬時無功功率理論模塊完成,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序模塊起輔助作用,只完成對部分不理想補償電流的修正,原理見圖4。程序運行時,實時計算負載電流的一、二階導數(shù),判斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊入口條件。滿足條件時,進入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊程序。仿真研究表明,改進鋸齒波抖動問題明顯減小??梢姼鞣N檢測方法并不孤立,可綜合各種檢測方法的優(yōu)點來實現(xiàn)對諧波的準確實時檢測,為研究諧波檢測電流的方法提供了新的思路。2.2選擇t型p值瞬時無功功率理論的矢量變換復雜,文在分析了Fryze瞬時功率的定義和三相電路瞬時功率與平均功率的關(guān)系后,提出一種基于平均功率的瞬時無功和諧波電流檢測方法,該方法避開了復雜的矢量變換,檢測精度和實時性較好。電路原理見圖5,Fryze將與電壓波形一致的電流定義為有功電流ip,即:ip(t)=u(t)/K;K=U2effeff2/P;u2a(t)+u2b(t)+u2c(t)=3U2effeff2,其中,u(t)為瞬時電壓;Ueff為每相電壓的有效值。檢測電路利用瞬時電壓和電流得到三相系統(tǒng)的瞬時功率之和p(t),經(jīng)濾波器得到三相系統(tǒng)的平均功率P,基于P并根據(jù)上式得到電路的瞬時有功電流i1、i2、i3,檢測電路減去瞬時有功電流得到電路的瞬時無功和諧波電流。正確求出P是實現(xiàn)算法的關(guān)鍵。通常求P是由積分得到,但給瞬時無功的檢測帶來至少一個周期的延時,文從p(t)和P的關(guān)系中總結(jié)出提高檢測P速度的方法。1)對稱系統(tǒng)中,電流不含諧波分量時,電路中P=p(t),且可實時檢測。2)對稱系統(tǒng)中,電流含諧波分量時,三相對稱電路的p(t)中不僅包含P,且有6K倍的交流分量,為得到P值只需對1/6K周期數(shù)據(jù)積分。3)在不對稱系統(tǒng)中,要得到不對稱電路的P,需對1/2個基波周期數(shù)據(jù)積分,檢測時間至少為1/2個基波周期的時間。這樣從P和p(t)的關(guān)系構(gòu)造出瞬時無功和電流檢測算法。3基于節(jié)拍時間的apf諧波檢測通常情況下APF大多為三相,事實上由單相電路中的非線性負載引起的諧波危害很嚴重。以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)的諧波和無功電流檢測方法在三相APF中得到了成功應(yīng)用,但對單相電路算法較復雜。文提出了一種基于瞬時無功功率理論的新的檢測方法。因三相瞬時無功功率理論總將待檢測的三相信號經(jīng)Park變換為互相垂直的αβ兩相靜止坐標,然后再變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標,經(jīng)低通濾波器濾波后,再作相應(yīng)反變換,得到諧波及無功電流。在單相電路中,也可構(gòu)造一相虛擬電流,假設(shè)其超前實際電流T/4周期,和實際電流形成兩相垂直的坐標系信號。其檢測原理見圖6。圖中est超前T/4環(huán)節(jié),這種檢測法因有T/4的超前相移,用模擬電路較難實現(xiàn),用數(shù)字電路易實現(xiàn)

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