諧波檢測(cè)方法的動(dòng)態(tài)仿真

諧波檢測(cè)方法的動(dòng)態(tài)仿真

0基于apf的諧波電流檢測(cè)20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)、交通和家庭中的各種電力電子裝置越來(lái)越受到重視。這些非線(xiàn)性負(fù)荷的應(yīng)用給整個(gè)電氣系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的波形污染，這不僅降低了電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且給附近用戶(hù)帶來(lái)了干擾。在這種情況下，作為一種典型的動(dòng)態(tài)波形電流補(bǔ)償裝置，源電子驅(qū)動(dòng)器（apf）深受設(shè)計(jì)公司喜愛(ài)。APF的技術(shù)關(guān)鍵之一在于快速準(zhǔn)確的諧波檢測(cè),自從瞬時(shí)無(wú)功功率理論提出以來(lái),基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)法在APF中得到了廣泛的應(yīng)用.作為該理論的發(fā)展應(yīng)用,ip-iq諧波電流檢測(cè)法因其不受電網(wǎng)電壓畸變或不平衡等因素的影響,所以在諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)中得到了應(yīng)用.本文通過(guò)理論推導(dǎo)以及模擬不同電網(wǎng)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)得出結(jié)論,該方法完全可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制中對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性的要求.1三脈無(wú)損壞率理論1.1ip-icp諧波電流檢測(cè)法三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論于1983年由日本學(xué)者提出,該理論以瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q的定義為基礎(chǔ),但未對(duì)有關(guān)的電流量進(jìn)行定義.此后該理論的發(fā)展又引出了瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq的概念,并以此建立了ip-iq諧波電流檢測(cè)法.該方法不論在電源電壓畸變時(shí),還是在三相電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí),都能準(zhǔn)確完成對(duì)諧波電流的檢測(cè).設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ea,eb,ec和ia,ib,ic,把它們轉(zhuǎn)換到正交α-β坐標(biāo)下得到eα,eβ和iα,iβ,轉(zhuǎn)換關(guān)系為:[eαeβ]=c32[aebec][iαiβ][eαeβ]=c32???aebec???[iαiβ]其中C32=√2/3[11-2-1/20√3/2-√3/2]C32=2/3???√[11?2?1/203√/2?3√/2]1.2帶前置低通濾波的a相正序基波電壓根據(jù)三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論建立的諧波檢測(cè)方法有:p-q法,ip-iq法.前者受電壓畸變的影響較大,準(zhǔn)確性差,而ip-iq法則不受電網(wǎng)電壓畸變等因素的影響.下面直接給出瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq的表達(dá)式[ipiq]=CC32[iaibic][ipiq]=CC32???iaibic???其中C=[sinwt-coswt-coswt-sinwt]C=[sinwt?coswt?coswt?sinwt]矩陣C中的正弦信號(hào)sinωt和余弦信號(hào)cosωt是與電網(wǎng)A相正序基波電壓同相位的,即角頻率和初相角都相同.傳統(tǒng)方式通過(guò)鎖相環(huán)(PhaseLocatedLoop-PLL)實(shí)現(xiàn)對(duì)A相電壓頻率和相位的鎖定,但是當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變時(shí),這種方法很難準(zhǔn)確捕捉A相正序電壓.所以,近來(lái)又有學(xué)者提出帶前置低通濾波的A相正序基波電壓提取法.限于篇幅,這里假定已經(jīng)得到A相正序基波電壓同相位的正余弦信號(hào).當(dāng)ia,ib,ic不對(duì)稱(chēng)或者畸變時(shí),ip,iq將由直流分量ˉip,ˉiqiˉp,iˉq和交流分量構(gòu)成,其中的直流分量對(duì)應(yīng)正序基波分量(基波有功電流和基波無(wú)功電流),而交流分量分別與三相電流的諧波分量對(duì)應(yīng).所以,只要濾除其中交流成分,再把直流分量ˉip,ˉiqiˉp,iˉq轉(zhuǎn)換到三相坐標(biāo)下就得到了負(fù)載電流中的正序基波分量,iaf,ibf,fcf,轉(zhuǎn)換過(guò)程如下:[iafibficf]=√23[10-12√32-12-√32][sinwt-coswt-coswt-sinwt]????iafibficf????=23√?????10?123√2?12?3√2?????[sinwt?coswt?coswt?sinwt][ˉipˉiq]=[√2Ι1sin(wt+φ1)√2Ι1sin(wt-2π3+φ1)√2Ι1sin(wt+2π3+φ1)][iˉpiˉq]=????2√I1sin(wt+φ1)2√I1sin(wt?2π3+φ1)2√I1sin(wt+2π3+φ1)????用原負(fù)載電流減去此基波電流即可得到所要補(bǔ)償?shù)闹C波電流:ˉiah=ia-iafiˉah=ia?iafˉibh=ib-ibfiˉbh=ib?ibfˉich=ic-icfiˉch=ic?icf根據(jù)以上原理闡述得出圖1所示的原理框圖.順便指出,當(dāng)要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和時(shí),只需斷開(kāi)圖1中iq通道;如果只需檢測(cè)無(wú)功電流分量,則對(duì)iq反變換即可.2基波群的頻率和基波角頻率理想的電網(wǎng)電壓波形應(yīng)是正弦波,而實(shí)際的電網(wǎng)電壓總存在不同程度的畸變,據(jù)1999年的有關(guān)統(tǒng)計(jì),我國(guó)電網(wǎng)電壓畸變率平均已達(dá)2%-3%,嚴(yán)重時(shí)段,畸變率更高.因此,研究電網(wǎng)電壓畸變下諧波電流的檢測(cè)更具現(xiàn)實(shí)意義.假設(shè)電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱(chēng),負(fù)載電流的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為:ia=∞Σn=1√2Ιnsin(nwt+φn)ib=∞Σn=1√2Ιnsin[nwt-2π3+φn]ic=∞Σn=1√2Ιnsin[nwt+2π3+φn]ia=Σn=1∞2√Insin(nwt+φn)ib=Σn=1∞2√Insin[nwt?2π3+φn]ic=Σn=1∞2√Insin[nwt+2π3+φn]式中:n=3k±1k為整數(shù)(k=0時(shí)取1);ω為基波角頻率;In,φn分別為n次電流諧波的有效值和初相角;按照?qǐng)D1算法原理圖可得:[iαiβ]=√3[∞Σn=1Ιnsin(nwt+φn)∞Σn=1Ιncos(nwt+φn)][iαiβ]=3√?????Σn=1∞Insin(nwt+φn)Σn=1∞Incos(nwt+φn)?????[iαiβ]=[sinwt-coswt-coswt-sinwt][iαiβ]=√3[iαiβ]=[sinwt?coswt?coswt?sinwt][iαiβ]=3√[∞Σn=1Ιncos[(n-1)wt+φn)]-∞Σn=1Ιnsin[(n-1)wt+φn)]]?????Σn=1∞Incos[(n?1)wt+φn)]?Σn=1∞Insin[(n?1)wt+φn)]?????ip經(jīng)過(guò)低通濾波后,再轉(zhuǎn)換到三相坐標(biāo)下可得其直流分量ˉip,ˉiqiˉp,iˉq:[ˉipˉiq]=[√3Ι1cosφ1-√3Ι1sinφ1]將該直流分量變換到三相系統(tǒng),最終將負(fù)載電流中的基波準(zhǔn)確分離出來(lái).3ip-icp法測(cè)定負(fù)載基波分量的試驗(yàn)為更好地分析檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能,這里以常見(jiàn)的三相全橋二極管整流電路為負(fù)載,在Simulink下建立了仿真模型.試驗(yàn)1:電網(wǎng)電壓額定頻率50Hz,線(xiàn)電壓380V.圖2給出了利用ip-iq法的檢測(cè)結(jié)果,從中可以看出,該方法很好地檢測(cè)出了基波分量.圖3給出了負(fù)載電流及檢測(cè)出的基波分量的頻譜.試驗(yàn)2:模擬實(shí)際系統(tǒng)中的畸變電壓,在電網(wǎng)電壓中疊加了5次和7次諧波.圖4給出了此時(shí)系統(tǒng)的電壓波形.圖5為檢測(cè)結(jié)果圖,可以看出,法也準(zhǔn)確檢測(cè)出了負(fù)載中的基波電流分量.檢測(cè)方法中的低通濾波器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,它很大程度上影響檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,圖6給出了不同階數(shù)的低通濾波器下,系統(tǒng)檢測(cè)性能的對(duì)比,可以看出,低階低通濾波響應(yīng)更快.4仿真結(jié)果和仿真結(jié)果通過(guò)理論分析和仿真結(jié)果可以看出:1)就ip-iq諧波電流檢測(cè)法的總體性能而言,該方法算法簡(jiǎn)潔,靈活性大,適當(dāng)更改結(jié)構(gòu),可以分離出基波中的有功分量或無(wú)功分量.2)就檢測(cè)方法的適用條件而言,由于只取與A相基波正序電壓同相位的sinωt和cosωt參與運(yùn)算,即使電網(wǎng)電壓存在畸變或者不平衡也不會(huì)影響基波電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性.本仿真中有意在電網(wǎng)電壓中加入了0.2pu的五次諧波電壓和0.15pu的七次諧波電壓(都以基波的電壓為基準(zhǔn)值),以模擬實(shí)際電網(wǎng).通過(guò)圖5的仿真結(jié)果可以清楚地看出,基波檢測(cè)并沒(méi)有受到影響.這是很具現(xiàn)實(shí)意義的.還應(yīng)指出,市電電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí),只要能準(zhǔn)確得到與基波正序電壓同相位的正余弦信號(hào),該方法還能準(zhǔn)確分離出基波電流的有功分量和無(wú)功分量.顯然,傳統(tǒng)的PLL技術(shù)是不能實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)目標(biāo)的.3)就檢測(cè)的動(dòng)態(tài)性能而言,在電流采樣、相位鎖定、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、濾